Fechar

@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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