Fernerkundungsüberwachung der Chlorophyllkonzentration – eine wichtige Grundlage für den Schutz und die Wiederherstellung von Wasserressourcen

Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil der natürlichen Ökosysteme, von denen das Überleben und die Entwicklung der Menschheit abhängen. Sie spielen eine unersetzliche Rolle bei der Wasserversorgung, dem Schutz vor Dürre und Überschwemmungen, dem Transport und der Schifffahrt, der Klimaregulierung, der Bereitstellung von Lebensräumen für Organismen und dem Erhalt der Biodiversität. In den letzten Jahren sind die Binnengewässerressourcen, die Wasserumwelt und die aquatischen Ökosysteme unter dem Einfluss menschlicher Aktivitäten und des Klimawandels mit unterschiedlichen Problemen und Bedrohungen konfrontiert. Eutrophierung und die daraus resultierenden Algenblüten sind weit verbreitete Verschmutzungsprobleme in Binnengewässern, und das Gleichgewicht zwischen der Entwicklung von Wassereinzugsgebieten und der ökologischen Koordination rückt zunehmend in den Fokus der zuständigen Behörden.

Fernerkundungsüberwachung der Chlorophyllkonzentration

Zahlreiche Wissenschaftler im In- und Ausland nutzen derzeit Fernerkundungsdaten, um die Chlorophyll-a-Konzentration in Binnenflüssen, großen Seen, Stauseen und kleineren städtischen Gewässern zu überwachen. Diese fernerkundungsbasierte Methode zur Überwachung der Chlorophyll-a-Konzentration in Binnengewässern ist von großer praktischer Bedeutung für ein verbessertes Wassermanagement, die Kontrolle von Verschmutzungsquellen und den Aufbau einer ökologischen Zivilisation.

Chlorophyll-a ist ein Kernelement der Photosynthese in Cyanobakterien und sein Gehalt ist im Plankton relativ stabil, was die Reinigung und Analyse unter Laborbedingungen erleichtert.Die Messung des Chlorophyll-a-Gehalts in Gewässern ermöglicht eine erste Einschätzung des Eutrophierungsgrades und damit ein besseres Verständnis der Wasserqualität.Daher ist die dynamische Überwachung der Chlorophyll-a-Konzentration in Binnengewässern über einen langen Zeitraum eine wichtige Voraussetzung für den Schutz und die Wiederherstellung terrestrischer Wasserressourcen.

CAS Xiguang Aerospace – Inversion der Chlorophyllkonzentration

Wenn Sonnenlicht aus der Atmosphäre auf die Oberfläche von Binnengewässern trifft, treten an der Wasserdampfgrenzfläche optische Phänomene wie Reflexion, Brechung und Absorption auf. Die spektralen Eigenschaften des Gewässers, die vom Sensor erfasst werden, hängen hauptsächlich von dessen optischen Eigenschaften, der Zusammensetzung der im Wasser enthaltenen Substanzen, den meteorologischen Bedingungen und dem Aufnahmewinkel des Sensors ab. Auf dem Weg des Sonnenlichts durch die Atmosphäre zur Wasseroberfläche wird ein kleiner Teil von der Atmosphäre gestreut, während der größte Teil die Wasseroberfläche erreicht. Der größte Teil des auf die Wasseroberfläche übertragenen Lichts wird reflektiert, der verbleibende Teil dringt in das Gewässer ein.

Der funktionale Zusammenhang zwischen dem sichtbaren Lichtspektrum und dem spektralen Reflexionsvermögen von hochreinem Wasser ist nahezu linear. Sind andere Substanzen in reinem Wasser vorhanden, ändert sich die Reflexionskurve des Wassers.Als Substanz mit hoher optischer Empfindlichkeit zeigt Chlorophyll a bei Konzentrationsänderungen entsprechende Maxima oder Minima im Spektralspektrum von Wasser. Basierend auf der Untersuchung des charakteristischen Spektrums von Chlorophyll a ist es möglich, die Chlorophyll-a-Konzentration im Wasser kontinuierlich zu überwachen und vorherzusagen.  

CAS Xiguang Aerospace – Inversion der Chlorophyllkonzentration

Die obige Abbildung zeigt die vom Xi’an Aerospace Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mittels Inversion ermittelten Chlorophyll-a-Konzentrationswerte für die Bohai-Bucht. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist,Die Chlorophyll-a-Konzentration in Küstennähe ist wesentlich höher als in weiter draußen liegenden Gewässern.  

Aktuell stammen die Daten für die Fernerkundung der Chlorophyll-a-Konzentration in Binnengewässern hauptsächlich aus traditionellen Bildquellen wie Multispektral- und Hyperspektralbildern. Im Vergleich zu herkömmlichen Multispektraldaten bieten Hyperspektralsensoren mehr Spektralbänder, schmalere Bandbreiten und eine deutlich verbesserte spektrale Auflösung. Dadurch eignen sie sich ideal für die Inversionsanalyse der Wasserqualität in Binnengewässern. Mit der zunehmenden Reife der Spektraltheorie und der Inversionsmethoden gewinnen Hyperspektralbilder immer mehr an Bedeutung und finden breite Anwendung in der Fernerkundung zur Bestimmung der Wasserqualität in Binnengewässern.