Satelity Landsat wykraczają poza obserwację lądu ziemskiego, udostępniając nowe metody pomiaru głębokości oceanów w płytkich wodach przybrzeżnych.
Naukowcy z US Geological Survey (USGS) opracowali algorytm wykorzystujący obserwacje w świetle widzialnym satelity Landsat do wyprowadzania batymetrii, która ma kluczowe znaczenie dla śledzenia zmian wybrzeża i stanu raf koralowych. Metoda ta pozwala pokonać wyzwania stojące przed tradycyjnym sonarem i lidar mapowanie poprzez korektę takich czynników, jak przejrzystość wody i odbicie dna morskiego, dzięki czemu jest ono bardziej praktyczne i wydajne.
Satelity Landsat: poszerzanie obserwacji Ziemi
Dla ponad 50 latsatelity Landsat są niezawodnymi końmi pociągowymi nauki o Ziemi, stale rejestrującymi obrazy powierzchni lądowych Ziemi. Ich misje są zbudowane wokół świetny pomysł konsekwentnych, długoterminowych obserwacji. Jednak ograniczenie tych obserwacji do samego lądu oznaczałoby utratę szerszego potencjału Landsata.
Naukowcy z US Geological Survey opracowali przełomową metodę mierzyć głębokość oceanulub batymetria w płytkich obszarach przybrzeżnych z wykorzystaniem danych Landsat. Dzięki zastosowaniu wyrafinowanego algorytmu opartego na fizyce do zdjęć satelitarnych podejście to umożliwia wydajne mapowanie dna morskiego z kosmosu bez konieczności wcześniejszych pomiarów głębokości. Dziesięciolecia badań udoskonaliliśmy batymetrię satelitarną, pomagając wypełnić luki w mapach w strefach przybrzeżnych i dostarczając niezbędnych, aktualnych danych do modelowania ruchu wody, śledzenia zmian przybrzeżnych, badania siedlisk raf koralowych i nie tylko.
Algorytmy oparte na fizyce do mapowania dna morskiego
Nowa metoda opisana w a Artykuł z 2024 r w dzienniku Teledetekcjaopiera się na obserwacjach w świetle widzialnym wykonanych przez czujniki OLI (Operational Land Imager) i OLI-2 (Operational Land Imager-2) na satelitach Landsat 8 i 9, w połączeniu z dużą dawką obliczeń fizycznych. W wystarczająco płytkich morzach światło słoneczne przenika przez wodę i odbija się od dna morskiego. Naukowcy mogą następnie powiązać odbite światło „widziane” przez satelitę z głębokością wody.
Obliczenia są stosunkowo proste w czystej wodzie z jasnym dnem. Sytuacja staje się jednak bardziej złożona, na przykład gdy światło wchodzi w interakcję z osadami lub planktonem w słupie wody lub na porośniętym trawą dnie morskim. Naukowcy z USGS opracowali algorytm korygujący tego typu wpływy na światło odbite, a także te powodowane przez cząstki w atmosferze i odbicie nieba od wody, aby określić głębokość wody.
Algorytm ten zastosowano do kilku obszarów przybrzeżnych zawierających rafy koralowe, w tym pokazanego tutaj Florida Keys. Mapa głębokości (górna) przedstawia płytkie kanały przecinające nisko położone wyspy, tzw kasety lub klucze. Płytki liniowy obiekt biegnący u dołu zdjęcia jest częścią Florydy odcinek raf koralowychktóry rozciąga się na długości 350 mil (560 kilometrów) od końca do końca. Mapa batymetryczna jest pokazana w porównaniu z naturalnym obrazem Landsat tego samego obszaru (niżej).
Idąc głębiej: nieoczekiwane głębokości mapowania
W czystej wodzie możliwe jest mapowanie głębokości większych niż 20 metrów (65 stóp), czyli znacznie większych niż oczekiwano, powiedział Minsu Kim, ekspert w dziedzinie teledetekcji i optyki oceanicznej, który kierował rozwojem tej metody. Co najważniejsze, metoda ta nie wymaga zewnętrznej kalibracji, chociaż można ją udoskonalić, włączając pomiary batymetryczne z innych źródeł. Kompromis polega na tym, że model uwzględnia właściwości optyczne typowych składników oceanów, takich jak fitoplankton i ciała stałe zawieszone w słupie wody oraz trawa i piasek na dnie morskim. Jeśli są to rzadkie elementy, takie jak zakwit określonego fitoplanktonu gatunek lub rzadki rodzaj ciemnego dna wulkanicznego, model staje się mniej dokładny.
Strefy raf koralowych były dobrymi kandydatami do pilotażu tej metody, ponieważ wpływają na transport osadów, wpływają na erozję wybrzeżai zapewniają siedliska o kluczowym znaczeniu dla większości organizmów morskich na świecie, powiedział geograf fizyczny Jeff Danielson, współautor artykułu i kierownik bazy danych USGS Coastal National Elevation Database (STOŻKOWY) Projekt aplikacji. Środowiska te mogą również ulegać radykalnym zmianom w czasie i skorzystałyby na częstszym ponownym mapowaniu, które jest możliwe dzięki batymetrii pochodzącej z satelity.
Pokonywanie tradycyjnych wyzwań związanych z mapowaniem
Jednak pomimo konieczności udoskonalenia map płytkich wód ich sporządzenie pozostaje wyzwaniem praktycznym i technicznym. Mapowanie batymetryczne tradycyjnie opierało się na sonarze na statku i lidarze na statku powietrznym – co było przedsięwzięciem zarówno kosztownym, jak i pracochłonnym.
Próba przekazania tego zadania satelitom obejmuje pionierskie wysiłki oceanografa Jacques’a Cousteau. w Eksperyment batymetryczny NASA-Cousteau z 1975 rCousteau i zespół nurków na pokładzie Kalipso grał w jumpfrog z satelitami Landsat 1 i 2 na Bahamach i Florydzie. Umieszczaliby się bezpośrednio pod przelotem satelity każdego dnia, a nurkowie mierzyliby przejrzystość wody, transmisję światła i współczynnik odbicia od dna. Dane z wyprawy wykazały, że w czystych wodach z jasnym dnem morskim Landsat mógł mierzyć głębokości do 22 metrów (72 stóp).
Od tego momentu kontynuowano wszechstronne wykorzystanie instrumentów teledetekcyjnych do batymetrii. Kolejne techniki obejmowały wykorzystanie zmętnienia zobrazowanego przez Landsat jako a proxy dla głębi; łącząc wysokościomierz pomiary z NASAsatelita ICESat-2 (satelita Ice, Cloud and Land Elevation Satellite-2) z sonarem pokładowym; czerpiąc głębokość z obrazy stereo; i zastosowanie algorytmu do fotografia cyfrowa z Międzynarodowa Stacja Kosmiczna.
Udoskonalanie mapowania obszarów przybrzeżnych za pomocą nowych technik
Mając do dyspozycji nową metodę satelitarną, Kim, Danielson i współpracownicy chcą zwiększyć skalę pomiarów przybrzeżnych. Chcą na przykład sporządzić mapę wód wokół wysp i atoli Pacyfiku, gdzie obecnie brakuje danych, ale byłyby one przydatne do modelowania fal, transportu osadów i innych procesów. Mapy są również puste w przypadku dużych fragmentów przybrzeżna Alaskagdzie zagrożenia, takie jak trudna pogoda, sezonowy lód morski i silne prądy, utrudniają konwencjonalne prace kartograficzne.
W samych Stanach Zjednoczonych wody przybrzeżne są obecnie tylko Zmapowano 52 procent– zauważył Danielson. Inicjatywy takie jak krajowe mapowanie, eksploracja i charakterystyka oceanów (NOMEC) i globalne Dno morskie 2030 w ramach projektu pracują nad zwiększeniem zasięgu map, równolegle z prowadzonym przez USGS projektem CoNED mającym na celu asymilację danych, które obecnie obejmują głębokość wody uzyskaną z satelity Landsat. „To obecnie jeden z najgorętszych tematów w naukach geoprzestrzennych” – powiedział Danielson. „Istnieje nisza, w której można wypełnić luki w batymetrii nowym poziomem danych”.
Zdjęcia z Obserwatorium Ziemi NASA wykonane przez Wanmei Lianga, wykorzystujące dane Landsat z US Geological Survey oraz dane z Kim, M. i in. (2024).
