Comparison of algorithms to estimate chlorophyll-a in inland and coastal waters of Brazil

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1 Comparison of algorithms to estimate chlorophyll-a in inland and coastal waters of Brazil Milton Kampel, Dr. Head of Remote Sensing Division National Institute for Space Research (INPE) Brazil 1 st CoastColour User Consultation Meeting, Frascati 2010

2 WHO WE ARE Main civilian organization for space activities in Brazil Staff of ~ years in 2010 INPE headquaters, 2004, São José dos Campos, SP

3 MISSION Fostering science and technology in earth and space context and be able to offer products and regular services in benefit of Brazil. VISION Become a National and international reference in both space and earth environment fostering knowledge and attending and anticipating demands on Brazilian society life quality progress.

4 Facilities Alcântara MA São Luís MA Eusébio CE Natal RN Cuiabá MT Brasília DF Santa Maria RS Sao Jose dos Campos SP Headquarters Cachoeira Paulista SP CPTEC Atibaia SP CRAAM SP

5 Role of Remote Sensing Long-term: Time-series Change detection Identify anthropogenic contributions Cal/Val models Short-term: High quality information Support for operational services oceanography land cover/change planning desasters

6 GEOSS: Social benefits

7 GEOSS: Social benefits SAFARI ChloroGIN/Antares Inland/Coastal RS WG

8 CEOS Virtual Constellations Common requirements, independent satellites, comparable data (CEOS Committee on Earth Observation Systems) Athmospheric Chemistry Air quality, CO2 Land Imaging (Brazil: CBERS, Amazonia-1) Ocean Surface Topography Climatic variability Ocean Colour (Brazil: SABIA-MAR) Precipitation (Brazil: GPM-BR) Ocean Surface Winds

9 INPE s ground systems Cuiaba image reception station Satellite control center (São José)

10

11

12 Oil spill from a ship

13 Oil seep Brazil Current ASAR Campos Basin Brazil

14 Study Area 16

15 Conceptual display of Water Masses-Currents with mesoscale features for SW South Atlantic CF V ST AVHRR SST Cape São Tomé V Vitória Eddy ST São Tomé Eddy CF Cabo Frio Eddy

16 FITOSAT I Cruise - Bathymetry & Stations São Tomé Cape Frontal Eddy Brazil Current 18 Kampel et al., 2009

17 Freqüência (%) In situ - Fluorometry 2 L surface water samples with Niskin bottles 18 stations, 21-25/NOV/2004 Turner Designs TD-700 (Parsons et al. 1984) 0,077 a 0,197 mg m CSM insitu = (±0.039) N = Mais Log [CSM insitu ] 19

18 In situ Above-water Radiometry 29 stations Hyperspectral Spectron SE590 radiometer nm nm (5 nm) Protocol suggested by Fougnie et al. (1999) with polarizer SeaWiFS and MODIS bands were simulated integrating the radiometric data by the trapezoidal rule. 20

19 In situ - Above-water Radiometry Remote sensiong reflectance R RS ( ) L E w d E ( ) L( ) ( ) ( ) d f c OC2v4 2 3 (0,319 2,336R2 S 0,879R2 S 0,135R2 S 10,0 C a 0,071 OC4v (0,366 3,067R4 S 1,930R4 S 0,649R4 S 1,532R4 S C 10,0 a OC3M (0,283 2,753R3 M 1,457R3 M 0,659R3 M 1,403R3 M C 10,0 a ) ) ) Eq.1 Eq R2 S log 10 R555 R4 S log 10 Rmax R3 M log 10 Rmax 21

20 In situ - Above-water Radiometry 22

21 Freqüência (%) Freqüência (%) Freqüência (%) In situ - Above-water Radiometry 100 OC2 RAD = 0,293 (±0,116) 100 OC4 RAD = 0,222 (±0,098) 100 O3M RAD = 0,226 (±0,103) Mais Log [Clorofila-a ] Mais Log [Clorofila-a ] Mais Log [Clorofila-a ] 23

22 Freqüência (%) LIDAR 0,5 0,4 CSM LIDAR 4,9*( Icl CSM LIDAR = 0,124 (±0,04) ) 0, CSM LIDAR = 0.14 (±0.04) N = , Mais Log [CSM LIDAR ] 0,2 0, Cl* Cloro Lab Ist xoil

23 Frequencia (%) Frequencia (%) Frequencia (%) MODIS/Aqua OC3M GSM01 Carder St. Tome Cape St. Tome Cape St. Tome Cape OC3M sat = 0.14 (±0.02) N = Carder sat = 0.28 (±0.06) N = GSM01 sat = 0.11 (±0.02) N = Mais Log [OC3M sat ] Log [Carder sat ] 0.06 Mais Log [GSM01 sat ] 0.06 Mais

24 Comparisons Algorithm/LIDAR rmse-l rmse OC2v4 RAD 1,36 0,40 OC4v4 RAD 0,93 0,28 OC3M RAD 0,93 0,28 OC3M SAT 0,36 0,11 GSM01 SAT 0,28 0,08 Carder SAT 1,14 0,34 CSM LIDAR 0,48 0,14

25 Comparisons

26 Oil Seepage RADARSAT Banda C Res: 50 m ASTER b1 (0,5-0,6 µm) Res: 15 m CBERS-2 2r1g1b b1 (0,63-0,69 µm) b2 (0,77-0,89 µm) Res: 260 m

27 MODIS MERIS - AVHRR

28 chl insitu MERIS x In situ Chl Comparisons 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 algal_1 0,25 0,20 algal_2 Linear (algal_1) Linear (algal_2) 0,15 y = 0,0871x + 0,1012 R² = 0,0745 0,10 y = 0,1751x + 0,063 R² = 0,4659 0,05 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 MERIS chl

29 DEPROAS Project

30 DEPROAS Project OC4 OC2 GSM NN

31 Freqüência relativa Mais Log C insitu (mg.m -3 )

32 RESULTADOS CSM Médias Mensais 1.8 Clorofila (mg.m -3 ) #1 SW #1 MOD #2 SW #2 MOD #3 SW #3 MOD #4 SW #4 MOD #5 SW #5 MOD #6 SW #6 MOD #7 SW #7 MOD #8 SW #8 MOD jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Tempo (07/ /2007) #1 SW=0,99 MOD=0,79 mg.m -3 #5 SW=0,34 MOD=0,30 mg.m Kampel et al XIV SBSR - Natal

33 Clorofila (mg.m -3 ) Clorofila (mg.m -3 ) #1 SW #1 MOD 0.8 RESULTADOS 0.0 Jul-02 Jul-03 Jul-04 Jul-05 Jul-06 Jul #3 SW #3 MOD #2 SW #2 MOD 0.0 Jul-02 Jul-03 Jul-04 Jul-05 Jul-06 Jul #4 SW #4 MOD SeaWifs - MODIS Caixas rmse-l RDP r 2 Declividade Intersecção #1 0,41-19, #2 0,24-9, #3 0,26-12, #4 0,28-10, N=63 #5 0,27-9, #6 0,27-8, #7 0,28-13, #8 0,24-11, #2 0.0 Jul-02 Jul-03 Jul-04 Jul-05 Jul-06 Jul Jul-02 Jul-03 Jul-04 Jul-05 Jul-06 Jul #5 SW #5 MOD 0.8 #6 SW #6 MOD Clorofila (mg.m -3 ) # Jul-02 Jul-03 Jul-04 Jul-05 Jul-06 Jul Jul-02 Jul-03 Jul-04 Jul-05 Jul-06 Jul #7 SW #7 MOD 0.8 #8 SW #8 MOD Clorofila (mg.m -3 ) Jul-02 Jul-03 Jul-04 Jul-05 Jul-06 Jul-07 Tempo (07/ /2007) 0.0 Kampel Jul-02 Jul-03 et al. Jul Jul-05 - XIV Jul-06 SBSR Jul-07 - Natal Tempo (07/ /2007)

34 MODIS x in situ Chl = 0,14 e 2,55 mg.m -3, avg=0,49 (± 0,46) mg.m -3 Clorofila-a in situ (mg m -3 ) CARDER GSM01 OC3M Clorofila-a estimada por satélite (mg m -3 ) Algoritmo rmse rmse-l RDP r 2 Declividade Intersecção N OC3M 0,23 0,76 1,32 0,82 3,38-0,71 31 CARDER 0,29 0,97 32,29 0,82 4,05-0,82 30 GSM01 0,25 0,82-22,19 0,81 1,62-0,24 30

35 chl insitu MERIS x In situ 6,0 5,0 4,0 algal_1 3,0 algal_2 Linear (algal_1) Linear (algal_2) 2,0 y = -0,1892x + 0,5359 R² = 0,0083 1,0 y = -0,0466x + 0,5027 R² = 0,0287 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 MERIS chl

36 ANTARES-Ubatuba TST 23 o 44 S 45 o 00 W 38

37 Rrs (sr -1 ) Above-water radiometry 0,010 0,009 0,008 Ub01 Ub02 Ub03 Ub04 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 Ub02 Ub01 Ub05 Ub07 Ub08 Ub09 Ub10 Ub11 0,002 Ub12 0,001 0, Ub12 Ub13 Ub14 Comprimento de onda (nm) 39

38 Clorofila-a Algoritmo OC3M (mg m -3 ) Freqüência (%) Clorofila-a Algoritmo OC2 (mg m -3 ) Clorofila-a Algorimo OC4 (mg m -3 ) Empirical algorithms comparison Clorofila-a in situ (mg m -3 ) Clorofila-a in situ (mg m -3 ) Chlorophyll-a in situ (mg m -3 ) ,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 Log 10 [Clorofila in situ] (mg m -3 ) 40

39 Clorofila a (mgm 3 ) Satellite x in situ /12/ /02/05 17/02/05 29/03/05 06/05/05 25/05/05 08/06/05 13/07/05 11/08/05 29/09/05 16/10/05 11/11/05 6/12/ Dias (Dez./2004 a Jan./2006)

40 Variability analisis

41

42

43 MODIS MERIS SeaWiFS - AVHRR

44 MERIS (ENVISAT) in Amazon River Mouth

45 Reflectance in the Amazon region Rrs_agua rad_1 rad_2 12_rad_a 12_rad_b 13_rad 16_rad rad_3 20_rad 21_rad 24_rad 25_rad

46

47 Inland waters

48 Itumbiara reservoir barragem

49 Sampling Field campaigns May 2009 September 2009

50 Hidrological cycle Precipitation and air temperature Fonte: INMET Water Level.

51 Data and Methods Análise derivativa Dados de Rrs K-médias Razão de bandas Dados in situ Dados limnológicos POIs Dados satélite Análise espacial - krigeagem Análise de variância Diagrama triangular PL2 Dados de Rrs Dados in situ Processadores MERIS Razão de bandas Dados satélite Spectral unmixing MODIS K-médias

52 MERIS processors C2R (Case 2 Regional) BOREAL EUTROPHIC

53 Total C Total C DOC DOC DIC mg/l DIC May Sep

54 Turbidity NTU Temperature ºC May Sep

55 Fitoplâncton - setembro 0.05 aph (m -1 ) a ph (m -1 ) Fitoplâncton - maio 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0, Comprimento de onda (nm) Comprimento de onda (nm) ad (m -1 ) Detritos - maio Comprimento de onda (nm) ad (m -1 ) Detritos - setembro Comprimento de onda (nm) CDOM - maio CDOM - setembro acdom (m -1 ) Comprimento de onda (nm) acdom (m -1 ) Comprimento de onda (nm)

56 maio setembro

57 maio Rrs (sr -1 ) Comprimento de onda (nm) setembro Rrs (sr -1 ) Comprimento de onda (nm)

58 Rrs (sr -1 ) P Comprimento de onda (nm) IN SITU C2R BOR EUL Rrs (sr -1 ) P Comprimento de onda (nm) IN SITU C2R BOR EUL Rrs (sr -1 ) P Comprimento de onda (nm) IN SITU BOR C2R EUL maio

59 Rrs (sr -1 ) P Comprimento de onda (nm) IN SITU C2R BOREAL EUT Rrs (sr -1 ) P17 IN SITU C2R BOREAL EUT Comprimento de onda (nm) Rrs (sr -1 ) P23 C2R BOREAL EUT Comprimento de onda (nm) IN SITU setembro

60 K-médias MERIS 07/05/2009 MERIS 12/09/2009 MODIS 10/05/2009 MODIS 10/09/2009

61 Profundidade (m) Profundidade (m) b bp 470 nm b bp 470 nm m Bbp (470 nm) Bbp (470 nm) maio setembro

62 Spectral unmixing Chl Organic matter Sediments Clear water May

63 Chl Organic matter sediments Clear water Sep

64 Open access data polices will enable the Global Earth Observation System of Systems to succeed

65 Thank you

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