Aplicações da multiescala espacial no sensoriamento remoto da cor do oceano em águas costeiras

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Forgiarini, Ana Paula Piazza
Orientador(a): Arigony-Neto, Jorge, Giannini, Fernanda
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Sensoriamento Remoto da Cor do Oceano
Águas Costeiras
Reflectância
Material Particulado em Suspensão
Multiescala
VANT
Sentinel-2
Ocean Color Remote Sensing
Coastal Waters
Reflectance
Suspended Particulate Matter
Multiscale
UAVs
Link de acesso: https://repositorio.furg.br/handle/123456789/12390
Resumo: Tese (Doutorado)
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spelling Forgiarini, Ana Paula PiazzaArigony-Neto, JorgeGiannini, Fernanda2025-03-17T17:59:56Z2025-03-17T17:59:56Z2024FORGIARINI, Ana Paula Piazza. Aplicações da multiescala espacial no sensoriamento remoto da cor do oceano em águas costeiras. 2024. 124 f. Tese (Doutorado em Oceanografia Física, Química e Geológica) - Programa de Pós-graduação em Oceanografia Física, Química e Geológica, Instituto de Oceanografia, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, 2024.https://repositorio.furg.br/handle/123456789/12390Tese (Doutorado)A presente tese busca avaliar o uso de múltiplos sensores e resoluções espaciais no sensoriamento remoto da cor do oceano em regiões costeiras, bem como mostrar e discutir as vantagens e desvantagens derivadas do uso destes sensores de alta e altíssima resolução espacial. Um dos tópicos abordados na tese é a validação e a avaliação da acurácia de medidas de reflectância da superfície da água obtidas através de sensores multiespectrais a bordo de veículos aéreos não tripulados (VANTs), que até o presente momento são fabricados para atender as demandas de aplicações terrestres, como agricultura de precisão. Todavia, na oceanografia, estes sensores são ótimos intermediários entre medidas in situ e imagens de satélites, uma vez que apresentam resoluções espaciais altíssimas (<10 cm), podendo cobrir áreas significativas e possibilitando o sensoriamento da alta heterogeneidade presente na zona costeira, a um custo relativamente baixo. Nessa investigação, mostra-se como medidas que visam corrigir problemas comuns do sensoriamento remoto, como a presença de glint nas imagens, ainda não são bem estabelecidas para aplicações aquáticas. Quando comparadas as medidas feitas por um sensor multiespectral a bordo de um VANT com medidas de radiometria in situ sobre a água, foram encontradas diferenças relativas com valores entre 133% para os comprimentos de onda do verde e 360% para o infravermelho próximo. Considerando isso, um fator de correção foi proposto garantindo a acurácia necessária para as medidas de reflectância coletadas com esses instrumentos. Após a correção, o mesmo sensor foi utilizado para a validação de reflectâncias de imagens de satélite e seleção do melhor modelo de correção atmosférica, bem como para a escolha do melhor algoritmo bio- óptico para a obtenção de material particulado em suspensão (MPS) no estuário da Lagoa dos Patos, Rio Grande do Sul (Brazil). Nesta região, e considerando a importância da banda do vermelho para MPS, o modelo de correção atmosférica C2RCC apresentou a melhor performance dentre os analisados (bias = -0.044, MAE = 0.007, RPD = 0.74%, e r² = 0.714). Ao mesmo tempo, dentre os algoritmos testados para obtenção de MPS, o modelo semi-analítico testado [Nechad et al., 2010] obteve um melhor desempenho do que um algoritmo empírico regional [Sartorato, 2020]. Esses resultados demonstram o potencial de uso destes sensores como alternativa na aquisição de medidas de reflectância de referência e estimativas de MPS. Adicionalmente, neste trabalho foram avaliadas as escalas espaciais de sensores de alta resolução a bordo de satélites atualmente em operação quanto a suas adequações para observar feições de pequena escala. Para isso, foram analisadas imagens do MSI Sentinel-2 nas águas costeiras do Estreito da Georgia (BC, Canadá), as quais foram inicialmente submetidas à validação de diferentes modelos de correção atmosférica para a região para uma melhor estimativa da reflectância de superfície. Similarmente aos resultados encontrados no Estuário da Lagoa dos Patos (Brasil), os modelos Polymer e C2RCC apresentaram melhor desempenho (bias entre - 0.00003 e -0.00125, MAE entre 0.007 e 0.0015, RPD entre 6% e 22% e r² > 0.95). Após a validação das reflectâncias, os pixels da imagem usada foram degradados para resoluções de 20 m, 30 m e 60 m, a fim de comparar a perda de informações sobre ondas internas originadas a partir da pluma do Rio Fraser, em diferentes resoluções espaciais. A resolução original dos pixels (10 m) da imagem e os dados do radiômetro (13 m) usado para a validação das reflectâncias também foram usados nesta análise. Através disso, mostra-se que o sensor MSI a bordo do Sentinel-2 possui resolução espacial adequada para as investigações na zona costeira, porém a baixa resolução temporal, e a falta de um número maior de sensores com resoluções adequadas, ainda é um problema para as investigações da cor do oceano, para a região costeira.This thesis aims to evaluate the application of multiple sensors and spatial resolutions in remote sensing of ocean color in coastal regions, as well as to display and discuss the advantages and problems arising from the use of these sensors, which have high and very high spatial resolutions. One of the topics addressed in the thesis is the validation and accuracy assessment of water surface reflectance measurements obtained through multispectral sensors onboard unoccupied aerial vehicles (UAVs), which until now are manufactured to meet the demands of terrestrial applications such as precision agriculture. However, in oceanography, these sensors are excellent intermediates between in situ measurements and satellite images, as they offer very high spatial resolutions (< 10 cm), suitable spectral bands, can cover significant areas, and allow sensing of the high heterogeneity in the coastal zone at a relatively low cost. This investigation shows how measurements aimed at correcting common remote sensing problems, such as the presence of glint in images, are still not well established for aquatic applications. When measurements made by cameras onboard UAVs were compared with in situ radiometry measurements over water, differences with values between 133% (green) to 360% (near- infrared), were found. Considering this, a correction factor was proposed to ensure the necessary accuracy for the reflectance measurements collected with these instruments. After correction, the same sensor was used for the validation of satellite image reflectances and selection of the best atmospheric correction model, as well as for choosing the best bio-optical algorithm for obtaining suspended particulate matter (SPM) in the Patos Lagoon estuary, Rio Grande do Sul (Brazil). In this region, considering the importance of the red band for SPM retrievals, the C2RCC atmospheric processor displayed the best performance among those analyzed (bias = -0.044, MAE = 0.007, RPD = 0.74%, and r² = 0.714). At the same time, among the algorithms tested for obtaining SPM, the semi-analytical model of Nechad et al. [2010] overperformed the regional empirical algorithm of Sartorato [2020]. These results demonstrate the potential of these sensors as an alternative for acquiring reference reflectance measurements and provide SPM estimates. The work also evaluated the spatial scales of currently operating on- commercial high-resolution satellite sensors in terms of their suitability for observing small scale features, such as internal waves. For this purpose, one MSI Sentinel-2 image of the coastal waters of the Strait of Georgia, British Columbia (Canada) was analyzed. The chosen image was initially subjected to validation of different atmospheric correction models for the region to better estimate surface reflectance. Similarly to the results found in the Patos Lagoon Estuary (Brazil), Polymer and C2RCC models performed better than Acolite (biases ranging from -0.00003 to -0.00125, MAEs between 0.007 and 0.0015, RPDs ranging from 6% to 22% and r² > 0.95). After reflectance validation, the 10 m pixels of the image were downgraded to resolutions of 20 m, 30 m, and 60 m to compare the loss of information on internal waves originating from the Fraser River plume at different spatial resolutions. The original pixel resolution (10 m) of the image and the radiometer data (13 m) used for the validation of the atmospheric correction were also used in this analysis. Through this, it is shown that the MSI sensor onboard Sentinel-2 has suitable spatial resolutions (10 m) for investigations in the coastal zone, however, the low temporal resolution, and the lack of a larger number of sensors with adequate resolutions, are still insufficient for ocean color investigations in these areas.porSensoriamento Remoto da Cor do OceanoÁguas CosteirasReflectânciaMaterial Particulado em SuspensãoMultiescalaVANTSentinel-2Ocean Color Remote SensingCoastal WatersReflectanceSuspended Particulate MatterMultiscaleUAVsAplicações da multiescala espacial no sensoriamento remoto da cor do oceano em águas costeirasinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da FURG (RI FURG)instname:Universidade Federal do Rio Grande (FURG)instacron:FURGORIGINALAna Paula Piazza Forgiarini.pdfAna Paula Piazza Forgiarini.pdfapplication/pdf7988022https://repositorio.furg.br/bitstreams/ec1342c0-195b-4290-924e-45a0036ba0a2/download751c82404b14bcb8dccf48e16e4209ecMD51trueAnonymousREADLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.furg.br/bitstreams/932c852e-91de-41d8-b4ac-6bbfb2f819d6/download8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52falseAnonymousREADTEXTAna Paula Piazza Forgiarini.pdf.txtAna Paula Piazza Forgiarini.pdf.txtExtracted texttext/plain102692https://repositorio.furg.br/bitstreams/d54c6b1c-9f39-4301-896e-dd4800836243/download5cb233f4bc24421345df9a8819973e24MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILAna Paula Piazza Forgiarini.pdf.jpgAna Paula Piazza Forgiarini.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3942https://repositorio.furg.br/bitstreams/693586ee-ff7d-4e22-9779-7d9032e59b2e/download14f984f7682db2f0df5aaa1f585865e1MD54falseAnonymousREAD123456789/123902025-12-10 02:15:43.549open.accessoai:repositorio.furg.br:123456789/12390https://repositorio.furg.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.furg.br/oai/request || http://200.19.254.174/oai/requestrepositorio@furg.br||sib.bdtd@furg.bropendoar:2025-12-10T05:15:43Repositório Institucional da FURG (RI FURG) - Universidade Federal do Rio Grande (FURG)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