Remote sensing of algal blooms with emphasis on Hincksia sordida for the Southeast Queensland ...

31 Pages·2011·1.52 MB·English

Remote sensing of algal blooms with emphasis
on Hincksia sordida for the Southeast
Queensland coast: a feasibility study

Final Report

Submitted by

CSIRO Wealth from Ocean Flagships

To

Healthy Waterways

By A. Dekker, Y. Park, V. Brando, T. Schroeder

February 2011

Prepared for: republication of any material should be addressed to
Healthy Waterways Healthy Waterways.
GPO Box 13086, Brisbane QLD 4003
Tel: [phone] Fax: [phone] For Bibliographic purposes, this document can be cited as:
www.healthywaterways.org Dekker (2011) Remote sensing of algal blooms with
© Healthy Waterways 2011 emphasis on Hincksia sordida for the Southeast
Queensland coast: a feasi bility study: Healthy Waterways,
This document may be used for research, individual study Brisbane Australia. 30pp.
and education purposes. Properly acknowledged
quotations may be made, but queries regarding the
Remote sensing of algal blooms with emphasis on 
Hincksia sordida for the Southeast Queensland 
coast: a feasibility study 

A. Dekker, Y. Park, V. Brando, T. Schroeder 
February 2011
2
Acknowledgements

This project is supported by the South East Queensland Healthy Waterways Partnership and CSIRO Wealth 
from Ocean Flagships. MODIS data were provided by NASA. Valuable comments from Mara Wolkenhauer 
(Healthy Waterways Partnership) and Elizabeth Botha (CSIRO Land and Water) are greatly appreciated. 

For correspondence regarding this report please email [email protected] or 
[email protected] or the South East Queensland Healthy Waterways Partnership on 
[email protected] 

3
Executive Summary 
This report ” Remote sensing of algal blooms with emphasis on Hincksia sordida for the South East 
Queensland coast”, is the result of  the  project  “Toward integration of Earth Observation derived 
information for South East Queensland water quality detection” commissioned by the Healthy Waterways 
Partnership  in January, 2010. This project is a spin‐off of the on‐going Receiving Water Quality Model 
project. This project is a scoping study to assess whether it is possible, in principle, to use satellite based 
remote sensing to detect algal blooms, with emphasis on Hincksia sordida for the Southeast Queensland 
coast.  
This algal bloom detection feasibility study indicates that the surface algal blooms recurring in the Southeast 
Queensland coastal waters are likely to be detected and monitored using the MODIS high spatial (250 and 
500 m resolution) satellite data. The basic physics behind surface algal bloom detectability is a distinct 
spectral feature of floating algal patches showing enhanced reflectance at the red edge or near‐infrared 
wavelengths. The MODIS high resolution (250/500m) data, after several image processing steps, is 
considered to be suitable to detect the floating algae blooms recurring in near‐shore marine waters of 
Southeast Queensland.  
By visual inspection of these  (processed) MODIS images for a two‐month period of reported algal occurrence 
in the Noosa area (7th  September to 6th  November 2006), the floating algal patches were observed from 
MODIS from the 21st September to 18th October with a most extensive bloom on 3rd October. The blooms 
were observed along almost the entire Southeast Queensland coastline (from Fraser Island southwards 
across the east of Stradbroke Island), within a few days. These blooms appear to be an extensive regional 
phenomenon, and, based on these images, approach the coast (e.g. at Noosa) from the Coral Sea. The size of 
the bloom patches and the location varied significantly, often day by day, probably depending on local 
hydrodynamic condition.  The floating algal blooms detected in these satellite images typically form lines of 
0.5 km to 10 km wide about 5 to 10 km offshore from the coast line. This floating algal bloom location 
probably reflects the aggregation of floating algae in convergence zones associated with fronts. It suggests 
that the blooms might be used to identify front locations, and that a better understanding of the physical 
oceanography might help us predict bloom locations. 
The Noosa Nuisance Algal Blooms Study report suggests the algal blooms in the October‐November 2006 
months were probably Hincksia sordida, although MODIS data alone could not confirm the species. Further 
studies on optical properties of Hincksia would be desired in this respect.  
The two MODIS satellites provide two images per day (owing to their wide swath and a short revisit period). 
This frequent and wide spatial coverage makes MODIS most suitable for timely detection and warning of 
algal blooms. However, it is also shown that higher spatial resolution images, if available for a bloom event, 
can reveal finer details of the bloom. Some of these more “algal bloom sensitive” satellites are MERIS and 
OCM‐2. From approximately 2013 onwards new satellite sensors will be launched with enhanced capabilities 
for more frequent or more accurate algal bloom detection and identification potential. The MODIS archives 
are available from early 2000 onwards and thus a recommendation is to study and report the climatology of 
these surface expressed algal blooms for the period 2000 to present.

4
Table of Contents 
Acknowledgements  3
Executive Summary  4
List of figures  6
List of tables  7
Abbreviations and Acronyms  8
Abbreviations and Acronyms  8
1 Introduction  9
1.1 Remote sensing for coastal water quality monitoring including algal bloom detection  9
1.2 Project aims, deliverables, report structure  9
1.3 A primer on remote sensing of coastal waters including surface expressed algal blooms  10
2. Feasibility of detecting algal blooms with emphasis on Hincksia sordida  11
2.1 Introduction  11
3.2 Methodology – MODIS high resolution data processing  12
3.3 Results  15
3.3.1 Spectral signatures of a floating algal bloom from MODIS data  15
3.3.2 Algal bloom observations based on MODIS processed imagery  17
3.3.3 Other satellite example: Landsat image of 02 October 2006 09:35  19
Conclusion and recommendations  21
Appendix A. MODIS images showing floating algae for 7th September to 6th November, 2006  22
References  29

5
List of figures 
Figure 1. Study area –Southeast Queensland Coastal waters............................................................................12
Figure 2. Example of visualization with different red‐green‐blue (RGB) combinations for MODIS‐Terra image 
of 03 October 2006. (a) R‐645, G‐555, B‐469 with Rayleigh corrected TOA radiances; (b)R‐859, G‐645, B‐469 
with Rayleigh corrected TOA radiances; (c)R‐645, G‐555, B‐469 with at‐surface radiance; (d) R‐859, G‐645, B‐
469 with at‐surface radiance. (a) and (c) use a pseudo‐natural colour combination while (c) and (d) use false 
colour combinations.  Note that (a) is equivalent to the NASA RapidFire true colour image. The false colour 
RGB images (b and d) with 859‐645‐469 clearly identify the floating algae patches stretching along the coast 
up to Fraser Island..............................................................................................................................................15
Figure 3. MODIS spectra for floating algae pixels and clear water pixels for (a) Top Of Atmosphere spectra 
after Rayleigh correction and (b) at‐surface spectra. The spectra were extracted from the MODIS Terra image 
of 3rd Oct 2006 (pink rectangle area in Figure 2).  Red curves for floating algae pixels and blue curves for non‐
bloom water pixels. Visible light lies between 400‐700 nm..............................................................................16
Figure 4. Landsat TM RGB image of 02 Oct 2006 09:35 around Noosa Heads. (a) True colour composite (R‐
660, G‐560, B‐485) and (b) false colour composite (R‐830, G‐660, B‐485)........................................................20

6
List of tables 
Table 1. MODIS bands used for algae bloom detection.....................................................................................14
Table 2. MODIS‐based algal blooms observation for 7th September to 6th November, 2006............................18

7
Abbreviations and Acronyms 
CDOM    Coloured Dissolved Organic Matter 
Chl    Chlorophyll a 
EHMP     Ecosystem Health Monitoring Program  
GBR    Great Barrier Reef 
Hincksia   Hincksia sordida 
HWP    South East Queensland Healthy Waterways Partnership 
Landsat    A series of earth‐orbiting NASA satellites with 30 m pixel resolution 
TM    Thematic Mapper (one of the most recent Landsat satellites) 
MODIS    Moderate‐Resolution Imaging Spectroradiometer (with 250 m, 500m and 1000 m pixels) 
MERIS    Medium‐Resolution Imaging Spectrometer (with 300 m and 1200 m pixels) 
NASA    National Aeronautics and Space Administration (USA) 
NAP    Non‐algal particulate matter 
NIR     Near Infrared (spectral bands) 
Kd_par  Vertical diffuse attenuation coefficient for downwelling photosynthetically available 
radiation 
QC    Quality control 
SEQ     Southeast Queensland 
SPOT    System pour l'Observation de la Terre (with 20 m pixel resolution) 
SWIR     Short‐wave Infrared (spectral bands) 
TOA    Top‐of‐the‐atmosphere 
TSM    Total Suspended Matter 
UTM    Universal Transverse Mercator (coordinate system) 

8
1 Introduction 
1.1 Remote sensing for coastal water quality monitoring including algal bloom detection 

 Remote sensing is recognised as a suitable and cost‐effective technique for large‐scale monitoring of coastal 
water quality, providing synoptic views of the spatial distribution of some biological, chemical and physical 
variables of near‐surface water. The daily frequency of satellite sensors enables improved temporal and 
spatial resolution for detection and monitoring of optical water quality variables. Management‐relevant 
water quality products from remote sensing data that provide information beyond that of simple daily 
concentrations map are required by management agencies. Such an information product may be the 
detection and monitoring of surface expressed algal blooms. The surface algal blooms appear when suitable 
hydrodynamic and nutrient conditions cause algae to accumulate at the water surface. 
If remote sensing is to be used routinely and perhaps in a legal sense, for monitoring water quality variables 
such as chlorophyll, total suspended matter or surface algal blooms the produced information needs to be 
sufficiently reliable. This leads to the requirement that the algorithms that convert the coastal‐ocean colour 
signal measured at the satellite to concentrations of water quality parameters or to a detection of a surface 
algal bloom, need to be validated for Queensland coastal waters to an acceptable level of accuracy. In the 
Great Barrier Reef (GBR) this level of reliability has been reached as the satellite based chlorophyll, non‐algal 
particulate matter and coloured dissolved organic matter concentration, and the vertical attenuation of light 
products from MODIS have been adopted into the Marine Monitoring Program of the GBR. Several studies in 
the GBR area are underway to assess the potential for remote sensing to detect Trichodesmium blooms and 
to detect and assess algal concentration trends and anomalies. 
Thus, the capability of remote sensing to provide information on key water quality parameters– chlorophyll 
as a measure of nutrient status, suspended sediment, coloured dissolved organic matter and water clarity – 
that can be used to assess the condition of coastal waters of the GBR has been demonstrated (Brando et al., 
2009; Brando et al., 2010). This report focuses on the separate issue of assessing the feasibility of satellite 
imagery to detect and monitor surface expressed algal blooms such as Hincksia sordida. Hincksia sordida 
blooms may sometimes accumulate on beaches in Southeast Queensland (SEQ), in 2006 specifically near 
Noosa. There is a need to understand where these blooms originate and how they are transported. Satellite 
observations are an suitable tool, provided they can detect these relatively small blooms. 

1.2 Project aims, deliverables, report structure 
The objective of this project is to determine the feasibility of satellite image based detection and monitoring 
of algal blooms with an emphasis on Hincksia sordida. The area of interest is the Southeast Queensland (SEQ) 
coastal waters defined as Fraser Island to the Queensland‐NSW border. The deliverables are examples for the 
year 2006 from the MODIS –AQUA time‐series (2002 ‐2010) of algal bloom detection with an emphasis on 
Hincksia sordida, including an introduction to MODIS high resolution data processing methodology, results 
and discussions. The results include the feasibility of spatial and temporal observation of algal blooms from 
September 2006 to October 2006 based on identifying the spectral signature of floating algae blooms. The 
conclusion and recommendations summarise the findings of this project, and discuss future prospects. 
As this report is not suited to cover the technical background of remote sensing, the next section 1.3 A 
primer on remote sensing of coastal waters provides a summary of the key concepts and terminology used in 
this report.

9