%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21d/2022/04.14.19.50
%2 sid.inpe.br/mtc-m21d/2022/04.14.19.50.10
%T The adjacency effect on inland water reflectance: occurrence and correction
%J Ocorrência e correção do efeito de adjacência na reflectância de águas interiores
%D 2022
%8 2022-02-25
%9 Dissertação (Mestrado em Sensoriamento Remoto)
%P 90
%A Paulino, Rejane de Souza,
%E Barbosa, Cláudio Clemente Faria (presidente),
%E Novo, Evlyn Márcia Leão de Moraes (orientadora),
%E Martins, Vitor Souza (orientador),
%E Carvalho, Lino Augusto Sander de ,
%E Costa, Maycira,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K aerosol inversion, adjacency effect, inland waters, atmospheric point spread function, inversão do aerossol, efeito de adjacência, águas interiores, função de espalhamento pontual da atmosfera.
%X 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 São 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 são uma fonte valiosa para o monitoramento sistemático das águas interiores. A atual disponibilidade dos sensores de média e alta resolução espacial tem ampliado as perspectivas para o mapeamento dos pequenos corpos de água. Entretanto, águas interiores podem estar submetidas aos efeitos de adjacência, os quais afetam a radiância que deixa a superfície d'água devido à influência dos alvos circundantes, o que impede uma estimativa precisa dos constituintes da água. Os efeitos de adjacência são causados quando a energia refletida dos alvos vizinhos do corpo d'água é espalhada pela atmosfera na direção do sensor. Esse complexo fenômeno afeta a recuperação da reflectância de superfície da água, e sua correção é um requisito necessário para aplicações das imagens de satélite em águas interiores. O objetivo dessa pesquisa foi avaliar a ocorrência e a correção do efeito de adjacência em águas interiores, usando um sensor de média resolução espacial (MSI/Sentinel-2 A e B). A área de estudo incluiu cinco pequenos lagos rodeados por uma densa cobertura de floresta localizados na região Amazônica, e um grande reservatório de abastecimento urbano no estado de São Paulo, Brasil. Nessa pesquisa três principais análises foram realizadas: (i) aplicação de um método de convergência para estimar a carga de aerossol em 550 nm (AOD550) usando medições da reflectância da água in-situ como referência na inversão da equação de transferência radiativa; (ii) avaliação do desempenho de um método físico baseado na Função de Espalhamento Pontual da Atmosfera (APSF) para a correção da adjacência em águas interiores. Três abordagens para recuperar a extensão do efeito de adjacência (HAdj) foram avaliadas: janela Fixa, Correção do Ambiente por Similaridade (SIMEC) e a Janela Adaptativa por Proporção aplicada a Águas 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 proporção de alvos diferentes do alvo água dentro da janela; e (iii) avaliação da sensibilidade do efeito de adjacência aos fatores ambientais usando simulações teóricas. A acurácia da correção da adjacência a partir das abordagens usadas para a determinação de HAdj, bem como a da Correção atmosférica (AC), foi avaliada por métricas estatísticas usando amostras de campo coletadas nos corpos de água selecionado (N=46). Com os valores ótimos do AOD550, a AC teve uma boa concordância, especialmente nos comprimentos de onda do visível, com dados de validação para todos os tipos ópticos de água investigados (MAPE: águas eutróficas ~56%, claras ~80%, e escuras ~288%) quando comparada com os resultados de fontes comuns de extração da carga do aerossol, como os produtos MODIS (MAPE: águas eutróficas ~73%, claras ~105%, e escuras ~402%). No entanto, o modelo de inversão não proporciona resultados válidos quando seus critérios não são satisfeitos. Ao examinar as reflectâncias da água corrigidas para os efeitos da atmosfera, ambos os métodos (MODIS e modelo de inversão) mostraram incertezas em obter valores acurados de reflectância nos comprimentos de onda do infravermelho próximo, devido aos efeitos de adjacência. Em relação à correção dos efeitos de adjacência, a reflectância estimada da água foi associada aos menores erros com a aplicação do método AWP-Inland Water, considerando-se apenas as águas escuras (MAPE: ~53%). O desempenho da correção de adjacência em águas eutróficas e claras foi semelhante em todos os métodos usados para estimar o HAdj. O SIMEC e a abordagem de janela Fixa apresentaram forte tendência a produzir resultados inválidos (ou seja, valores negativos da reflectância da água) em pequenos corpos de água com águas escuras sob contribuições muito altas dos alvos adjacentes, devido à superestimativa do tamanho do HAdj nos comprimentos de onda do infravermelho próximo. Os erros significativos produzidos pela correção da adjacência a partir do SIMEC e da janela Fixa invalidou a aplicação dessas abordagens a águas escuras e pequenos corpos de água. Os resultados das simulações demonstraram que vários fatores podem influenciar na magnitude do efeito de adjacência, tal como a forma e o tamanho dos corpos de água, as propriedades do aerossol (e.g., carga e modelo do aerossol), a proporção de alvos diferentes de água dentro do HAdj, a cobertura ao redor do corpo d'água e a variabilidade da composição da água (e.g., eventos de florações de algas). No geral, o problema da adjacência foi maximizado em pequenos corpos de água, sujeitos a carga maiores do aerossol (> 0.1) e águas escuras (reflectância da água < 4%). Por exemplo, nesse crítico arranjo, a contribuição da adjacência (~53%) para o Topo da Atmosfera (TOA) foi até 5 vezes maior que a contribuição da água (~11%) em comprimentos de onda entre 740-842 nm. Essa pesquisa contribui para uma maior compreensão dos efeitos de adjacência em imagens de média resolução espacial em águas interiores com base em uma abordagem física, incluindo também as incertezas na determinação do HAdj, que permanece um desafio em futuros estudos.
%@language en
%3 publicacao.pdf