Inversion technique for optical remote sensing in shallow water

Abstract

In the field of optical remote sensing (400 to 800 nm wavelength) in natural waters, physically based inversion methods can currently be applied only when bottom effects are negligible. In shallow water areas, the remotely sensed signal in the visible range is strongly influenced by the bottom albedo, which must be taken into account for the development of remote sensing algorithms. The aim of this study was to investigate the variability of the remotely sensed signal and the feasibility and uniqueness of inversion model solutions when bottom albedo is not negligible. A well-established and validated forward model (Hydrolight 3.1) was applied to inland waters using measurements of water constituents and light field parameters in deep and shallow water areas from the test site Lake Constance. The shallow water measurements were also used for the derivation of specific bottom reflectance spectra. By using this adjusted forward model, a large number of spectral measurements was simulated, where the optical properties of the water and the bottom were varied within the range of the in-situ values at Lake Constance, but also below and above this range to cover a more general range of concentrations and to extend the study to a wide number of case-2 waters. The dependence of the under water light field on the concentration of phytoplankton and suspended matter, gelbstoff absorption, bottom reflectance, bottom depth, surface wind speed, solar zenith angle, and viewing angle was parameterised. Further parameters including phase functions and specific optical properties of water constituents were kept constant at values typical for Lake Constance. A set of analytical equations for calculating water and bottom properties was developed and implemented in a public-domain software (WASI) to provide a fast and user-friendly tool of forward and inverse modelling of optical data. A new inversion technique based on the analytical parameterisations was developed to estimate the concentrations of the water constituents, the bottom depth, and the coverage of bottom types in shallow water. The errors of the model were studied depending on the water constituent concentrations, bottom depth, and bottom reflectance. The effect of multi-parameter inversion on error propagation was also investigated as well as the influence of sensor characteristics like signal noise, radiometric, and spectral resolution. The new methodology was validated using in-situ data measured in Lake Constance.

Auf dem Gebiet der optischen Gewässerfernerkundung können physikalisch basierte Inversionsmethoden momentan nur angewendet werden, wenn Effekte verursacht durch den Seeboden vernachlässigbar sind. In den Flachwasserbereichen wird das Fernerkundungssignal im sichtbaren Spektralbereich stark beeinflußt durch die Bodenalbedo. Ziel dieser Studie war es, die Variabilität des Fernerkundungssignals sowie die Anwendbarkeit von Inversionsmodellen und ihrer Eindeutigkeit der Lösungen zu untersuchen, wenn die Bodenalbedo nicht vernachlässigbar ist. Zur Untersuchung wurde ein etabliertes und validiertes Vorwärtsmodell (Hydrolight 3.1) angewandt. Messungen der Wasserinhaltsstoffe und Lichtfeldparameter im tiefen und flachen Wasser des Bodensees wurden dazu durchgeführt und in das Modell integriert. Die Flachwassermessungen wurden auch für die Ableitung der spezifischen Bodenreflexionen verwendet. Durch Verwendung dieses angepaßten Vorwärtsmodells wurde eine große Anzahl von Spektren simuliert, wobei die optischen Eigenschaften des Wassers und des Bodens vor allem innerhalb des bodenseetypischen Wertebereiches variiert wurden, aber auch unter- und oberhalb dieses Bereiches, um die Untersuchungen auf eine Vielzahl von Gewässern auszudehnen. Das Unterwasserlichtfeld wurde parametrisiert in Abhängigkeit von Phytoplankton- und Schwebstoffkonzentration, Gelbstoffabsorption, Bodenreflexion, Windgeschwindigkeit, Sonnenzenit- und Beobachtungswinkel. Weitere Parameter einschließlich Phasenfunktion und spezifische optische Eigenschaften der Wasserinhaltsstoffe wurden konstant gehalten bei bodenseetypischen Werten. Ein Satz analytischer Gleichungen zur Berechnung von Wasser- und Bodeneigenschaften wurde entwickelt und in eine frei verfügbare Software (WASI) integriert, um ein schnelles und benutzerfreundliches Werkzeug für die Simulation und Analyse optischer Daten zur Verfügung zu stellen. Basierend auf den analytischen Parametrisierungen wurde eine neue Inversionstechnik entwickelt, um die Konzentrationen der Wasserinhaltsstoffe, die Bodentiefe sowie Typ und Grad der Bodenbedeckung im Flachwasser zu bestimmen. Die Fehler des Modells wurden abhängig von den Konzentrationen der Wasserinhaltsstoffe, der Bodentiefe und dem Reflexionsvermögen des Bodens ermittelt. Der Effekt der Multiparameter-Inversion auf die Fehlerfortpflanzung wurde ebenso untersucht wie der Einfluß von Sensoreigenschaften (Rauschen, radiometrische und spektrale Auflösung). Die neue Methodik wurde validiert anhand von Meßdaten vom Bodensee.