Caracterização ótica e quantificação do material particulado em suspensão do estuário e da pluma da Lagoa dos Patos (RS, Brasil) por sensoriamento remoto

Abstract

A preocupação com os ambientes marinhos é hoje uma questão global e a concentração total de material em suspensão (TSM) tornou-se um proxy da qualidade das águas costeiras. Dessa forma, o sensoriamento remoto surge como uma potencial ferramenta para estimar indiretamente as concentrações de TSM e monitorar grandes áreas sinopticamente. Assim, correções atmosféricas apropriadas são frequentemente necessárias. O presente trabalho tem como objetivos identificar padrões de variabilidade de propriedades ópticas em uma lagoa costeira no Brasil e oceano adjacente, avaliar a performance de quatro correções atmosféricas e criar um modelo empírico preciso para estimar a concentração de TSM a partir de dados dos sensores MODIS-Aqua (250 m) e VIIRS-SNPP (750-m). Inúmeras campanhas ocorreram de 2014 a 2019, quando foram coletados dados de propriedades óticas e constituintes ópticos da região. As correções atmosféricas aplicadas às imagens foram: a correção NIR padrão, dois algoritmos de comutação NIR-SWIR e a correção MUMM. Duas bandas nos intervalos espectrais do vermelho e infravermelho próximo (NIR) foram escolhidas para estimar a concentração de TSM. Os resultados demonstraram que as águas da Lagoa de Patos apresentam codominância entre CDOM e TSM em sua composição óptica, o que influência fortemente a variabilidade das refletâncias emitidas pelos corpos aquosos. Os algoritmos de correção atmosférica NIR-SWIR apresentaram os melhores resultados. Como resultado final, três algoritmos de cálculo da concentração de TSM foram construídos com base nas bandas dos sensores MODIS e VIIRS – ρ(645), ρ(671) e ρ(745). O desempenho de cada modelo foi satisfatório e representou bem a dinâmica das concentrações de TSM. Além disso, um algoritmo de transição entre as bandas 671 e 745 foi adaptado para estimar a concentração de TSM quando fortes gradientes eram formados na área interna da laguna para regiões adjacentes.

The concern regarding the health of marine environments is a global issue, and total suspended matter (TSM) concentration is one great proxy for coastal water quality. Then, the passive remote sensing arises as a tool for estimating TSM and monitoring large estuaries synoptically, where appropriate atmospheric corrections are often required. The present work aims to identify patterns of variability of optical properties in a Brazilian coastal lagoon and adjacent oceanic waters, assess four atmospheric correction schemes and create an accurate empirical model to estimate the TSM concentration from MODIS-Aqua (250-m) and VIIRS-SNPP (750-m) sensors. Field campaigns occurred from 2014 to 2019, when optical properties and constituents were collected. The standard iterative NIR, two NIR-SWIR switching algorithms, and the MUMM correction were applied to the images, and two bands in red and near-infrared (NIR) intervals were chosen for estimating TSM concentration. The results demonstrated that the Patos Lagoon waters present a co-dominance between CDOM and TSM on its optical composition, which strongly influences the water-leaving reflectance variability. The NIR and NIR-SWIR based atmospheric correction algorithms presented better results for retrieving water-leaving reflectances. As a final result, three TSM algorithms have been built based on MODIS and VIIRS bands – ρ(645), ρ(671) and ρ(745). The performance of each model was satisfactory and represented well the dynamics of TSM concentrations. Also, a transitional algorithm between red and NIR bands was adapted to estimate TSM when strong gradients are formed from inner to the outer lagoon.