Et team af havoptikeksperter, ledet af Plymouth Marine Laboratory, har evalueret nøjagtigheden af optiske sensorer over vand ved hjælp af en samfundsudviklet processor til at fremstille data af højeste kvalitet til validering af satellithavfarve og lette overvågning af vores kystsøer og globale havs helbred.
Undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Optics Express.
Meget kan læres om marine miljøforhold fra havets farve. Sollys interagerer med forskellige materialer i vandet, såsom fytoplankton, sedimenter og opløst organisk stof, der absorberer eller spreder lette fotoner ved forskellige bølgelængder.
Denne absorption og spredning resulterer i spektrale variationer i “farve”, der kan undersøges af forskere for at bestemme, hvad der er til stede i vandet, uden nødvendigvis at skulle foretage direkte målinger i vandet.
Jordobservationsforskere er nødt til at sikre, at instrumenterne, der måler det lys, der reflekteres ud af havet, giver ensartede resultater, især da disse bruges til at verificere, at satellitdataene er nøjagtige.
For at sikre, at miljømålinger og de resulterende behandlede data er af høj kvalitet og standarder, bruger mange laboratorier over hele verden de samme anerkendte kvalitetsstyringssystemer (ISO) til at indsamle dem.
Optiske og fjernfølende forskere tager denne datakvalitet til et højere niveau ved at indsamle “fiduciale referencemålinger”, en standard udviklet og vedtaget af det videnskabelige samfund og rumfartsagenturer, såsom de nationale luftfartsselskaber og rumadministration (NASA), European Space Agency (ESA) og European Agency for udnyttelse af meteorologiske satellitter (Eumetsat).
Der har været en række undersøgelser i de sidste 25 år, der sammenlignede nøjagtigheden af optiske sensorer, og selvom forskellene var inden for rimelige intervaller, har uoverensstemmelserne ofte været større end ønsket.
Et vigtigt fund fra disse undersøgelser var, at forskelle i, hvordan dataene behandles, kan føre til fejl, der maskerer sensorens sande ydelse, samt fremhæver behovet for detaljerede usikkerhedsestimater af målingerne og en ensartet databehandlingsmetode. Behovet for en samfundsdækkende, open source community-processor blev også identificeret.
Metode og fund
Det internationale studieteam af verdenseksperter inden for havoptik fra EU og USA udførte en 10-dages test i Adriaterhavet af nogle af de mest populære videnskabelige optiske sensorer (radiometre), der ofte bruges i USA og Europa: Sea-Bird Hypersas og Trios-Ramses. De indsamlede data blev derefter behandlet ved hjælp af open source Community Processor HYPERCP.
Holdet brugte to forskellige tilgange til behandling af dataene og etablering af tilknyttede usikkerheder:
- Sensorspecifik behandling: Når hvert instruments unikke egenskaber blev anvendt, var forskellene mellem systemerne små; Cirka 2% variation for de fleste optiske målinger og 2,5% for den specifikke måling relateret til vandforladningslys. Fejlen eller usikkerheden i disse målinger forblev lavt på ca. 1,5-5%.
- Klassebaseret behandling: Når generiske kalibreringsegenskaber blev anvendt til hver instrumenttype (enten havfugl eller trios), var forskellene mellem instrumenter mærkbart større.
Undersøgelsen antyder, at brug af HYPERCP med sensorspecifikke egenskaber anbefales stærkt for at reducere de tilknyttede usikkerheder og til at fremstille dataene af højeste kvalitet til satellithavfarvevalidering. At skræddersy databehandlingen på denne måde gør de samlede målinger mere præcise og pålidelige til yderligere studier og anvendelse i miljøvidenskab.
Dr. Gavin Tilstone, hovedforfatter og bio-optisk oceanograf ved Plymouth Marine Laboratory, kommenterede, “Vi er glade for at dele denne trin-ændring til optiske sensor-databehandling til satellit Ocean Color Validation. Før denne undersøgelse havde vi ikke selvsikker usikkerhed for nogle af de mest populære radiometre, der blev anvendt ved havfarve-farverne. Afgørende for klimaændringer og vandkvalitetsundersøgelser.
“Da samfundsprocessoren er open source, betyder det, at den er bredt tilgængelig for lande, mindre organisationer og unge forskere, der muligvis ikke tidligere har haft viden, teknisk ekspertise og behandlingsevne til at behandle de optiske data til disse høje standarder.”
Dr. Tom Jordan, medforfatter og Earth Observation Scientist in Ocean Optics på Plymouth Marine Laboratory, kommenterer, “Et vigtigt aspekt af undersøgelsen var, at det demonstrerede konsistens mellem usikkerheder beregnet af hypercp og variabilitet af målinger af forskellige sensorer i marken.” Fremad giver dette forbedret tillid til, at vi kan kombinere flere sensorer og feltinstallationer til at give en pålidelig reference til satellit-farvevalidering. “
En lang række brugergrupper og enkeltpersoner bruger allerede den forbedrede samfundsprocessor, og forskere i den tidlige karriere i adskillige lande læres, hvordan man bruger det gennem specifikke træningsbegivenheder.
Standardisering af data over hele verden
For at data skal accepteres til brug af agenturer som NASA, ESA og EUMETSAT, skal de være af “Fiducial Reference Måling” -kvalitet, som er den højeste kvalitet, accepterede standard for hovedradiometriske data, der bruges til at validere og understøtte satellithavfarveopgaver. For at nå dette kvalitetsniveau skal fire kriterier være opfyldt:
- Anerkendte protokoller til satellitvalidering følges.
- Sporbart internationalt system med enheder (SI) standarder anvendes.
- Usikkerhedsestimater af målingerne er inkluderet.
- Alle sensorer evalueres gennem internationale feltforhold.
Dr. Dirk Aurin, medforfatter og seniorforsker ved NASA Goddard Space Flight Center, opsummerer historien om satellithavfarveforarbejdning Standardisering, og hvordan denne undersøgelse hjælper med at fremme løsninger til spørgsmålet om standardisering: “Standardiseringen af satellithavfarveforarbejdning i NASA begyndte med havvæsener i 1990’erne, der kulminerer i udviklingen af frit distribueret software seadas, som i dag er anvendelige til USA og internationale haver, der er culmineret i udviklingen af frit distribuerede software seadas, som i dag kan anvendes til USA og internationale og internationale haver.
“However, the processing of in situ radiometry used to validate these orbital missions was not similarly standardized until the release of the community processor, HyperCP. HyperCP has evolved from its roots at NASA in 2019, during the latest overhaul of the protocols for satellite validation by the International Ocean Colour Coordinating Group (IOCCG), to an international collaboration including space agencies in the US and Europe, academic institutes, and den private sektor.
“Feltkampagnen fremhævet i denne artikel repræsenterer den første offentliggjorte anvendelse af HYPERCP med det formål at minimere usikkerheder og uoverensstemmelser på tværs af flere, samlet in situ radiometriske platforme fra forskellige producenter, der drives af forskellige laboratorier, og demonstrerer kapaciteten til opsamling af feltradiometri med bærbare, off-shelf-kommercielle instrumenter af en kvalitet, der er tilstrækkelig til havets farvestatellitering efter IOCCCG-beskyttelsen og den kommercielle instrument Fiducial referencemålingsmetrologi. “
Dr. Riho Vendt, medforfatter og lektor ved University of Tartu, fortsatte, ” produkter. “
De næste trin er at inkorporere nye og yderligere sensorer med usikkerhedsestimater i samfundsprocessoren for at fortsætte med at forbedre tilliden til havfarvedata.
Undersøgelsen var en del af de fiduciale referencemålinger for Satellite Ocean Color (FRM4SOC) fase-2-projekt. Udviklingen af HYPERCP blev initieret af NASAs Hyperinspace og University of Victorias Pyscidon -softwarebehandlingspakker og ledes i øjeblikket af et internationalt team af ekspertforskere fra institutioner som NASA, NPL, NOAA, EUMETSAT, PML og andre.