Remote sensing of lake CDOM using noncontemporaneous field data

Abstract

There are perhaps millions of lakes in Canada, and remote sensing is a crucial tool for making regional estimates of carbon stocks. Estimation using existing platforms has been hampered by both spatial and spectral resolution, but a new generation of sensors promises greatly improved image quality with broad-scale repeat coverage. Nearly all remote sensing studies in aquatic environments include carefully coordinated field campaigns with satellite overpasses, but this greatly limits the number of lakes that can be used in model development. We explored the opportunities and limits for combining high-quality Advanced Land Imager imagery with legacy lake samples to estimate colored dissolved organic matter (CDOM), a lake characteristic of high value in constructing lake carbon budgets. The passage of time produces somewhat greater scatter than in the standard model with timed field campaign, but there is no indication of a bias toward an incorrect model when using field samples from a variety of dates. Because many thousands of older field samples exist for Canadian lakes, existing limnological databases hold considerable value for estimating CDOM from satellite with sensors of sufficient radiometric depth and signal quality. This study reveals a substantial opportunity for creating and refining estimates of fundamental lake parameters in one of the world's great storehouses of aquatic carbon.

Une approche par télédétection est essentielle pour estimer les quantités de carbone dissous dans les millions de lacs du Canada. Les capteurs satellites actuels ont des résolutions spatiale et spectrale limitées vis-à-vis des lacs boréaux, mais une nouvelle génération de capteurs offrira des images de qualité améliorée et une couverture à grande échelle. La plupart des études de télédétection des milieux aquatiques coordonnent les campagnes de terrain avec l'acquisition de l'image satellite, mais le nombre de lacs échantillonnés pour développer le modèle est limité. Cette étude explore les possibilités et les limites d'utiliser des données de terrain déjà existantes avec des images «Advanced Land Imager» récentes afin d'estimer la matière organique dissoute colorée, qui est une variable écologique centrale pour évaluer les budgets en carbone dissous. Bien que les délais entre la mesure de terrain et sur le satellite soient une source de variabilité importante, le modèle de prédiction obtenu à partir de données de terrain existantes se compare favorablement avec un modèle basé sur des campagnes de terrain coordonnées avec l'acquisition des images satellites. Les bases de données existantes au Canada regroupent des échantillons de milliers de lacs et ont ainsi une valeur considérable pour estimer la matière organique dissoute colorée à partir d'images satellites provenant des capteurs de nouvelle génération. Cette étude révèle une opportunité prometteuse pour établir et affiner l'estimation des principales variables écologiques des lacs de l'un des plus grands réservoirs mondiaux de carbone dissous.

Acknowledgements

We thank Stuart Frye for help with ALI image acquisition and Yacine Bouroubi for help conducting atmospheric corrections. We also thank two anonymous reviewers, whose critiques greatly improved the manuscript.