Satellite remote sensing technology for ocean observation has evolved considerably in these last twenty years. Ocean color is one of the most important parameters of ocean satellite measurements. This paper describes a remote sensing of ocean color data project - Asian I-Lac Project; it also introduces several case studies using satellite images in the Asian waters. The Asian waters are related to about 30 Asian countries, representing about 60% of the world population. The project aims at generating long-term time series images (planned for 10 years from 1996 to 2006) by combining several ocean color satellite data, i.e., ADEOS-I OCTS and SeaWiFS, and some other sensors. Some typical parameters that could be measured include Chlorophyll- a (Chl-a), Colored Dissolved Organic Matter (CDOM), and Suspended Material (SSM). Reprocessed OCTS images display spatial variation of Chl-a, CDOM, and SSM in the Asian waters; a short term variability of phytoplankton blooms was observed in the Gulf of Oman in November 1996 by analyzing OCTS and NOAA sea surface temperature (SST); Chl-a concentrations derived from OCTS and SeaWiFS have also been evaluated in coastal areas of the Taiwan Strait, the Gulf of Thailand, the northeast Arabian Sea, and the Japan Sea. The data system provides scientists with capability of testing or developing ocean color algorithms, and transferring images for their research. We have also analyzed availability of OCTS images. The results demonstrate the potential of long-term time series of satellite ocean color data for research in marine biology, and ocean studies. The case studies show multiple applications of satellite images on monitoring of coastal environments in the Asian Waters.
Chlorophyll concentration is an important factor for physical oceanography as well as biological oceanography. For these necessity many oceanographic researchers have been investigated it for a long time. But investigation using vessel is very inefficient, on the other hands, ocean color remote sensing is a powerful means to get fine-scale (spatial and temporal scale) measurements of chlorophyll concentration. Geostationary Ocean Color Imager (GOCI), for ocean color sensor, loaded on COMS (Communication, Ocean and Meteorological Satellite), will be launched on late 2008 in Korea. According to the necessity of algorithm for GOCI, we developed chlorophyll algorithm for GOCI in this study. There are two types of chlorophyll algorithms. One is an empirical algorithm using band ratio, and the other one is a fluorescence-based algorithms. To develop GOCI chlorophyll algorithm empirically we used bands centered at 412 nm, 443 nm and 555 nm for the DOM absorption, chlorophyll maximum absorption and for absorption of suspended solid material respectively. For the fluorescence-based algorithm we analyzed in-situ remote sensing reflectance $(R_{rs})$ data using baseline method. Fluorescence Line Height $({\Delta}Flu)$ calculated from $R_{rs}$ at bands centered on 681 nm and 688 nm, and ${\Delta}Flu_{(area)}$ are used for development of algorithm. As a result ${\Delta}Flu_{(area)}$ method leads the best fitting for squared correlation coefficient $(R^2)$.
Ocean color remote sensing community currently uses the different solar irradiance spectra covering the visible and near-infrared in the calibration/validation and deriving products of ocean color instruments. These spectra derived from single and / or multiple measurements sets or models have significant discrepancies, primarily due to variation of the solar activity and uncertainties in the measurements from various instruments and their different calibration standards. Thus, it is prudent to examine model-to-model differences and select a standard reference spectrum that can be adopted in the future calibration and validation processes, particularly of the first Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) onboard its Communication Ocean and Meterological Satellite (COMS) planned to be launched in 2008. From an exhaustive survey that reveals a variety of solar spectra in the literature, only eight spectra are considered here seeing as reference in many remote sensing applications. Several criteria are designed to define the reference spectrum: i.e., minimum spectral range of 350-1200nm, based completely or mostly on direct measurements, possible update of data and less errors. A careful analysis of these spectra reveals that the Thuillier 2004 spectrum seems to be very identical compared to other spectra, primarily because it represents very high spectral resolution and the current state of the art in solar irradiance spectra of exceptionally low uncertainty ${\sim}0.1%.$ This study also suggests use of the Gueymard 2004 spectrum as an alternative for applications of multispectral/multipurpose satellite sensors covering the terrestrial regions of interest, where it provides spectral converge beyond 2400nm of the Thuillier 2004 spectrum. Since the solar-activity induced spectral variation is about less than 0.1% and a large portion of this variability occurs particularly in the ultraviolet portion of the electromagnetic spectrum that is the region of less interest for the ocean color community, we disregard considering this variability in the analysis of solar irradiance spectra, although determine the solar constant 1366.1 $Wm^{-2}$ to be proposed for an improved approximation of the extraterrestrial solar spectrum in the visible and NIR region.
Park, Jeong-Won;Kim, Hyun-Cheol;Park, Kyungseok;Lee, Sangwhan
Korean Journal of Remote Sensing
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v.31
no.6
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pp.513-521
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2015
In the processing of ocean color remote sensing data, spatio-temporal binning is crucial for securing effective observation area. The validity determination for given source data refers to the information in Level-2 flag. For minimizing the stray light contamination, NASA OBPG's standard algorithm suggests the use of large filtering window but it results in the loss of effective observation area. This study is aimed for quality improvement of ocean color remote sensing data by recovering/extending the portion of effective observation area. We analyzed the difference between MODIS/Aqua standard and modified product in terms of chlorophyll-a concentration, spatial and temporal coverage. The recovery fractions in Level-2 swath product, Level-3 daily composite product, 8-day composite product, and monthly composite product were $13.2({\pm}5.2)%$, $30.8({\pm}16.3)%$, $15.8({\pm}9.2)%$, and $6.0({\pm}5.6)%$, respectively. The mean difference between chlorophyll-a concentrations of two products was only 0.012%, which is smaller than the nominal precision of the geophysical parameter estimation. Increase in areal coverage also results in the increase in temporal density of multi-temporal dataset, and this processing gain was most effective in 8-day composite data. The proposed method can contribute for the quality enhancement of ocean color remote sensing data by improving not only the data productivity but also statistical stability from increased number of samples.
Many ocean color sensors are being operated at present and will be continued to operatein the coming years. However, these ocean color sensors have different spectral bands locations and higher level product algorithms. Thus the continuity of ocean color data from the satellite with different missions will be important for monitoring of oceanographic variation with long term research. In this study, CZCS band and algorithm are compared with OCTS and SeaWiFS algorithm for estimating chlorophyll. Missing bands of OCTS and CZCS for chlorophyll algorithm are estimated by linear-interpolation using SeaWiFS data. We were able to evaluate the effectiveness of the correction methods using linear interpolation method. Surprisingly, linear interpolation gave a better result than those of other bands.
This paper describes the development, operations, and applications of ROCSAT-l and its Ocean Color Imager (OCI) remote-sensing payload. It is the first satellite program of NSPO. The satellite was successfully launched by Lockheed Martin's Athena on January 26, 1999 from Cape Canaveral, Florida. ROCSAT-l is a Low Earth Orbit (LEO) experimental satellite. Its circular orbit has an altitude of 600km and an inclination angle of 35 degrees. The satellite is designed to carry out scientific research missions, including ocean color imaging, experiments on ionospheric plasma and electrodynamics, and experiments using Ka-band (20∼30GHz) communication payloads. The OCI payload is utilized to observe the ocean color in 7 bands (including one redundant band) of Visible and Near-Infrared (434nm∼889nm) range with the resolution of 800m at nadir and the swath of 702km. It employs high performance telecentric optics, push-broom scanning method using Charge Coupled Devices (CCD) and large-scale integrated circuit chips. The water leaving radiance is estimated from the total inputs to the OCI, including the atmospheric scattering. The post-process estimates the water leaving radiance and generates different end products. The OCI has taken images since February 1999 after completing the early orbit checkout. Analyses have been performed to evaluate the performances of the instrument in orbit and to compare them with the pre-launch test results. This paper also briefly describes the ROCSAT-l mission operations. The spacecraft operating modes and ROCSAT Ground Segment operations are delineated, and the overall initial operations of ROCSAT-l are summarized.
Much effort has been made in the radiometric calibration of the ocean scanning multispectral imager (OSMI) since after the successful launch of KOMPSAT-1 in 1999. A series of calibration coefficients for OSMI detectors were obtained in collaboration with the NASA Sensor Intercomparison and Merger for Biological and Interdisciplinary (SIMBIOS) project office. In this study, we compare the OSMI level-2 products (e.g., chlorophyll-a concentration) calculated from the NASA cross-calibration coefficients with the SeaWiFS counterparts. Sample study areas are some of diagonostic data sites recommended by the SIMBIOS working group. We will present the preliminary results of this comparative study.
Ocean remote sensing reflectance of just above water level was modeled using inherent optical properties of seawater contents, total absorption (a) and backscattering(bb) coefficients ($R_{rs}$=0.046 $b_b$/(a+$b_b$). This modeling was based on the specific absorption and backscattering coefficients of 5 optically active seawater components; phytoplankton pigments, non-chlorophyllous suspended particles, dissolved organic matters, heterotrophic microorganisms, and the other unknown particle components. Simulated remote sensing reflectance($R_{rs}$) and water leaving radiance(Lw) spectra were well agreed with in-situ measurements obtained using a bi-directional fields remote spectrometer in coastal waters and open ocean. $R_{rs}$ values in SeaWiFS bands from the model were analyzed to develop 2-band ratio ocean color chlorophyll with those observed insitu. Also, chlorophyll algorithm based on remote reflectance developed in this study fell in those obtained by a SeaBAM working group. The model algorithms were examined and compared with those observed insitu. Also, chlorophyll algorithm based on remote reflectance developed in this study fell in those obtained by a SeaBAM working group. The remote reflectance model will be very helpful to understand the variation of water leaving radiances caused by the various components in the seawater, and to develop new ocean color algorithm for CASE-II water using neural network method or other analytical method, and in the model of fine atmospheric signal correction.
The present study aims to derive and compare narrow and broad bandwidths of ocean color sensor’s algorithms for the study of monitoring highly dynamic coastal oceanic environmental parameters using high-resolution imagery acquired from Multi-spectral Camera (MSC) on KOMPSAT-2. These algorithms are derived based on a large data set of remote sensing reflectances ($R_{rs}$) generated by using numerical model that relates $b_b/(a + b_b)$ to $R_{rs}$ as functions of inherent optical properties, such as absorption and backscattering coefficients of six water components including water, phytoplankton (chl), dissolved organic matter (DOM), suspended sediment (SS) concentration, heterotropic organism (he) and an unknown component, possibly represented by bubbles or other particulates unrelated to the first five components. The modeled $R_{rs}$ spectra appear to be consistent with in-situ spectra collected from Korean waters. As Kompsat-2 MSC has similar spectral characteristics with Landsat-5 Thematic Mapper (TM), the model generated $R_{rs}$ values at 2 ㎚ interval are converted to the equivalent remote sensing reflectances at MSC and TM bands. The empirical relationships between the spectral ratios of modeled $R_{rs}$ and chlorophyll concentrations are established in order to derive algorithms for both TM and MSC. Similarly, algorithms are obtained by relating a single band reflectance (band 2) to the suspended sediment concentrations. These algorithms derived by taking into account the narrow and broad spectral bandwidths are compared and assessed. Findings suggest that there was less difference between the broad and narrow band relationships, and the determination coefficient $(r^2)$ for log-transformed data [ N = 500] was interestingly found to be $(r^2)$ = 0.90 for both TM and MSC. Similarly, the determination coefficient for log-transformed data [ N = 500] was 0.93 and 0.92 for TM and MSC respectively. The algorithms presented here are expected to make significant contribution to the enhanced understanding of coastal oceanic environmental parameters using Multi-spectral Camera.
Several ocean color algorithms have been developed for GOCI (Geostationary Ocean Color Imager) using in-situ bio-optical data sets. These data sets collected around the Korean Peninsula between 1998 and 2009 include chlorophyll-a concentration (Chl-a), suspended sediment concentration (SS), absorption coefficient of dissolved organic matter ($a_{dom}$), and remote sensing reflectance ($R_{rs}$) obtained from 1348 points. The GOCI Chl-a algorithm was developed using a 4-band remote sensing reflectance ratio that account for the influence of suspended sediment and dissolved organic matter. The GOCI Chl-a algorithm reproduced in-situ chlorophyll concentration better than the other algorithms. In the SeaWiFS images, this algorithm reduced an average error of 46 % in chlorophyll concentration retrieved by standard chlorophyll algorithms of SeaWiFS. For the GOCI SS algorithm, a single band was used (Ahn et al., 2001) instead of a band ratio that is commonly used in chlorophyll algorithms. The GOCI $a_{dom}$ algorithm was derived from the relationship between remote sensing reflectance band ratio ($R_{rs}(412)/R_{rs}(555)$) and $a_{dom}(\lambda)$). The GOCI Chl-a fluorescence and GOCI red tide algorithms were developed by Ahn and Shanmugam (2007) and Ahn and Shanmugam (2006), respectively. If the launch of GOCI in June 2010 is successful, then the developed algorithms will be analyzed in the GOCI CAL/VAL processes, and improved by incorporating more data sets of the ocean optical properties data that will be obtained from waters around the Korean Peninsula.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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