بخشی از مقاله
چکیده :
نظارت بر رنگ اقیانوسها با استفاده از تصاویر ماهواره ابزار مناسبی برای درک بهتر فرآیندهای دریایی و تغییرات محیطزیست ساحلی فراهم میکند. اندازهگیریهای دقیق رادیانس نور در محدودهی مرئی از طیف الکترومغناطیسی اطلاعات رنگ اقیانوس را که در ارتباط با اجزای موجود در آب است فراهم میکند. این اندازهگیریها برای نظارت بر سطح فعالیتهای بیولوژیکی و حضور مواد در آب استفاده میشوند.
ویژگیهای اقیانوسی مانند غلظت کلروفیل - chla - 1، غلظت رسوبات محلول و دمای سطح آبها در پویایی اقیانوسها تاثیر زیادی دارند. در این تحقیق تلاش کردهایم رفتار چندین الگوریتم تعیین کلروفیل شامل الگوریتمهای تجربی نسبت باندی ساده که از نسبت باندهای آبی به سبز استفاده میکنند - یعنی - OCx و الگوریتمهایی شامل الگوریتم نسبت دو باندی با متغیر 5UV - 2 - /5UV - 1 - ، الگوریتم نسبت سه باندی با متغیر Rrs - λ1 - −1 − Rrs - λ2 - −1- × Rrs - λ3 - و الگوریتم نسبت چهار باندی با متغیر [Rrs - λ1 - −1 − Rrs - λ2 - −1-/ ,Rrs - λ4 - −1 − Rrs - λ3 - −1- که طول موجهای مورد نظر - یعنی λ4 و λ3،λ2، - λ1 در محدودهی طول موجهای قرمز و فروسرخ نزدیک در طیف الکترومغناطیسی میباشند، را در منطقهی خلیج فارس بررسی کنیم.
برخلاف اهمیت بالایی که منطقه خلیج فارس میتواند برای کشورهای حوضهی آن داشته باشد تا کنون مطالعات کمی در این منطقه صورت گرفته است. در این مقاله با استفاده از تصاویر ماهواره لندست 8 به بررسی غلظت chla در منطقه مطالعاتی پرداختهایم. به منظور ارزیابی نتایج از تصاویر سنجنده 1MODIS استفاده شده است. پارامترهای آماری به کاربرده شده به منظور ارزیابی عملکرد الگوریتمهای مختلف، شامل جذر میانگین مربعات خطا - RMSE - 1 و ضریب تعیین - R2 - 1 میباشد. الگوریتم OC3 با تصحیح اتمسفری توسط باندهای قرمز و موجکوتاه فروسرخ، با داشتن بزرگترین مقدار R2 - 0/713 - و کمترین - 0/0774 - RMSE به عنوان مناسبترین الگوریتم در منطقه ی مورد نظر انتخاب شد.
-1 مقدمه
اقیانوسها و دریاها تقریباً 70 درصد از سطح زمین را تشکیل داده و نقش مهمی در چرخهی عناصری چون نیتروژن، کربن، اکسیژن و سولفور بازی میکنند.
فیتوپلانکتون، ارگانیسمهای میکروسکوپی مبنای زنجیره غذایی دریایی، مسئول بیشترین تولیدات اولیه در اقیانوس میباشند و در همه جای سطح اقیانوس وجود دارند. نظارت بر تغییرات فیتوپلانکتونها در وسعت وسیعی از اقیانوس، تنها از طریق اندازه گیریهای ماهوارهای امکان پذیر است. کلروفیل، رنگدانهی فعال فتوسنتز در فیتوپلانکتون، در آب محلول میباشد و رنگ سبزBزرد تولید میکند. کلروفیل علاوه بر جذب نور در بازگشت نور هم با فعل و انفعالاتی پیچیده شرکت دارد.
غلظت کلروفیل - chla - به عنوان یک شاخص اساسی به عنوان نماینده فیتوپلانکتون برای بررسی شرایط کیفیت آب و وضعیت زیست شیمیایی بکار برده میشود. بنابراین اطلاع دقیق ما از غلظت کلروفیل در زمان و مکان میتواند به درک کیفیت آبها کمک کند و برای مدیریت آبها مفید باشد.
سنجندههای ماهواره ای میتواند به عنوان یک ابزار مناسب برای ارزیابی بعضی پارامترهای کیفیت آب - پارامترهایی که طیف بازتابندگی آن را تحت تأثیر قرار میدهند - مطرح باشد، زیرا آنها نقشههای جامع و متوالی از منطقه تولید میکنند. الگوریتمهای بیواپتیکی بیشماری برای بازیابی chla برای تشریح اندازهگیری رادیانس اقیانوس توسعه داده شدهاند. رادیانس خارج شده از آب در طول موجهای مختلف به مقدار انعکاس در آن طول موجها تبدیل میشوند و سپس در الگوریتمهای مختلف بکار برده میشوند. برای آبها با غلظت بالای توده های فیتو پلانکتون الگوریتمها بر مبنای باندها در محدودهی سبز و فروسرخ نزدیک برای بازیابی غلظت chla مؤثرتر هستند.
الگوریتمهای تجربی که از نسبت باند آبی به سبز استفاده میکنند برای آبهای اقیانوسی باز - Case 1 - طراحی شدهاند و این الگوریتمها معمولاً برای آب های ساحلی، که به عنوان آب نوع دوم - Case 2 - ، مناطقی که اجزای نوری دیگری غیر از فیتوپلانکتون مانند رسوبات معلق و ریزهها که همبستگی با فیتوپلانکتون ندارند، نیز حضور دارند، محسوب میشود، کارایی ندارند.
رسوبات میزان انعکاس در فروسرخ نزدیک را افزایش می دهند، بنابراین الگوریتمهای نسبت باندی ساده نمیتواند غلظت chla بالا و غلظت رسوبات بالا را تشخیص دهد. در چنین مواردی الگوریتمها بر مبنای نسبت باند قرمز و فروسرخ نزدیک بیشترین موفقیت در پیش بینی غلظت chla دارند.
آغاز فعالیتهای مطالعات رنگ اقیانوس - 1970 - با سنجنده CZCS1 آغاز شد و با سنجندههایی مانند MODIS ، SeaWIFS2 ادامه یافته و توسعه پیدا کرد. Chengfeng Le و همکاران در سال 2013، کاربرد الگوریتمهای دو باند، سه باند و چهار باند - در قسمت دوم مقاله به صورت مفصل توضیح داده میشوند - در منطقهی فلوریدا با استفاده از دادههای میدانی نه کشتی در طی سالهای 1998 تا 2010 در کنار دادههای ماهواره MODIS و MERIS3 بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که الگوریتمهای مورد نظر در مناطقی با غلظت کلروفیل بیشتر از mgm-34 با بیشترین خطای نسبی کمتر از %30 نتایج امیدوارکنندهای ارائه دادند.
وازیلیا و همکاران در سال 2014، غلظت کلروفیل را در خلیج فنلاند الگوریتم OC3 و OC4 را با استفاده از دادههای میدانی در سالهای 2012 و 2013 و دادههای ماهواره MODIS بررسی کردند و با توجه به اینکه دو الگوریتم غلظت chla را بیشتر برآورد میکردند یک الگوریتم جدید برای منطقهی مورد نظر توسعه دادند که سازگاری خوبی با داده های میدانی داشت.
سان و همکاران در سال 2014، عملکرد الگوریتمهای دو باند و سه باند و چهار باند را در دهانه دو رودخانه در آمریکا با استفاده از دادههای میدانی و دادههای سنجندهی مودیس ارزیابی کردند و به این نتیجه رسیدند که الگوریتم دو باند عملکرد بهتری از الگوریتمهای سه باند و چهار باند دارد
Tebbs و همکاران در سال 2013، با استفاده از دادههای لندست +ETM رابطهی خطی بین غلظت کلروفیل و انعکاس سنجشازدور - Rrs - 4 در طول موج 835 نانومتر و همچنین رابطهی بین غلظت کلروفیل نسبت باندی بین دو طولموج 835 و 660 را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که الگوریتم بر مبنای نسبت باندهای قرمز و فروسرخ نزدیک بیشترین موفقیت در پیش بینی غلظت کلروفیل دارد.
با توجه به پیشینه تحقیق در مینه،ز استخراج پارامتر فیزیکی رنگ دریا، مخصوصاً غلظت آن - Chla - و بررسیهای به عمل آمده کمبود روشها و دادههای مختص دادههای آب در نوع دوم - آبهای ساحلی - را نشان میدهد. از طرفی با پرتاب ماهوارههای جدید اپتیکی با توان تفکیک مکانی و طیفی بالا این امکان فراهم شده است که بتوان پارامتر های فیزیکی دریایی و اقیانوسی را در مناطق نزدیک به ساحل را با استفاده از این دادهها مدلسازی نمود. لذا در این مقاله، از داده لندست 8 که دارای توان تفکیک مکانی بسیار بهتری نسبت به سنجندههای رنگ اقیانوسی قبلی است به منظور بررسی میزان غلظت کلروفیل در مناطق ساحلی و مقایسه نتایج با غلظت کلروفیل ارائه شده توسط سنجندهها با توان تفکیک مکانی متوسط و پایین استفاده شده است.
-2 الگوریتمهای مختلف تعیین غلظت کلروفیل
الگوریتمهای بیواپتیکی بیشماری برای بازیابی chla و همچنین به منظور تشریح اندازهگیری رادیانس اقیانوس توسعه داده شدهاند. در ادامه برخی از الگوریتمهای محاسبهی کلروفیل معرفی میشوند.
-2-1 الگوریتمهای نسبت باندی ساده - الگوریتم - OCx
الگوریتمهای نسبت باندی ساده بر مبنای رگرسیون تجربی بین باندهای آبی و سبز و chla ، به علت همبستگی بین نسبت آبی به سبز و chla ، هستند. این الگوریتمها بیشتر برای اقیانوسهای باز که آبها از نظر نوری ساده هستند نتایج با ارزشی ارائه میدهند. این الگوریتمها معمولاً به شکل فرمول یک میباشد.
-2-2 الگوریتم بر مبنای نسبت باندی قرمز و فروسرخ نزدیک
در این الگوریتمها نسبت باند قرمز به فروسرخ نزدیک برای استخراج همبستگی chla بکار برده میشود.
-1-2-2 الگوریتم دو باند
اصلی که این الگوریتم بر پایهی آن قرار دارد این است که باند قرمز - 1 - در مجاورت ماکسیمم جذب chla قرار دارد در حالی که باند فروسرخ نزدیک - 2 - در یک منطقه که جذب به وسیلهی رنگ دانهی فیتوپلانکتون، مواد آلی رنگی محلول - CDOM5 - کمترین است، موقعیتیابی شده است و این شاخص دو باندی شاخصی از chla در یکسری مناطق میباشد.
این الگوریتم فرمی به صورت فرمول دو دارد:
که در آن C غلظت کلروفیل، a و b ضرایب ثابت که تخمین و مدلسازی خواهند شد و Rrs انعکاس سنجش از دوری میباشد
