@MastersThesis{Paulino:2022:OcCo,
author = "Paulino, Rejane de Souza",
title = "The adjacency effect on inland water reflectance: occurrence and
correction",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2022",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2022-02-25",
keywords = "aerosol inversion, adjacency effect, inland waters, atmospheric
point spread function, invers{\~a}o do aerossol, efeito de
adjac{\^e}ncia, {\'a}guas interiores, fun{\c{c}}{\~a}o de
espalhamento pontual da atmosfera.",
abstract = "Satellite remote sensing data are a key source for the systematic
monitoring of inland waters. The current availability of medium
and high spatial resolution sensors brings new opportunities for
mapping small water bodies. However, inland waters may be
subjected to the adjacency effects which affect the radiance
leaving the water surface due to the photons scattered from the
surrounding land targets. These effects impair the accuracy of
water constituents retrieval because the scattered radiation from
neighboring land targets gets into the sensors path through the
atmosphere and is added to the sensor's signal. This complex
phenomenon affects the surface reflectance retrieval, and its
correction is a requirement for the quantitative application of
satellite-imagery on inland waters. The objective of this research
was to evaluate occurrence and correction of the adjacency effect
on inland waters, using a medium spatial resolution sensor
(MSI/Sentinel-2 A and B). The study area included five small lakes
surrounded by dense forest cover located in the Amazon region and
one large urban water reservoir in the S{\~a}o Paulo State,
Brazil. In this research, three main analyses were conducted: (i)
the application of a convergence method to estimate the aerosol
loading at 550 nm (AOD550) using in-situ water reflectance
measurements as reference in the inversion of the radiative
transfer equation; (ii) the assessment of the physical method
performance based on Atmospheric Point Spread Function (APSF) for
adjacency correction on inland waters. Three approaches to recover
the size of horizontal range of the adjacency effect (HAdj) were
assessed: Fixed window, SIMilarity Environment Correction (SIMEC),
and Adaptative Window by Proportion applied to Inland Water
(AWP-Inland Waters). AWP-Inland Water is a preliminary algorithm
developed in this research based on the proportion of non-water
targets within the window; and (iii) the assessment of the
adjacency effect sensitivity to environmental factors using
theoretical simulations. The accuracy assessment of the adjacency
correction using the HAdj approaches and Atmospheric Correction
(AC) was performed with in-situ collected samples along the
selected water bodies (N=46). With optimal AOD550 values, the AC
presented a good agreement, especially at the visible wavelengths,
with the validation data for all investigated water optical types
(MAPE: eutrophic ~56%, bright ~80%, and dark ~288% waters) when
compared to common sources of aerosol loading extraction, such as
MODIS-products (MAPE: eutrophic ~73%, bright ~105%, and dark ~402%
waters). However, the inversion model does not work well when its
assumptions are not satisfied. By examining the retrieval of the
atmospherically corrected water reflectance values, both methods
(MODIS and inversion model) showed uncertainties in obtaining
accurate reflectance values in the near-infrared wavelengths due
to adjacency effects. Regarding the adjacency correction, the
estimated water reflectance was associated with smaller errors
from the AWP-Inland Water method, considering only dark waters
(MAPE: ~53%). The adjacency correction performance in eutrophic
and bright waters was similar using all HAdj methods. SIMEC and
Fixed window presented a strong trend to produce invalid results
(i.e., negative water reflectance values) at the near-infrared
wavelengths due to the overestimation of HAdj size when applied to
small dark water bodies under very high adjacency effect.
Significant errors produced by the adjacency correction from SIMEC
and Fixed window invalided their application in dark waters and
small water bodies. Simulated results demonstrated that several
factors could influence the adjacency effect magnitude, such as
the shape and size of water bodies, aerosol properties (e.g.,
aerosol loading and aerosol model), proportion of non-water
targets within the HAdj, land cover around the water body, and
water composition variability (e.g., events of algal-blooms). In
general, the adjacency effect is maximized for small water bodies,
higher aerosol loadings (more than 0.1), and dark waters (water
reflectance less than 4%). For example, in this critical
arrangement, the adjacency contribution (~53%) at the Top of
Atmosphere (TOA) was up to ~5 times larger than the water
contribution (~11%) at 740 842 nm wavelengths. This research
contributes for further understanding of adjacency effects in
medium spatial resolution imagery on inland waters, using a
physicalbased approach, including the uncertainties in the HAdj
determination, which still remains a challenge for next studies.
RESUMO: Os dados de sensoriamento remoto s{\~a}o uma fonte
valiosa para o monitoramento sistem{\'a}tico das {\'a}guas
interiores. A atual disponibilidade dos sensores de m{\'e}dia e
alta resolu{\c{c}}{\~a}o espacial tem ampliado as perspectivas
para o mapeamento dos pequenos corpos de {\'a}gua. Entretanto,
{\'a}guas interiores podem estar submetidas aos efeitos de
adjac{\^e}ncia, os quais afetam a radi{\^a}ncia que deixa a
superf{\'{\i}}cie d'{\'a}gua devido {\`a} influ{\^e}ncia dos
alvos circundantes, o que impede uma estimativa precisa dos
constituintes da {\'a}gua. Os efeitos de adjac{\^e}ncia s{\~a}o
causados quando a energia refletida dos alvos vizinhos do corpo
d'{\'a}gua {\'e} espalhada pela atmosfera na dire{\c{c}}{\~a}o
do sensor. Esse complexo fen{\^o}meno afeta a
recupera{\c{c}}{\~a}o da reflect{\^a}ncia de
superf{\'{\i}}cie da {\'a}gua, e sua corre{\c{c}}{\~a}o
{\'e} um requisito necess{\'a}rio para aplica{\c{c}}{\~o}es
das imagens de sat{\'e}lite em {\'a}guas interiores. O objetivo
dessa pesquisa foi avaliar a ocorr{\^e}ncia e a
corre{\c{c}}{\~a}o do efeito de adjac{\^e}ncia em {\'a}guas
interiores, usando um sensor de m{\'e}dia resolu{\c{c}}{\~a}o
espacial (MSI/Sentinel-2 A e B). A {\'a}rea de estudo incluiu
cinco pequenos lagos rodeados por uma densa cobertura de floresta
localizados na regi{\~a}o Amaz{\^o}nica, e um grande
reservat{\'o}rio de abastecimento urbano no estado de S{\~a}o
Paulo, Brasil. Nessa pesquisa tr{\^e}s principais an{\'a}lises
foram realizadas: (i) aplica{\c{c}}{\~a}o de um m{\'e}todo de
converg{\^e}ncia para estimar a carga de aerossol em 550 nm
(AOD550) usando medi{\c{c}}{\~o}es da reflect{\^a}ncia da
{\'a}gua in-situ como refer{\^e}ncia na invers{\~a}o da
equa{\c{c}}{\~a}o de transfer{\^e}ncia radiativa; (ii)
avalia{\c{c}}{\~a}o do desempenho de um m{\'e}todo
f{\'{\i}}sico baseado na Fun{\c{c}}{\~a}o de Espalhamento
Pontual da Atmosfera (APSF) para a corre{\c{c}}{\~a}o da
adjac{\^e}ncia em {\'a}guas interiores. Tr{\^e}s abordagens
para recuperar a extens{\~a}o do efeito de adjac{\^e}ncia (HAdj)
foram avaliadas: janela Fixa, Corre{\c{c}}{\~a}o do Ambiente por
Similaridade (SIMEC) e a Janela Adaptativa por
Propor{\c{c}}{\~a}o aplicada a {\'A}guas Interiores (AWP-Inland
Water). A abordagem AWP-Inland Water refere-se a um algoritmo
preliminar desenvolvido durante essa pesquisa com o objetivo de
recuperar HAdj incorporando a propor{\c{c}}{\~a}o de alvos
diferentes do alvo {\'a}gua dentro da janela; e (iii)
avalia{\c{c}}{\~a}o da sensibilidade do efeito de
adjac{\^e}ncia aos fatores ambientais usando
simula{\c{c}}{\~o}es te{\'o}ricas. A acur{\'a}cia da
corre{\c{c}}{\~a}o da adjac{\^e}ncia a partir das abordagens
usadas para a determina{\c{c}}{\~a}o de HAdj, bem como a da
Corre{\c{c}}{\~a}o atmosf{\'e}rica (AC), foi avaliada por
m{\'e}tricas estat{\'{\i}}sticas usando amostras de campo
coletadas nos corpos de {\'a}gua selecionado (N=46). Com os
valores {\'o}timos do AOD550, a AC teve uma boa
concord{\^a}ncia, especialmente nos comprimentos de onda do
vis{\'{\i}}vel, com dados de valida{\c{c}}{\~a}o para todos os
tipos {\'o}pticos de {\'a}gua investigados (MAPE: {\'a}guas
eutr{\'o}ficas ~56%, claras ~80%, e escuras ~288%) quando
comparada com os resultados de fontes comuns de
extra{\c{c}}{\~a}o da carga do aerossol, como os produtos MODIS
(MAPE: {\'a}guas eutr{\'o}ficas ~73%, claras ~105%, e escuras
~402%). No entanto, o modelo de invers{\~a}o n{\~a}o proporciona
resultados v{\'a}lidos quando seus crit{\'e}rios n{\~a}o
s{\~a}o satisfeitos. Ao examinar as reflect{\^a}ncias da
{\'a}gua corrigidas para os efeitos da atmosfera, ambos os
m{\'e}todos (MODIS e modelo de invers{\~a}o) mostraram
incertezas em obter valores acurados de reflect{\^a}ncia nos
comprimentos de onda do infravermelho pr{\'o}ximo, devido aos
efeitos de adjac{\^e}ncia. Em rela{\c{c}}{\~a}o {\`a}
corre{\c{c}}{\~a}o dos efeitos de adjac{\^e}ncia, a
reflect{\^a}ncia estimada da {\'a}gua foi associada aos menores
erros com a aplica{\c{c}}{\~a}o do m{\'e}todo AWP-Inland Water,
considerando-se apenas as {\'a}guas escuras (MAPE: ~53%). O
desempenho da corre{\c{c}}{\~a}o de adjac{\^e}ncia em
{\'a}guas eutr{\'o}ficas e claras foi semelhante em todos os
m{\'e}todos usados para estimar o HAdj. O SIMEC e a abordagem de
janela Fixa apresentaram forte tend{\^e}ncia a produzir
resultados inv{\'a}lidos (ou seja, valores negativos da
reflect{\^a}ncia da {\'a}gua) em pequenos corpos de {\'a}gua
com {\'a}guas escuras sob contribui{\c{c}}{\~o}es muito altas
dos alvos adjacentes, devido {\`a} superestimativa do tamanho do
HAdj nos comprimentos de onda do infravermelho pr{\'o}ximo. Os
erros significativos produzidos pela corre{\c{c}}{\~a}o da
adjac{\^e}ncia a partir do SIMEC e da janela Fixa invalidou a
aplica{\c{c}}{\~a}o dessas abordagens a {\'a}guas escuras e
pequenos corpos de {\'a}gua. Os resultados das
simula{\c{c}}{\~o}es demonstraram que v{\'a}rios fatores podem
influenciar na magnitude do efeito de adjac{\^e}ncia, tal como a
forma e o tamanho dos corpos de {\'a}gua, as propriedades do
aerossol (e.g., carga e modelo do aerossol), a
propor{\c{c}}{\~a}o de alvos diferentes de {\'a}gua dentro do
HAdj, a cobertura ao redor do corpo d'{\'a}gua e a variabilidade
da composi{\c{c}}{\~a}o da {\'a}gua (e.g., eventos de
flora{\c{c}}{\~o}es de algas). No geral, o problema da
adjac{\^e}ncia foi maximizado em pequenos corpos de {\'a}gua,
sujeitos a carga maiores do aerossol (> 0.1) e {\'a}guas escuras
(reflect{\^a}ncia da {\'a}gua < 4%). Por exemplo, nesse
cr{\'{\i}}tico arranjo, a contribui{\c{c}}{\~a}o da
adjac{\^e}ncia (~53%) para o Topo da Atmosfera (TOA) foi at{\'e}
5 vezes maior que a contribui{\c{c}}{\~a}o da {\'a}gua (~11%)
em comprimentos de onda entre 740-842 nm. Essa pesquisa contribui
para uma maior compreens{\~a}o dos efeitos de adjac{\^e}ncia em
imagens de m{\'e}dia resolu{\c{c}}{\~a}o espacial em {\'a}guas
interiores com base em uma abordagem f{\'{\i}}sica, incluindo
tamb{\'e}m as incertezas na determina{\c{c}}{\~a}o do HAdj, que
permanece um desafio em futuros estudos.",
committee = "Barbosa, Cl{\'a}udio Clemente Faria (presidente) and Novo, Evlyn
M{\'a}rcia Le{\~a}o de Moraes (orientadora) and Martins, Vitor
Souza (orientador) and Carvalho, Lino Augusto Sander de and Costa,
Maycira",
englishtitle = "Ocorr{\^e}ncia e corre{\c{c}}{\~a}o do efeito de
adjac{\^e}ncia na reflect{\^a}ncia de {\'a}guas interiores",
language = "en",
pages = "90",
ibi = "8JMKD3MGP3W34T/46MN63E",
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urlaccessdate = "26 abr. 2024"
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