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@PhDThesis{Zoffoli:2014:AnPoIn,
               author = "Zoffoli, Maria Laura",
                title = "Analysis of the potential of in situ hyperspectral optical data 
                         and high spatial resolution satellite imagery to map bottom types 
                         in the Abrolhos Coral Reef Bank (Brazil)",
               school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
                 year = "2014",
              address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
                month = "2014-08-29",
             keywords = "water column correction, biological diversity, Worldview-2, bottom 
                         reflectance, attenuation coefficient, corre{\c{c}}{\~a}o da 
                         coluna de {\'a}gua, biodiversidade, Worlview-2, reflect{\^a}ncia 
                         do substrato, sensoriamento remoto.",
             abstract = "Human activity and natural climate trends constitute a major 
                         threat to coral reefs worldwide. Models predict a significant 
                         reduction in reef spatial extension together with a decline in 
                         biodiversity in the relatively near future. In this context, 
                         monitoring programs to detect changes in reef ecosystems are 
                         essential. In recent years, coral reef mapping using remote 
                         sensing data has benefited from instruments with better 
                         resolutions and computational advances in storage and processing 
                         capabilities. However, the water column represents an additional 
                         complexity when extracting information from submerged substrates 
                         by remote sensing, which demands a correction of its effect. 
                         Another limitation arises when focusing in complex benthic 
                         substrates, with a mixture of different taxonomic and/or 
                         functional types with the aim to detect alterations. In the first 
                         part of this work a deep study about water column correction 
                         methods was proposed, showing some inter-comparisons of different 
                         algorithms and evaluating the uncertainties associated with the 
                         determination of bottom reflectance from above water radiometry. 
                         An inter-comparison of three methods was carried out using 
                         simulated spectra and remote sensing data of the Worldview-2 
                         (WV02) sensor over the Abrolhos Coral Reef Bank (ACRB), Brazil. 
                         The results showed that the available methods were not able to 
                         completely eliminate the water column effect, but they minimized 
                         its influence. Uncertainties in retrieving the bottom reflectance 
                         from above-water spectra increase with depths and the 
                         concentration of optically water constituents. In clear waters 
                         with low colored dissolved organic matter (CDOM) concentration, 
                         uncertainties augmented towards the red spectral bands. While in 
                         environments with high CDOM concentration, uncertainties increased 
                         both towards the blue and the red spectral ends. Choosing the best 
                         method depends on the marine environment, available input data and 
                         desired outcome for the scientific application. In the second part 
                         of this study, hyperspectral above-water radiometry sampled over 
                         natural benthic communities in the ACRB were analyzed to: (i) 
                         evaluate the ability of a water column algorithm to retrieve 
                         accurate bottom reflectance spectra from above-water radiometric 
                         measurements; and (ii) assess the separability of submerged 
                         benthic communities with subtle differences based on their 
                         reflectance spectra. Despite of the good performance to retrieve 
                         bottom reflectance from above-water radiometric measurements, 
                         benthic communities in the ACRB, whose waters were characterized 
                         as Case-2, were not spectrally separable. This implies that 
                         effective monitoring programs in the ACRB able to detect 
                         insightful alterations in the benthic coverage, necessarily have 
                         to include both complementary approaches: remote sensing and field 
                         campaigns. In the last part of this work, an area belonging to the 
                         ACRB was mapped for the first time into benthic classes using high 
                         spatial resolution orbital imagery of the WorldView-2 (WV02) 
                         sensor. This sensor has 6 bands in the visible region, but only 
                         one band at 478 nm was used because of the low performance to 
                         correct the water column effect, which represented one of the main 
                         challenges in this work. The produced map had an accuracy of 
                         88.2\% and a Kappa index of 0.81 using four classes (Reef, Sand, 
                         Macroalgae, Inter-reef areas), however new validation points are 
                         required to validate the entire scene. The isolated reefs covered 
                         an area of approximately 22 \$km^{2}\$ that correspond to 
                         12.4\% of the total area. \emph{Chapeir{\~o}es} were 
                         distributed almost in all the studied area, formed by patches with 
                         different sizes. Macroalgae were the most abundant class in the 
                         scene and was concentrated around the Archipelago and inter-reef 
                         areas. Further works regarding extensive in situ data collection 
                         to properly describe the benthic communities and their spectral 
                         behavior, as well as the water column constituents and depths 
                         surveys are recommended to improve satellite mapping of the 
                         bottoms types in the Abrolhos Coral Reef Bank. RESUMO: Atividades 
                         antr{\'o}picas e mudan{\c{c}}as clim{\'a}ticas s{\~a}o as 
                         maiores amea{\c{c}}as aos recifes de corais no mundo inteiro. 
                         Modelos preveem uma redu{\c{c}}{\~a}o significativa na 
                         extens{\~a}o espacial dos recifes acompanhado por um 
                         decl{\'{\i}}nio na biodiversidade num futuro relativamente 
                         pr{\'o}ximo. Neste contexto, programas de monitoramento de 
                         detec{\c{c}}{\~a}o de mudan{\c{c}}as em ecossistemas de recifes 
                         de corais s{\~a}o essenciais. Nos anos recentes, o mapeamento de 
                         recifes de corais usando dados de sensoriamento remoto tem se 
                         beneficiado com o advento de instrumentos com melhores 
                         resolu{\c{c}}{\~o}es e avan{\c{c}}os computacionais em termos 
                         de capacidade de armazenamento e processamento de dados. No 
                         entanto, a coluna de {\'a}gua representa uma complexidade 
                         adicional quando se quer extrair informa{\c{c}}{\~a}o dos 
                         substratos submersos por sensoriamento remoto, o que demanda a 
                         corre{\c{c}}{\~a}o deste efeito. Outra limita{\c{c}}{\~a}o 
                         adv{\'e}m quando se tratam de substratos bent{\^o}nicos 
                         complexos, com mistura de diferentes grupos taxon{\^o}micos e/ou 
                         tipos funcionais, quando o objetivo {\'e} detectar 
                         altera{\c{c}}{\~o}es. Na primeira parte deste trabalho foi 
                         proposto um estudo aprofundado sobre m{\'e}todos de 
                         corre{\c{c}}{\~a}o da coluna de {\'a}gua, com a 
                         compara{\c{c}}{\~a}o de diferentes algoritmos e a 
                         avalia{\c{c}}{\~a}o das incertezas associadas {\`a} 
                         determina{\c{c}}{\~a}o da reflect{\^a}ncia de fundo da 
                         radiometria acima da {\'a}gua. A inter-compara{\c{c}}{\~a}o de 
                         tr{\^e}s m{\'e}todos foi realizada usando espectros simulados e 
                         dados de sensoriamento remoto do sensor Worldview-2 (WV02) sobre 
                         os Recifes de Corais do Banco de Abrolhos (RCBA), Brasil. Os 
                         resultados mostram que os m{\'e}todos dispon{\'{\i}}veis 
                         n{\~a}o foram capazes de eliminar totalmente o efeito da coluna 
                         de {\'a}gua, mas minimizaram a sua influ{\^e}ncia. As incertezas 
                         na determina{\c{c}}{\~a}o da reflect{\^a}ncia de fundo de 
                         espectros obtidos acima da {\'a}gua aumentam com a profundidade e 
                         concentra{\c{c}}{\~a}o dos constituintes opticamente ativos. Em 
                         {\'a}guas claras com baixas concentra{\c{c}}{\~o}es de 
                         mat{\'e}ria org{\^a}nica dissolvida colorida (MODC), as 
                         incertezas foram maiores para as bandas espectrais do vermelho. 
                         Enquanto que em {\'a}guas com alta concentra{\c{c}}{\~a}o de 
                         CDOM, as incertezas aumentaram tanto para as bandas do azul como 
                         do vermelho. A escolha do melhor m{\'e}todo vai depender do 
                         ambiente marinho, da disponibilidade dos dados de entrada e da 
                         sa{\'{\i}}da desejada para a aplica{\c{c}}{\~a}o 
                         cient{\'{\i}}fica. Na segunda parte deste estudo, dados 
                         radiom{\'e}tricos hyperespectrais medidos acima da {\'a}gua, 
                         sobre comunidades bent{\^o}nicas naturais do RCBA, foram 
                         analisados para: (i) avaliar a habilidade de um algoritmo de 
                         corre{\c{c}}{\~a}o da coluna de {\'a}gua em obter espectros de 
                         reflect{\^a}ncia de fundo acurados, das medidas 
                         radiom{\'e}tricas acima da {\'a}gua; e (ii) verificar a 
                         separabilidade de comunidades bent{\^o}nicas submersas com 
                         diferen{\c{c}}as sutis, com base nos espectros de 
                         reflect{\^a}ncia de fundo. Apesar do bom desempenho para a 
                         obten{\c{c}}{\~a}o da reflect{\^a}ncia de fundo das medidas 
                         radiom{\'e}tricas acima da {\'a}gua, as comunidades 
                         bent{\^o}nicas do RCBA, com {\'a}guas caracterizadas do tipo 
                         Caso-2, n{\~a}o foram espectralmente separ{\'a}veis. Isso 
                         implica que programas de monitoramento no RCBA, eficientes para 
                         detectar altera{\c{c}}{\~o}es importantes na cobertura 
                         bent{\^o}nica, necessariamente t{\^e}m que incluir t{\'e}cnicas 
                         complementares com coleta de dados \emph{in situ} e de 
                         sat{\'e}lite. Na {\'u}ltima parte deste trabalho, uma {\'a}rea 
                         pertencente ao RCBA foi mapeada pela primeira vez em classes 
                         bent{\^o}nicas, usando uma imagem de alta resolu{\c{c}}{\~a}o 
                         espacial do sensor WorldView-2 (WV02). O sensor possui 6 bandas 
                         espectrais na regi{\~a}o do vis{\'{\i}}vel, mas somente a banda 
                         centrada em 478 nm foi usada devido ao baixo desempenho da 
                         corre{\c{c}}{\~a}o da coluna de {\'a}gua, que foi um dos 
                         maiores desafios encontrados no presente trabalho. O mapa 
                         resultante apresentou uma acur{\'a}cia de 88,2\% e um 
                         {\'{\i}}ndice Kappa de 0,81 com 4 classes (Recifes, Areia, 
                         Macroalga, {\'A}reas inter-recifais), no entanto, novos pontos de 
                         valida{\c{c}}{\~a}o s{\~a}o necess{\'a}rios para cobrir a cena 
                         inteira. Os recifes isolados cobriram uma {\'a}rea de 
                         aproximadamente 22 \$km^{2}\$ que corresponderam a 12,4\% da 
                         {\'a}rea total. Os chapeir{\~o}es foram distribu{\'{\i}}dos em 
                         quase toda a {\'a}rea de estudo, formando manchas (ou agregados) 
                         de diferentes tamanhos. A classe mais abundante em toda a cena foi 
                         de Macroalgas, concentrada no entorno no Arquip{\'e}lago e das 
                         {\'a}reas inter-recifais. Trabalhos futuros com coletas 
                         intensivas de dados \emph{in situ} para descrever melhor as 
                         comunidades bent{\^o}nicas e seu comportamento espectral, bem 
                         como os constituintes da coluna de {\'a}gua e mapeamentos 
                         batim{\'e}tricos, s{\~a}o recomendados para melhorar o 
                         mapeamento dos tipos de fundo dos Recifes de Corais do Banco de 
                         Abrolhos, por meio de imagens de sat{\'e}lite.",
            committee = "Novo, Evlyn M{\'a}rcia Le{\~a}o de Moraes (presidente) and 
                         Kampel, Milton (orientador) and Lorenzzetti, Jo{\~a}o Antonio 
                         (orientador) and Barbosa, Cl{\'a}udio Clemente Faria and Lentini, 
                         Carlos Alessandre Domingos and Coutinho, Ricardo",
         englishtitle = "An{\'a}lise do potencial de dados hiperespectrais {\'o}pticos 
                         obtidos in situ e de imagens de sat{\'e}lite de alta 
                         resolu{\c{c}}{\~a}o espacial para mapear tipos de fundo dos 
                         Recifes de Corais do Banco dos Abrolhos (Brasil)",
             language = "en",
                pages = "208",
                  ibi = "8JMKD3MGP5W34M/3H8T2PL",
                  url = "http://urlib.net/rep/8JMKD3MGP5W34M/3H8T2PL",
           targetfile = "publicacao.pdf",
        urlaccessdate = "23 nov. 2020"
}


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