@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/ibi/8JMKD3MGP5W34M/3H8T2PL",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "28 abr. 2024"
}