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Inversion of Phytoplankton Pigment Vertical Profiles from Satellite Data Using Machine Learning

Authors :
Chris Bowler
Anastase Alexandre Charantonis
Sylvie Thiria
Roy El Hourany
Agathe Puissant
Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN)
Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636))
École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)
Océan et variabilité du climat (VARCLIM)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636))
Institut de biologie de l'ENS Paris (IBENS)
Département de Biologie - ENS Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Ecole Nationale Supérieure d'Informatique pour l'Industrie et l'Entreprise (ENSIIE)
Centre National d’Etudes Spatiales, CNES Sorbonne Université ANR-11-IDEX-0004-17-EURE-0006
This project was carried out with the support of the Sorbonne Center for Artificial Intelligence (SCAI) of Sorbonne University. A.P. is supported by l?Ecole Universitaire de Recherche IPSL-Climate Graduate School, funding ANR entitiled: Programme des Investissements d?Avenir (reference ANR-11-IDEX-0004-17-EURE-0006). R.E.H. is supported by a postdoctoral fellowship from the CNES.
Funding: This project was carried out with the support of the Sorbonne Center for Artificial Intelligence (SCAI) of Sorbonne University. A.P. is supported by l’Ecole Universitaire de Recherche IPSL-Climate Graduate School, funding ANR entitiled: Programme des Investissements d’Avenir (reference ANR-11-IDEX-0004-17-EURE-0006). R.E.H. is supported by a postdoctoral fellowship from the CNES.
ANR-11-IDEX-0004,SUPER,Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche(2011)
HAL UVSQ, Équipe
Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche - - SUPER2011 - ANR-11-IDEX-0004 - IDEX - VALID
Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636))
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636))
Institut de biologie de l'ENS Paris (UMR 8197/1024) (IBENS)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Département de Biologie - ENS Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Remote Sensing, Remote Sensing, 2021, 13 (8), pp.1445. ⟨10.3390/rs13081445⟩, Remote Sensing (2072-4292) (MDPI AG), 2021-04, Vol. 13, N. 8, P. 1445 (19p.), Remote Sensing, Vol 13, Iss 1445, p 1445 (2021), Remote Sensing, MDPI, 2021, 13 (8), pp.1445. ⟨10.3390/rs13081445⟩
Publication Year :
2021
Publisher :
MDPI AG, 2021.

Abstract

Observing the vertical dynamic of phytoplankton in the water column is essential to understand the evolution of the ocean primary productivity under climate change and the efficiency of the CO2 biological pump. This is usually made through in-situ measurements. In this paper, we propose a machine learning methodology to infer the vertical distribution of phytoplankton pigments from surface satellite observations, allowing their global estimation with a high spatial and temporal resolution. After imputing missing values through iterative completion Self-Organizing Maps, smoothing and reducing the vertical distributions through principal component analysis, we used a Self-Organizing Map to cluster the reduced profiles with satellite observations. These referent vector clusters were then used to invert the vertical profiles of phytoplankton pigments. The methodology was trained and validated on the MAREDAT dataset and tested on the Tara Oceans dataset. The different regression coefficients R2 between observed and estimated vertical profiles of pigment concentration are, on average, greater than 0.7. We could expect to monitor the vertical distribution of phytoplankton types in the global ocean.

Details

ISSN :
20724292
Volume :
13
Database :
OpenAIRE
Journal :
Remote Sensing
Accession number :
edsair.doi.dedup.....fe318ca6db2bb104e034f2dee113ddab
Full Text :
https://doi.org/10.3390/rs13081445