Optical water type guided approach to estimate water quality in inland and coastal waters

Abstract

Inimestele on meeldinud ajast aega elada seal, kus maa ja vesi kohtuvad. Mistõttu on järvede, jõgede ja rannikualade lähedal inimtegevuse mõju suurenenud, mis omakorda põhjustab veekogude seisundi muutumist ning loob vajaduse veekogude operatiivseks seireks. Enamasti põhinevad veekogude seireprogrammid veekogudes teostatud punktmõõtmistel. See meetod aga ei suuda kajastada kogu veekogu kiiresti muutuvaid omadusi ja reaalset seisundit. Seetõttu on oluline lisaks punktmõõtmistele rakendada veekeskkonna operatiivse jälgimise meetodeid, millest kaugseire on üks võimsamaid. Kaugseire pakub tõhusaid viise veekvaliteedi ruumiliste ja ajaliste erinevuste jälgimiseks. Euroopa Liidu ja Euroopa Kosmoseagentuuri Copernicus programmi raames loodud Sentinel-2 ja Sentinel-3 seeria satelliitide hea ruumilise, ajalise ja spektraalse lahutusega andmete tasuta kättesaadavus on loonud reaalse võimaluse sise- ja rannikuvete seires operatiivselt kasutada täiendavalt satelliitandmeid. Need andmed võimaldavad jälgida kogu veekogu ajalist ja ruumilist muutlikkust ning seirata ka raskesti ligipääsetavaid veekogusid. Sise- ja rannikuveed on optiliselt keerukad, sest vee optilised omadused on mõjutatud sõltumatult erinevate optiliselt aktiivsete ainete poolt. Seetõttu standardsed kaugseire algoritmid veekvaliteedi hindamiseks neis veekogudes tihti ei tööta. Doktoritöö tulemusena tutvustati optiliste veetüüpide põhist lähenemist sise- ja rannikuvete veekvaliteedi parameetrite hindamiseks kaugseireandmete põhjal. Eelnimetatud meetod võtab arvesse vee optilisi omadusi ega piiritle ennast konkreetse veekoguga, seetõttu on tulemused rakendatavad kõigil sarnaste optiliste omadustega veekogudel üle maailma.

Humans have long enjoyed living where land and water meet. At the same time, the impact of human activities close to lakes, rivers, and coastal areas has increased, which has caused the deterioration of water bodies. Therefore, the state of a water body requires constant monitoring to assess the magnitude of the impact of human activity and to respond when needed. Traditional water monitoring programs are mainly based on in situ measurements; however, considering that water bodies are dynamic in nature, this method may not reflect the status of the whole water body. Therefore, in addition to traditional monitoring, it is important to implement methods that allow more operative monitoring of the aquatic environment. Remote sensing offers effective ways to observe spatial and temporal variations in water quality. The free availability of data with high spatial, temporal and spectral resolution from the Sentinel-2 and Sentinel-3 family satellites launched under the European Union and the European Space Agency Copernicus programme has created a real opportunity for satellite data being used operationally for additional water quality monitoring for inland and coastal waters. Such waters are optically complex, as they are independently influenced by different optically significant constituents. Therefore, standard remote sensing algorithms to estimate water quality often fail in these waters. As a result of the thesis, an optical water type guided approach to estimate water quality in inland and coastal waters using remote sensing data was presented. The method considers the optical properties of water but does not limit itself to a particular water body. So, results are applicable to all the water bodies with similar optical properties of water.