Satellite remote sensing for water quality applications in optically complex coastal waters : The case of the Río de la Plata estuary
La teledetección se ha utilizado en evaluaciones de la calidad del agua desde la década de 1970, siendo una herramienta con muy buena relación costo-beneficio para mejorar el monitoreo de parámetros de calidad del agua. Las imágenes satelitales pueden proporcionar información en escalas temporales y...
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| Main Author: | |
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| Format: | doctoralThesis |
| Language: | English |
| Published: |
2022
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://hdl.handle.net/20.500.12008/33008 |
| Tags: |
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| Summary: | La teledetección se ha utilizado en evaluaciones de la calidad del agua desde la década de 1970, siendo una herramienta con muy buena relación costo-beneficio para mejorar el monitoreo de parámetros de calidad del agua. Las imágenes satelitales pueden proporcionar información en escalas temporales y espaciales que no se pueden lograr mediante el muestreo convencional y registros que permiten el estudio de dinámicas y tendencias espacio-temporales. Dentro del rápido avance de la teledetección del color acuático y la diversidad entre aguas ópticamente complejas (caso 2), esta tesis aborda la teledetección satelital de parámetros de calidad del agua en aguas costeras altamente turbias. Se utiliza como caso de estudio el estuario del Río de la Plata debido a su gran relevancia ecológica, social y económica. Ubicado entre Argentina y Uruguay, el estuario recibe el aporte de grandes ríos de planicie aluvial, recibiendo el segundo mayor caudal de Sudamérica y hasta 160 millones de toneladas anuales de sedimentos en suspensión, determinando un sistema hídrico ópticamente complejo y rico en sedimentos. La dinámica de los sedimentos tiene importancia tanto económica como ambiental, debido a su sedimentación en los canales de navegación, la capacidad de transportar nutrientes y contaminantes adsorbidos y su influencia en los ecosistemas. Además, con una cuenca que abarca cinco países y alberga a más de 110 millones de habitantes, el Río de la Plata está sujeto a múltiples presiones antrópicas que condujo a la intensificación de la eutrofización en las últimas décadas, incluyendo un aumento en la frecuencia de grandes floraciones de cianobacterias que representan un riesgo para la salud. Debido a la señal óptica dominante de los sedimentos en suspensión, al inicio de esta investigación ningún otro parámetro además de la turbidez se había estimado de manera confiable a partir de imágenes satelitales en el estuario. Aunque se produjeron avances en años recientes, la teledetección satelital de parámetros relevantes, como la clorofila a y la materia orgánica disuelta coloreada (CDOM), seguía sin abordarse. El objetivo general definido para esta tesis fue mejorar la teledetección de parámetros de calidad del agua en las aguas ópticamente complejas y altamente turbias del Río de la Plata. Como objetivos específicos, nos propusimos afinar y desarrollar algoritmos o herramientas satelitales que pudieran ayudar a mejorar el monitoreo ambiental y contribuir a una mejor comprensión de los procesos y la dinámica del estuario. Nuestra investigación se basa en tres enfoques para alcanzar los objetivos anteriores: el procesamiento de imágenes (Parte I), desarrollos empíricos (Parte II) y semianalíticos (Parte III). Para las estrategias empíricas y semianalíticas era necesario contar con mediciones de campo para el desarrollo y evaluación de algoritmos. Por lo tanto, se generó en el marco de esta tesis un conjunto de datos centrado específicamente en aplicaciones de teledetección. Abarca un período de tres años, de febrero de 2018 a mayo de 2021, con campañas realizadas con una frecuencia semanal a bimestral a un sitio ubicado a unos 900 m de la costa norte en la región intermedia del Río de la Plata. El conjunto de datos incluye mediciones radiométricas in-situ y mediciones simultáneas de turbidez, temperatura del agua, profundidad, conductividad (y salinidad asociadad), altura de ola, sólidos suspendidos totales y fijos, clorofila a, fluorescencia de CDOM y espectros de absorción de CDOM. Dada la extensión temporal del período de muestreo y la ubicación estratégica del sitio -dentro de la región de variabilidad del frente de turbiedad del Río de la Plata-, se capturaron condiciones ambientales muy diversas. El conjunto de datos fue clave para esta investigación de tesis, y es de gran valor para estudios futuros. En la Parte I (Capítulo 5) implementamos una metodología novedosa basada en procesamiento de imágenes para detectar remotamente el frente de turbidez del Río de la Plata. El método se base en el histograma de imágenes de una sola banda (la roja) y sin la necesidad de corrección atmosférica. Para una imagen dada, el nivel de turbidez superficial asociado al frente es el que mejor representa la transición entre diferentes masas de agua (oceánica vs fluvial). Combinando imágenes satelitales MODIS-Aqua de 2014-2017 con mediciones in situ y modelación numérica, estudiamos la dinámica espacio-temporal del frente de turbidez, contribuyendo a una mejor comprensión de la dinámica de turbidez-salinidad en el estuario. En la Parte II, Capítulo 3, se evalúan métodos disponibles en el procesador ACOLITE para satélites con resolución espacial decamétrica, Landsat 8 (L8) y Sentinel 2 (S2). Nuestro análisis extiende la validación del método de "ajuste de espectro oscuro" con corrección del brillo solar (DSF+GC) al Río de la Plata, que se encuentra en latitudes medias más bajas que las validaciones anteriores y se clasifica mayormente como un tipo óptico de agua rico en sedimentos. Complementamos un estudio de evaluación global muy reciente al proporcionar métricas de rendimiento que se pueden esperar en aguas ricas en sedimentos. Además, el Capítulo 4 tiene una evaluación exhaustiva de índices empíricos de clorofila a para L8 y S2 en la costa del Río de la Plata, considerando un amplio rango de variabilidad de turbidez y CDOM. Proponemos un nuevo algoritmo de "forma espectral" para las bandas de S2, que combinado con un índice de tres bandas existente puede detectar con éxito las etapas iniciales y la evolución temporal de las floraciones de cianobacterias, a través de la estimación de umbrales de clorofila a de 10 y 24 μg/L. Finalmente, la Parte III consta de tres Capítulos. El capítulo 5 revisa un algoritmo de turbidez conocido y propone un enfoque multibanda para descartar automáticamente las bandas que no tienen información relevante para estimar la turbidez, utilizando un criterio de saturación. Además, incluimos análisis de datos teóricos e in-situ que brindan información sobre las relaciones entre los coeficientes de retrodispersión y dispersión lateral de las partículas y sus implicaciones para la teledetección de la turbidez. El capítulo 6 analiza la importancia de las propiedades óptica inherentes del material particulado para la teledetección en las aguas altamente turbias del Río de la Plata y propone un método para caracterizar sus magnitud y forma espectral utilizando imágenes de S2. Los resultados de este Capítulo sugieren que el método puede detectar cambios en la distribución del tamaño de partículas que parecen estar afectados por el caudal sólido del sistema fluvial Bermejo-Paraná. El método también se usa en el Capítulo 7, donde se desarrolla un algoritmo semianalítico para estimar las absorciones de CDOM y de fitoplancton a partir de imágenes de S2. Asimismo, la concentración de clorofila a se estima a partir de la absorción de fitoplancton. Los resultados muestran una sensibilidad mucho mayor que la de algoritmos existentes para distinguir niveles de clorofila a en el rango de 1 a 10 μg/L; y la teledetección de CDOM resulta significativamente mejor comparada con algoritmos existentes. El método se utiliza para obtener series temporales (2015-2021) de CDOM y clorofila a en tres sitios a lo largo de la costa norte del Río de la Plata y revela su relación con la descarga de los afluentes (principales y local) y con diferentes masas de agua (oceánica versus fluvial). En general, esta tesis avanza significativamente en la teledetección satelital para aplicaciones de calidad del agua en el estuario del Río de la Plata. Cada enfoque proporciona una visión única que puede ser de utilidad para estudios adicionales de procesos y dinámicas en el estuario (por ej., la detección del frente de turbidez para estudios de ecología de peces) o aplicaciones adicionales (por ej., los umbrales de clorofila a podrían incorporarse a estrategias de alerta temprana de floraciones algales). Los métodos desarrollados pueden aplicarse a otros cuerpos de agua altamente turbios y adaptarse (o mejorarse) para su implementación con otras imágenes satelitales (por ej., Sentinel 3). Lejos de agotar el tema, esta tesis se apoya en trabajos previos y establece una base importante para trabajos futuros, especialmente en lo que respecta a la teledetección de propiedades ópticas de material particulado, concentración de CDOM y de clorofila a, y su utilidad para estudiar la dinámica estuarina en el Río de la Plata. |
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