Proposal for a remote sensing trophic state index based upon Thematic Mapper/Landsat images

  • Evlyn Márcia Leão de Moraes Novo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
  • Luciana de Resende Londe Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais – CEMADEN
  • Claudio Clemente Faria Barbosa Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
  • Carlos Alberto Sampaio de Araujo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
  • Camilo Daleles Rennó Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
Keywords: water quality, phytoplankton, monitoring

Abstract

This work proposes a trophic state index based on the remote sensing retrieval of chlorophyll-α concentration. For that, in situ Bidirectional Reflectance Factor (BRF) data acquired in the Ibitinga reservoir were resampled to match Landsat/TM spectral simulated bands (TM_sim bands) and used to run linear correlation with concurrent measurements of chlorophyll-α concentration. Monte Carlo simulation was then applied to select the most suitable model relating chlorophyll-α concentration and simulated TM/Landsat reflectance. TM4_sim/TM3_sim ratio provided the best model with a R2 value of 0.78. The model was then inverted to create a look-up-table (LUT) relating TM4_sim/TM3_sim ratio intervals to chlorophyll-α concentration trophic state classes covering the entire range measured in the reservoir. Atmospheric corrected Landsat TM images converted to surface reflectance were then used to generate a TM4/TM3 ratio image. The ratio image frequency distribution encompassed the range of TM4_sim/TM3_sim ratio indicating agreement between in situ and satellite data and supporting the use of satellite data to map chlorophyll- concentration trophic state distribution in the reservoir. Based on that, the LUT was applied to a Landsat/TM ratio image to map the spatial distribution of chlorophyll- trophic state classes in Ibitinga reservoir. Despite the stochastic selection of TM4_sim/TM3_sim ratio as the best input variable for modeling the chlorophyll-α concentration, it has a physical basis: high concentration of phytoplankton increases the reflectance in the near-infrared (TM4) and decreases the reflectance in the red (TM3). The band ratio, therefore, enhances the relationship between chlorophyll- concentration and remotely sensed reflectance.

Author Biographies

Evlyn Márcia Leão de Moraes Novo, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
Possui graduação em Geografia pela Faculdade de Filosofial Ciências e Letras de Rio Claro (1973), mestrado em Sensoriamento Remoto pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (1976) e doutorado em Geografia (Geografia Física) pela Universidade de São Paulo (1984). Atualmente é pesquisadora titular III do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Tem experiência na área de Geociências, com ênfase em Sensoriamento Remoto, atuando principalmente no desenvolvimento de novas aplicações dessa tecnologia ao estudo e manejo de recursos hídricos. Participa como pesquisadora da Rede Temática Geoma, em estudos voltados à integração de tecnologia espacial e sensoriamento remoto no desenvolvimento de modelos de funcionamento das áreas alagáveis. Docente do programa de Pós-graduação em Sensoriamento Remoto do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais desde 1985. Endereço para acessar este CV: http://lattes.cnpq.br/9857505876280820 Vínculo: Servidor Público, Enquadramento Funcional: PESQUISADOR TITULAR III, Carga horária: 40, Regime: Dedicação exclusiva.
Luciana de Resende Londe, Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais – CEMADEN
Possui doutorado em Sensoriamento Remoto pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE (2008), mestrado em Engenharia Agrícola (Área de Concentração Água e Solos) pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP (2002) e graduação (Bacharelado e Licenciatura Plena) em Ciências Biológicas pela Universidade Federal de Uberlândia - UFU (1997). Tem experiência na área ambiental, com ênfase em recursos hídricos, atuando principalmente nos seguintes temas: sensoriamento remoto, limnologia, ficologia, cianobactérias,pigmentos algais, tratamento de água, qualidade da água. Realizou 6 meses de "doutorado sanduíche" em Edinburgh (UK) e morou por um ano em Valencia, Espanha. Trabalhou no Inter-American Institute for Global Change Research (IAI) e atualmente é Gerente de Pesquisas em Desastres Naturais no CEMADEN - Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais. Endereço para acessar este CV: http://lattes.cnpq.br/6188923725740534 Vínculo: Servidor Público, Enquadramento Funcional: Pesquisadora, Carga horária: 40
Claudio Clemente Faria Barbosa, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
Possui graduação em Engenharia pela Universidade do Vale do Paraíba (1980), mestrado em Sensoriamento Remoto pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (1997) e doutorado em Sensoriamento Remoto pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (2005). Atualmente é tecnologista do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Tem experiência na área de Computação e Geociência, com ênfase em Sistemas de Informação geográfica e Sensoriamento Remoto, atuando principalmente no desenvolvimento de aplicações destas tecnologias em ecossistemas aquáticos. Participa de pesquisas da Rede Temática Geoma, desenvolvendo modelos de funcionamento das áreas alagáveis utilizando sensoriamento remoto e dados in situ. Endereço para acessar este CV: http://lattes.cnpq.br/1596449770636962 Vínculo: Servidor Público, Enquadramento Funcional: Tecnologista, Carga horária: 40
Carlos Alberto Sampaio de Araujo, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
É bacharel em Oceanografia (2007) e mestre em Oceanografia Química e Geológica (2010) pela Universidade de São Paulo. Possui experiência em sedimentação marinha e na utilização de geotecnologias aplicadas a ambientes marinhos, costeiros e de águas interiores. Atualmente realiza, junto a Divisão de Sensoriamento Remoto do INPE, atividades de pesquisa na área de limnologia aplicadas ao monitoramento de reservatórios. Endereço para acessar este CV: http://lattes.cnpq.br/4915211809920432 Vínculo: Colaborador, Enquadramento Funcional: Autônomo, Carga horária: 40, Regime: Dedicação exclusiva.
Camilo Daleles Rennó, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
Possui graduação em Engenharia Agronômica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (1992), mestrado em Sensoriamento Remoto pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (1995) e doutorado em Sensoriamento Remoto pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (2003). Atualmente é tecnologista senior III da Divisão de Processamento de Imagens do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. É membro do corpo docente permanente do curso de Pós Graduação (Mestrado e Doutorado) em Sensoriamento Remoto (OBT/INPE) e do curso de Pós Graduação (Doutorado) em Ciência do Sistema Terrestre (CCST/INPE). Principais temas de atuação: Processamento de Imagens, Modelagem Hidrológica e Estudos da Amazônia. Endereço para acessar este CV: http://lattes.cnpq.br/7712719010541171 Vínculo: Servidor Público, Enquadramento Funcional: Tecnologista Senior III, Carga horária: 40, Regime: Dedicação exclusiva.
Published
19/12/2013
Section
Papers