Machine Learning Approach to Retrieving Physical Variables from Remotely Sensed Data

Scientists from all over the world make use of remotely sensed data from hundreds of satellites to better understand the Earth. However, physical measurements from an instrument is sometimes missing either because the instrument hasn\u27t been launched yet or the design of the instrument omitted a particular spectral band. Measurements received from the instrument may also be corrupt due to malfunction in the detectors on the instrument. Fortunately, there are machine learning techniques to estimate the missing or corrupt data. Using these techniques we can make use of the available data to its full potential. We present work on four different problems where the use of machine learning techniques helps to extract more information from available data. We demonstrate how missing or corrupt spectral measurements from a sensor can be accurately interpolated from existing spectral observations. Sometimes this requires data fusion from multiple sensors at different spatial and spectral resolution. The reconstructed measurements can then be used to develop products useful to scientists, such as cloud-top pressure, or produce true color imagery for visualization. Additionally, segmentation and image processing techniques can help solve classification problems important for ocean studies, such as the detection of clear-sky over ocean for a sea surface temperature product. In each case, we provide detailed analysis of the problem and empirical evidence that these problems can be solved effectively using machine learning techniques

Enhancing Low-Light Images Using Infrared-Encoded Images

Low-light image enhancement task is essential yet challenging as it is ill-posed intrinsically. Previous arts mainly focus on the low-light images captured in the visible spectrum using pixel-wise loss, which limits the capacity of recovering the brightness, contrast, and texture details due to the small number of income photons. In this work, we propose a novel approach to increase the visibility of images captured under low-light environments by removing the in-camera infrared (IR) cut-off filter, which allows for the capture of more photons and results in improved signal-to-noise ratio due to the inclusion of information from the IR spectrum. To verify the proposed strategy, we collect a paired dataset of low-light images captured without the IR cut-off filter, with corresponding long-exposure reference images with an external filter. The experimental results on the proposed dataset demonstrate the effectiveness of the proposed method, showing better performance quantitatively and qualitatively. The dataset and code are publicly available at https://wyf0912.github.io/ELIEI/Comment: The first two authors contribute equally. The work is accepted by ICIP 202

Thick Cloud Removal of Remote Sensing Images Using Temporal Smoothness and Sparsity-Regularized Tensor Optimization

In remote sensing images, the presence of thick cloud accompanying cloud shadow is a high probability event, which can affect the quality of subsequent processing and limit the scenarios of application. Hence, removing the thick cloud and cloud shadow as well as recovering the cloud-contaminated pixels is indispensable to make good use of remote sensing images. In this paper, a novel thick cloud removal method for remote sensing images based on temporal smoothness and sparsity-regularized tensor optimization (TSSTO) is proposed. The basic idea of TSSTO is that the thick cloud and cloud shadow are not only sparse but also smooth along the horizontal and vertical direction in images while the clean images are smooth along the temporal direction between images. Therefore, the sparsity norm is used to boost the sparsity of the cloud and cloud shadow, and unidirectional total variation (UTV) regularizers are applied to ensure the unidirectional smoothness. This paper utilizes alternation direction method of multipliers to solve the presented model and generate the cloud and cloud shadow element as well as the clean element. The cloud and cloud shadow element is purified to get the cloud area and cloud shadow area. Then, the clean area of the original cloud-contaminated images is replaced to the corresponding area of the clean element. Finally, the reference image is selected to reconstruct details of the cloud area and cloud shadow area using the information cloning method. A series of experiments are conducted both on simulated and real cloud-contaminated images from different sensors and with different resolutions, and the results demonstrate the potential of the proposed TSSTO method for removing cloud and cloud shadow from both qualitative and quantitative viewpoints

Non-local tensor completion for multitemporal remotely sensed images inpainting

Remotely sensed images may contain some missing areas because of poor weather conditions and sensor failure. Information of those areas may play an important role in the interpretation of multitemporal remotely sensed data. The paper aims at reconstructing the missing information by a non-local low-rank tensor completion method (NL-LRTC). First, nonlocal correlations in the spatial domain are taken into account by searching and grouping similar image patches in a large search window. Then low-rankness of the identified 4-order tensor groups is promoted to consider their correlations in spatial, spectral, and temporal domains, while reconstructing the underlying patterns. Experimental results on simulated and real data demonstrate that the proposed method is effective both qualitatively and quantitatively. In addition, the proposed method is computationally efficient compared to other patch based methods such as the recent proposed PM-MTGSR method

A simple method for estimating macroalgae area under clouds on MODIS imagery

The presence of clouds interferes with optical remote sensing monitoring of macroalgae blooms. To solve this problem, we propose a simple method for estimating macroalgae area under clouds (Area_cloud_GT) on MODIS imagery using the principle behind the lowpass filter. The method is based on a rectangle with clouds and eight identical adjacent rectangles surrounding it that contain macroalgae. The cloud rectangle is a central ‘pixel’ (Cloud) and the eight adjacent rectangles are ‘pixels’ GT1–GT8. The core operation is to calculate the central ‘pixel’ value, i.e., the macroalgae coverage rate in the Cloud rectangle. The macroalgae area detected by semi-simultaneous fine resolution images in the same region was taken as the ‘real’ value. A comparison of the estimation results and the ‘real’ value shown that the mean relative difference between them (MRD) was 30.09% when the time interval of the images within 10 minutes. When the time interval was over 3 hours, the MRD was more than 60%. The MRD increased significantly with increasing time interval because of the constant movement of the macroalgae and the limitations of the remote sensing image. The results indicate that this simple method is effective to a certain extent. These results can provide a reference for the quantitative analysis of green tide

Biomass Burning in the Conterminous United States: A Comparison and Fusion of Active Fire Observations from Polar-Orbiting and Geostationary Satellites for Emissions Estimation

Biomass burning is an important source of atmospheric greenhouse gases and aerosol emissions that significantly influence climate and air quality. Estimation of biomassburning emissions (BBE) has been limited to the conventional method in which parameters (i.e., burned area and fuel load) can be challenging to quantify accurately. Recent studies have demonstrated that the rate of biomass combustion is a linear function of fire radiative power (FRP), the instantaneous radiative energy released from actively burning fires, which provides a novel pathway to estimate BBE. To obtain accurate and timely BBE estimates for near real-time applications (i.e., air quality forecast), the satellite FRP-based method first requires a reliable biomass combustion coefficient that converts fire radiative energy (FRE), the temporal integration of FRP, to biomass consumption. The combustion coefficient is often derived in controlled small-scale fire experiments and is assumed a constant, whereas the coefficient based on satellite retrievals of FRP and atmospheric optical depth is suggested varying in a wide range. Undoubtedly, highly variable combustion coefficient results in large uncertainty of BBE estimates. Further, the FRP-based method also depends on high-spatiotemporalresolution FRP retrievals that, however, are not available in any active fire products from current polar-orbiting and geostationary satellites due to their sampling limitations. To address these challenges, this study first investigates the combustion coefficient for landscape-scale wildfires in the Conterminous United States (CONUS) by comparing FRE from the polar-orbiting Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and the Geostationary Operational Environmental Satellite system (GOES) with the Landsat-based biomass consumption. The results confirms that biomass consumption is a linear function of FRE for wildfires. The derived combustion coefficient is 0.374 kg · MJ- 1 for GOES FRE, 0.266 kg · MJ-1 for MODIS FRE, and 0.320 kg · MJ-1 considering both GOES and MODIS FRE in the CONUS. Limited sensitivity analyses indicate that the combustion coefficient varies from 0.301 to 0.458 kg · MJ-1, which is similar to the reported values in small fire experiments. Then, this study reconstructs diurnal FRP cycle to derive high-spatiotemporal-resolution FRP by fusing MODIS and GOES FRP retrievals and estimates hourly BBE at a 0.25°×0.3125° grid across the CONUS. The results indicate that the reconstructed diurnal FRP cycle varies significantly in magnitude and shape among 45 CONUS ecosystems. In the CONUS, the biomass burning annually releases approximately 690 Gg particulate matter (smaller than 2.5 μm in diameter, PM2.5). The diurnal-FRP-cycle-based BBE estimates compare well with BBE derived from Landsat burned areas in the western CONUS and with the hourly carbon monoxide emissions simulated using a biogeochemical model over the Rim Fire in California. Moreover, the BBE estimates show a similar seasonal variation to six existing BBE inventories but with variable magnitude. Finally, this study examines potential improvements in fires characterization capability of the Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), which is the follow-on sensor of the MODIS sensor, for integrating VIIRS FRP retrievals into the FRP-based method for BBE estimation in future work. The results indicate that the VIIRS fire characterization capability is similar across swath, whereas MODIS is strongly dependent on satellite view zenith angle. VIIRS FRP is generally comparable with contemporaneous MODIS FRP at continental scales and in most fire clusters. At 1-degree grid cells, the FRP difference between the two sensors is, on average, approximately 20% in fire-prone regions but varies significantly in fire-limited regions. In summary, this study attempts to enhance the capability of the FRP-based method by addressing challenges in its two parameters (combustion coefficient and FRP), which should help to improve estimation of BBE and advance our understanding of the effects of BBE on climate and air quality. This research has resulted in two published papers and one paper to be submitted to a peer-reviewed journal so far

Cloud Detection And Information Cloning Technique For Multi Temporal Satellite Images

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017Uzaktan algılanmış uydu görüntülerinde atmosfer etkilerinden kaynaklı olarak ortaya çıkan bölgesel bulutlar ve bu bulutların gölgeleri, yapılan çalışmalarda problem oluşturan temel gürültü kaynaklarındandır. Değişim analizi, NDVI hesaplama gibi önemli dijital işlemlerde bulut ve gölge bölgeleri, genel olarak yanıltıcı sonuçlar veren bölgeler olduğundan dijital işlemler çoğu zaman bu alanlar maskelenerek gerçekleştirilmektedir. Bu problem birçok çalışmada aynı bölgeden farklı zamanlarda elde edilmiş uydu görüntüleri ile mozaikleme yapılarak aşılmıştır. Ancak, mozaikleme sırasında oluşan spektral ve dokusal bozulmalar çalışmaları olumsuz etkilemektedir. Görüntünün çekilme anına bir daha dönülemeyeceğinden, bulutsuz bir görüntü elde etmek önemli bir süreç haline gelmektedir. Google Earth gibi sık kullanılan harita araçları aynı bölgeye ait çekilmiş birçok görüntü kullanarak bu görüntülerin ortalamalarından bulutsuz mozaikler elde ederek kullanıcılara sunmaktadır. Bu çalışmada bulutlu görüntüler çok zamanlı bulutsuz görüntülerden klonlama yapılarak bulutsuz hale getirilecektir. Diğer benzer çalışmalara ek olarak, klonlama süreci bir fotoğraf düzenleme işleminden öte görüntünün spektral özellikleri kullanılarak gerçekleştirilerek en yakın tarih ve spektral benzerlik göz önünde bulundurularak bulutsuz görüntü elde edilecektir. Üretilen bulutsuz görüntüde oluşan kenar bozulma etkileri çeşitli filtreler ile azaltılacaktır. Geliştirilen yöntem farklı zamanlarda çekilmiş Landsat-8 uydu görüntüleri ile test edilmiştir. Görüntüde bulunan bulutların belirlenmesi, bulut klonlama işleminin gerçekleştirilmesi için ilk aşama ve doğruluğu direkt olarak klonlama doğruluğu etkileyen bir süreçtir. Bulutların oluşturduğu parlaklık ve gölgelerinin oluşturduğu kararmalar birçok veri analizini olumsuz etkilemektedir. Bu etkiler, atmosferik düzeltmede oluşacak zorluklar, NDVI değerlerinin yükselmesi, sınıflandırmadaki hatalar ve değişim analizinin yanlış gerçekleştirilmesi şeklinde olabilir. Tüm bu etkilerin doğrultusunda, uzaktan algılama görüntülerinde bulutlar ve gölgeleri önemli bir gürültü kaynağı olduğundan bunların dijital işlemlerden önceki ilk aşamada belirlenmesi önem taşımaktadır. Bu çalışmada, Landsat-8 görüntüleri kullanılarak ve mevcut ısıl bantların da yardımıyla, bulut ve gölgelerinin belirlenmesi için bölütleme tabanlı bir kural dizisi ile uygulanan bir yöntem önerilmiş ve test edilmiştir. Çalışmaya temel olan bulut belirleme algoritması, ACCA ve Fmask algoritmalarının geliştirilmiş, sadeleştirilmiş, otomatize edilmiş ve bölütleme tabanlı uyarlanmış bir sürümü olarak değerlendirilebilir . Bu yöntem sayesinde, spektral özellikler ve geometrik özellikler bir arada kullanılarak Landsat 8 görüntülerinden bulut ve bulut gölgeleri belirlenmiştir. Spektral ve geometrik özelliklerin yanı sıra Landsat ısıl bant verileri ile, bulut-gölge ve soğuk yüzey (kar, buz) ayırımı güçlendirilmiştir. Komşuluk ilişkileri kullanılarak, belirlenen bulut alanları etrafındaki bulut gölgelerinin belirleme doğruluğu arttırılmıştır. Geliştirilen algoritma, dört farklı bölge için farklı zamanlarda çekilmiş Landsat görüntüleri üzerinde test edilerek değerlendirilmiştir. Bulut belirleme algoritmasında temel olarak Landsat 8 görüntülerinin OLI ve ısıl bantları kullanılmaktadır. Landsat-8 verileri, DN değerler olarak işlenmemiş halde sağlanmaktadır. Bu veriler, Landsat verileri ile birlikte gelen meta veri dosyasında (MTL) verilen oranlama katsayıları ile atmosfer üstü yansıtım değerlerine ve radyans değerlerine dönüştürülebilmektedir. Böylece veriler fiziksel anlamı olan birimlere dönüştürülmüş olur. Meta veri dosyasında sağlanan ısıl bant katsayıları ile ısıl bant verileri, parlaklık sıcaklığı bilgisine dönüştürülebilmektedir. OLI bantları atmosfer üstü yansıtım değerlerine (ToA), ısıl bantlar ise parlaklık sıcaklığına dönüştürülerek algoritmada kullanılmıştır. Yansıtım değerlerine dönüştürülen görüntülerde bulut alanlarının belirlenmesi için öncelikle bölütleme algoritması ile görüntü süper-piksellere ayrılmış ve kural tabanlı bir sınıflandırma dizisi uygulanarak bulut alanları görüntü üzerinden belirlenmiştir. Bulut alanlarının belirlenmesinden sonra, spektral testler ve bulut alanlarının komşuluk ilişkileri değerlendirilerek bulut gölgesi alanları da belirlenmiştir. Süper pikseller, pikselleri anlamlı gruplar halinde birleştirerek, piksel grupları oluşturmak için kullanılmaktadır. Görüntüdeki aynı bilgiye sahip olan piksellerin birleştirilmesi ile görüntü işleme amaçlı işlemlerin hızı da yüksek oranda artmaktadır. K-ortalamalar (K-means) yönteminin mekânsal özelliklerini de kullanan bir uyarlamasını temel alarak süper pikselleri üreten SLIC algoritması da bu amaçla kullanılan etkin yöntemlerden biridir. Bulut süper piksellerinin üretilmesinde SLIC yöntemi kullanılmıştır. Görüntülerden bulut alanlarının belirlenmesi için, bulutların spektral karakteristiğinin belirlenmesi ile işleme başlanmıştır. Görüntü üzerinden toplanan bulut noktalarının spektral imzaları karşılaştırılmıştır. Algoritma bu imzalar temel alınarak geliştirilmiştir. Bulut özelliklerine benzer şekilde, bulut gölgesi alanlarının sınıflandırılmasında da, görüntü üzerinden toplanan bulut noktalarının spektral imzalarının yorumlanmasını temel alan bir yöntem ile ısıl bandı devre dışı bırakan bir bant oranlama indeksi geliştirilmiştir. Bu indeks ile gölge alanlarının değeri diğer arazi örtüsü özelliklerinden keskin bir şekilde ayrıldığından eşik değeri belirlenmesi dinamik olarak gerçekleştirilebilmektedir. İkinci olarak, farklı gölge alanlarının, bulut gölgeleri ile karışmasını önlemek amacıyla görüntü özniteliklerinden olan güneş azimut açısı kullanılarak tüm bulut bölgelerinin bu açı ile doğru orantılı şekilde belli bir uzaklıkta izdüşümü alınmıştır. Bu izdüşüm alanlar, potansiyel gölge alanlarını ifade etmektedir. Gölge alan belirleme indeksi sonucu ile bu izdüşüm alanların kesişimi final gölge bölgelerinin sınıflandırılmasında kullanılmıştır Bulut ve gölgelerinin belirlenmesi, uzaktan algılamada uzun zamandır üzerinde çalışılan ve birçok yöntemin geliştirildiği bir konudur. Bu yöntemler kimi zaman yeterli doğrulukta sonuçlar verirken, kimi zaman da yeterli doğruluğu sağlayamamaktadır. Piksel tabanlı yöntemlerin yanı sıra, görüntüyü süper-piksellere ayıran bölütleme tabanlı yöntemlerin bulut ve gölge belirlemede kullanılması yeni bir konudur. Bu şekilde, görüntü, homojen özellikler sergileyen piksel gruplarına ayrılarak, hem hesaplama gücü azaltılmakta, hem de nesne tabanlı bir yaklaşım sergilendiğinden, sınıflandırılması hedeflenen özellikler geometrik karakteristikleri bakımından etkin bir şekilde görüntü üzerinden elde edilebilmektedir. Bu çalışmada geliştirilen bulut ve gölge belirleme algoritmaları ile bölütleme tabanlı bir yaklaşım bu kapsamda uygulanmıştır. İlk aşamada elde edilen süper-piksellerin doğruluğu sınıflandırma doğruluğunu doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle küçük bir ölçek parametresi seçilerek süper-piksellerin boyutları küçük tutulmuş ve piksel gruplamaları homojen tutularak, heterojen süper-piksellerin oluşması olasılığı azaltılmıştır. Bulut ve gölge gibi nesneler, parlak ve koyu yansıtım değerleri nedeniyle görüntü üzerindeki spektral karakteristikleri belirgin bir şekilde oluşan özelliklerdir. Bu bilgiler esas alınarak SLIC algoritması ile etkin bir bölütleme uygulanarak bulut ve gölge alanları süper-piksellere ayrılmıştır. Spektral tabanlı bir yaklaşımla geliştirilen indeksler ile kural seti şeklinde bir yapı kurularak; parlaklık sıcaklığı, güneş açısı, NDSI, NDWI gibi özellikler de sınıflandırma kural setine eklenerek, çok kriterli bir yapıda bulut ve gölge alanları görüntü üzerinden belirlenmiştir. Burada yeni bir yaklaşım olan bulut-gölge izdüşümü yaklaşımı ile bulut ve gölge arasındaki geometrik bağıntı kullanılarak gölge sınıflandırması doğruluğu arttırılmıştır. Tüm bu sonuçlar farklı bölgelerden alınmış görüntüler üzerindeki aynı parametreler ile koşturularak, yöntemin transfer edilebilirliği test edilmiştir. ACCA, Fmask gibi algoritmaların yanında, burada geliştirilen algoritma, transfer edilebilirliği, süper-piksel tabanlı olması sebebiyle getirdiği işlem kolaylığı ve basitleştirilmiş işlem adımları ile kullanışlılığını kanıtlamıştır. Bulut ve gölge alanlarının tespitinden sonra klonlama işlemine altlık oluşturacak bulut maskeleri elde edilmiştir. Bulut alanlarının, bulutsuz görüntülerden hangisi seçilerek klonlanılmasına görüntüler arasında yapılan spektral benzerlik testleri ile karar verilmiştir. Tüm bu görüntülerin bulutlu görüntüye olan korelesyonları hesaplanarak korelasyonu en yüksek olan görüntü bilgi aktarımı için kullanılmıştır. Görüntülerin klonlanmasında, bulutlu görüntünün çekildiği tarihe en yakın 3 aylık görüntüler girdi olarak alınmıştır. Tespit edilen bulut alanları ayrı ayrı analiz edilerek, öncelikle seçilen alana yakın tarihli görüntülerde aynı bölgenin bulutsuz olup olmadığı görüntülerin kesişimleri alınarak test edilmiştir. Bu testin sonrasında bulutsuz görüntüler ile bulutlu görüntü arasında korelasyonu en yüksek görüntüden taşırma algoritması ile (Flood Fill) bilgi aktarımı yapılarak bulutsuz görüntü elde edilmiştir Görüntülerin klonlanmasından sonra oluşan kenar bozulma etkilerinin düzeltilmesi için, klonlanan bölge sınırlarına ortalama filtresi (mean filter, averaging filter) uygulanmıştır. Görüntülerin klonlanmasının ardından, üretilen bulutsuz görüntülerin yakın zaman ait bulutsuz görüntülere olan benzerliği, Yapısal Benzerlik İndeksi Yöntemi (YBIY) (Structural Similarity Index) ile test edilmiştir. YBIY iki resim arasındaki benzerliğin ölçülmesi için geliştirilmiş, Karesel Ortalama Hata’nın (KOH) geliştirilmiş bir sürümü olan ve sık kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem, karşılaştırılan görüntülerden birisini mutlak doğru olarak kabul ederek, diğer görüntünün bu görüntüden sapmasını tespit etmektedir. Görüntünün kontrast ve spektral özelliklerini yanı sıra, yapısal bozulmalarını da hesaplamaya kattığından çalışma için uygun yöntem olarak belirlenmiş ve uygulanmıştır. Bulutlu görüntülerdeki bulutların giderilmesi uzaktan algılama disiplini üzerinde çalışanların uzun zamandır çalıştığı bir konudur. Sis etkisinin giderilmesi için bazı spektral yöntemler geliştirilmiş olsa da, geçirimsiz bulutların giderilmesi ancak farklı zamanlı uydu görüntülerinden bilgi aktarımı ile gerçekleşmektedir. Bu çalışmada, yapılan diğer çalışmalarda kazanılan bulut belirleme başarımının sonrasında bu bilgi kullanılarak görüntüde bulunan bulutların, aynı bölgeden çekilmiş farklı zamanlı görüntülerden bilgi aktarımı ile bulutsuz hale getirilmesi sağlanmıştır. Diğer bulutsuz görüntü elde etme yöntemlerinin yanı sıra, bulutlu alanların bulutsuz görüntülerden klonlanması sırasında, görüntülerin spektral ve yapısal özelliklerini korumak ön planda tutulmuştur. Farklı görüntü benzerlik ve görüntü kalitesi yöntemleri kullanılarak sadece görsellik önde tutulmadan spektral ve yapısal bilgiyi de koruyan bir yöntem geliştirilmiştir.One of the main sources of noises in remote sensing satellite images are regional clouds and shadows of these clouds caused by atmospheric conditions. In many studies, these clouds and shadows are masked with multitemporal images taken from the same area to decrease effects of misclassification and deficiency in different image processing techniques, such as change detection and NDVI calculation. This problem is surpassed in many studies by mosaicking with different images obtained from different acquisition dates of the same region. The main step of all these studies that cover cloud cloning or cloud detection is the detection of clouds from a satellite image. In this study, clouds and shadow patches are classified by using a spectral feature based rule set created after segmentation process of Landsat 8 image. Not only spectral characteristics but also structural parameters like pattern, area and dimension are used to detect clouds and shadows. Information of cloud projection is used to strengthen cloud shadow classification. Rule set of classification is developed within a transferable approach to reach a scene independent solution. Results are tested with different satellite images from different areas to test transferability and compared to other state-of art methods in the literature. Detection of clouds and cloud shadows features correctly is the main step of cloning procedure to create cloudless image from multitemporal image dataset. Multitemporal image dataset is used to find best image to clone cloud image. Choosing best image for cloning process is an important step for reliable cloning. Statistical and seasonal similarity tests are used to find best image to clone cloud covered image. Vector intersections are used to find cloudless images between multitemporal dataset. Flood Fill method is used to create cloudless image from cloud covered image by using information extraction from cloudless images in dataset. Accuracy of cloning process is tested by using SSIM index to find structural and spectral similarity to cloudless image. All cloning results are tested with different image from different regions to check transferability of study. This study can be regarded as a scientific approach to create cloudless image mosaics for each kind of application. Method in this thesis is a scientific approach to well-known methods of famous cloudless mosaic generation methods of Google, Mapbox Co. etc. for creation of visually good-looking base maps for web maps.DoktoraPh.D

Trophic state assessment of global inland waters using a MODIS-derived Forel-Ule index

Eutrophication of inland waters is considered a serious global environmental problem. Satellite remote sensing (RS) has been established as an important source of information to determine the trophic state of inland waters through the retrieval of optically active water quality parameters such as chlorophyll-a (Chl-a). However, the use of RS techniques for assessment of the trophic state of inland waters on a global scale is hindered by the performance of retrieval algorithms over highly dynamic and complex optical properties that characterize many of these systems. In this study, we developed a new RS approach to assess the trophic state of global inland water bodies based on Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) imagery and the Forel-Ule index (FUI). First, the FUI was calculated from MODIS data by dividing natural water colour into 21 indices from dark blue to yellowish-brown. Then the relationship between FUI and the trophic state index (TSI) was established based on in-situ measurements and MODIS products. The water-leaving reflectance at 645 nm band was employed to distinguish coloured dissolved organic matter (CDOM)-dominated systems in the FUI-based trophic state assessment. Based on the analysis, the FUI-based trophic state assessment method was developed and applied to assess the trophic states of 2058 large inland water bodies (surface area >25 km2) distributed around the world using MODIS data from the austral and boreal summers of 2012. Our results showed that FUI can be retrieved from MODIS with a considerable accuracy (92.5%, R2 = 0.92) by comparing with concurrent in situ measurements over a wide range of lakes, and the overall accuracy of the FUI-based trophic state assessment method is 80.0% (R2 = 0.75) validated by an independent dataset. Of the global large water bodies considered, oligotrophic large lakes were found to be concentrated in plateau regions in central Asia and southern South America, while eutrophic large lakes were concentrated in central Africa, eastern Asia, and mid-northern and southeast North America

Spatiotemporal Estuarine Water Quality Parameterization Using Remote Sensing and in-situ Characteristics

This dissertation develops a new paradigm in a water quality monitoring approach to parameterize spatiotemporal estuarine water quality with sustainable reliability, less cost and less time. A key underpinning of this paradigm of the spatiotemporal estuarine water quality parameterization is various water quality parameters\u27 interrelationship with ambient water temperature as a common factor, their time dependent characteristics, and spatiotemporal characteristics of remote sensing. It has two core models to provide input data of water quality parameterization model in a system; the transfer function models of the physical system and an analytical temperature time series model. The objective of this dissertation is to provide an alternative tool for monitoring water quality and decision-making in estuaries with time and space, to identify system components contributing to physical water quality, and to demonstrate the feasibility, reproducibility and applicability of the proposed model. The spatiotemporal estuarine water quality parameterization model monitors chlorophyll concentration using remote sensing, transfer function models of dissolved oxygen (DO) and orthophosphate (PO4) and ambient water temperature in spring and fall in the James River Estuary Mesohaline segment in Virginia. The proposed model is applicable in the temperature range between 6°C and 23°C in spring and in the temperature range between 21°C and 32°C in fall. The optimal operational temperature range of the proposed model is between 19°C and 25°C based on the relative sensitivity analysis of DO transfer function model. The proposed models in two seasons are compared with the models that use different approaches such as a conventional approach and a previously proposed approach based on various criteria. The results show that the proposed models present the variability of chlorophyll concentration better over time and temperature than other approaches. The results also support that the transfer function models can be successfully applied to estimate chlorophyll instead of using monitored water quality data directly. The proposed models present difficulty to estimate extremely high concentrations of chlorophyll; however, they produce estimations comparable to observed chlorophyll concentrations that are less than the extreme outliers in each season. The mean chlorophyll concentration that is produced by the best proposed model is 7.937μg/L and the +/- 95% confidence intervals of the mean are 7.977μg/L and 7.897μg/L after eliminating the extreme outliers (371μg/L) in spring. The mean, 7.937μg/L, is compatible with the mean of the observed concentrations that are less than the extreme outliers, 7.572μg/L. The mean chlorophyll concentration that is produced by the best proposed model is 5.520μg/L, and the +/- 95% confidence intervals (C.I.) of the mean are 5.538μg/L and 5.502μg/L after eliminating the extreme outliers (22μg/L) in fall. The mean, 5.520μg/L, is compatible with the mean of the observed concentrations that are less than the extreme outliers, 6.117μg/L. This dissertation demonstrates the feasibility, reproducibility and applicability of the paradigm in spatiotemporal estuarine water quality parameterization using remote sensing data and field measured water quality data in estuaries. The spatiotemporal estuarine water quality parameterization model can enhance an existing water quality monitoring and assessment program in estuaries that are managed by municipal agencies and local water quality decision makers. The spatiotemporal estuarine water quality parameterization model can be employed as a tool to guide management, since a systematic process of estimating water quality targets is difficult in a complex estuary. Over time, the model provides appropriate, up-to-date guidance. Careful consideration is necessary when applying transfer function models and seasonal spatiotemporal estuarine water quality parameterization models to the different estuaries directly. Although the models appear feasible with significant potential, direct implementation of the model requires a site-specific quality assurance/quality control (QA/QC) check