Support the environmental management and public use of U.S. lakes by detecting and quantifying algal blooms and related water quality indicators using satellite data records

Schaeffer, Blake A.

Seegers, Bridget N.

Stumpf, Richard P.

Werdell, P. Jeremy

English

NASA Technical Reports Server

Satellite remote sensing of Cyanobacteria: 
Success stories of management taking 
action and the CyAN data sharing app. 
Bridget N. Seegers, Blake A. Schaeffer, 
P. Jeremy Werdell, Richard P. Stumpf 
Cyanobacteria 
Assessment Network
Landsat 8
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20200001476 2020-03-28T19:20:02+00:00Z
A2
A1
A3
B2
B3
B1
C2
C1
P
h
o
t
o
g
r
a
p
h
 
b
y
 
D
a
v
e
 
Z
a
p
o
t
o
s
k
y
Landsat 8 Photograph by David Ruck
Star Tribune, July 2015
San Gabriel Valley Tribune, June 2016
New York Times, Aug 2019
The Guardian, July 2016
Idaho
The Daily Beast, July 2016
Caloosahatchee River, Florida
Swepsonville, North Carolina
Cyanobacteria Assessment Network  (CyAN)
Multi-agency project EPA, NOAA, USGS, NASA 
Approach 
Remote Sensing
Uniform and systematic approach for identifying cyanobacteria blooms. 
Strategy for evaluation and refinement of algorithms across platforms.  
Information Distribution
Bring the technology to EPA, states and tribal partners. Provide notifications and decision support
Economics
Behavioral responses and economic value of the early warning system. 
Environment
Identify landscape linkages causes of chlorophyll a and cyanobacteria.
Health
Exposure and human health effects in drinking and recreational waters.  
GOAL: Support the environmental management and public use of U.S. lakes by detecting and quantifying 
algal blooms and related water quality indicators using satellite data records.
Contiguous US (CONUS) tiles
MERIS (2002‐2012) and OLCI (2016‐ )   Full resolution (300 m)
1862 Resolvable lakes  (3x3 pixel) <1% of lakes resolved 33% of surface intakes
A single pixel data for 15,545 lakes (5.6%) resolved 57% of surface intakes 
Cyanobacteria 
Assessment Network
Florida Tile
Mapped @300m 
Jan 28, 2011   1 day image
Cyanobacteria Index (CI)
MERIS Image
Spatial 300m
Temporal 2‐3 days 
Cyanobacteria 
Assessment Network
MERIS (2002‐2012)
OLCI (2016‐ ) 
OLCI Images
from ESA satellite Sentinel 3a (soon 3b)
cells/ml
~10,000
~ 6 million
OLCI Images from ESA Sentinel 3 satellites
Cyanobacteria Index (CI). Spatial 300m     Temporal 2‐3 days 
Information on 
- Spatial extent
- Severity
- Duration
Minnesota
True Color
Minnesota
Cyanobacteria Index (CI)
www.epa.gov/cyanoproject
CyAN Collaborators and End Users
Trainings and Software
SeaDAS software RSTools for ArcGIS
Utah Lake
CyAN App
App makes it possible to 
• easily share data and information with large 
numbers of people
• focus on individual lakes, current conditions and 
historic
• compare lakes of interest
App
App uses weekly images
Look at lake of interest
Compare lakes and locations
App
Android only
Web interface coming
Aaron Borisenko, State of Oregon Department of Environmental Quality: 
“… using CyAN app as an early warning system.”
Benjamin Holcomb, Utah Department of Water Quality: 
“… allows UDWQ to better target field sampling and more efficiently use our limited resources to 
protect public health...”
Angela Shambaugh, Vermont Department of Environmental Conservation:
“… visualize that patchiness and provides additional context...”
Bart Johnsen‐Harris, Environment America: 
“…CyAN has proved to be a uniquely helpful tool.”
Lenard Long, Lake Cascade Citizen Scientist Monitoring Group: 
“…enhance the community's ability to rapidly respond to and manage the growing threat posed by 
toxic algae…the CyAN app helps us do that....has been extremely useful....”
CyAN App Love 
Success Stories
Data being used Operationally 
Collaborations for better science
Publications
Outreach to get data into the hands of the public
Early Warning Success. 
Utah Lake
Early Warning Success. 
Utah Lake 
Early Warning Success. 
Utah Lake 
Photo by Rick Egan 
Early Warning Success. 
Utah Lake Summer 2017
June 18
June 18
Shows where the bloom originated and the extent.   
Data from ESA Sentinel‐3 OLCI and processed by NOAA.
June 25
Early Warning Success. 
Utah Lake Summer 2017
July 3June 18
Shows where the bloom originated and the extent.   
Data from ESA Sentinel‐3 OLCI and processed by NOAA.
June 25
Early Warning Success. 
Utah Lake Summer 2017
Effective Response 
• Utah Department of Environmental Quality 
(DEQ) sent out a water quality team
• DEQ issued an advisory, warning the public 
and pets to stay out of water.
• Many potential harmful encounters with 
toxic water were avoided
Cyanobacteria warning signs posted at Utah Lake June 2017  
Photo by Chris Detrick of The Salt Lake Tribune 
Early Warning Success. 
Utah Lake
Praise of CI product given by a 
Utah Dept. Environmental Quality staff 
“…to better target field sampling and more efficiently use 
our limited resources to protect public health.”
“…images are easily shared with response agencies as a 
useful visual communication aid.”
Utah Lake
Early Warning Success. 
Utah Lake
UT DEQ Health Advisories
$368k total societal costs avoided for one advisory.
Utah Lake
Stroming et al., In Prep. Quantifying the Human Health Benefits of Using Satellite 
Information to Detect Cyanobacterial Harmful Algal Blooms and Manage 
Recreational Advisories in U.S. Lakes. GeoHealth.
Early Warning Success. 
Utah Lake Summer 2017
Impacts
Wyoming HAB Action Plan
Wyoming Dept of Environmental Quality is exploring the use of satellite imagery to detect HABs
issued Health Advisories and Recreational Use Advisories
Oregon Rule 333‐061‐0510 (2018)
“The Authority determines the source is susceptible based on the characteristics of the 
source, including, but not limited to…satellite imagery…or other relevant information.”
Oregon Law
Funded Project:   "Lake Winnebago Region Harmful Algal Bloom Spectral Analysis and Bloom 
Characterization to support the Cyanobacteria Assessment Network (CyAN)"
Collaborators:  Wisconsin DNR Research Scientists  Daniela Gurlin and Gina LaLiberte
Credit: Rob McLennan, WDNR
Wisconsin 
Cyanobacteria Index (CI)
B2
Questions about Bloom conditions over time
- Frequency
- Trends
Frequency of observed cyanoHAB occurrence 
above WHO high threshold (100,000 cells mL−1) 
from 2008‐2011 at the pixel level.
Sippin’ on Science
Public Outreach in Small Towns Pubs 
• Hands‐on Science
• Presentation
• Trivia
• CyAN App Demos
• Small town focus
Summary
• Satellites are a good way to monitor
• End‐user engagement early
‐ trainings (product and software)
‐ product feedback 
‐ success stories 
• Easy Data Access and Interface
• Outreach 
Thank you!
Mention of trade names or commercial products does not constitute endorsement or recommendation for use by the U.S. Government. 
The views expressed are those of the authors and do not necessarily reflect the views or policies of the U.S. Government."
BONUS SLIDES
First Hour explore science table
• Chat 
• Cyan App 
• Chlorophyll Fluorescence
• Light and water
• Microscope
• Free stuff
Contiguous US (CONUS) tiles
MERIS (2002‐2012) and OLCI (2016‐ )   Full resolution (300 m)
Cyanobacteria 
Assessment Network
Alaska tiles
• Office of Water N‐STEPS Program
• Technical capability
• Idaho DEQ
• Coeur d'Alene Tribe
• Oklahoma 
• Potential avoided costs using remotely sensed 
chlorophyll‐a values ~$3.4 (S3) to $146 (L8) million 
annually 
Impact
Papenfus et al., In Prep. Environmental Monitoring and Assessment 
EPA Office of Water N‐STEPS Program
Nutrient Scientific Technical Exchange Partnership & Support
• Technical capability
• Idaho DEQ
• Coeur d'Alene Tribe
• Oklahoma 
Impact
Papenfus et al., In Prep. Environmental Monitoring and Assessment 
Life in a drop of lake water on the microscope


Satellite Remote Sensing of Cyanobacteria: Success Stories of Management Taking Action and the CyAN Data Sharing App

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server