Stæhr PA, Groom GB, Krause-Jensen D, Hansen, LB, Huber S, Jensen, LØ, Rasmussen MB, Upadhyay, S, Ørberg, SB. 2019. Use of remote sensing technologies for monitoring chlorophyll a and submerged aquatic vegetation in Danish coastal waters. Part of the RESTEK project. Aarhus University, DCE – Danish Centre for Environment and Energy, 62 pp. Scientific Report No. 139. 

Sammenfatning 

I dette projekt har vi undersøgt anvendeligheden af forskellige remote sensing (RS) teknikker i overvågningen (~monitering) af miljøtilstanden i det kystnære danske havmiljø. Vores analyser omfattede to miljøtilstandsparametre: 1) monitering af udbredelse af undervandsvegetationen (SAV: bestående af ålegræs, andre marine blomsterplanter og makroalger) og 2) monitering af vandkvalitetsparameteren klorofyl-a (Chl). Projektets overordnede formål var at vurdere potentialet for anvendelse af forskellige RS-teknologier som afløsning, eller supplement, til dele af det traditionelle Nationale Overvågningsprogram for Vandmiljø og Natur (NOVANA) med henblik på at opnå en bedre vurdering af miljøtilstanden (~Good Ecological Status, GES), i de 119 danske vandområder, som er omfattet af EU’s vandrammedirektiv. De undersøgte RS-datakilder inkluderede Sentinel 2 og 3 satellitterne (S2, S3), sommer orthofotos (SOP) og luftbårne droner. Styrker, svagheder og videnshuller blev vurderet ud fra undersøgelser i ni kystnære lavvandede marine systemer, omfattende 17 vandområder i perioden 2016 til 2018. I alle de undersøgte områder blev data indsamlet med RS-teknikker sammenholdt med data indsamlet via traditionelle in situ metoder. Baseret på de indsamlede erfaringer, præsenterer vi et økonomisk overblik over udgifter ved RS-baseret monitering og kommer med anbefalinger til, hvorledes RS-monitering af det kystnære vandmiljø kan gøres operationelt. Endeligt skitserer vi, hvilket fremtidigt arbejde som det vil være oplagt at forfølge, såfremt de forskellige RS-teknikker skal integreres i den danske miljømonitering i marine områder. I det følgende præsenterer vi vores væsentligste konklusioner.

Del I: SAV monitering med S2, SOP og droner:

• S2 tilbyder den mest realistiske tilgang til at levere storskala (national) årlig kortlægning af SAV i kystzonen. SOP er et godt supplement, som bidrager med værdifulde, detaljerede informationer om udviklingen af lokale bestande. SOP kortlægningen er dog mere specifik i forhold til ålegræs end S2, som p.t. har sværere ved at skelne ålegræs fra anden vegetation. Den lange SOP tidsserie (data fra 1950erne) gør det endvidere muligt at analysere udviklingstendenser, såfremt arealudbredelse benyttes som en GES indikator.
• Fælles for alle RS-teknikkerne er deres styrke i estimeringen af arealudbredelsen af SAV på lavt vand, og deres begrænsning i forhold til at estimere ålegræs dybdegrænsen, som p.t. er en nøgleparameter i miljøtilstandsvurderingen.
• In situ målinger med droner er p.t. den eneste RS-teknologi, som kan differentiere mellem vegetationstyper samt bestemme dybdegrænser. Opfølgende tests og validering/interkalibrering i forhold til eksisterende metoder er dog nødvendige, før der kan drages endelige konklusioner i forhold til potentialet for at bestemme dybdegrænse. Ydermere giver in situ dronemetoden diskontinuerlige, punktvise målinger og vil være omkostningsfuld i forbindelse med overvågning af større områder. 
• Generelt set har alle tre teknikker – S2, SOP, droner - hver deres fordele og ulemper, og vejen fremad i form af en smart kombination af alle RS-teknikker viser et stort potentiale som supplement og understøttelse af den nuværende monitering. Især hvis SAV-arealudbredelse benyttes som en supplerende indikator for økologisk tilstand. 

Del II. Klorofylmonitering med S2 og S3:

• Sentinel satellitter bidrager med en hidtil uset mængde af gratis data af høj rumlig, spektral og tidslig opløsning. Aldrig før har så detaljerede satellitdata over Danmark været frit tilgængeligt på daglig/nærdaglig basis, og det har bidraget til indsamlingen af enorme mængder af data, som bl.a. kan bruges til at estimere Chl i vandområder. Satellitterne er dog relativt nye (opsendt mellem 2015-2018), hvilket betyder at processeringsmetoderne for datakomponenterne stadig er under konstant forbedring. Resultaterne, som præsenteres i denne rapport, skal derfor betragtes som et snapshot af mulighederne i sidste halvdel af 2018.
• To forskellige Sentinel satellitter blev undersøgt i denne analyse: S2, som hovedsageligt er designet til landapplikationer og tilbyder data med en pixelopløsning på 10 meter, dog kun hver 3.-5. dag. S3 er specielt designet til applikationer over vand og tilbyder data hver dag men med en pixelopløsning på 300 meter. De tre primære årsager til at bruge satellitdata er 1) for at få et indblik i den rumlige fordeling af Chl over hele vandområder og over større områder, 2) for at få information over vandområder, som ikke afdækkes af in situ målinger, og 3) for at opnå dataindsamling i de mellemliggende perioder mellem in situ målinger.
• Generelt set viste analyserne en større variabilitet i satellit-estimeret Chl-værdier fremfor in situ data, og S2 data varierede i særlig høj grad. Resultaterne fra S3 data var generelt mere jævne og lå tættere på NOVANA data. På trods af den grovere opløsning på S3 opnåede vi gode resultater, selv over mindre vandområder, formentligt grundet sensorens konfiguration, som er optimeret til marin monitering. Dog giver S2, grundet den højere pixelopløsning, et vigtigt indblik i Chl-distributioner på mindre områder, om end ikke i absolutte tal, i hvert fald kvalitativt. I forhold til at opnå den mest dækkende GES monitering vurderes det, at kombinationen af S2 og S3 er den mest omkostningseffektive måde at supplere de eksisterende in situ målinger, især over de områder som endnu ikke bliver moniteret.
• Temporal aggregering af Chl (månedlige gennemsnitsværdier) viste god overensstemmelse mellem alle tre metoder, dog havde S2 til stadighed den største variabilitet.
• For at vurdere kvaliteten af de satellitafledte Chl-koncentrationer, sammenlignes de normalt med in situ målinger som NOVANA. Disse sammenligninger sammenholder meget forskellige rumlige opløsninger med in situ, der giver punktinformation, og satellitterne som giver et rumligt aggregeret billede per pixel, som 300 × 300 meter for S3. Begge datakilder kommer desuden med hver deres usikkerheder i koncentrationsbestemmelsen. En grundig kvantitativ, statistisk analyse er for det meste ikke mulig på grund af tidsforskellen mellem jordprøvetagning og satellitovergangen. En passende match-up, brugbar for statistiske vurderinger, bør optimalt falde inden for 30-120 minutters forskel mellem satellitpassagen og in situ målingen for at sikre sammenlignelige forhold i det dynamiske marine miljø. Det er dog stadig yderst brugbart at sammenholde Chl fra forskellige kilder ved at se på tidsserier og årstider for at vurdere, hvor godt og hvornår de kan sammenholdes.
• Eftersom S2 og S3 satellitterne kun indsamler information fra den øverste del af vandsøjlen, kan de ikke erstatte in situ målinger i dybere stratificerede vande, hvor et Chl-maksimum kan forekomme. I forhold til vurdering af værdierne – og evt. decideret kalibrering – er in situ observationer altid nødvendige til sammenligning, som nævnt ovenfor.
• En decideret validering af S2 og S3 Chl-estimaterne har ikke været mulig under denne aktivitet grundet mangel på egnet sammenligningsmateriale. For både S2 og S3 kan inddragelse af en længere tidsserie samt fokus på fx hele Danmark udvide datagrundlaget betydeligt. Som supplement til de nuværende NOVANA-aktiviteter anbefaler vi desuden, at MST investerer i en eller flere valideringsstationer (AERONET-systemer) som vil kunne bidrage med vigtige data til at optimere Chl-algoritmerne til danske kystnære farvande samt bidrage til en ægte validering. 

Overordnet set skal det for både Chl og ålegræs understreges, at indsamling af in situ data fortsat bør være en vigtig del af den nationale overvågning, da disse data er essentielle i forhold til at evaluere RS-data og information, for eksempel i forhold til dybdegrænser for ålegræs, som udgør en vigtig del at den eksisterende monitering af marin vegetation.