Evaluation of global PRISMA products for water quality mapping

Inland and coastal water ecosystems are of high ecological value, as they maintain valuable ecosystem services to support wildlife and fisheries, and provide food, sustenance and recreation for about half of the global population. Today, the stability of these aquatic environments is being compromised by human activities and more aggressive climate changes. In this regard, there is a growing need for monitoring of inland and coastal waters to support national and international directives and conventions such as the EU Water Framework Directive (Directive 2000/60/EC, 2000). In particular, satellite Earth observation plays a key role in monitoring water quality and estimating biophysical parameters thanks to valuable features that allow detection of continuous changes over time in freshwater and marine environments. In this context, the aim of this study was to explore the data collected by PRISMA, the hyperspectral sensor of the Italian Space Agency in orbit since March 2019, for aquatic applications. To the aim, a total of 32 image data distributed in 14 inland and coastal water sites around the world were examined. This allowed evaluation of the accuracy of both Level 1 (L1) and Level 2 (L2) PRISMA products. The L1 data were evaluated in terms of top-of-atmosphere Signal-to-Noise ratio (SNR) values. Then, L2 products were evaluated both in terms of bottom-of-atmosphere Remote Reflectance Sensing (Rrs), as obtained from L2d products, and in terms of Aerosol Optical Depth (AOD), considering L2c. For both L2d and L2c, the PRISMA products were compared to in-situ measurements provided by global network AERONET-OC, which simultaneously provide measurement of water leaving reflectance and of aerosol concentrations. The ability of PRISMA to assess water quality and bio-geochemical parameters was finally demonstrated in four case studies by running a bio-optical model (namely BOMBER) or semi-empirical band-ratio like indexes, always parameterized with typical aquatic optics data from the studied areas. Similar as for L1 and L2 products, water quality maps operationally provided by satellite data were used to evaluate the PRISMA mapping. The PRISMA L1 SNR values resulted adequate for water quality mapping being comparable to Sentinel-2 SNRs, which is widely used for waters quality mapping. The L2d products in terms of Rrs showed good agreement with respect to AERONET-OC measurement, with mean R2 and RMSE values of 0.8 and 0.003 (in sr-1) respectively. In the case of AOD at 500 nm, PRISMA L2c products showed a low range of variation around 0.15 and did not capture the variation observed from in situ data. The Chlorophyll-a (Chl-a) concentrations obtained from PRISMA were comparable with those provided by both NASA-OC portal and by Copernicus Marine Service, in terms of mean concentration values. Few other maps on total suspended matter and shallow water substrate types were finally provided to outline the use of PRISMA for further applications. Although further studies are still recommended to improve the qualification of PRISMA (e.g. L2c, extend the match-ups to cover more sites across the seasons), this work has shown that PRISMA data can provide an important contribution to water quality mapping.

Gli ecosistemi delle acque interne e costiere hanno un alto valore ecologico, in quanto garantiscono preziosi servizi ecosistemici per sostenere la fauna selvatica e la pesca, e forniscono cibo, sostentamento e ricreazione a circa metà della popolazione globale. Oggi, la stabilità di questi ambienti acquatici è compromessa dalle attività umane e dai cambiamenti climatici più aggressivi. A questo proposito, c'è un crescente bisogno di monitorare le acque interne e costiere per supportare le direttive e le convenzioni nazionali e internazionali come la direttiva quadro sulle acque dell'UE (direttiva 2000/60/CE, 2000). In particolare, l'osservazione satellitare della Terra gioca un ruolo chiave nel monitoraggio della qualità dell'acqua e nella stima dei parametri biofisici, in quanto, grazie alle sue preziose caratteristiche, permette di rilevare cambiamenti continui nel tempo in ambienti di acqua dolce e marina. In questo contesto, lo scopo del presente studio è stato quello di esplorare i dati raccolti da PRISMA, il sensore iperspettrale dell'Agenzia Spaziale Italiana in orbita da marzo 2019, per applicazioni acquatiche. Al fine di perseguire questo scopo, sono stati esaminati un totale di 32 dati immagine distribuiti in 14 siti di acque interne e costiere di tutto il mondo. Questo ha consentito di valutare l'accuratezza dei prodotti PRISMA sia di livello 1 (L1) che di livello 2 (L2). I dati L1 sono stati valutati in termini di valori SNR (Signal-to-Noise ratio) della parte superiore dell'atmosfera. Successivamente, i prodotti L2 sono stati valutati sia in termini di Remote Reflectance Sensing (Rrs) dal basso dell'atmosfera, come ottenuto dai prodotti L2d, sia in termini di Aerosol Optical Depth (AOD), considerando i L2c. Sia per L2d che per L2c, i prodotti PRISMA sono stati confrontati con le misure in situ fornite dalla rete globale AERONET-OC, che forniscono contemporaneamente la misura della riflettanza dell'acqua in uscita e delle concentrazioni di aerosol. La capacità di PRISMA di valutare la qualità dell'acqua e i parametri bio-geochimici è stata infine dimostrata in quattro casi studio eseguendo un modello bio-ottico (in particolare BOMBER) o indici semi-empirici di tipo band-ratio, sempre parametrizzati con dati tipici dell'ottica acquatica delle aree studiate. Come per i prodotti L1 e L2, le mappe di qualità dell'acqua fornite operativamente dai dati satellitari sono state utilizzate per valutare la mappatura PRISMA. I valori SNR di PRISMA L1 sono risultati adeguati per la mappatura della qualità dell'acqua, essendo paragonabili ai valori SNR di Sentinel-2, che è ampiamente utilizzato per la mappatura della qualità delle acque. I prodotti L2d in termini di Rrs hanno mostrato un buon accordo rispetto alla misurazione AERONET-OC, con valori medi R2 e RMSE, rispettivamente, di 0,8 e 0,003 (in sr-1). Nel caso di AOD a 500 nm, i prodotti PRISMA L2c hanno mostrato un basso range di variazione intorno a 0.15 e non hanno catturato la variazione osservata dai dati in situ. Le concentrazioni di clorofilla-a (Chl-a) ottenute da PRISMA erano comparabili con quelle fornite sia dal portale NASA-OC che dal Copernicus Marine Service, in termini di valori medi di concentrazione. Infine, sono state fornite alcune mappe sulla materia sospesa totale e sui tipi di substrato delle acque poco profonde, per delineare l'uso di PRISMA per altre applicazioni. Anche se ulteriori studi sono raccomandati per migliorare la qualificazione di PRISMA (ad esempio nel caso degli L2c, estendere i match-up per coprire più siti attraverso le stagioni), questo lavoro ha dimostrato che i dati PRISMA possono fornire un importante contributo alla mappatura della qualità delle acque.