statewide aquatic remote sensing program in wisconsin

22
Statewide Aquatic Remote Sensing Program in Wisconsin Steven Greb and Daniela Gurlin Wisconsin Department of Natural Resources Terra and Aqua MODIS data. Space Science and Engineering Center (SSEC) at the University of WisconsinMadison

Upload: others

Post on 18-Dec-2021

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Statewide Aquatic Remote Sensing Program in Wisconsin

Steven Greb and Daniela Gurlin Wisconsin Department of Natural Resources

Terra and Aqua MODIS data. Space Science and Engineering Center (SSEC) atthe University of Wisconsin‐Madison

• Systematic processing of Landsat 7 ETM+ and Landsat 8 OLI imagery for water clarity

LC80240282013174LGN00

• Increase in earth observation monitoring capabilities through the optical and biogeochemical  characterization of lakes in support of algorithm calibration, refinement, and validation

• Studies of the major drivers of lake water clarity, their interactions, and the  potential impacts of land use and climate on water clarity

Remote Sensing Activities at the Wisconsin DNR

Landsat 8 OLI and TIRS (02/11/2013)

• Scene size 170 x 180 km• Repeat cycle 16 days

OLI• Eight multispectral 

bands and one panchromatic band

• Pixel size 30 m for multispectral bands and 15 m for panchromatic band

TIRS• Two thermal bands• Pixel size 100 m

Table from Dekker, A.G. & Hestir, E. L. (2012) Evaluating the Feasibility of Systematic Inland Water Quality Monitoring withSatellite Remote Sensing. CSIRO: Water for a Healthy Country National Research Flagship

Remote sensing activities at the Wisconsin DNRRemote Sensing Activities at the Wisconsin DNR

NASA photo

Space.com image

Model 3:y = 1.1096x - 3.6371

R2 = 0.7612

Model 8:y = 1.1229x - 3.5878

R2 = 0.752

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6

Blue:Red Spectral Radiance Ratio (TM1/TM3)

Natu

ral l

ogar

ithm

of S

ecch

i Dis

k Tr

ansp

aren

cy (m

eter

s)

Water Clarity Estimates from Landsat imagery

Systematic processing of satellite imagery for water clarity

2014 water clarity estimation• 86 satellite images• 32 data processing steps• 12 image mosaics for algorithm 

development• 760 ground truth measurements for 

algorithm development• 10703 water clarity estimates• 4294 Water Bodies

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

No. of lakes

Secchi Depth (ft)

No. of Lakes

Number of Lakes by Secchi Depth (1 ft. Intervals)Year 2014 

0

2

4

6

8

10

12

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Percen

t Freq.

No. of lakes

Secchi Depth (ft)

No. of Lakes

Frequency

Frequency of Occurrence of Secchi Depth

0

2

4

6

8

10

12

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Percen

t Freq.

No. of lakes

Secchi Depth (ft)

No. of Lakes

Frequency

Normal Dist.

Frequency of Occurrence of Secchi Depthw/ fitted Normal Distribution

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

42

42.5

43

43.5

44

44.5

45

45.5

46

46.5

47

No. of Observations

Latitud

e

Distribution of Lakes across the state(from 2014 data set)

0

2

4

6

8

10

12

43 44 45 46 47

Secchi Dep

th(ft)

Latitude

Secchi (ft)

Secchi Depth South to North

The Best and the Worst

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Secchi Dep

th (ft)

Lake Size (acres)

Relationship of Secchi to Lake Depth

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Secchi Dep

th (ft)

Lake Size (acres)

Relationship of Secchi to Lake Depth

Lakes and Aquatic Invasive Species (AIS) Mapping Tool

http://dnr.wi.gov/lakes/viewer/

Optical and Biogeochemical  Characterization of Lakes 

Field and laboratory measurements• Water temperature, dissolved oxygen, 

conductivity, and Secchi depth• Reflectance• Water color and turbidity• TSS, ISS, and OSS• Absorption and backscattering coefficients

Field data collection• Field data collection in summer and fall 2014‐

15 for algorithm development • 24 lakes in Wisconsin• Color samples collected by CBM volunteers

Collection of reflectance spectra with CDAP‐2

Guerschman, et al., 2015

Remote sensing of water quality

Guerschman, et al., 2015

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

400 450 500 550 600 650 700 750

R rs, sr

‐1

Wavelength, nm

ChlorophyllsCarotenoidsNAPCDOM

Chlorophyll‐aPhycocyanin

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

400 450 500 550 600 650 700 750

R rs, sr

‐1

Wavelength, nm

ChlorophyllsCarotenoidsNAPCDOM

Chlorophyll‐a

Trout Lake 06/17/2014

Rainbow Flowage 06/17/2014

Remote sensing of water quality

0

50

100

150

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Color (PC

U)

Water Color

05101520253035

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Turb (N

TU)

Turbidity

0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Chl‐a

 (ug/l)

Chl‐a

0

20

40

60

020

4060

80100

120140

051015202530

Chl

-a

Color

Turb

2015 Field Data

Satellite Landsat‐7 Landsat‐8 Sentinel‐2 Sentinel‐3Satellite sensor systems ETM+  OLI/TIRS MSI OLCISpatial resolution (m) 30 30 10, 20, 60 300No of Spectral Bands  8 11 12 21

Revisit cycle (days) 16 16  5  2 Swath width (km) 185 185 290 1270Launch date April 1999 February 2013 June 2015 Feb 2016Years in orbit/Minimum design life (yr)

15/5 2/5 0/7 0/7

Current and future sensorsNew tools in the toolbox

Sentinel 3 ‐ESA Image 2015

Thank you