Exploiting spaceborne imaging spectroscopy in optically complex waters for aquatic ecosystems mapping

Abstract

See väitekiri uurib, kuidas Itaalia kosmosagentuuri missiooni PRISMA, Maa vaatluse hüperspektraalse satelliitsensori, andmeid saab kasutada järvede ja rannikuvete ökoloogilise seisundi uurimiseks. Uuring keskendub PRISMA andmete valideerimisele ja nende kombineerimisele teiste sarnaste Euroopa missioonidega, DESIS ja EnMAP, et parandada veeökosüsteemide seiret. Veekeskkonnad on tähtsad bioloogilise mitmekesisuse, kliima reguleerimise ja inimeste heaolu jaoks, kuid neid ähvardavad üha suuremad ohud kliimamuutuste, eutrofeerumise ja reostuse tõttu. Traditsioonilised välimõõtmised, kuigi täpsed, ei suuda tabada ulatuslikke või ajutisi nähtusi. Satelliidipõhine kaugseire pakub täiendavat viisi nende keskkondade pidevaks ja globaalseks jälgimiseks. Hüperspektraalsed satelliitsensorid, nagu PRISMA, salvestavad signaali sadades kitsastes spektrivahemikes, võimaldades vee kvaliteedi ja veetaimestiku analüüsi. Uuringus hinnati PRISMA andmete täpsust, võrreldes neid rahvusvaheliste vaatlusvõrkude maapealsete võrdlusandmetega ja täiendavate välimõõtmistega. Tulemused näitasid, et PRISMA andmed on usaldusväärsed nähtava kiirguse spektripiirkonnas ja et täiustatud töötlemismeetodid saavad täpsust veelgi parandada. Valideeritud andmete abil loodi klorofüll-a, hõljuva aine ja veetaimestiku kaardid. Koos DESIS ja EnMAP andmetega võimaldasid PRISMA andmed laiemat ja sagedasemat seiret, uurimaks Itaalia ja Eesti järvede vee kvaliteedi ja taimestiku hooajalisi muutusi ja suundumusi. Tulemused näitavad, et kosmoses asuvad hüperspektraalsed satelliitsensorid võimaldavad anda väärtuslikke andmeid loomaks veeökosüsteemide analüüsimiseks vajalikke tööriistu. Nende andmete integreerimine keskkonnaseiresse mitte ainult ei toeta Euroopa veepoliitika raamdirektiivi, vaid sillutab teed ka tulevastele missioonidele, näiteks Euroopa CHIME satelliit.

This thesis explores how data from the Italian space mission PRISMA, a hyperspectral satellite for Earth Observation, can be exploited to study the ecological status of lakes and coastal waters. The research focuses on validating PRISMA data and combining it with other existing similar European missions, DESIS and EnMAP, to improve the monitoring of aquatic ecosystems. Aquatic environments are vital for biodiversity, climate regulation, and human well-being, yet they face increasing threats from climate change, eutrophication and pollution. Traditional field measurements, though accurate, cannot capture large-scale or temporary phenomena. Satellite remote sensing offers a powerful, complementary way to monitor these environments continuously and globally. Hyperspectral sensors like PRISMA records hundreds of narrow spectral bands, enabling detailed detection of water quality and aquatic vegetation. The study assessed the accuracy of PRISMA data by means of comparison with ground measurements from international observation networks and ad-hoc fieldworks. Results showed that PRISMA performs well in key visible wavelengths, and that advanced processing methods can further improve the accuracy. Using the validated data, maps of chlorophyll-a, suspended matter, and aquatic vegetation were generated. When combined with DESIS and EnMAP, PRISMA data allowed broader and more frequent monitoring, revealing seasonal changes and trends in water quality and vegetation across Italian and Estonian lakes. The results demonstrate that spaceborne hyperspectral satellites are valuable tools for understanding and managing aquatic ecosystems. Their integration into environmental monitoring not only supports the European Water Framework Directive, but also paves the way for future missions, such as the launch of the European CHIME satellite planned for within the next five years.