Caracterización hiperespectral de ambientes lumínicos en la columna de agua

Elena Torrecilla

Unidad de Tecnología Marina (UTM)Centro Mediterráneo de Investigaciones Marítimas y Ambientales

CSIC

Análisis de propiedades ópticasinherentes (IOPs) y aparentes (AOPs)

Índice

• Introducción: Caracterización Hiperespectral

• Objetivo: Modelos de transferencia Radiativa

• Hydrolight 4.2

• Datos obtenidos por simulación

• Datos experimentales

• Procesado datos hiperespectrales

Caracterización Hiperespectral

Caracterización de la distribución espacial de los componentes químicos y biológicos de la columna de agua a partir de la información hiperespectral

400 450 500 550 600 650 7000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

phycorithrine

chlorophytes

diatoms

fluorescencechlorophyll

chlorophytes

phycorithrine

diatoms

fluorescencechlorophyll

dep

th

Caracterización Hiperespectral

1. Estimación de propiedades ópticas (OP) de la columna de agua

2. Detección de singularidades ópticas

3. Caracterización de las singularidades a partir de sus firmas espectrales

OP1

dep

th

Wavelength (

0

5

10

15

20

25

30

35

0

5

10

15

20

25

30

35

OP1

300 400 500 600 700 800

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

OP

1O

P1

Análisis Espectral

400 450 500 550 600 650 700

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ficoerithrine

chlorophites

diatoms

cholrophyllfluorescence

Sonda Hiperespectral

Caracterización Hiperespectral

OP1

de

pth

[m

]

wavelength (Escenario lumínico

SIMULADO

Modelo de transferencia

radiativa

HYDROLIGHT 4.2

20

15

10

5

0[ % / l]

de

pth

[

m ]

[ % / l]

Distribución espacial controlada de los componentes biológicos

Distribución hipotética columna de agua

ModeladoRespuesta sensor(sensibilidad espectral,

resolución espectral, SNR)

OP1

de

pth

[m

]

wavelength (

Métodos correctivos

OP1

de

pth

[m

]

wavelength (

Métodos análisis

espectral

20

15

10

5

0[ % / l]

de

pth

[

m ]

[ % / l]

Extracción singularidades firmas digitales

Objetivo

OP1

de

pth

[m

]

wavelength (Escenario lumínico

SIMULADO

Modelo de transferencia

radiativa

HYDROLIGHT 4.2

Factores que intervienen en el modelo de transferencia radiativa:

• propiedades ópticas inherentes (IOPs)

• propiedades ópticas aparentes (AOPs)

• condiciones ambientales

Obtención de la distribución de radiancia espectral:

Ecuación de transferencia radiativa (RTE)

Teoría de transferencia radiativa proporciona un marco de trabajo para entender la propagación de la luz en el océano

Hydrolight 4.2

Modelo de transferencia radiativa

Cálculo de distribuciones de radiancia espectral y otros parámetros derivados en la columna de agua

L(z,θ,φ,λ)

Sequoia Scientific Inc.

Molecular Water

Inorganic Salts

Dissolved Organic Matter

Planktonic Microorganisms

Organic Detrital Particles

Mineral Particles

Air Bubbles

Hydrolight 4.2

Propiedades ópticas inherentes (IOPs)

Propiedades ópticas aparentes (AOPs)

dependen del medio acuático independientemente de las condiciones lumínicas ambientales

dependen del medio acuático y de las condiciones lumínicas ambientales

Absorption coefficient a(λ)

Scattering coefficient b(λ)

Beam attenuation coefficient c(λ)

Reflectance R

Remote-sensing Reflectance Rrs

Attenuation coefficients of radiance K

Condiciones ambientales Sea state, Sky radiance incident, Bottom reflectance

Composición Agua

(fitoplancton, CDOM, detritus, etc.)

IOPs

Absorption coefficient a(λ)

Scattering coefficient b(λ)

Beam attenuation coefficient c(λ)

Volume scattering function β(Ψ,λ)

Condiciones ambientales

Sea state

Sky radiance incident

Bottom reflectance

Ecuación de Transferencia Radiativa (RTE)

Parámetros Radiométricos

Distribución radiancia espectral L(z,θ,φ,λ)

Downwelling irradiance Ed

Upwelling irradiance Eu

AOPs Reflectance R Remote-sensing Reflectance Rrs Attenuation coefficients of radiance K

• Modelos

• Medidas

Hydrolight 4.2 Ejemplos simulación

Hydrolight 4.2 Ejemplos simulación

Análisis Derivativo

300 400 500 600 700 800

300 400 500 600 700 800

Datos experimentales

Compuesto algal

Rhodomones

Diciembre 2006

Medidas para las diferentes

concentraciones

Datos experimentales

Agua pura

Máxima concentración Rhodomonas

Datos experimentales

Tiempo de adquisición de datos

60.000

15.000 4.000

1500 ms

500 ms 100 ms

Procesado datos hiperespectrales

4.000

100 ms

Técnicas de procesado:

reducción de ruido

análisis de singularidades

separación de fuentes en espectros mixtos

Caracterización hiperespectral de ambientes lumínicos en la columna de agua

Elena Torrecilla

Unidad de Tecnología Marina (UTM)Centro Mediterráneo de Investigaciones Marítimas y Ambientales

CSIC

Análisis de propiedades ópticasinherentes (IOPs) y aparentes (AOPs)

Multisensor Datalogger System (MDS)