@MastersThesis{Ogashawara:2014:ReQuAn,
author = "Ogashawara, Igor",
title = "Re-parameterization of a quasi analytical algorithm and
phycocyanin estimation for a tropical reservoir",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2014",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2014-03-10",
keywords = "QAA, phycocyanin, bio-optical model, tropical reservoir,
ficocianina, modelo bio-{\'o}ptico, reservat{\'o}rio tropical.",
abstract = "The eutrophication of aquatic systems is a worldwide environmental
problem. One of its main outcome is the algal bloom, including the
potentially toxic algal which can affect human health. Because of
the toxicity of the harmful algal blooms, environmental monitoring
is needed, mainly in aquatic systems near to urban centers. The
use of remote sensing for monitoring the algal blooms uses
bio-optical modeling, which is based on the spectral behavior of
the optically active components in the water to estimate their
concentrations as well as their inherent optical properties
(IOPs). The detection of cyanobacteria, one of the main phylum of
harmful algal, occurs by the identification of a unique pigment in
inland waters cyanobacteria, the phycocyanin (PC). Remote sensing
techniques, such as the quasi-analytical algorithms (QAA) - a type
of bio-optical model - have been used to the estimation of IOPs in
aquatic systems using in situ hyperspectral data and satellite
multispectral data. However there is not any QAA developed or
evaluated in tropical inland waters. Therefore the goal of this
research was to evaluate the need for the re-parameterization of a
QAA and to re-parameterize one for tropical eutrophic inland
waters. Radiometric, limnological and IOPs data were collected in
the Funil Hydroeletric Reservoir, located between S{\~a}o Paulo
and Rio de Janeiro States, Brazil. Results of the Normalized Root
Mean Square Error (NRMSE) showed that for the application of QAA
in tropical inland waters a re-parameterization is needed. Thus,
the results of the re-parameterization showed an average NRMSE of
36\% for the retrieval of the total absorption coefficients. The
colored detrital matter (CDM) absorption coefficients were
retrieved with an average NRMSE of 49\%. Phytoplankton absorption
coefficients were retrieved with an average NRMSE of 74\%. PC
concentration estimation from the estimated IOPs showed good
results (NRMSE of 24.94\%) for the in situ hyperspectral dataset.
Uncertainties in the estimations are mainly due to the lack of in
situ data of PC absorption coefficients to calibrate the model.
The re-parameterization was also applied for a synthetic dataset
of the future Ocean \\& Land Color Imager (OLCI) sensor which
will be part of Sentinel 3 satellite. The simulation of OLCI data
was conducted using its spectral response function and it is
enhanced because of its potentially use of environmental
monitoring since its temporal resolution will be improved by the
launch of 2 satellites working as a constellation. Overall results
were encouraging since it is one of the first works to explore the
estimation of IOPs in tropical inland waters through remote
sensing. However, results also indicated the need for further fine
tuning of the model, mainly in the estimation of total absorption
coefficients. Therefore, the development of a QAA and the
estimation of PC concentration in tropical inland waters are an
important step for the development of a robust tool for improving
water quality monitoring. RESUMO: A eutrofiza{\c{c}}{\~a}o de
sistemas aqu{\'a}ticos {\'e} um problema recorrente em diversas
parte do mundo. Uma de suas principais consequ{\^e}ncias {\'e} o
florescimento de algas, e entre elas, as algas potencialmente
t{\'o}xicas que podem ser prejudiciais para a sa{\'u}de humana.
Devido a essa toxicidade, {\'e} necess{\'a}rio um monitoramento
constante dessas flora{\c{c}}{\~o}es em ambientes
aqu{\'a}ticos, principalmente pr{\'o}ximos aos centros urbanos.
A utiliza{\c{c}}{\~a}o de sensoriamento remoto para o
monitoramento de florescimento de algas ocorre por meio da
modelagem bio-{\'o}ptica, que utiliza a resposta espectral dos
componentes opticamente ativos na {\'a}gua para estimar a sua
concentra{\c{c}}{\~a}o assim como as propriedades {\'o}pticas
inerentes (POIs). A identifica{\c{c}}{\~a}o de
cianobact{\'e}ria, um das principais classes de algas
t{\'o}xicas, {\'e} ent{\~a}o realizada por meio de um pigmento
{\'u}nico em cianobact{\'e}rias de {\'a}guas interiores que
{\'e} a ficocianina (PC). T{\'e}cnicas de sensoriamento remoto,
como os algoritmos quasi-anal{\'{\i}}ticos (QAAs), um tipo de
modelo bio-{\'o}ptico, tem sido utilizados para a
obten{\c{c}}{\~a}o das POIs em sistemas aqu{\'a}ticos por meio
de dados hiperespectrais coletados in situ e dados multiespectrais
provenientes de sat{\'e}lites. Entretanto, nenhum QAA foi
desenvolvido ou avaliado para {\'a}guas interiores tropicais.
Portanto o objetivo do presente estudo foi avaliar a necessidade
de reparametrizar um QAA e realizar a reparametriza{\c{c}}{\~a}o
do mesmo para {\'a}guas interiores eutrofizadas em uma
regi{\~a}o tropical. Dados radiom{\'e}tricos, limnol{\'o}gicos
e POIs foram coletados no Reservat{\'o}rio Hidrel{\'e}trico de
Funil, localizado entre os estados de S{\~a}o Paulo e Rio de
Janeiro. Resultados mostram que para a aplica{\c{c}}{\~a}o de
QAA em {\'a}guas interiores tropicais {\'e} necess{\'a}ria uma
reparametriza{\c{c}}{\~a}o, que foi avaliada por meio da Raiz do
Erro M{\'e}dio Quadr{\'a}tico Normalizada (NRMSE). Dessa forma
resultados da reparametriza{\c{c}}{\~a}o mostram um NRMSE de
36\% para a m{\'e}dia dos coeficientes de absor{\c{c}}{\~a}o
total. Os coeficientes de absor{\c{c}}{\~a}o da mat{\'e}ria
residual colorida (CDM) foram estimados com a m{\'e}dia do NRMSE
de 49\% j{\'a} os coeficientes de absor{\c{c}}{\~a}o do
fitopl{\^a}ncton foram estimados com a m{\'e}dia do NRMSE de
74\%. A estima{\c{c}}{\~a}o da concentra{\c{c}}{\~a}o de PC
por meio das POIs estimadas mostram bons resultados (NRMSE de
24.94\%) para o conjunto de dados hiperespectrais in situ.
Incertezas das estima{\c{c}}{\~o}es ocorreram principalmente
pela falta de dados emp{\'{\i}}ricos dos coeficientes de
absor{\c{c}}{\~a}o de PC para a calibra{\c{c}}{\~a}o do
modelo. A reparametriza{\c{c}}{\~a}o tamb{\'e}m foi aplicada
para um conjunto sint{\'e}tico de dados do futuro sensor Ocean
\\& Land Color Imager (OLCI) que far{\'a} parte do
sat{\'e}lite Sentinel 3. A simula{\c{c}}{\~a}o dos dados do
sensor OLCI foi realizada por sua fun{\c{c}}{\~a}o de resposta
espectral e se destaca pela sua poss{\'{\i}}vel
utiliza{\c{c}}{\~a}o para o monitorando ambiental devido a sua
resolu{\c{c}}{\~a}o temporal que ser{\'a} ampliada pelo
lan{\c{c}}amento de 2 sat{\'e}lites atuando em formato de
constela{\c{c}}{\~a}o. Os resultados das etapas do trabalho
foram estimulantes por ser um dos primeiros trabalhos a explorar a
estima{\c{c}}{\~a}o de IOPs em {\'a}guas interiores tropicais
por meio de sensoriamento remoto. Entretanto os resultados
tamb{\'e}m indicam a necessidade de um aprimoramento,
principalmente na estima{\c{c}}{\~a}o do coeficiente de
absor{\c{c}}{\~a}o total, que {\'e} essencial para a
estima{\c{c}}{\~a}o dos demais coeficientes de
absor{\c{c}}{\~a}o. Portanto, o desenvolvimento de um QAA e a
estima{\c{c}}{\~a}o da concentra{\c{c}}{\~a}o de PC em
{\'a}guas interiores tropicais s{\~a}o um importante passo para
o desenvolvimento de uma ferramenta robusta para o monitoramento
da qualidade da {\'a}gua.",
committee = "Kampel, Milton (presidente) and Stech, Jos{\'e} Luiz (orientador)
and Tundisi, Jos{\'e} Galizia (orientador) and Mishra, Deepak
Ranjan",
englishtitle = "Re-parametriza{\c{c}}{\~a}o de um algoritmo quasi
anal{\'{\i}}tico e estima{\c{c}}{\~a}o de ficociana para um
reservat{\'o}rio tropical",
language = "en",
pages = "147",
ibi = "8JMKD3MGP5W34M/3FNS6NE",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP5W34M/3FNS6NE",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "27 abr. 2024"
}