Маніторынг снежнага і ледзянога покрыва ў Далад Баннер, Унутраная Манголія, на аснове спектральнага раскладання гіперспектральнай сумесі

Снежнае покрыва — гэта актыўная сістэмная зменная ў змене клімату Зямлі, якая не толькі з'яўляецца важным паказчыкам глабальнага змянення клімату, але і цесна звязана з энергетычным балансам Зямлі, атмасферным цыклам, цыклам вады, а таксама цыклам вугляроду і азоту. Яго высокая адбівальная здольнасць, высокая ёмістасць для захоўвання холаду, велізарная схаваная цеплыня фазавага пераходу і роля крыніцы і паглынальніка парніковых газаў робяць яго вырашальным фактарам у энергетычным балансе паверхні Зямлі. Колькасная тэхналогія дыстанцыйнага зандзіравання з'яўляецца асноўным сродкам атрымання інфармацыі аб снежным покрыве для маніторынгу змяненняў снежнага покрыва, ацэнкі яго рэакцыі на змяненне клімату і правядзення гідралагічных даследаванняў снежнага покрыва. Спадарожнікавае дыстанцыйнае зандзіраванне шырока выкарыстоўваецца ў галіне даследаванняў снежнага покрыва.

Снег мае высокую адбівальную здольнасць у бачным дыяпазоне святла, але нізкую адбівальную здольнасць у караткахвалевым інфрачырвоным дыяпазоне, у той час як большасць аблокаў маюць высокую адбівальную здольнасць у абодвух дыяпазонах. Такім чынам, разлік розніцы паміж бачным і караткахвалевым інфрачырвоным дыяпазонамі з выкарыстаннем нармалізаванага індэкса рознасці ў снегу (NDSI) можа эфектыўна ідэнтыфікаваць інфармацыю аб снежным покрыве ў дадзеных аптычнага дыстанцыйнага зандзіравання. Аднак, паколькі снег і аблокі маюць падобныя спектральныя характарыстыкі ў бачным дыяпазоне святла, прадукты снежнага покрыва, распрацаваныя на аснове тэхналогіі аптычнага дыстанцыйнага зандзіравання, часта падвяргаюцца ўплыву недастатковай колькасці сонечнай радыяцыі і воблачнасці, што прыводзіць да вялікай колькасці адсутных значэнняў і стварае пэўныя цяжкасці ў прымяненні. Таму мы выкарыстоўваем гібрыдны метад спектральнага раскладання для вызначэння плошчы снежнага покрыва, які дазваляе дасягнуць высокай дакладнасці і нізкага ўзроўню ілжыва спрацоўванняў.

CAS Xiguang Aerospace - Картаграфаванне снежнага і ледзянога покрыва

Крыніца дадзеных: гіперспектральны візуалізатарам XIGUANG003

Рэгіён: Далад Банер, Унутраная Манголія

Дата здымкі: 5 студзеня 2024 г.

Картаграфаванне снежнага і ледзянога покрыва ўключае наступныя этапы:

1. Радыеметрычная каліброўка, атмасферная карэкцыя і артарэктыфікацыя неапрацаваных дадзеных L2A;
2. Зніжэнне спектральнай памернасці выконваецца з выкарыстаннем пераўтварэння мінімальнага шуму (MNF).
3. Выкарыстоўвайце вымярэнні прасторавай узгодненасці для вызначэння памераў дадзеных;
4. Разлічыце чысты піксельны індэкс (PPI) і прааналізуйце зменныя з дапамогай чыстага піксельнага індэкса (PPI);
5. Вынікі візуалізуюцца ў N вымярэннях, аўтаматычна кластарызуюцца, і канчатковыя члены вызначаюцца.
6. Спектральнае картаграфаванне было выканана з выкарыстаннем спектральнага вуглавога картаграфа (SAM) і гібрыднага настроенага ўзгадняльнага фільтра (MTMF) для адначасовай класіфікацыі і вылічэння колькасці канчатковых членаў.
7. Карты ствараюцца на аснове вынікаў картаграфавання, а затым аб'ядноўваюцца з панхраматычнымі здымкамі высокага разрознення.

△ Малюнак 1. Адбівальная выява пасля атмасфернай карэкцыі і артарэктыфікацыі

Даследчая зона размешчана ў Далад Баннер, Унутраная Манголія, а менавіта ў паўднёвай частцы горада Баатоў, на паўднёвым беразе ракі Хуанхэ. Яна ахоплівае горад Далад і фотаэлектрычную электрастанцыю Далад. Асноўнымі формамі рэльефу ў гэтай зоне з'яўляюцца гарады, рэкі, шахты і пустыні, са значным снежным покрывам, якое назіраецца падчас праходжання спадарожніка.

△Малюнак 2 Параўнанне адбівальнай здольнасці розных наземных элементаў

Наяўнасць піка адлюстравання пры 760 нм у снезе сведчыць аб яго моцнай адбівальнай здольнасці ў адносінах да святла на гэтай даўжыні хвалі. Гэта звязана з тым, што снег складаецца з крышталяў лёду, якія аказваюць моцны рассейвальны эфект. Калі святло падае на снег, частка святла паглынаецца крышталямі лёду, а астатняя частка рассейваецца ў розных напрамках. Сярод рассеянага святла інтэнсіўнасць рассейвання найбольшая пры 760 нм, адсюль і пік адлюстравання на гэтай даўжыні хвалі. Згодна з малюнкам 2, розніцу ў адбівальнай здольнасці пры 760 нм можна выкарыстоўваць для далейшай класіфікацыі снежнага покрыва; гэта значыць, шляхам маніторынгу змяненняў адбівальнай здольнасці святла пры 760 нм можна кантраляваць раставанне снегу. Калі снег растае, крышталі лёду ператвараюцца ў ваду, і вада рассейвае святло менш эфектыўна, чым крышталі лёду. Такім чынам, па меры раставання снегу адбівальная здольнасць святла пры 760 нм памяншаецца.

Пасля разліку чыстых пікселяў і вылучэння канчатковых членаў канчатковая колькасць захаваных канчатковых членаў склала 3, два з якіх прадстаўлялі снежнае покрыва. Такім чынам, снежнае покрыва было пасля падзелена на новы снег і стары снег (сумесь лёду і снегу), і была прааналізавана сітуацыя з раставаннем снегу.

Маніторынг раставання снегу можа быць выкарыстаны для наступных мэтаў:

1. Прагназаванне паводак: раставанне снегу з'яўляецца адной з асноўных крыніц паводак. Маніторынг раставання снегу дазваляе прадказаць верагоднасць і маштаб паводак.
2. Прагноз сходу лавін: Лавіны — гэта яшчэ адно стыхійнае бедства, выкліканае раставаннем снегу. Маніторынг раставання снегу дазваляе прадказаць верагоднасць і маштаб лавін.
3. Кіраванне воднымі рэсурсамі: раставанне снегу з'яўляецца значнай крыніцай рачнога сцёку. Маніторынг раставання снегу дазваляе прагназаваць змены рачнога сцёку, што дазваляе кіраваць воднымі рэсурсамі.

△ Малюнак 3 Карта размеркавання колькасці новага элемента снегу.

△ Малюнак 4 Карта размеркавання колькасці старых снегавых эндагенных раслін

Сумяшчальная фільтрацыя з наладкай змешаных элементаў (MTMF) выкарыстоўвае метад частковага размяшвання для вызначэння колькасці спектраў канчатковых элементаў. Гэты метад выкарыстоўвае «ўзгаднены фільтр» (MF) для максімізацыі рэакцыі вядомых канчатковых элементаў і падаўлення рэакцый, звязаных з невядомымі фонамі, такім чынам «супадаючы» з вядомым сігналам. Ён забяспечвае метад хуткага выяўлення пэўных матэрыялаў на аснове супастаўлення спектраў канчатковых элементаў у бібліятэцы або выяве, без неабходнасці ведання ўсіх канчатковых элементаў у сцэне выявы. Лінейнае спектральнае размяшванне, з іншага боку, знаходзіць колькасць матэрыялаў у пікселях выявы, мяркуючы, што адбівальная здольнасць пікселя ў кожнай паласе роўная лінейнай камбінацыі адбівальных здольнасцей канчатковых матэрыялаў, якія прысутнічаюць у пікселі.

На малюнках 3 і 4 паказаны вынікі MTMF, які дазваляе візуалізаваць колькасць канчатковых членаў кожнага пікселя і інтуітыўна адлюстроўваць змешаны спектральны склад пікселя. Чым цямнейшы колер, тым вышэйшая колькасць гэтага канчатковага члена. Свежы снег пакрываў заходнія раўніны і паўднёвыя горы горада Далат. Стары снег у асноўным распаўсюджваўся ў заходняй пустыні, горадзе Далат і раёне здабычы карысных выкапняў.Вынікі наступнага спектральнага вуглавога картаграфавання (SAM) таксама пацвярджаюць гэта.

△ Малюнак 5 Вынікі класіфікацыі спектральнага вуглавога мапера

Спектральны мапіратар вуглоў (SAM) супастаўляе спектр выявы з эталонным спектрам у N-мернай прасторы. SAM параўноўвае вугал паміж спектрам канцавога члена (які разглядаецца як n-мерны вектар, дзе N — колькасць палос) і вектарам кожнага пікселя ў N-мернай прасторы. Меншы вугал паказвае на больш блізкае супадзенне з эталонным спектрам. Пры выкарыстанні на калібраваных дадзеных гэты метад адносна неадчувальны да эфектаў асвятлення і альбеда. SAM генеруе класіфікацыйную выяву на аснове максімальнага парога вугла.

На малюнку 5 прадстаўлены канчатковыя вынікі класіфікацыі. Відаць, што ў параўнанні з вынікамі MTMF, эфект класіфікацыі для заходняга рэгіёна лепшы, што эфектыўна зніжае ўзровень ілжывых спрацоўванняў. У той жа час, на ім больш выразна паказаны нізкі ўзровень снежнага і ледзянога покрыва і з'ява раставання снегу ў горадзе Далат на паўночным усходзе і ў раёне здабычы карысных выкапняў на паўднёвым усходзе.

Статыстыка па плошчы пакрыцця снегам і лёдам

Статыстыка па снежным і галалёдным пакрыцці выглядае наступным чынам:

Агульная плошча, пакрытая спадарожнікавымі здымкамі: 6400 квадратных кіламетраў

Снежнае покрыва: 11% (704 квадратныя кіламетры)

Стары снежны полаг: 6% (384 квадратныя кіламетры)

Зыходзячы з мясцовых метэаралагічных дадзеных, было ўстаноўлена, што самая высокая тэмпература складала каля -1℃. Такім чынам, асноўнымі прычынамі раставання снегу і лёду ў гэтым раёне, верагодна, з'яўляюцца наступныя фактары:

1. Уплыў дзейнасці чалавека: У густанаселеных раёнах і раёнах здабычы вугалю звычайна вядзецца шмат відаў дзейнасці чалавека, такіх як здабыча карысных выкапняў, транспарт і механічныя аперацыі. Гэтая дзейнасць можа змяніць характар ​​і структуру паверхні, паменшыць шурпатасць паверхні і ўскладніць затрымку або назапашванне снегу на паверхні. У той жа час у гарадах і на дарогах праводзіцца штучная ўборка снегу. Наадварот, паўночныя раёны ў асноўным уяўляюць сабой вёскі і сельскагаспадарчыя ўгоддзі з меншым умяшаннем чалавека, таму снег растае павольней.
2. Пакрыццё і збудаванні: У густанаселеных раёнах і раёнах здабычы вугалю звычайна ёсць вялікая колькасць штучных збудаванняў, такіх як будынкі, абсталяванне і дарогі. Гэтыя пакрыцці паглынаюць сонечную радыяцыю, што павышае тэмпературу паверхні і памяншае ўтварэнне і ўтрыманне снегу.
3. Выкіды цяпла: Вытворчая дзейнасць у густанаселеных раёнах і вугальных шахтах звычайна суправаджаецца вялікай колькасцю выкідаў цяпла, напрыклад, цяпла, якое выпрацоўваецца пры спальванні вугалю, і працоўнага цяпла механічнага абсталявання. Гэта цяпло павышае тэмпературу навакольнай паверхні, што ўскладняе назапашванне снегу ў такім асяроддзі.

Вынікі класіфікацыі паверхні снегу/лёду былі атрыманы ў рэчышчы ракі Хуанхэ. У спалучэнні з метэаралагічнымі ўмовамі і датай сезона ледзяной паводкі на Хуанхэ было вызначана, што гэта крыгі, якія складаюцца з сумесі лёду і вады, або часткова замерзлае рэчышча ракі. У спалучэнні з наземнымі дадзенымі можна правесці далейшы аналіз складу крыг або замярзання ракі. Увесь працэс утварэння лёду ў рэчышчы ракі можна кантраляваць у больш шырокім прасторавым маштабе, што таксама адлюстроўвае каштоўнасць прымянення гіперспектральнай тэхналогіі дыстанцыйнага зандзіравання.