Identifying total phosphorus spectral signal in a tropical estuary lagoon using an hyperspectral sensor and its application to water quality modeling

Abstract

The San Jose Lagoon (SJL) is located in the northern coast of Puerto Rico and is classified as a eutrophic water body. Site access difficulties establish the need for other monitoring alternatives to measure nutrients contamination. The Hyperion is a hyperspectral remote sensing imaging sensor which could provide adequate spectral resolution to monitor TP in such water system. In February, May, and August, 2006 the Hyperion collected hyperspectral groups of data from the SJL. Water quality field sampling and manual radio spectrometer data was concurrently obtained. Spectral indices were obtained from single, combined, and log combined bands statistical correlations, which were used to identify total phosphorus concentrations. A reflectance determination coefficient of 0.49 was obtained from the 467 to 529 nanometers bands ratio values, from which a polynomial algorithm was derived and used to produce a total phosphorus distribution map. In 1995 the U.S. Army Corp of Engineers (USCOE) developed the CH3D-WES and CE-QUAL-ICM hydrodynamic model for the SJL. The USCOE’s model was updated with 2006 climate data. The water quality values obtained from the USCOE model compare well with the results obtained from our research. Color water quality maps were produced by the model and images with total phosphorus distribution, which provides the possible variability in its concentrations at different time periods. While it is recognized that TP has no unique reflectance spectral signal (which can be confused with reflectance from other water constituents) this study demonstrates the application of total phosphorus possible spectral indexes to monitor its content in eutrophic tropical lagoons though a hyperspectral sensor. Its use in water quality model validation provides an additional tool to identify point and non-point source pollutants which otherwise might not be detected using traditional procedures. Nonetheless, the use of the Hyperion sensor for small water systems may need to be further evaluated due its less spatial resolution which causes additional errors in the retrieved spectral data. The algorithm produced by this research may be used to improve the calibration procedure of water quality models for the detection of TP in tropical lakes and lagoons after validation with corresponding field data.

La Laguna San José (LSJ) está situada en la costa norte de Puerto Rico y está clasificada como un sistema eutroficado por su excesivo contenido de nutrientes. Debido a problemas de acceso se necesitan otras alternativas de monitoreo para adecuadamente medir la contaminación por nutrientes y su alcance. El Hyperion es un sensor hiperespectral con la resolución espectral necesaria que pudiese ser utilizado para monitorear la contaminación de nutrientes en este cuerpo de agua. Durante los meses de febrero, mayo y agosto del 2006 el Hyperion recogió datos espectrales de la Laguna San José. Concurrentemente, se recogieron muestras de agua y datos espectrales con el uso de un espectroradiómetro manual. Se produjo indicadores espectrales por las correlaciones estadísticas de las bandas espectrales sencillas, combinadas y el logaritmo de las combinadas, usadas para determinar la concentración de fósforo total como un indicador de contaminación por nutrientes. Se estimó un coeficiente de correlación de 0.49 obtenido por la combinación de las reflectancia correspondientes a las bandas con largos de onda de 467 y 529 nanómetros. Con esta correlación se derivó un algoritmo polínomial usado para la producción de una imagen hiperespectral con la posible distribución del fósforo total en el cuerpo de agua. En el 1995 el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos (CDI) desarrolló el modelo hidrodinámico de calidad de agua CH3-WES y CE-QUAL-ICM para la LSJ. El modelo del CDI fue actualizado con datos climátológicos del 2006 y sus resultados verificados con las imágenes del Hyperion luego de aplicado el algoritmo. Los valores de calidad de aguas producidos por el modelo del CDI comparan bien con los resultados obtenidos en nuestra investigación. Se produjeron mapas de calidad de agua coloreados para ambos el modelo y las imágenes, confirmando la posible variabilidad por períodos de tiempo de las concentraciones del contaminante. Aunque se reconoce que aún no existe una señal espectral única para el fósforo (la cual pudiese ser confundida con reflectancia originada por otros constituyentes acuáticos) este estudio demuestra la aplicabilidad de los posibles indicadores espectrales de fósforo total obtenido para monitorear su contenido en lagunas tropicales eutroficadas con un sensor hiperespectral. Su uso en la validación de modelos de calidad de agua provee una herramienta adicional para la identificación de fuentes de contaminación precisada y noprecisadas que no pudiesen ser detectadas con el uso de procedimientos tradicionales. Sin embargo, el uso del sensor Hyperion en cuerpos de agua menores debe ser evaluado en más detalle debido a su menor resolución espacial lo cual pudiese causar errores adicionales en los datos espectrales obtenidos. El algoritmo producido por este trabajo de investigación pudiese ser usado para mejorar los procedimientos de calibración de modelos de calidad de agua para la identificación de fósforo total en lagos y lagunas tropicales, luego de su validación con los datos de campo correspondientes.