Estimation of Phytoplankton Chlorophyll-a Concentrations in the Western Basin of Lake Erie Using Sentinel-2 and Sentinel-3 Data

Abstract

Algae blooms have been a serious problem in coastal and inland water bodies across Canada. The temporal and spatial variability of algae blooms makes it difficult to use in situ monitoring of the lakes. This study aimed to evaluate the potential of Sentinel-3 Ocean and Land Color Instrument (OLCI) and Sentinel-2 Multispectral Instrument (MSI) data for monitoring algal blooms in Lake Erie. Chlorophyll-a (Chl-a)-related products of these sensors were tested by using the Great Lakes Chl-a NOAA’s monitoring data over summer 2016 and 2017, respectively. Our results show that while fluorescent light height (FLH) algorithm and models are limited to lakes with Chl-a < 8 mg/m³, maximum chlorophyll index (MCI) has the potential to be used effectively to monitor Chl-a concentration over Eutrophic lakes. Sentinel-3’s MCI is suggested for Chl-a > 20 mg/m³ and Sentinel-2 MCI for Chla > 8 mg/m³. Top of atmosphere (TOA) radiances showed a significantly better correlation with in situ data compared to TOA reflectance, which may be related to the poor pixel identification during the process of pixel flagging affected by the complexity of Case-2 water. Sentinel-2 MCI achieves better performance for Chl-a retrieval (R² = 0.92) than the existing methods. However, the FLH algorithms outperformed negative reflectance due to the shift of reflectance peak to longer wavelengths along with increasing Chl-a values.

RÉSUMÉ

La prolifération d'algues est un problème important dans les eaux côtières et intérieures du Canada. La variabilité temporelle et spatiale des floraisons d'algues rend difficile la surveillance in situ des lacs. Cette étude vise à évaluer le potentiel des données acquises par les capteurs ‘Ocean and Land Color Instrument (OLCI)’ de Sentinel-3 et ‘Multispectral Instrument (MSI)’ de Sentinel-2 pour la surveillance des efflorescences algales dans le lac Érié. Leurs produits liés à la chlorophylle-a (Chl-a) ont été testés à l'aide des données de surveillance du Chl-a de la NOAA dans les Grands Lacs au cours des étés 2016 et 2017, respectivement. Nos résultats montrent que les algorithmes de FLH sont limités aux lacs dont la concentration en Chl-a est inférieure à 8 mg/m3, l'indice MCI peut être utilisé efficacement pour surveiller la concentration en Chl-a dans les lacs eutrophiques. L’indice MCI de Sentinel-3 est suggéré pour Chl-a > 20 mg/m3 et celui de Sentinel-2 pour Chla > 8 mg/m3. Ces valeurs de concentration différentes pour les produits MCI peuvent être dues aux emplacements des réflectances maximums, c.-à-d., 705 nm et 709 nm, pour les capteurs MSI et OLCI, respectivement. Les radiances TOA ont montré une corrélation significativement meilleure avec les données in situ par rapport à la réflectance TOA, ce qui peut être lié à une mauvaise identification des pixels pendant le processus de marquage due à la complexité de l'eau dans le cas de l’étude 2. Des meilleures performances ont été atteintes par l’indice MCI de Sentinel-2 (R2 = 0.92) que par les méthodes existantes. Cependant, les algorithmes FLH ont surpassé la réflectance négative en raison du déplacement du maximum de la réflectance vers des longueurs d'onde plus longues avec des concentrations de Chl-a croissantes.

Acknowledgments

The authors would like to thank Professor Claude Duguay at the University of Waterloo for his supervision of the second author’s work. The authors greatly appreciate the Southwest Jiaotong University for providing the Startup funds with the Project Number: YH1199912372001 for publication of this research work.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Data availability statement

Data and code are available upon request.

Notes

1 The excessive richness of nutrients in the water, which the water system cannot tolerate.