Accesso ad abbondanti, pulire, acqua da bere, la ricreazione e l'ambiente sono una delle questioni più urgenti del 21° secolo. Il monitoraggio diretto delle minacce alla qualità dell'acqua dolce è di fondamentale importanza, ma poiché i metodi attuali sono costosi e non standardizzati, i set di dati completi sulla qualità dell'acqua sono rari. Negli Stati Uniti, uno dei paesi più ricchi di dati al mondo, meno dell'1% di tutti i corpi di acqua dolce è mai stato campionato per la qualità.

In un nuovo documento, AquaSat:un set di dati per consentire il telerilevamento della qualità dell'acqua per le acque interne, un team guidato dall'assistente professore della Colorado State University Matt Ross ha abbinato grandi set di dati pubblici di osservazioni sulla qualità dell'acqua con immagini satellitari per affrontare le sfide della misurazione della qualità dell'acqua in modo efficiente ed economico.

Minacce che non riusciamo a comprendere appieno, ancora

Secondo Rossi, uno scienziato spartiacque presso il Dipartimento di Scienze degli ecosistemi e sostenibilità, ci sono molte minacce alla qualità dell'acqua, compresi i nutrienti dal deflusso agricolo che supportano la fioritura delle alghe; sedimentazione in serbatoi che causano problemi di distribuzione; e il carbonio disciolto dalle foglie in decomposizione che interrompe le reazioni chimiche che mantengono l'acqua pulita e potabile.

Per la maggior parte, enti governativi monitorano la qualità dell'acqua negli Stati Uniti inviando scienziati sul campo per misurare variabili come la quantità di clorofilla (dalle alghe), concentrazioni di sedimenti sospesi, carbonio organico disciolto, e limpidezza dell'acqua di persona.

Ma, come spiegano Ross e il suo team, comprendere appieno e inventariare i cambiamenti nella qualità dell'acqua, è necessario un set di dati molto più grande; che a sua volta richiede sempre più persone per eseguire campionamenti sul campo, che è molto costoso e difficilmente risolverà completamente il problema.

Anziché, il team suggerisce che l'utilizzo del telerilevamento dalle immagini satellitari potrebbe essere un modo per ampliare notevolmente la nostra comprensione della variazione della qualità dell'acqua su scala continentale, con un piccolo costo aggiuntivo per il campionamento.

Unione di immagini satellitari con misurazioni sul campo

Per molti decenni, gli scienziati sanno che il colore dell'acqua ci dice qualcosa su ciò che contiene. L'acqua marrone chiaro probabilmente indica un fiume pieno di sedimenti. I vortici verdi sul lago Erie mostrano la crescita delle alghe e la produzione di clorofilla. Le acque marrone scuro che drenano foreste e paludi ricche di tannino trasformano le acque blu in un marrone color tè a causa del modo in cui la luce interagisce con alcuni composti di carbonio organico disciolto.

Satelliti di imaging in orbita attorno alla terra, compreso Landsat, rilevano queste variazioni di colore mentre acquisiscono immagini della Terra ogni 16 giorni.

"Questi satelliti hanno cambiato radicalmente il modo in cui comprendiamo i cambiamenti a lungo termine in agricoltura, foreste, incendi, e altri cambiamenti nella copertura del suolo, " ha spiegato Ross. "Tuttavia, c'è stato un uso minore dell'archivio Landsat per comprendere i cambiamenti della qualità delle acque interne".

Una sfida dell'utilizzo delle immagini Landsat per valutare la qualità dell'acqua è la mancanza di un set di dati centralizzato che associ le immagini satellitari con le osservazioni sul campo. Questi abbinamenti, ad esempio, quando i satelliti scattano una foto lo stesso giorno in cui qualcuno preleva un campione di alghe, può essere utilizzato per costruire algoritmi che utilizzano solo le immagini per prevedere la qualità dell'acqua dallo spazio.

Meno di 1, 000 di questi abbinamenti, per lo più costruiti per studi individuali, attualmente esistono, rallentando la capacità dei ricercatori di costruire, test, e applica modelli su larga scala per prevedere la qualità dell'acqua per ogni immagine priva di cloud nell'archivio Landsat.

Una 'sinfonia di dati'

I ricercatori della CSU hanno costruito un nuovo set di dati di oltre 600, 000 abbinamenti tra misurazioni sul campo della qualità dell'acqua e immagini Landsat, creando quella che Ross chiama una "sinfonia di dati".

I dati sulla qualità dell'acqua provengono da due fonti pubbliche:il Portale della qualità dell'acqua, un centro di raccolta dati federale da più di 400 stati diversi, Locale, e agenzie federali; e LAGOS-NE, un set di dati a scienza aperta sulle misurazioni della qualità dell'acqua dei laghi per gli Stati Uniti nordorientali. Combinato, questi set di dati forniscono più di 6 milioni di osservazioni sulla qualità dell'acqua.

Utilizzando software open source e Google Earth Engine, gli autori hanno unito i dati sulla qualità dell'acqua con l'archivio Landsat dal 1984 al 2019. Sia i set di dati grezzi che il set di dati di corrispondenza unito, che chiamano AquaSat, sono ora disponibili insieme al codice sottostante in modo che i futuri utenti possano aggiornare, modificare, e migliorarlo.

Gli autori si aspettano che questo set di dati sbloccherà nuove potenti applicazioni nel telerilevamento della qualità dell'acqua.

"We're hoping these tools will help build national-scale water quality estimates for large rivers and lakes, " said Ross. "These data would dramatically improve our understanding of water quality change at the macro-scale and allow the remote sensing community to compare methods and collectively improve our approach."

Nel futuro, Ross's team expects to go beyond the U.S. to employ these same methods to improve water quality monitoring in other places with little or no field observations.