Simulation tool and analysis for hyperspectral imaging of algal blooms from satellites

Abstract

Motivert av senter for autonome marine operasjoner og systemer (NTNU-AMOS), på instituttet for teknisk kybernetikk, sammen med instituttet for elektroniske systemer sin plan om å utvikle, utskyte og operere en serie av små satellitter lagd spesielt for maritim observasjon og overvåking, presenterer denne avhandlingen et verktøy skapt for simulering av forventet radians fra maritime geofysiske parametere gjennom atmosfæren som oppfattet av en hyperspektral fjernanalyse satellitt. Effektene av å variere innsynsvinkel, sol vinkel og tilstedeværelsen av skyer på den resulterende radiansen har blitt analysert. Det utviklede simuleringsverktøyet er basert på lysmodellerings programvaren PlanarRad og den atmosfærisk strålings overføringsmodellen COART, og bruker den koblede fysiske og økologiske havmodellen SINMOD. Vannforlatende radians oppslagstabeller ble skapt for å gjøre simuleringen mer tidseffektiv. Videre ble en temporal sensitivitetsanalyse for data tilegnelse utført.

Simuleringene viste at valget av innsynsvinkel er viktigere enn valget av solvinkel med tanke på vannforlatende radians. Den resulterende vannforlatende radiansen er større enn den resulterende radiansen ved havoverflaten grunnet atmosfæriske effekter, uavhengig av sol- eller innsynsvinkel. Videre ble det funnet at senit innsynsvinkelen påvirker den resulterende radiansen ved havoverflaten grunnet atmosfæriske bidrag mer enn asimut innsynsvinkelen gjør, ettersom den resulterende radiansen er omtrent den samme uavhengig av asimut innsynsvinkel. Valget av asimut innsynsvinkel er ikke like betydelig som valget av senit innsynsvinkel når det gjelder radians ved toppen av atmosfæren grunnet atmosfæriske effekter. Likedan er valget av senit innsynsvinkel mer betydelig enn valget av senit solvinkel. Videre ble det funnet at valg av innsyns- og solvinkler ikke påvirker den resulterende radiansen med tanke på bølgelengdeavhengige variasjoner. Simuleringen avslørte videre at datapunktene som resulterer i høy vannforlatende radians er geografisk spredt og mer hyppigere ved lave bølgelengder. Den resulterende radiansen ved toppen av atmosfæren grunnet atmosfæriske effekter er høyere ved alle bølgelengder når vann-skyer er tilstede.

Simulerte radiansverdier ved toppen av atmosfæren sammenfaller godt med virkelighetsdata. Vannforlatende radians utregnet av PlanarRad og vannforlatende radians utregnet av oppslagstabbelene er identiske. Den temporale analysen konkluderer at jo lenger observeringstidsperiode, jo større maksimal vannforlatende radians variasjon. Utviklingen av simuleringsverktøyet har gjort beregningen av vannforlatende radians rett over havoverflaten gitt klorofyll a konsentrasjon, i tillegg til radians ved toppen av atmosfæren grunnet atmosfæriske effekter, mindre komplisert og mer tidsbesparende.

Motivated by the Center for Autonomous Marine Operations and Systems (NTNU-AMOS) at the Department of Engineering Cybernetics together with the Department of Electronic Systems plan to develop, launch and operate a series of small satellites specially made for maritime observation and surveillance, this thesis presents a tool created for simulating the expected radiance from oceanic geophysical parameters through the atmosphere as perceived by a hyperspectral remote sensing satellite. The effects of varying off-nadir viewing angles, solar zenith angles and the presence of water clouds on the resulting radiance has been analyzed. The developed simulation tool is based on the software for modelling light PlanarRad and the atmospheric radiative transfer model COART, and utilizes the coupled physical and ecological ocean model SINMOD. Water leaving radiance lookup tables were created in order to make the simulation more temporal efficient. Further, a temporal sensitivity of data acquisition analysis was performed.

The simulations revealed that the selection of viewing angles is of greater impact than the selection of solar angles with regard to the resulting water leaving radiance. The resulting water leaving radiance is larger than the resulting radiance at the ocean surface due to atmospheric effects regardless of solar or viewing angles. Further it is found that the viewing zenith angles affect the resulting radiance at the ocean surface due to atmospheric effects more than the viewing azimuth angles do, as the resulting radiance is roughly the same regardless of viewing azimuth angle. The selection of viewing azimuth angle is of less importance than the selection of viewing zenith angle with regard to the radiance at TOA due to atmospheric effects. In the same manner, the selection of viewing zenith angle is of greater importance than the selection of solar zenith angle. It was found that the utilized viewing and solar angles do not affect the resulting radiance with regard to wavelength dependent variations. The simulation further revealed that the locations resulting in high water leaving radiance values are spread out geographically, and more frequent at lower wavelengths. Further, the resulting radiance at TOA due to atmospheric effects is higher for all wavelengths when water clouds are present.

Simulated TOA radiance values coincide well with real world data. The water leaving radiance calculated by PlanarRad and the water leaving radiance calculated by the lookup table are identical. The temporal analysis concludes that the longer time period of observance, the greater the maximum water leaving radiance variation. The development of the simulation tool has made the calculation and computation of water leaving radiance just above the ocean surface given chlorophyll a concentration, as well as of radiance at TOA due to atmospheric effects, less complicated and more rapid.