Uncertainties in the Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) Remote Sensing Reflectance for Assessing Diurnal Variability of Biogeochemical Processes

Short-term (sub-diurnal) biological and biogeochemical processes cannot be fully captured by the current suite of polar-orbiting satellite ocean color sensors, as their temporal resolution is limited to potentially one clear image per day. Geostationary sensors, such as the Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) from the Republic of Korea, allow the study of these short-term processes because their orbit permit the collection of multiple images throughout each day for any area within the sensors field of regard. Assessing the capability to detect sub-diurnal changes in in-water properties caused by physical and biogeochemical processes characteristic of open ocean and coastal ocean ecosystems, however, requires an understanding of the uncertainties introduced by the instrument and/or geophysical retrieval algorithms. This work presents a study of the uncertainties during the daytime period for an ocean region with characteristically low-productivity with the assumption that only small and undetectable changes occur in the in-water properties due to biogeochemical processes during the daytime period. The complete GOCI mission data were processed using NASAs SeaDAS/l2gen package. The assumption of homogeneity of the study region was tested using three-day sequences and diurnal statistics. This assumption was found to hold based on the minimal diurnal and day-to-day variability in GOCI data products. Relative differences with respect to the midday value were calculated for each hourly observation of the day in order to investigate what time of the day the variability is greater. Also, the influence of the solar zenith angle in the retrieval of remote sensing reflectances and derived products was examined. Finally, we determined that the uncertainties in water-leaving remote-sensing reflectance (Rrs) for the 412,443, 490, 555, 660 and 680 nm bands on GOCI are 8.05 x 10(exp -4), 5.49 x 10(exp -4), 4.48 x 10(exp -4), 2.51 x 10(exp -4), 8.83 x 10(exp -5), and 1.36 x 10(exp -4)/sr, respectively, and 1.09 x 10(exp -2)/cu.mgm for the chlorophyll-a concentration (Chl-a), 2.09 x 10(exp -3)/m for the absorption coefficient of chromophoric dissolved organic matter at 412 nm (a(sub g) (412)), and 3.7 mg/cu.m for particulate organic carbon (POC). These R(sub rs) values can be considered the threshold values for detectable changes of the in-water properties due to biological, physical or biogeochemical processes from GOCI

천리안 해양위성의 대기보정 및 대리교정 연구

본 학위논문은 세계최초의 정지궤도 해색 위성인 천리안 해양 위성 (GOCI : Geostationary Ocean Color Imager)에 표준으로 사용되는 대기보정 이론에 대하여 기술하고 있다. 타 극궤도 해색위성들이 1~2일 주기로 한 장소를 방문하며 전 지구를 관측하는 것과 달리 천리안 해양위성은 한반도를 포함한 동북아해역을 0.5 km 공간해상도로 낮 시간 동안 1시간의 시간간격으로 관측하고 있으며 (하루 8회 관측) 가시광~근적외파장대 (412, 443, 490, 555, 660, 680, 745, 865 nm) 영역에서 관측한다. 대기상층 위성궤도에서 일반적인 맑은 해역을 대상으로 관측된 가시광~근적외파장대 신호 중 90%이상은 대기신호이며, 해수신호의 크기는 10% 미만을 차지한다. 대기신호의 크기가 해수신호의 크기보다 10배 이상 크기 때문에 1%의 대기신호 추정 오차는 10%이상의 해수 광 스펙트럼 추정오류를 일으킨다. 이런 이유로 위성을 통한 해색원격탐사 임무는 높은 대기보정 정밀도를 요구하고 있으며 대기보정의 개발이 해색원격탐사 알고리즘 개발 중 가장 핵심이 된다. 천리안 해양위성 표준 대기보정은 NASA가 해색원격탐사 임무를 위해 개발한 SeaWiFS 표준 대기보정에 이론적인 기반을 두고 있다. SeaWiFS 방법은 우선 두개의 근적외 파장대 관측결과와 복사전달시뮬레이션 결과(조견표)를 서로 비교하여 대기 중 에어로졸 입자의 종류 및 농도 최적값을 추정해 내며 이 추정결과를 바탕으로 모든 가시광 파장의 에어로졸 반사도 스펙트럼을 다시 조견표를 이용하여 계산한다. 천리안 해양위성의 대기보정도 유사하게 두 근적외파장대 에어로졸 반사도 상관관계를 이용하여 에어로졸 종류 및 농도를 계산하는데, 이 연구를 통하여 SeaWiFS 및 다른 유사 대기보정 방법들과 비교하여 정확도 뿐 아니라 계산 효율 또한 개선하였다. 추가적으로 SeaWiFS에 적용된 수증기 흡광 보정 모델을 천리안 해양위성의 분광특성에 맞게 수정하여 적용하였으며, 탁도가 높은 해역에서 대기보정 오차를 줄이는 방법도 천리안 해양위성 관측영역의 해수 광 특성 및 반사도 정보들을 이용하여 개발하였다. 초기버전의 천리안 해양위성 표준 대기보정의 검보정 결과 탁도가 높은 연안해역에서는 10% 내외의 만족할 만한 오차수준을 보여주었으나, 탁도가 낮은 해역에서는 50% 이상의 오차를 발생되었다. 이는 대리교정 수행의 부재가 주된 요인이며, 본 연구에서는 이를 보완하기 위해 SeaWiFS 표준 대리교정 프로세스에 기반을 두고 천리안 해양위성에 맞게 대리교정을 수행하였다. 이 대리교정 방법에서는 특정 해역의 에어로졸 광특성이 항상 해양성 에어로졸이라 가정하고 이를 바탕으로 근적외 파장대 위성 관측 조도를 시뮬레이션 하여 두 근적외 파장대를 먼저 상대교정 한다. 이후, 상대교정된 두 근적외 파장대를 이용하면 맑은 해역에서 복사전달시뮬레이션을 통하여 가시광 파장대 대기조도를 모의 할 수 있게 되고, 여기에 맑은 해역의 현장 광 측정 자료가 추가되면 가시광파장대 위성관측조도의 시뮬레이션이 가능하다. 이 가시광파장대 모의 결과와 실제 위성관측조도와 비교하면 가시광파장대 대리교정을 완료할 수 있다. 본 대리교정 결과 대리교정 상수가 최대 3.2% 바뀌었으며 (490 nm 밴드) 새 대리교정 상수 적용 시 맑은 해역 대기보정 정확도가 최대 50% 이상 상승하였다. 본 연구에서는 천리안해양위성 대기보정의 성능을 평가하기 위해서 대기보정 결과 원격반사도 (remote-sensing reflectance: Rrs)를 한국해양과학기술원 해양위성연구센터에서 2010년 이후로 한반도 주변 해역 현장조사를 통해 수집한 원격반사도 자료들과 비교검정 하였으며, 검정결과 76, 84, 88, 90, 81, 82%의 정확도를 보여주었다. 추가로 현장자료가 아닌 시뮬레이션 자료를 통해 천리안 해양위성 알고리즘 뿐 아니라 다른 해색원격탐사 임무를 위해 개발된 주요 대기보정 알고리즘들 구현하여 함께 비교검증 하였고, 본 비교검증에서도 천리안 해양위성 표준 대기보정이 다른 대기보정 방법들과 비교하여 가장 낮은 오차율을 보여주었으며, 특히 다중산란 효과가 큰 작은 입자크기의 에어로졸 모델에서 더 좋은 성능을 보여주었다. 본 연구결과는 이론적으로 SeaWiFS 등 비슷한 밴드 특성을 가진 타 해색위성의 대기보정방법으로도 적용이 가능하며, 천리안 해양위성 자료처리시스템 (GOCI data processing system: GDPS) 1.5버전에의 적용될 예정이다.Chapter 1. Introduction 1 1.1 Ocean color remote sensing 1 1.2 Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) 2 1.3 Atmospheric correction and vicarious calibration 5 Chapter 2. Initial atmospheric correction for the GOCI data 10 2.1 Introduction 10 2.2 Method 11 2.2.1 Correction for gaseous absorption and whitecap radiance 13 2.2.2 Solar irradiance normalization 15 2.2.3 Correction for molecular (Rayleigh) scattering 17 2.2.4 Cloud mask 18 2.2.5 Correction for multiple scattering by aerosols 19 2.2.6 Correction for atmospheric transmittance 22 2.2.7 Correction for near-infrared water reflectance over turbid waters 22 2.3 Conclusion 24 Chapter 3. Algorithm updates and vicarious calibration for the GOCI atmospheric correction 25 3.1 Backgrounds 25 3.2 Updates to the initial GOCI atmospheric correction algorithm 26 3.2.1 Correction for gaseous absorption and whitecap radiance 26 3.2.2 Sun-glint correction 28 3.2.3 Considering gravity effect for Rayleigh scattering 29 3.2.4 Correction for multiple scattering by aerosols - SRAMS 30 3.2.5 Correction for bidirectional effects for water reflectance 35 3.2.6 Correction for near-infrared water reflectance over turbid waters 39 3.2.7 Atmospheric transmittance with considering anisotropic angular distribution of water reflectance 40 3.3 Vicarious calibration of GOCI near-infrared bands 41 3.3.1 Method 44 3.3.2 Inter-calibration of GOCI near-infrared bands 45 3.3.3 Vicarious calibration of GOCI visible bands 49 Chapter 4. Validation results 51 4.1 Data 51 4.1.1 Synthetic data derived by simulations 51 4.1.2 In situ radiometric data measured from shipboard 52 4.1.3 AERONET-OC radiometric data 56 4.2 Validation of SRAMS scheme with simulation data 58 4.3 Assessment of the atmospheric correction improvements with in situ radiometric data 59 Chapter 5. Discussions 61 5.1 Impacts of water vapor correction on ocean color products 61 5.2 Stability for high solar and satellite zenith angle for diurnal observation 62 5.3 Cloud masking on fast-moving clouds and quality analysis 63 5.4 Evaluation of the GOCI aerosol correction scheme compared with other approaches 64 5.4.1 Aerosol correction approach for OCTS 64 5.4.2 Aerosol correction approach for MERIS 67 5.4.3 Evaluation results 69 5.5 Pitfalls in estimation of aerosol reflectance using 2-NIR bands 71 5.6 Issues in the vicarious calibration of GOCI VIS and NIR bands 72 5.7 Uncertainties from bidirectional effect 75 Chapter 6. Conclusion 76 Appendix. Glossary of symbols 82 Acknowledgements 86 References 88Docto