Evaluierung von Wasserqualitätsalgorithmen für MERIS Daten in Florida

Der See „Lake George” ist einer von zehn ausgewählten Seen in Florida, der für schnelle und iterative Prozessierungen mit Wasserqualitätsalgorithmen für MERIS Daten ausgewählt wurde, um Chlorophyll-a Konzentrationen zu berechnen. Aufgrund der signifikanten Level 2 Prozessierungsergebnisse durch Zeitserien und Matchups, konnten weiterführend Level 3 Aggregationen für die Seen im Jahre 2008 errechnet werden, wodurch eine Bewertung des ökologische Zustandes des jeweiligen Sees möglich wurde.

Bachelorarbeit: Evaluating water quality algorithms for MERIS data for an ecological assessment of selected water bodies in Florida, USA. In Zusammenarbeit mit Brockmann Consult.
Autor: Mortimer Werther

Der Einsatz von Gewässerfernerkundung unterstützt die Quantifizierung von biogeochemischen Parametern von Oberflächengewässern, indem Instrumente spektroradiometrische Messungen am Boden, aus der Luft, oder der Erdumlaufbahn erheben. Seit der erfolgreichen Demonstration durch den Coastal Zone Color Scanner (CZCS, 1978-1986), der aufzeigte, dass quantitiative Messungen von geophysikalischen Variablen wie Chlorophyll-a, sowie die Ableitung von spektral diffusen Dämpfungskoeffizienten aus der Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre möglich sind, wurden in den 90er Jahren mehrere internationale Raumfahrtmissionen mit Kapazitäten zur Messung der Ozeanfarben entsandt. Seitdem wurden die Messinstrumente und Methoden verbessert, die somit Anwendungen von zunehmender optischer Komplexität erst ermöglichen. Die aktuelle Generation satellitengestützter Bildspektrometer der Ozeanographie, als auch die hierfür verwendeten Wasserinhaltsstoffalgorithmen, bieten die Möglichkeit Aussagen über die Wasserqualität von optisch komplexen Gewässern, wie beispielsweise Seen, zu treffen. Diese Arbeit zielt auf die Evaluation von geeigneten Wasserqualitätsalgorithmen ab, um die Wasserqualitätsmessungen der Vereinigten Staaten von Amerika zu verstärken. Hierbei liegt der Fokus auf den Binnengewässern von Florida. Die Arbeit adressiert die amerikanischen, innerstaatlichen und juristischen Strukturen der Wasserqualitätskontrollen, explizit wird hierbei die Struktur der Zusammenarbeit zwischen der nationalen Umweltbehörde und dem Bundesstaat Florida aufgezeigt, welche die benötigten in-situ Daten der Seen bereitstellen. Um einen Eindruck der Umweltbelastungen auf die Gewässer von Florida zu erhalten, wurden die ökologischen Trends der Gewässer beschrieben, welche zu einer heterogenen Auswahl der prozessierten Seen führten. Eine Reihe von verschiedenen Wasserqualitätsalgorithmen wurde angewandt um Level 1 MERIS Daten von Florida für den Zeitraum von sechs Jahren (2003-2009) zu prozessieren. Der erste Algorithmus (CoastColour) enthält zwei gekoppelte neuronale Netzwerke, die der Berechnung der Atmosphärenkorrekturen und der Gewinnung der optischen Eigenschaften durch die vom Wasser zurückgestreute Strahlung, zugeordnet sind. Der zweite Algorithmus (FUB/WeW) beruht auf verschiedenen, einzelnen neuronalen Netzwerken, die für die Gewinnung von Chlorophyll-a und anderen Inhaltsstoffwerten aus der Strahldichte an der Obergrenze der Atmosphäre, benutzt werden. Zuletzt wendet der dritte beschriebene Algorithmus (Maximum peak-height) eine Sequenz von arithmetischen Ausdrücken an, um mittlere bis hohe Chlorophyllkonzentrationen in verschiedenen optischen Bereichen berechnen zu können. Die abgeleiteten Ergebnisse der prozessierten Zeitserien und Matchups ermöglichten eine beispielhafte, ökologische Einschätzung des Sees „Lake George“, indem der FUB Prozessor für eine konsekutive Level 3 Aggregation eingesetzt wurde. Die Resultate heben die Vorzüge der Gewässerfernerkundung für die Verbesserung der Überwachung von Binnengewässern in den USA hervor.