Application of close range remote sensing for monitoring aquatic environment

Abstract

Veekogude kvaliteedi hindamine on inimkonnale oluline olnud juba tuhandeid aastaid ja viimastel aastakümnetel on rohkem tähelepanu hakatud pöörama ka veekogude ökoloogilisele seisundile. Euroopas on veekogude kvaliteedi hindamise aluseks kaks dokumenti: Euroopa Liidu Vee Raamdirektiiv ja Euroopa Liidu Merestrateegia Raamdirektiiv. Mõlemad dokumendid sätestavad, et aastaks 2020 tuleb Euroopa Liidu veekogudes saavutada „hea“ seisund. Nende eesmärkide täitmiseks tuleb regulaarselt veekogude seisundit seirata. Kuivõrd kõikidelt veekogudelt veeproovide võtmine ja laboris analüüsimine ei ole võimalik (liigne raha ja tööjõukulu) ning lisaks ei anna sellised proovid ülevaadet veekogu seisundi parameetrite ruumilise jaotuse kohta tuleb appi võtta optilised instrumendid. Lisaks välitöödel kasutatavale optikale on Copernicus programmi raames järgnevatel aastakümnetel kättesaadav ka mitu erinevat satelliiditulemit. Nende tulemite kasutamiseks peab aga pidevalt nende täpsust hindama ja leidma täpsemaid arvutusmeetmeid, mis sobiksid konkreetsete parameetrite hindamiseks. Töö käigus tõestati, et vee optilised omadused, nagu neeldumine ja hajumine, varieeruvad Läänemere rannikuosas rohkem, kui on variatsioon ranniku ja mere keskosa vahel. Lisaks absoluutväärtuste erinevusele tuvastati ka spektraalse kuju muutusi eri piirkondade vahel. Tõestati, et elektromagnetkiirguse lähisinfrapuna piirkonda saab rakendada veekogude seires (tavaliselt eeldatakse, et selles spektripiirkonnas on veest tulev signaal null) ja eriti on see kasulik ohtralt lahustunud orgaanikat sisaldavate järvede seires. Testiti ja pakuti välja sobivaid kaugseire algoritme Läänemere vee kvaliteedi parameetrite hindamiseks. Analüüsiti erinevate spektromeetrite tulemuste varieeruvust ja leiti, et mõõtmisprotokolli korrektsel jälgimisel on erinevate sensorite tulemused küll erinevad, ent seire teostamiseks piisavalt sarnased. Lõpetuseks uuriti, millised on erinevate käsispektromeetrite potentsiaalsed rakendused.

Knowing the quality of different waterbodies has been essential for human kind for thousands of years. There are two main European Union’s documents guiding the status assessment of water bodies: Water Framework Directive and Marine Strategy Framework Directive. Both of these documents state that all waterbodies in the European Union have to achieve “good” status by the year 2020. In order to fulfil this requirement, water bodies have to be monitored in regular bases. It is impossible to collect laboratory samples from every waterbody as it would be too expensive and would require many workers and still wouldn’t provide information about the spatial distribution of water quality parameters within each waterbody. Optical instruments can provide data fast and over larger areas and therefore have to be included in the monitoring programs. In addition to devices used at the in situ measurements are several satellite products that are available through Copernicus program for the coming decades. These products must, however, be constantly validated with in situ measurements. Additionally, new calculation methods have to be developed to improve the results precision. During this thesis, the variability of optical properties (like absorption and scattering) was assessed in the Baltic Sea. It was studied how much this variability influences the reflectance signal that reaches water remote sensing instruments. The performance of different set-ups and protocols of field spectrometers to collect reflectance data was assessed. The possibility to use near-infrared part of the spectrum in water remote sensing was investigated. In extreme absorbing lakes this is the only part of radiation providing us information about the water properties, but it proved to be useful also in other waterbodies. The performance of many remote sensing algorithms in retrieving water quality parameters in the Baltic Sea was tested. The possible applications for hand-held spectrometers were investigated.