Aplicación de datos del mes: Monitoreo de la calidad del agua

Captura de pantalla del Portal de Información y Calidad de la Calidad del Agua Mundial UNESCO-IWQ.

¿Cuál es la importancia del monitoreo de la calidad del agua?

Para considerar que el agua es apta para el consumo humano y que el agua es compatible con la funcionalidad o los servicios adecuados del ecosistema, las condiciones físicas, químicas y biológicas deben cumplir ciertos requisitos. La calidad del agua se mide mediante varios factores, como la concentración de oxígeno disuelto, los niveles de bacterias, la cantidad de sal (o salinidad) y la cantidad de material suspendido en el agua (turbidez). En algunos cuerpos de agua, también se puede medir la concentración de algas microscópicas y cantidades de pesticidas, herbicidas, metales pesados y otros contaminantes para determinar la calidad del agua. A pesar de las mediciones científicas de la calidad del agua, todavía es muy difícil decir si el agua es "buena" o "mala", por lo tanto, la determinación de la calidad se realiza en relación con el propósito o la necesidad del agua.

¿Cómo se controla la calidad del agua desde el espacio?

El agua tiene características específicas de reflectancia (medidas a diferentes longitudes de onda de la luz, los llamados espectros o firmas espectrales), basadas en las propiedades de dispersión y absorción de sus componentes ópticamente activos. Estos están relacionados directa o indirectamente con parámetros relevantes de calidad del agua (indicador) tales como turbidez y materia suspendida, fitoplancton y su pigmento principal clorofila, detritos, salinidad, fósforo total (TP), temperatura, pH y materia orgánica coloreada disuelta. Con el conocimiento de sus características ópticas, es posible recuperar valores cuantitativos de las concentraciones de estos constituyentes del agua, basándose únicamente en la reflectancia de la luz medida por sensores satelitales. Diferentes sensores remotos montados en satélites y otras plataformas, como los aviones o drones, miden la cantidad de radiación en varias longitudes de onda reflejadas desde la superficie del agua.

Medición de la cantidad del material suspendido en el agua (turbidez)

La turbidez del agua es una propiedad óptica del agua, que dispersa y absorbe la luz en lugar de transmitirla en línea recta. La turbidez de las mediciones satelitales se determina midiendo la dispersión hacia atrás de la luz entre los 450 y 800 nm. Es un parámetro clave de la calidad del agua y está relacionado linealmente con la retrodispersión de la luz por partículas orgánicas e inorgánicas en el agua. También está relacionado linealmente con el total de la materia suspendida (TSM) para valores de turbidez bajos a moderados. La unidad de medida es la Unidad de turbidez de formacina [FTU], que es similar a la Unidad de turbidez nefelométrica [NTU]. 1FTU corresponde a 0,0118 / m de retrodispersión a 550 nm.

COMBINACIÓN / BANDAS  Sensor
Ratio between blue (0.40–0.50 μm) and red (0.60–0.70 μm Landsratios and ROBA-CHRIS, IRS-LISS-III
Ratio between green (0.50–0.60 μm) and red (0.60–0.70 μm) Landsat 5-TM, AISA
Ratio between near infrared (NIR) and red (0.60–0.70 μm) MODIS, ALOS-AVNIR-2
Near Infrared (0.75–0.90 μm) SPOT, Landsat 7-ETM+, CASI
Red (0.60–0.70 μm) Landsat 7-ETM+, Landsat 5-TM, HICO,
Green (0.50–0.60 μm) Landsat 5-MSS, IRS-LISS-III

Clorofila: Un indicador de floración de algas nocivas (fitoplancton y cianobacterias: ficocianina, ficoeritrina)

Las floraciones de algas, que a menudo son impulsadas por fenómenos de eutrofización en agua dulce, están directamente relacionadas con la concentración de la clorofila tipo a o chl-a, ya que es esencial para la fotosíntesis. Chl-a se usa en la fotosíntesis oxigenada y se encuentra en plantas, algas y cianobacterias. Chl-a, aunque refleja principalmente en la región del verde, absorbe la mayor parte de la energía de las longitudes de onda de la luz azul, violeta y naranja-roja, cuya reflectancia hace que la clorofila se vea verde. Las características de absorción de dispersión prominentes de la chl-a incluyen una fuerte absorción entre 450-475 nm (azul) y a 670 nm (rojo), y la reflectancia alcanza el pico a 550 nm (verde) y cerca de 700 nm (NIR), la reflectancia pico cerca de 700 nm y su relación con la reflectancia a 670 nm se han utilizado para desarrollar una variedad de algoritmos que permiten cartografiar la chl-a en aguas turbias (Gitelson 2008).

La clorofila, medida en unidades de [µg/l], se proporciona como una medida que está relacionada linealmente con la absorción específica de pigmento a 440 nm, con 1 μg/l de clorofila correspondiente a una absorción de pigmento de 0.035/m.

El 1 de mayo de 2016, el satélite Sentinel-2A capturó una floración de algas cerca de la costa de Bélgica. Gracias a las capacidades multiespectrales del instrumento principal de Sentinel-2, se puede derivar la absorción de clorofila y, por lo tanto, la concentración, revelando un fitoplancton intenso cerca del puerto de Ostende. Imágenes: contienen datos de Copernicus Sentinel modificados (2016), procesados por RBINS.


COMBINACIÓN DE BANDAS ESPECTRALES Sensor
Ratio between green (0.50–0.60 μm) and red (0.60–0.70 μm Landsat 5-TM.Landsat 5-MSS, Landsat 7-ETM+, SPOT, IRS-LISS-III
Ratio between near infrared (NIR) and red Landsat 5-TM, HICO, PROBA-CHRIS, MODIS, MERIS, ALSA
Ratio between green and blue (B2/B1) Landsat 5-TM, Landsat 7-ETM+, MERIS, PROBA-CHRIS, EO-1 Hyperion,
Ratio between blue (0.40–0.50 μm) and red (0.60–0.70 μm) Landsat 5-TM, Landsat7-ETM+
Blue (0.40–0.50 μm) Landsat 5-TM
Red (0.60–0.70 μm) PROBA-CHRIS, Landsat 5-TM, CASI
Green (0.50–0.60 μm) Landsat 5-TM

Material orgánico disuelto coloreado (CDOM) y sustancias inorgánicas

Las materias orgánicas disueltas coloreadas, también llamadas gelbstoff y gilvin, consisten en sustancias orgánicas heterogéneas, biogénicas, solubles en agua, de origen natural que son de color amarillo a marrón (Aiken 2005). Existe una superposición muy fuerte en la frecuencia de absorción de CDOM y clorofila de la longitud de onda de 443 nm, debido a esta inversión del valor de clorofila de los datos de detección remota proporciona un método eficiente para estimar la concentración de CDOM dentro de una gran escala espacial y temporal con el supuesto de que CDOM covarie con clorofila (Hoge et al 1995).

Para estimar la Absorción Total (ABS), por ejemplo, se mide la absorción de luz por partículas y materia orgánica e inorgánica disuelta. La contribución relativa de las absorciones inorgánicas varía para cambiar las propiedades ópticas inherentes específicas (SIOP), que se controlan dentro de los algoritmos. La unidad es de absorción a 440 nm [1/m]. El producto de absorción total incluye la absorción de componentes orgánicos e inorgánicos, que no se muestran por separado en este portal. En los estudios de color del océano, las propiedades de absorción de CDOM, por ejemplo, sus coeficientes de absorción a 440 nm, se usan generalmente como un representante de la concentración de CDOM.

BANDAS ESPECTRALES Sensor
Single blue band (0.40–0.50 μm) Landsat 5-TM, EO-1 Hyperion, SeaWiFS + MODIS-Aqua, HICO, CZCS
Ratio between blue (0.40–0.50 μm) and green (0.50–0.60 μm) ALOS-AVNIR-2, MODIS, SeaWiFS
Ratio between green (0.50–0.60 μm) and red (0.60–0.70 μm) MODIS, HICO, EO-1 ALI, EO-1 Hyperion, SeaWiFS, MERIS

Temperatura de agua

Este es un parámetro importante para los procesos físicos y bioquímicos que ocurren dentro del agua, así como en las interacciones aire-agua porque la temperatura regula los procesos físicos, químicos y biológicos en el agua. Las bandas de infrarrojos térmicos pueden medir la cantidad de calor radiante infrarrojo emitido por la temperatura radiante de los cuerpos de agua.

Las mediciones a partir de sensores remotos de la temperatura del agua se pueden obtener con un sensor que detecta la radiación térmica (bandas de ondas de 3–5 y 8–14 μm) emitidas desde los 0,1 mm superiores de la superficie del agua (Atwell 1971, Anderson 1983). La radiación TIR emitida (3–14 μm) es una práctica bien establecida, particularmente en oceanografía, donde las observaciones diarias de la temperatura regional y global de la superficie del mar (TSM) se realizan a partir de satélites con una precisión de 0.5 ° C, las técnicas pasivas de microondas se utilizan en áreas nubladas con una precisión de aproximadamente 1.5–2 ° C.

Los sensores de satélite que comúnmente incorporan una banda térmica en la región del TIR, para medir la temperatura superficial del mar, se encuentran en los sensores Landsat (TM, ETM + y OLI / TIRS), banda TIR de MODIS, banda TIR de ASTER, banda TIR de AVHRR, banda TIR de MODIS / ASTER en el aire (MASTER) y Radiómetros de microondas (MWR).

Salinidad, oxígeno disuelto y fósforo total

La salinidad de la superficie del mar es un factor importante que determina la densidad del agua de mar y podría monitorearse a través de la teledetección utilizando el satélite de humedad y salinidad del océano (SMOS). Este satélite emplea como instrumento principal, un radiómetro de imagen de microondas utilizando la síntesis de apertura (MIRAS). SMOS realiza la detección a longitudes de onda de entre (20–30 cm), Aquarius es otro sensor relacionado con la salinidad que proporciona información sobre la salinidad en la superficie del mar a resolución global. Por otra parte, el fósforo total es un indicador de la disponibilidad de nutrientes de las plantas en los cuerpos de agua, lo que podría promover la eutrofización. El fósforo total se controla con la combinación de las bandas espectrales azules (0,45-0,51 μm) y verdes (0,50-0,60 μm) y la integración de las bandas rojas (0,60-0,70 μm) y verdes (0,50-0,60 μm) disponibles en Landsat 5-TM , MODIS, PROBA-CHRIS, CASI y sensores SPO.

¿Cómo puedo acceder a información basada en el espacio para el monitoreo de la calidad del agua?

Se podría utilizar una gran variedad de datos para el monitoreo de la calidad del agua, tal y como se enumera en la tabla a continuación, que incluye una amplia variedad de bandas de espectro y sensores. A través del Portal de Información y Calidad de la Calidad del Agua Mundial publicado recientemente por la UNESCO-IIWQ, ahora esta posible para monitorear la calidad del agua sin necesidad de calcular a partir del procesamiento de los datos crudos.


 

Portal mundial de información y creación de capacidad sobre la calidad del agua IIWQ 

El Portal Mundial de Información sobre la Calidad del Agua y el Desarrollo de Capacidades del IIWQ fue lanzado el 23 de enero de 2018 por el Programa Hidrológico Internacional (PHI) de la UNESCO y proporciona la calidad del agua en tiempo real y registros satelitales históricos que datan de hace 30 años.

El portal proporciona una interfaz fácil de usar que permite al usuario establecer estaciones virtuales y obtener informes de valores de series de tiempo para los parámetros de calidad del agua de interés. El portal está desarrollado para estimar parámetros tales como turbidez, clorofila-a, indicador de floraciones de algas nocivas (HAB), profundidad de señal, absorción total, absorción orgánica y temperatura de la superficie del mar a través del uso de sensores satelitales.

La resolución espacial de los satélites comerciales para parámetros como la turbidez es inferior a 10 metros, también hay una resolución global de 90 metros disponible para todos los parámetros, mientras que la UNESCO en el año 2016 proporcionó en el portal series de tiempo de 30 metros resolución. 

El Portal Mundial de Información sobre la Calidad del Agua y el Desarrollo de Capacidades para el Monitoreo de la Calidad del Agua se aplica en el monitoreo directivo (Directiva Marco del Agua, apoyo a las autoridades gubernamentales a nivel local, regional y nacional), la industria del tratamiento del agua, la agricultura, la gestión de los ríos, las plantas de desalinización, el monitoreo de dragado, y turismo.

Script personalizado de calidad del agua del navegador EO

El Ulyssys Water Quality Viewer (UWQV) es un script personalizado para el navegador EO del Sentinel-Hub o el portal de pruebas de Sentinel-Hub que visualiza dinámicamente las condiciones de clorofila y sedimento de los cuerpos de agua en las imágenes Sentinel-2 y Sentinel-3. El resultado del script es un producto de dos operaciones de enmascaramiento (enmascaramiento de nubes y agua) y dos visualizaciones de parámetros de calidad del agua (visualización de concentración de sedimento suspendido y visualización de concentración de clorofila).

El script identifica y muestra las nubes, nieve y tierra en color verdadero, mientras que el agua se enmascara con un algoritmo que evalúa la concentración de clorofila y sedimento en suspensión juntos. La concentración de sedimento y la clorofila se muestran como dos capas de trama, la primera es semitransparente y puede cubrir la capa de clorofila. Dado que los sedimentos en el agua reducen la transparencia y oscurecen la clorofila, los píxeles de agua con altas concentraciones de sedimentos son de color marrón oscuro independientemente de su concentración de clorofila. A bajas concentraciones de sedimento, la capa de sedimento es transparente y se puede visualizar la capa de clorofila. Las altas concentraciones de clorofila están marcadas en rojo, las concentraciones medias en verde y las bajas concentraciones en azul oscuro.

El script también permite visualizar solo las concentraciones de sedimentos o clorofila, cambiar entre varios algoritmos de enmascaramiento de nubes y agua, ajustar la visualización para que se adapte mejor a las condiciones locales y filtrar los píxeles de agua y no agua con la imagen en color verdadero o una sola en color constante con opacidad.

Para obtener una descripción más detallada y acceder al script, haga clic aquí.

Limitaciones del monitoreo de la calidad del agua.

La teledetección ha demostrado ser una técnica adecuada en el estudio de variaciones espaciales y temporales en la calidad del agua. Sin embargo, hay una serie de restricciones que requieren consideraciones precisas antes de realizar estas técnicas. Los modelos desarrollados a partir de datos de teledetección requieren una calibración y validación adecuadas utilizando mediciones in situ y solo se pueden usar en ausencia de nubes en el caso de sensores ópticos.

Las limitaciones de resolución espacial, temporal y espectral de muchos sensores ópticos actuales pueden limitar la aplicación de datos de detección remota para evaluar la calidad del agua. Se deben esperar medidas de ambigüedad resultantes de píxeles mixtos de tierra y agua si la extensión más pequeña (diagonal más corta) de un cuerpo de agua es inferior a 5 veces la resolución espacial de un producto. Por ejemplo, la extensión mínima de cuerpos de agua ópticamente profundos para los productos de 30m debe ser de 120m. La agregación espacial y/o temporal de medidas de un solo píxel por cuerpo de agua puede mejorar la velocidad de muestreo temporal.

La sensibilidad del producto: la responsabilidad de los productos sensibles, como la clorofila, varía según los sensores de satélite subyacentes y sus características específicas, como la sensibilidad radiométrica o espectral. Por ejemplo, la sensibilidad para diferenciar la turbidez y especialmente los niveles de clorofila disminuye para los sensores satelitales antiguos de más de 30 años (por ejemplo, Landsat 5). La detección de floración de algas nocivas actualmente solo se evalúa para los sensores satelitales de alta calidad actuales, como Landsat 8 o Sentinel-2 y -3.

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