FWLANDSAT5 : new monitoring system of freshwater using Landsat 5 images

Since 1949 mining activity has been performed between the lower courses of the Manzanares and Jarama rivers in Madrid (Spain) and it has resulted in the generation of gravel pit ponds due to outcrop of the phreatic level when the dredging is done. In 1994, this zone was declared as a protected area and recognized as “Parque Regional del Sureste” (PRSE). The main purpose of the natural park declaration is to protect this area against all kind of negative environmental impact, having as a result the monitoring and control measures of gravel extraction. The use of remotely sensed data is proposed as a tool for monitoring these water bodies. The main objective of the current work is to assess the use of Landsat TM5 images which have been atmospherically corrected with software called Landsat Ecosystem Disturbance Adaptive Processing System (LEDAPS) developed by the United State Geological Survey (USGS) for studying water quality time series, using water leaving reflectance measured in the field. The high number of Landsat 5 images used in this project has required to develop several scripts in Python with which a new monitoring system of freshwater been have built, which name is FWLandsat5. To achieve this, first the Normalized Difference Water Index (NDWI) has been applied to 230 available Landsat5-TM images of the area under consideration (scene Path 201 and Row 32) from years 1984 to 2011 to distinguish water and non-water information. Moreover, the Landsat Surface Reflectance was compared with available water spectral reflectance showing a significantly overestimation of Landsat surface reflectance. Thus, a new regression equation with the Secchi Disk in situ measurements and reflectance measured in the sensor bands should be retrieved and validated. Then, the retrieved Secchi disk (SD) model is applied to every image providing a value for each pixel of the SD for every image over the time series. Finally, the Inventory of water bodies in the natural park is carried out, as well as the identification of its trophic state based on the OECD classification and the monitoring of the ecological status of the water bodies according to the European Water Framework Directive (WFD). The area composed by water bodies in PRSE had an increasing period from 1984 to 2006 but it is not visible any seasonal trend. For its part, it is possible to identify a SD seasonal behavior, where the highest SD values are present in the winter (January and December) while the lowest values during summer (August), which corresponds with the phytoplankton growth. It is also evident the improvement of water quality over time, having both the trophic state of the water bodies based on the OECD classification and the Ecological Quality Ratio (EQR) according to the WFD.

Dal 1949, si è sviluppata l'attività mineraria tra la zona inferiore dei fiumi Manzanares e Jarama a Madrid (Spagna), con la conseguente generazione di laghi cava di ghiaia a causa della risalita della livello freatico, quando il dragaggio è fatto. Nel 1994, questa zona è stata dichiarata area protetta e riconosciuta come "Parque Regional del Sureste" (PRSE). Lo scopo principale della dichiarazione della riserva naturale è quello di proteggere questa zona contro ogni tipo di impatto ambientale negativo, con conseguente misure di monitoraggio e controllo dell'estrazione di ghiaia. L'uso di dati derivati dal telerilevamento è stato proposto come strumento per monitorare questi corpi idrici. L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di valutare l'uso delle immagini Landsat TM5 Atmosfericamente corretto con il modello denominato " Landsat Ecosystem Disturbance Adaptive Processing System" (LEDAPS), sviluppato dalla United States Geological Survey (USGS) per studiare serie temporanee di qualità dell'acqua, utilizzando i valori di riflettanza misurati sul campo. L'elevato numero di immagini Landsat 5 utilizzate in questo progetto ha richiesto lo sviluppo di diversi script Python con cui è stato creato un nuovo sistema di monitoraggio dell'acqua dolce, il cui nome è FWLandsat5. Per raggiungere questo obiettivo, il “Normalized Difference Water Index” (NDWI) è stato inizialmente applicato a 230 immagini Landsat5-TM disponibili nell'area di studio (scena: colonna 201 e riga 32) dal 1984 al 2011, per discriminare le zone di acqua e non di acqua. Inoltre, la riflettanza superficiale di Landsat è stata confrontata con la riflettanza spettrale dell'acqua misurata nel campo, determinando una sovrastima significativa della riflettanza della superficie di Landsat. Pertanto, è stato necessario ottenere e convalidare una nuova equazione di regressione dalle misurazioni del Disco Secchi (DS) in situ e la riflettanza misurata nelle bande del sensore. Successivamente, il modello DS ottenuto viene applicato alle immagini per fornire un valore DS per ciascun pixel in tutte le serie temporali. Infine, abbiamo effettuato un inventario dei corpi idrici nel parco naturale e per identificare lo stato trofico sulla base della classificazione Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo (OESE) e monitoraggio dello stato ecologico dei corpi idrici secondo la Direttiva Quadro sulle Acque dell’Unione europea (DQA). L'area composta da corpi idrici nel PRSE ha avuto un periodo crescente dal 1984 al 2006, ma non è possibile identificare eventuali tendenze stagionali. Nel frattempo, è possibile individuare un comportamento stagionale dei DS, in cui i valori più alti si trovano in inverno (gennaio-dicembre) ei valori più bassi osservati durante l'estate (agosto), che corrispondono a una crescita del fitoplancton. Anche il miglioramento della qualità dell'acqua nel tempo è evidente, sia nello stato trofico delle masse d'acqua secondo la classificazione OCSE che nel “Ecological Quality Ratio" (EQR) secondo la DQA.