Spectral reflectances of suspended solid sediments and turbidity : a laboratory experiment

The quality of water is influenced by anthropogenic input and activities, upstream water-shed properties that include climate, topography, geology, soil types, vegetative cover, and drainage, and the properties of the water body itself, such as morphometry, currents, depth, and mixing layers. Monitoring of water quality (i.e., the constituents that the water contains) is critical in tracking the transport of nutrients as well as pollutants that affect the health and well being of aquatic ecosystems. Total suspended solids concentration, TSS, and turbidity, TURB, are common parameters used to assess coastal and estuarine water quality, but are difficult to quantify due to the variability of the heterogeneous land-use types within and between watersheds and the magnitude and duration resulting from climactic, hydraulic, and biogeochemical factors. There is a strong user interest in monitoring both TSS and TURB of coastal and estuarine waters: traditional techniques are established but require significant automated instrumentation and costly monitoring to establish accurate and precise loading estimates. Ocean color remote sensing has been shown to be a useful tool to map total suspended solids concentration, TSS, and turbidity, TURB. Numerous sensors have been developed for different ocean color applications, including water turbidity assessments, sensors such as AVHRR, SeaWiFS, MODIS, IKONOS, Landsat TM and ETM+. Variations in temporal and spectral resolutions, data availability, calibration issues and temporal coverage are some of the most important factors determining the selection of the best instrument for a particular study. Different algorithms to retrieve TSS and TURB from remotely sensed data already exist, but their application is generally limited by site-specific factors, and presently there is no uniform remote sensing model to estimate TSS or turbidity. Limiting factors could be the study-area dimensions, the presence of optically complex waters and a relatively small range of TSS values. The present study is focused in the development of algorithms to estimate total suspended solids concentration and turbidity based on laboratory reflectance data, which are not dependent from the aforementioned limiting factors. For this investigative research, a laboratory experiment was designed to collect the spectral reflectance of water containing fixed suspended particulate matter in terms of its concentration. In order to obtain remotely sensed reflectance at selected bands, from visible to NIR wavelengths, laboratory spectral reflectance data have been integrated over selected bands of operative sensors (MODIS ,LANDSAT 7 ETM+ ,LANDSAT 8 OLI, SENTINEL 2 MIS). By performing surface fitting analysis, empirical relationships among wavelength, remotely-sensed reflectance and concentration of total suspended solids, as well as turbidity in water, were obtained.

La definizione dello stato di “qualità delle acque” racchiude una pluralità di aspetti tra loro interagenti con modalità assai complesse, quali clima, topografia, geologia locale, regime idrologico, copertura dei suoli del bacino, proprietà intrinseche del corpo d’acqua e, chiaramente, pressione antropica. Il monitoraggio della qualità delle acque, ovvero la determinazione quantitativa delle sostanze che in esse sono contenute, è fondamentale per controllare il trasporto di nutrienti e sostanze inquinanti che influenzano la salute e il benessere degli ecosistemi acquatici. La concentrazione di solidi sospesi totali, TSS , e la torbidità , TURB , sono parametri comunemente utilizzati per valutare la qualità delle acque, ma la loro quantificazione con metodi tradizionali risulta difficoltosa a causa della variabilità degli usi del suolo all'interno e tra diversi bacini idrografici e dell’entità e della durata di fattori climatici, idraulici, bio-geochimici. In questo contesto, il telerilevamento del colore delle acque risulta un prezioso strumento di monitoraggio. Numerosi sensori sono stati sviluppati per effettuare studi sul colore degli oceani, valutazioni di torbidità comprese, sensori come AVHRR , SeaWiFS , MODIS , IKONOS , Landsat TM e ETM +. Risoluzione temporale, spettrale, disponibilità dei dati , problemi di calibrazione e copertura temporale sono i principali fattori che determinano la scelta dello strumento migliore per un particolare studio . Diversi algoritmi per stimare TSS e TURB da dati telerilevati già esistono, ma sono algoritmi sito-specifici, e la loro applicazione è fortemente limitata da fattori quali le dimensioni di zona di studio, la presenza di acque otticamente complesse, il range di valori che è possibile stimare. Il presente lavoro ha l’obiettivo di sviluppare degli algoritmi per stimare la concentrazione totale dei solidi sospesi, TSS, e la torbidità, TURB, sulla base di dati di riflettanza misurati in laboratorio, i quali non dipendono dai fattori limitanti di cui sopra. Un esperimento di laboratorio è stato realizzato per raccogliere la riflettanza spettrale di acqua contenente fissate concentrazioni di particelle solide in sospensione . Al fine di ottenere i valori remoti di riflettanza, i dati di riflettanza spettrale, calcolati in laboratorio per mezzo di uno spettroradiometro, sono stati integrati lungo alcune delle bande di sensori attivi, quali MODIS, LANDSAT 7 ETM+ , LANDSAT 8 OLI ,SENTINEL 2 MIS. Applicando un modello di stima ai minimi quadrati, sono state ottenute delle relazioni empiriche che consentono di stimare la concentrazione di solidi sospesi totali e la torbidità dell’acqua a partire da dati di riflettenza telerilevati.