USE OF LANDSAT IMAGERY TO DEVELOP A
WATER QUALITY ATLAS OF MINNESOTA’S 10,000 LAKES
Leif G. Olmanson, Marvin E. Bauer, and Patrick L. Brezonik
Water Resources Center & Remote Sensing and Geospatial Analysis Laboratory
University of Minnesota - St. Paul, Minnesota, USA 55108
olman002@umn.edu, mbauer@umn.edu, brezo001@umn.edu
ABSTRACT
Lakes are important environmental, economic and recreational resources and contribute significantly to the quality
of life in Minnesota. However, because of expense and time requirements for monitoring, it is effectively impossible
to adequately monitor more than a small fraction of this large resource by conventional field methods. The use of
satellite remote sensing is a cost-effective way to gather the information needed for regional water quality
assessments. Based on a strong relationship between Landsat TM bands 1 and 3 and Secchi disk transparency, we
developed an image processing and classification procedure and applied it to ~40 Landsat images to classify the
water clarity of over 10,000 lakes in the State of Minnesota for the ~1990 and ~2000 time periods. The resulting
atlas of water clarity is being used to assess spatial and temporal patterns in lake water clarity based on surrounding
land use and cover by using a geographical information system (GIS) to link the lake clarity data with land-use
features.
INTRODUCTION
Minnesota is fortunate to have a large number of lakes (approximately 12,000 lakes > 4 ha). These lakes are
important recreational and aesthetic resources that add to economic stability and quality of life. Protecting and
monitoring lake water quality is a major concern for many local and state agencies. However, because of expense
and time requirements for ground-based monitoring, it is impractical to monitor more than a small fraction of this
large resource by conventional field methods. The use of satellite-based sensing is a cost-effective way to gather the
information needed for regional water quality assessments in lake-rich areas like Minnesota.
For effective environmental planning and management, it is vital to have long-term water quality information
on a broad regional scale. Although it is not possible to go back in time and collect additional water quality
information using conventional field methods to fill gaps from previous efforts, Landsat data have been collected
regularly since the early 1970s, allowing the possibility of extracting historical water quality information from
Landsat images. The extraction of historic and current water quality data from satellite images, coupled with
existing data collection efforts, may facilitate the development of comprehensive regional databases that can be used
to evaluate regional differences and water quality trends over time. If used along with land-use data, this information
can help determine the impacts different land-use practices have on lake conditions. Results of such analyses will
likely aid local and state agencies to make informed decisions about development policy and improve the
management of lake resources.
Although several satellite remote sensing systems have been used for water quality assessment, the relatively
low cost, temporal coverage, spatial resolution, and data availability of the Landsat system make it particularly
useful for assessment of inland lakes. Several studies have demonstrated a strong relationship between Landsat
Multispectral Scanner (MSS) or Thematic Mapper (TM) data and ground observations of water clarity and
chlorophyll a (e.g., Brown et al. 1977, Lillesand et al. 1983; Lathrop and Lillesand 1986; Lathrop 1992; Cox et al.
1998). However, use of satellite remote sensing for water clarity assessments as a routine application has moved
slowly. This may be due to a lack of familiarity among inland aquatic scientists with remote sensing technology and
a perception that the data are expensive and difficult to process. In 1999 with the launch of Landsat 7, data
distribution was returned to the public sector, and the cost of data acquisition dropped significantly. Along with
today’s powerful desktop computers and sophisticated software, processing and analysis of satellite imagery has
become relatively inexpensive and easy to perform.
In our efforts to develop a Minnesota state-wide comprehensive water quality database we have produced water
clarity atlases of over 10,000 lakes that cover the entire State of Minnesota for the ~1990 and ~2000 time periods
การใช้ภาพดาวเทียม LANDSAT จินตภาพในการพัฒนา
คุณภาพน้ำ ATLAS ของมินนิโซตา 10,000 LAKES
ลีฟ G. Olmanson, มาร์วินอีบาวเออร์และแพทริคลิตร Brezonik
ศูนย์ทรัพยากรน้ำและการสำรวจระยะไกลและ Geospatial ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์
มหาวิทยาลัยมินนิโซตา - เซนต์พอล, มินนิโซตาสหรัฐอเมริกา 55108
olman002@umn.edu, mbauer@umn.edu, brezo001@umn.edu
บทคัดย่อ
ทะเลสาบเป็นทรัพยากรที่สำคัญด้านสิ่งแวดล้อมเศรษฐกิจและการพักผ่อนหย่อนใจและมีส่วนสำคัญกับคุณภาพ
ของชีวิตในมินนิโซตา แต่เนื่องจากความต้องการของค่าใช้จ่ายและเวลาในการตรวจสอบมันเป็นไปไม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เพียงพอที่จะตรวจสอบมากกว่าส่วนเล็ก ๆ ของทรัพยากรขนาดใหญ่นี้โดยวิธีการข้อมูลทั่วไป การใช้งานของ
ดาวเทียมสำรวจระยะไกลเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นสำหรับคุณภาพน้ำในระดับภูมิภาค
การประเมินผล ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่าง Landsat TM วงที่ 1 และ 3 และความโปร่งใสดิสก์ Secchi เรา
พัฒนาประมวลผลภาพและขั้นตอนการจัดหมวดหมู่และนำมันไป ~ 40 ภาพ Landsat การจำแนก
ความชัดเจนน้ำกว่า 10,000 ทะเลสาบในรัฐมินนิโซตาสำหรับ ~ ปี 1990 และ 2000 ~ ช่วงเวลา ผล
ของความชัดเจน Atlas น้ำจะถูกใช้ในการประเมินรูปแบบพื้นที่และเวลาในความคมชัดของน้ำในทะเลสาบขึ้นอยู่กับรอบ
การใช้ที่ดินและสิ่งปกคลุมโดยใช้ระบบสารสนเทศทางภูมิศาสตร์ (GIS) ที่จะเชื่อมโยงข้อมูลความชัดเจนทะเลสาบที่มีการใช้ประโยชน์ที่ดิน
คุณสมบัติ.
บทนำ
มินนิโซตา โชคดีที่มีจำนวนมากของทะเลสาบ (ประมาณ 12,000 ทะเลสาบ> 4 ฮ่า) ทะเลสาบเหล่านี้เป็น
ทรัพยากรที่สำคัญที่พักผ่อนหย่อนใจและความงามที่เพิ่มเสถียรภาพทางเศรษฐกิจและคุณภาพชีวิต การป้องกันและ
การตรวจสอบคุณภาพน้ำในทะเลสาบเป็นข้อกังวลสำคัญสำหรับหน่วยงานท้องถิ่นและของรัฐจำนวนมาก แต่เนื่องจากค่าใช้จ่าย
และเวลาที่ต้องการสำหรับการตรวจสอบภาคพื้นดินก็จะทำไม่ได้ในการตรวจสอบมากกว่าส่วนเล็ก ๆ ของนี้
ทรัพยากรขนาดใหญ่โดยวิธีข้อมูลทั่วไป การใช้การตรวจจับดาวเทียมที่ใช้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการรวบรวม
ข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการประเมินคุณภาพน้ำในระดับภูมิภาคในพื้นที่ทะเลสาบที่อุดมไปด้วยเช่นมินนิโซตา.
สำหรับการวางแผนด้านสิ่งแวดล้อมที่มีประสิทธิภาพและการจัดการก็มีความสำคัญที่จะมีข้อมูลน้ำในระยะยาวที่มีคุณภาพ
ใน ระดับภูมิภาคในวงกว้าง แม้ว่ามันจะเป็นไปไม่ได้ที่จะย้อนเวลากลับไปและเก็บคุณภาพน้ำเพิ่มเติม
ข้อมูลโดยใช้วิธีการแบบเดิมข้อมูลเพื่อเติมช่องว่างจากความพยายามก่อนหน้านี้ Landsat ข้อมูลจะถูกเก็บ
เป็นประจำตั้งแต่ช่วงต้นปี 1970 ที่ช่วยให้ความเป็นไปได้ในการสกัดข้อมูลที่มีคุณภาพน้ำทางประวัติศาสตร์จาก
ภาพ Landsat . สกัดจากข้อมูลที่มีคุณภาพน้ำทางประวัติศาสตร์และปัจจุบันจากภาพถ่ายดาวเทียมควบคู่ไปกับ
ความพยายามที่มีอยู่เก็บรวบรวมข้อมูลอาจอำนวยความสะดวกในการพัฒนาฐานข้อมูลในระดับภูมิภาคที่ครอบคลุมที่สามารถใช้
ในการประเมินความแตกต่างในระดับภูมิภาคและแนวโน้มคุณภาพน้ำเมื่อเวลาผ่านไป ถ้าใช้พร้อมกับข้อมูลการใช้ประโยชน์ที่ดินข้อมูลนี้
สามารถช่วยตรวจสอบผลกระทบต่อการปฏิบัติการใช้ประโยชน์ที่ดินที่แตกต่างกันได้ในสภาพทะเลสาบ ผลการวิเคราะห์ดังกล่าวจะ
มีโอกาสช่วยหน่วยงานท้องถิ่นและรัฐที่จะทำให้การตัดสินใจเกี่ยวกับนโยบายการพัฒนาและปรับปรุง
การบริหารจัดการทรัพยากรทะเลสาบ.
แม้ว่าดาวเทียมหลายระบบระยะไกลได้ถูกนำมาใช้ในการประเมินคุณภาพน้ำค่อนข้าง
ต้นทุนต่ำคุ้มครองชั่วคราวความละเอียดเชิงพื้นที่ และความพร้อมของระบบข้อมูล Landsat ทำให้มันโดยเฉพาะอย่างยิ่ง
ที่มีประโยชน์สำหรับการประเมินของทะเลสาบน้ำจืด งานวิจัยหลายชิ้นแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่าง Landsat
Multispectral เครื่องสแกนเนอร์ (MSS) หรือ Thematic Mapper (TM) ข้อมูลและข้อสังเกตพื้นดินของความชัดเจนของน้ำและ
คลอโรฟิล (เช่นบราวน์และคณะ 1977 Lillesand et al, 1983;.. Lathrop และ Lillesand 1986; Lathrop 1992; Cox et al.
1998) อย่างไรก็ตามการใช้ดาวเทียมสำรวจระยะไกลสำหรับการประเมินความชัดเจนน้ำเป็นโปรแกรมประจำวันได้ย้าย
ช้า นี้อาจจะเป็นเพราะการขาดความคุ้นเคยในหมู่นักวิทยาศาสตร์น้ำภายในประเทศที่มีเทคโนโลยีการสำรวจระยะไกลและ
การรับรู้ว่าข้อมูลที่มีราคาแพงและยากที่จะดำเนิน ในปี 1999 ด้วยการเปิดตัว Landsat 7 ข้อมูล
การกระจายถูกนำตัวกลับไปยังภาครัฐและค่าใช้จ่ายในการเก็บข้อมูลลดลงอย่างมีนัยสำคัญ พร้อมกับ
วันนี้คอมพิวเตอร์เดสก์ทอปที่มีประสิทธิภาพและซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อนในการประมวลผลและการวิเคราะห์ภาพถ่ายดาวเทียมได้
กลายเป็นค่อนข้างแพงและง่ายต่อการดำเนินการ.
ในความพยายามของเราในการพัฒนาฐานข้อมูลมินนิโซตารัฐทั้งคุณภาพน้ำที่ครอบคลุมเราได้ผลิตน้ำ
atlases ความคมชัดกว่า 10,000 ทะเลสาบที่ ครอบคลุมทั้งรัฐมินนิโซตา ~ 1990 ~ 2000 และช่วงเวลา
การแปล กรุณารอสักครู่..

การใช้ภาพถ่ายดาวเทียมเพื่อพัฒนาคุณภาพน้ำ
Atlas ของมินนิโซตาของ 10 , 000 ทะเลสาบ
ลีฟ กรัม olmanson มาร์วิน อี บาวเออร์ และ แพทริค ทรัพยากร . brezonik
น้ำศูนย์&ระยะไกลสำหรับการวิเคราะห์และห้องปฏิบัติการ
มหาวิทยาลัยมินนิโซตา - เซนต์พอล , มินนิโซตา , สหรัฐอเมริกา 55108 olman002@umn.edu mbauer@umn.edu
, @ , brezo001 ทะเลสาบ EDU
อืม . นามธรรม
สำคัญด้านสิ่งแวดล้อมเศรษฐกิจและทรัพยากรนันทนาการและการมีส่วนร่วมอย่างมากกับคุณภาพ
ชีวิตในมินนิโซตา . อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความต้องการของค่าใช้จ่ายและเวลาสำหรับการตรวจสอบ มันมีประสิทธิภาพเป็นไปไม่ได้
เพียงพอที่จะตรวจสอบมากกว่า ส่วนเล็กๆ ของทรัพยากรขนาดใหญ่นี้ โดยวิธีสนามตามปกติ การใช้
การรับรู้จากระยะไกลผ่านดาวเทียม เป็นวิธีที่ประหยัดต้นทุนในการรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการประเมินคุณภาพ
น้ำในภูมิภาค ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่าง Landsat TM วง 1 และ 3 และเซกคีดิสค์ความโปร่งใสเรา
พัฒนาประมวลผลภาพและขั้นตอนการจัดหมวดหมู่ และใช้มันเพื่อ ~ 40 ภาพจากดาวเทียมเพื่อจำแนก
น้ำชัดเจนกว่า 10000 ทะเลสาบในรัฐ Minnesota สำหรับ ~ ~ เวลา 1990 และ 2000 ครั้ง ผลของน้ำชัดเจน
Atlas ถูกใช้เพื่อประเมินพื้นที่และเวลาในรูปแบบน้ำในทะเลสาบที่ชัดเจนบนพื้นฐานของการใช้ที่ดินโดยรอบ
และครอบคลุม โดยการใช้ระบบสารสนเทศทางภูมิศาสตร์ ( GIS ) เพื่อเชื่อมโยงข้อมูลกับคุณสมบัติทะเลสาบชัดเจนมาแนะนำตัว
มินนิโซตาเป็นโชคดีที่จะมีตัวเลขขนาดใหญ่ของทะเลสาบ ( ประมาณ 12 , 000 ทะเลสาบ > 4 ฮา ) ทะเลสาบเหล่านี้เป็นทรัพยากรที่สำคัญและนันทนาการ
ความงามเพิ่มความมั่นคงทางเศรษฐกิจ และคุณภาพชีวิต การติดตามตรวจสอบคุณภาพน้ำในทะเลสาบ
เป็นความกังวลหลักสำหรับหน่วยงานท้องถิ่นและรัฐมากมาย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากค่าใช้จ่ายและต้องการเวลาสำหรับการตรวจสอบภาคพื้นดิน
,มันเป็นเรื่องยากมากที่จะตรวจสอบมากกว่า ส่วนเล็กๆ ของทรัพยากรขนาดใหญ่นี้
โดยวิธีสนามตามปกติ การใช้ดาวเทียมที่ใช้ตรวจจับเป็นวิธีที่ประหยัดต้นทุนในการรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการประเมินคุณภาพน้ำ
ภูมิภาคในพื้นที่ทะเลสาบที่อุดมไปด้วยเช่น Minnesota .
สำหรับการวางแผนและการจัดการสิ่งแวดล้อมที่มีประสิทธิภาพ มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะมี
ข้อมูลคุณภาพน้ำในระยะยาวในระดับกว้างขนาด แม้ว่ามันจะเป็นไปไม่ได้ที่จะไปกลับในเวลาและเก็บรวบรวมข้อมูลคุณภาพน้ำโดยใช้วิธีปกติ
เพิ่มเติมข้อมูลเพื่อเติมช่องว่างจากความพยายามที่ผ่านมา จากข้อมูลที่ได้รับการรวบรวม
เป็นประจำตั้งแต่ปี 1970 , ช่วยให้ความเป็นไปได้ในการแยกข้อมูลคุณภาพน้ำทางประวัติศาสตร์จาก
ภาพจากดาวเทียม .การสกัดของประวัติศาสตร์และข้อมูลคุณภาพน้ำ ปัจจุบัน จากภาพดาวเทียม คู่กับ
ความพยายามคอลเลกชันข้อมูลที่มีอยู่ อาจจะอำนวยความสะดวกในการพัฒนาฐานข้อมูลครอบคลุมภูมิภาคที่สามารถใช้เพื่อศึกษาความแตกต่างของภูมิภาค
และแนวโน้มคุณภาพน้ำตลอดเวลา ถ้าใช้พร้อมกับข้อมูลการใช้ที่ดินนี้ ข้อมูล
สามารถช่วยตรวจสอบผลกระทบที่แตกต่างกันการปฏิบัติการบนเงื่อนไขที่ทะเลสาบ ผลของการวิเคราะห์ดังกล่าวจะช่วย
อาจท้องถิ่นและหน่วยงานของรัฐ เพื่อให้ข้อมูลในการตัดสินใจเกี่ยวกับนโยบายการพัฒนาและปรับปรุงการจัดการทรัพยากรของทะเลสาบ .
ถึงแม้ว่าหลายดาวเทียมระยะไกลระบบได้ถูกใช้ในการประเมินคุณภาพน้ำ ค่อนข้าง
ราคาถูก , คุ้มครองชั่วคราว ,ความละเอียดเชิงพื้นที่และความพร้อมของข้อมูลระบบข้อมูลให้โดยเฉพาะอย่างยิ่ง
มีประโยชน์สำหรับการประเมินทะเลสาบทะเล การศึกษาหลายแห่งได้แสดงให้เห็นความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างดาวเทียม
Multispectral สแกนเนอร์ ( MSS ) หรือ Thematic Mapper ( TM ) ข้อมูลและการสังเกตดินน้ำชัดเจนและ
คลอโรฟิลล์ ( เช่นน้ำตาล et al . 1977 lillesand et al . 1983 ; Lathrop และ lillesand 1986 ;Lathrop 1992 ; Cox et al .
1998 ) อย่างไรก็ตาม การใช้ระยะไกลสำหรับการประเมินความชัดเจนน้ำเป็นโปรแกรมตามปกติได้ย้าย
ช้าๆผ่านดาวเทียม นี้อาจจะเนื่องจากไม่มีความคุ้นเคยระหว่างน้ําจืดนักวิทยาศาสตร์ด้วยเทคโนโลยีการรับรู้จากระยะไกล และการรับรู้ที่ข้อมูลที่มีราคาแพงและยุ่งยากในขั้นตอน ในปี 1999 กับการเปิดตัวของ Landsat 7 , ข้อมูล
กระจายกลับสู่ภาคประชาชน และต้นทุนของการได้มาของข้อมูลลดลงอย่างมาก พร้อมกับ
วันนี้ของคอมพิวเตอร์เดสก์ทอปที่มีประสิทธิภาพและซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อน , การประมวลผลและการวิเคราะห์ภาพจากดาวเทียมได้
กลายเป็นราคาไม่แพงและง่ายที่จะทำ .
ในความพยายามของเราที่จะพัฒนารัฐกว้างครอบคลุมคุณภาพน้ำ ฐานข้อมูลที่เราได้ผลิตน้ำ
หนังสือแผนที่ชัดเจนกว่า 10 , 000 ทะเลสาบที่ครอบคลุมทั้งรัฐ Minnesota สำหรับ ~ 1990 และ ~ 2000 รอบระยะเวลา
การแปล กรุณารอสักครู่..
