Διερεύνηση της προέλευσης και διασποράς του αιωρούμενου υλικού στην ηπειρωτική υφαλοκρηπίδα του βορείου Αιγαίου Πελάγους, μέσω αξιοποίησης σύγχρονων μεθόδων τηλεπισκόπησης

Abstract

The present PhD dissertation entitled "Investigation of the origin and dispersion of suspended material on the Continental shelf of the North Aegean Sea through the use of contemporary remote sensing methods" aims at the utilization of optical measurements and the application of innovative remote sensing methods to monitor the dispersion of river discharges in the inshore area of the estuary of the Evros and Pineios rivers, in the North Aegean. Investigation of spatial distribution of Suspended Particulate Matter (SPM) in the surface layer is a major oceanographic and environmental study, since it has been linked both to sedimentation of the continental shelf and to primary production, as well as to chemical or even radioactive pollution of seawater from land-originated pollutants. The thesis aims at the coupling of in-situ optical methods with satellite data to compute SPM concentrations by investigating the physical variability in the relationship between SPM and the scattering of light from suspended particles within the water column. In the context of the systemic approach to estimating the distribution of riverine discharges, hydrological and hydrodynamic data are also combined, both in the surface and the water column. More specifically, surface SPM concentrations are estimated through remote sensing data (high spatial resolution Landsat-8 imagery of the Thracian Sea & Sentinel-2 of the Pineios estuary), by applying -evolving the generalized algorithms of the literature. For the accuracy of the approach, the satellite assessments are calibrated locally, using in-situ water-leaving reflectance measurements at corresponding wavelengths of the two sensors, while from simultaneous measurements of optical properties occurs the retrieval of chlorophyll, backscattering and dissolved organic matter. As a result, regional algorithms are developed to evaluate the suspended material in each study area and its seasonal distribution is investigated. At the same time, the afore-mentioned measurements are combined with in-situ hydrological data, as well as the surface water circulation, as derived from the ELCOM hydrodynamic model, with the aim to form an integrated tool for the SPM distribution in N. Aegean Sea. Finally, Landsat & Sentinel satellite images are compared both in terms of their characteristics (spatial and temporal resolution), and in terms of accuracy and reliability in retrieval of suspended material. The combination of simultaneous measurements shows that SPM allocations are strongly influenced by water body interactions, stratification of temperature and salinity, river outflows and mass circulation. Their surface distribution displays the maximum concentrations near the estuaries, with a gradual reduction to the open sea, while density differences favor the formation of increased concentrations. Moreover, the correlation of the results from the hydrodynamic model with in-situ measurements confirms both the reliability and accuracy of the two methods, enhancing the low uncertainty rates during the conduction of the in-situ measurements and the low error range of the simulated estimations. Regarding processing of optical measurements, SPM is better estimated through backscattering of light in the red band, while the relationship between SPM and backscattering depends on the organic / inorganic composition of the suspended particles that offer opportunities to improve SPM retrieval algorithms. From Landsat-8 & Sentinel-2 satellites, after application of appropriate atmospheric corrections, the determination of surface SPM concentrations reached 95% accuracy, and in both cases (satellite images) the error rate was less than ~ 10%. In addition, the combination of different spectral bands of the visible spectrum appeared to be the most appropriate method of SPM determination, compared to single band algorithms, which is attributed to the prevalence of inorganic components in the study areas, compared to other optically active (e.g. biogenic) components. The Sentinel-2 SPM retrieval local model showed an improved 98% accuracy, with R2 = 0.95, whereas the Landsat-8 local model revealed a corresponding 96% agreement and R2 = 0.93. Validation of local algorithms is considered to have yielded both high SPM concentration accuracy, which enhances their robustness, giving great potential to the study of coastal processes in the wider region.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Διερεύνηση της προέλευσης και διασποράς του αιωρούμενου υλικού στην ηπειρωτική υφαλοκρηπίδα του Βορείου Αιγαίου Πελάγους, μέσω αξιοποίησης σύγχρονων μεθόδων τηλεπισκόπησης» στοχεύει στην αξιοποίηση οπτικών μετρήσεων και την εφαρμογή καινοτόμων μεθόδων τηλεπισκόπησης για τη παρακολούθηση της διασποράς των ποτάμιων εκφορτίσεων στον εγγύς θαλάσσιο χώρο των εκβολών του Έβρου και Πηνειού ποταμού στο Βόρειο Αιγαίο.Η διερεύνηση της χωρικής διασποράς του αιωρούμενου υλικού (SPM) στο επιφανειακό θαλάσσιο στρώμα αποτελεί σημαντικότατο ωκεανογραφικό, αλλά και περιβαλλοντικό αντικείμενο μελέτης, καθώς έχει συνδεθεί τόσο με την ιζηματογένεση της υφαλοκρηπίδας και την πρωτογενή παραγωγή, όσο και με χημική ή ακόμη και ραδιενεργή ρύπανση των θαλάσσιων υδάτων από ρύπους χερσαίας προέλευσης. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στη σύζευξη in-situ οπτικών μεθόδων με δεδομένα τηλεπισκόπησης, για την ανάκτηση των συγκεντρώσεων της αιωρούμενης ύλης, διερευνώντας τη φυσική μεταβλητότητα στη σχέση μεταξύ SPM και σκέδασης του φωτός από αιωρούμενα σωματίδια. Στα πλαίσια της συστημικής προσέγγισης για την εκτίμηση της διασποράς των ποτάμιων εκροών συνδυάζονται επίσης υδρολογικά και υδροδυναμικά δεδομένα, τόσο στην επιφάνεια, όσο και στη στήλη του νερού. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιείται εκτίμηση της επιφανειακής αιωρούμενης ύλης από δεδομένα τηλεπισκόπησης (δορυφορικές εικόνες υψηλής χωρικής ανάλυσης Landsat-8 στο Θρακικό πέλαγος & Sentinel-2 στις εκβολές του Πηνειού), εφαρμόζοντας – εξελίσσοντας γενικευμένους αλγορίθμους της βιβλιογραφίας. Για την ακρίβεια της προσέγγισης, πραγματοποιείται βαθμονόμηση των δορυφορικών εκτιμήσεων σε τοπικό επίπεδο, χρησιμοποιώντας in-situ μετρήσεις ανακλαστικοτήτων σε μήκη κύματος αντίστοιχα των δύο δορυφόρων, ενώ από παράλληλες μετρήσεις οπτικών οργάνων ανακτώνται οι τιμές συγκεντρώσεων χλωροφύλλης, οπισθοσκέδασης και διαλυτής οργανικής ύλης. Ως αποτέλεσμα, αναπτύσσονται αλγόριθμοι για την εκτίμηση του αιωρούμενου υλικού σε κάθε μία περιοχή μελέτης και διερευνάται η εποχιακή διασπορά του. Παράλληλα, οι προαναφερόμενες μετρήσεις συνδυάζονται με in-situ υδρολογικά δεδομένα, καθώς και με την κυκλοφορία των επιφανειακών υδάτων, όπως αυτή προκύπτει από το υδροδυναμικό μοντέλο ELCOM, προκειμένου να διαμορφωθεί ένα ολοκληρωμένο εργαλείο αποτύπωσης της διασποράς του αιωρούμενου υλικού στο Β. Αιγαίο. Τέλος, γίνεται σύγκριση των δορυφορικών εικόνων Landsat & Sentinel, τόσο ως προς τα χαρακτηριστικά τους (χωρική και χρονική κάλυψη), όσο και ως προς την ακρίβεια και αξιοπιστία των εκτιμήσεων της αιωρούμενης ύλης. Από τον συνδυασμό των ταυτόχρονων μετρήσεων προκύπτει ότι οι κατανομές SPM επηρεάζονται έντονα από τις αλληλεπιδράσεις των υδάτινων μαζών, τη στρωμάτωσή τους, τις ποτάμιες εκροές και την κυκλοφορία των μαζών. Η επιφανειακή τους διασπορά εμφανίζει τις μέγιστες συγκεντρώσεις πλησίον των εκβολών, με σταδιακή μείωση προς την ανοικτή θάλασσα, ενώ οι διαφορές πυκνότητας ευνοούν τη διαμόρφωση αυξημένων συγκεντρώσεων. Επιπλέον, η συσχέτιση των αποτελεσμάτων του υδροδυναμικού μοντέλου με in-situ μετρήσεις επιβεβαιώνει αμφότερα την αξιοπιστία και ακρίβεια των δύο μεθόδων, ενισχύοντας στη μεν επιτόπια μέτρηση τα χαμηλά ποσοστά αβεβαιότητας κατά τη διεξαγωγή της και στην προσομοιωμένη εκτίμηση το χαμηλό εύρος σφάλματος. Από την επεξεργασία των οπτικών δεδομένων προκύπτει ότι το SPM εκτιμάται καλύτερα από την οπισθοσκέδαση στο κόκκινο φως, ενώ η σχέση μεταξύ SPM και οπισθοσκέδασης εξαρτάται από την οργανική / ανόργανη σύνθεση των αιωρούμενων σωματιδίων που προσφέρουν ευκαιρίες για τη βελτίωση αλγορίθμων ανάκτησης SPM. Από τους δορυφόρους Landsat- 8 & Sentinel-2, αφού εφαρμόστηκαν οι κατάλληλες ατμοσφαιρικές διορθώσεις κατά περίπτωση, ο προσδιορισμός των επιφανειακών συγκεντρώσεων SPM φθάνει σε ακρίβεια το 95%, ενώ και στις δύο περιπτώσεις (δορυφορικές εικόνες) το ποσοστό σφάλματος είναι μικρότερο από ~10%. Επιπλέον, ο συνδυασμός διαφορετικών φασματικών ζωνών του ορατού φάσματος φάνηκε να αποτελεί την πιο κατάλληλη μέθοδο προσδιορισμού SPM, συγκριτικά με τους αλγορίθμους μονού καναλιού, γεγονός που αποδίδεται στην επικράτηση των ανόργανων συστατικών στις περιοχές μελέτης, έναντι άλλων οπτικά ενεργών (π.χ. βιογενών) συστατικών. Το μοντέλο της εικόνας Sentinel-2 παρουσίασε μία βελτιωμένη προσαρμογή συμφωνίας 98%, με R2 = 0.95, έναντι του μοντέλου της εικόνας Landsat-8 με αντίστοιχο ποσοστό συμφωνίας 96% και R2 = 0.93. Η επικύρωση των τοπικών αλγορίθμων θεωρείται ότι απέδωσε και στις δύο περιπτώσεις υψηλή ακρίβεια εκτίμησης συγκεντρώσεων SPM, γεγονός που ενισχύει την αξιοπιστία τους, προσδίδοντας μεγάλες δυνατότητες στη μελέτη των παράκτιων διεργασιών της ευρύτερης περιοχής.