Monitoring Water Turbidity in a Temperate Floodplain Using UAV: Potential and Challenges

Abstract

The Lake Saint-Pierre (LSP) is a wide (≈300 km²) and shallow (≈3 m) lake created through a widening of the St. Lawrence River. Each spring, freshet makes it the largest floodplain in the province of Quebec. Agricultural practices in the littoral increase the water turbidity, which deteriorate the habitat’s quality of many fish species. However, measuring spatio-temporal turbidity patterns in the LSP floodplain remain difficult because turbidity is highly variable in space and time. This study aims to evaluate the potential to use an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to measure the water turbidity in the LSP’s floodplain. The results show that the UAV can efficiently measure the variation of turbidity in the LSP with a RMSE of 28.22 FNU. We also compared the turbidity retrieved from UAV with those retrieved from Sentinel-2 observations. The results show that the two models are comparable, even if Sentinel-2 yields better results. However, challenges remain when using UAV for turbidity monitoring, such as software limitations for mosaics creation over large water bodies. Nevertheless, the high spatial and temporal information can provide insights into the complex water turbidity patterns which characterize floodplains. The method could help land use management to improve the water quality of these ecosystems.

RÉSUMÉ

Le lac Saint-Pierre (LSP) est un lac large (≈300 km²) et peu profond (≈ 3 m) créé par un élargissement du fleuve Saint-Laurent. Chaque année, la crue printanière en fait la plus grande plaine inondable de la province de Québec. Les pratiques agricoles dans le littoral augmentent la turbidité de l'eau, ce qui détériore la qualité de l'habitat de nombreuses espèces de poissons. Le suivi spatio-temporelle des turbidités dans la plaine inondable du LSP reste difficile car la turbidité est très variable dans l'espace et dans le temps. Cette étude vise à évaluer le potentiel de l’utilisation d'un véhicule aérien sans pilote (UAV) ou drone pour mesurer la turbidité de l'eau dans la plaine inondable du LSP. Les résultats montrent que le drone permet de mesurer efficacement les variations de la turbidité dans le LSP avec un RMSE de 28,22 FNU. Les turbidités mesurées à partir du drone ont aussi été comparées avec celles récupérées à partir d'observations Sentinel-2. Les résultats montrent que les deux modèles sont comparables, même si Sentinel-2 donne de meilleurs résultats. Cependant, des défis subsistent pour l'utilisation des drones pour la surveillance de la turbidité, tels que les limitations en lien avec les logiciels pour la création de mosaïques sur des plans d’eau homogène. Néanmoins, les informations spatiales et temporelles acquises par un drone peuvent fournir des informations importantes pour comprendre les patrons complexes des turbidités qui caractérisent la plaine inondable. Les drones pourraient aider à la gestion de l'utilisation des terres et améliorer la qualité de l'eau de ces écosystèmes riches.

Acknowledgements

We thank Samuel Hazel-Guay, Dave Mongrain et James Deshaie for their contributions to the fieldwork.

Additional information

Funding

The authors would like to thank the Ministère de l’Environnement et de la Lutte contre les Changements Climatiques (MELCC) for the funding granted as part of the Pôle d'expertise multidisciplinaire en gestion durable du littoral du Lac Saint-Pierre.