Überwachung von Blaualgen im Taihu-See mithilfe des Satelliten Xiguang-1-05 (Tianxianpei)

Hintergrund Einführung

Die Satellitenfernerkundung spielt eine entscheidende Rolle bei der Überwachung der Binnengewässerqualität. Sie ermöglicht die schnelle und kostengünstige Erfassung wichtiger Wasserqualitätsparameter über ein großes Gebiet. Allerdings stellt die Überwachung der Binnengewässerqualität auch hohe Anforderungen an die Satellitenfernerkundung: Kleine Gewässer erfordern eine hohe räumliche Auflösung, schnell wechselnde Wasserqualität eine hohe zeitliche Auflösung und die komplexen und variablen optischen Eigenschaften der Gewässer eine hohe spektrale Auflösung. Daher bieten Satellitendaten, die gleichzeitig eine hohe räumliche, zeitliche und spektrale Auflösung gewährleisten, erhebliche Vorteile für die Überwachung von Binnengewässern.

Phycocyanin (PC) ist ein häufiges Co-Pigment in Cyanobakterien. Sein Absorptionsmaximum liegt im Bereich von etwa 620–650 nm, sodass in diesem Bereich eine lokale Absorptionsminderung (oder ein relativ geringes Reflexionsvermögen) auftritt.

Bei einer hohen Cyanobakteriendichte an der Wasseroberfläche ist Rrs(l) in diesem Absorptionsband relativ klein, und beidseitig des Bandes findet sich üblicherweise nur geringe oder gar keine Absorption. Basierend auf diesem Prinzip der „lokalen Dämpfung“ lässt sich die Absorptionstiefe mittels der Methode „Peak-Höhe/Basislinie“ quantifizieren und dient somit als Indikator für das Vorhandensein und die Konzentration von PC.

Methoden und Prinzipien

Für die Berechnung wurden die Oberflächenreflexionsdaten der Satelliten Sentinel-2 L2C und Xiguang-1 05 (Tianxianpei) ausgewählt, die das Gebiet um den 18. Juni 2025 überflogen. Die Wolkenbedeckung lag unter 10 %, und das Wetter war vor und nach dem Überflug der Satelliten klar.

Tabelle 1. Xiguang-1 05 Satellit (Himmlische Übereinstimmungsnummer)

Tabelle 2 Sentinel-2-Bandparameter

Phycocyanin-Index (PCI)

Das optimale hyperspektrale Band liegt bei 620–650 nm. Zur Bestimmung der Basislinie wird eine lineare Interpolation zwischen 600 nm und 650 nm durchgeführt. Die Differenz zwischen diesem Basislinienwert bei 620 nm und dem tatsächlichen Rrs(620)-Wert dient dann als PCI (Peak-Indicator). Ist die Differenz negativ (Absorption), wird üblicherweise der Betrag oder das umgekehrte Vorzeichen verwendet, um die Absorptionsintensität auszudrücken.

Ergebnisanalyse

Dieser Vergleich verwendet Daten des Satelliten Xiguang-105 (auch bekannt als Tianxianpei) und Sentinel-2. Die Vergleichsergebnisse lauten wie folgt:

Abbildung 1. Sentinel-2 RGB-Kompositbild 20250616

Abbildung 2. RGB-Kompositbild des Satelliten Xiguang Nr. 1 05 (Tianxianpeihao) vom 18.06.2025

Abbildung 3 Sentinel-2 PCI-Verteilung (20250616)

Abbildung 4. PCI-Verbreitungskarte des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 20250618

Der Vergleich der obigen Verteilungskarten zeigt, dass die räumlichen Verteilungstrends des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei) und des Sentinel-2 PCI insgesamt recht übereinstimmen und ähnlich sind. Im westlichen Teil des Taihu-Sees kommt es zu starken Cyanobakterienblüten, wahrscheinlich aufgrund der vielen Zuflüsse, die große Mengen an Nährstoffen einbringen. Diese fördern das Algenwachstum, was zu Cyanobakterienblüten und einer erhöhten Chlorophyll-a-Konzentration führt. Die zentralen und östlichen Bereiche des Taihu-Sees sind weniger betroffen, was zu einer besseren Wasserqualität als im Westen führt. Im östlichen Teil des Sees wachsen Wasserpflanzen, und die Chlorophyll-a-Konzentration ist niedriger. Das zentrale Seegebiet ist ein großflächiges Blütengebiet; sobald eine Blüte im Sommer auftritt, bedeckt sie ein großes Gebiet. Im südwestlichen Seegebiet sind Blüten selten, und im östlichen Taihu-See treten fast keine Blüten auf, was auf ein besseres Umweltumfeld in diesem Gebiet hindeutet. Im zentralen Seegebiet gibt es einige Unterschiede, die hauptsächlich auf Schwankungen der Satelliten-Transitzeiten zurückzuführen sind. Die sommerlichen Cyanobakterienblüten im Taihu-See weisen signifikante zeitliche Unterschiede auf.

Insgesamt weist der PCI-Index des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao) eine hohe Übereinstimmung und Nutzbarkeit mit den Sentinel-2-Daten auf.