Fallstudie zum Taihu-See basierend auf dem hyperspektralen Chlorophyllindex

Hintergrund Einführung

Die Satellitenfernerkundung spielt eine entscheidende Rolle bei der Überwachung der Binnengewässerqualität. Sie ermöglicht die schnelle und kostengünstige Erfassung wichtiger Wasserqualitätsparameter über große Gebiete. Die Überwachung der Binnengewässerqualität stellt jedoch 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.

Chlorophyll a ist ein wichtiger Wasserqualitätsparameter und ein Schlüsselpigment in Algen. Es kann die Gesamtbiomasse und die Verteilung verschiedener Algenarten widerspiegeln und den Grad der Eutrophierung in Gewässern messen.

Während einer Algenblüte übersteigt die Chlorophyllkonzentration in den meisten Bereichen des Gewässers im Allgemeinen 100 mg/m³.^-3Ab diesem Zeitpunkt reicht die Chlorophyll-a-Konzentration als Frühwarnindikator für Algenblüten nicht mehr aus. Die Überwachung der Chlorophyll-a-Konzentration in Gewässern vor oder zu Beginn einer Algenblüte liefert Informationen über die Algenbiomasse und die Wasserqualität, was für die Frühwarnung und gezielte Prävention von Algenblüten von großer Bedeutung ist.

Methoden und Prinzipien

In dieser Fallstudie wurden hyperspektrale Bilder der Taihu-See-Region verwendet, die am 18. Juni 2025 vom Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei) aufgenommen wurden, um verschiedene Chlorophyllindizes zu berechnen und die Wasserqualität der Taihu-See-Region auf der Grundlage der entsprechenden Indexergebnisse zu analysieren.

Tabelle 1. Dateneinführung

In diesem Fall werden für die Indexberechnung atmosphärisch korrigierte L2C-Reflexionsdaten verwendet. Die genaue Vorgehensweise ist wie folgt:

1. Datenvorverarbeitung

Radiometrische Kalibrierung: Die Rohdaten der DN-Werte werden mithilfe der von Radiance bereitgestellten radiometrischen Kalibrierungskoeffizienten radiometrisch korrigiert, um die scheinbaren Strahlungsdaten zu erhalten. Dies kann mit dem Werkzeug „Radiometrische Kalibrierung“ in ENVI durchgeführt werden.

Atmosphärische Korrektur: Die atmosphärische Korrektur wird mithilfe von atmosphärischen Korrekturwerkzeugen durchgeführt, die auf 6S- oder MODTRAN-Modellen basieren, um Oberflächenreflexionsdaten zu erhalten, wie beispielsweise das atmosphärische Korrekturwerkzeug FLAASH in ENVI.

Spektrale Glättung: Zur Glättung der Oberflächenreflexionsdaten in ENVI wird der Savitzky-Golay-Algorithmus (SG) verwendet. Dadurch wird das spektrale Rauschen reduziert und die Zuverlässigkeit nachfolgender Indexberechnungen verbessert.

Wasserkörpermaske: Durch Normalisierung der Oberflächenreflexionswerte zur Berechnung des Wasserkörperindex und Auswahl eines geeigneten Schwellenwerts auf Basis des Histogramms der Berechnungsergebnisse wird das Gebiet des Taihu-Sees extrahiert.

Indexberechnung: Berechnen Sie die Spektralindizes.

2. Berechnung des Spektralindex

• SIEBEN

Die Ausdehnung der Wasserflächen wurde mithilfe der Spektralindexmethode extrahiert. Konkret wurde der Normalized Difference Water Index (NDWI) auf Basis des mit FLASH verarbeiteten Oberflächenreflexionsbildes berechnet. Anschließend wurde anhand des Histogramms des NDWI-Bildes ein Schwellenwert festgelegt, um die Wasserflächenextraktion abzuschließen. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

• Zwei-Band-Verhältnisindex (BR)

Fernerkundungsreflexion R in den 705-nm- und 671-nm-Bändern_rs​Das Verhältnis verdeutlicht die Unterschiede im Chlorophyllspektrum, und die Berechnungsformel lautet wie folgt:

• Normalisierter Dichlorophyll-Index (NDCI)

Die normalisierte Differenz der Reflexionswerte zwischen den 705-nm- und 671-nm-Bändern kann genutzt werden, um Informationen über chlorophyllhaltige Bodenmerkmale (wie Algen und Vegetation) zu gewinnen. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

• Drei-Band-Index (TBI)

Durch die Kombination der reziproken Differenz der Reflexionsgrade in den Spektralbändern 671 nm und 705 nm und deren Multiplikation mit dem Reflexionsgrad im 731-nm-Band lassen sich potenziell Veränderungen oder Unterschiede der Trübung in trübem Wasser hervorheben. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

Ergebnisdarstellung

Abbildung 1. Echtfarben-Kompositbild (Xiguang-1 05 Satellit (Tianxianpei), 20250618)

Vergleich der Spektralkurven in der Taihu-See-Region vor und nach der SG-Filterung (Reflektivität um das 10.000-fache erhöht, Xiguang-1 05 Satellit (Tianxianpei), 20250406)

Abbildung 2 Vergleich der Spektralkurven vor und nach der SG-Filterung

Die oben erwähnte Wassergewinnung und Indexberechnung wurden auf dem Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei) durchgeführt, und es wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Abbildung 3. Verteilung des Zwei-Band-Verhältnisindex (BR) (Xiguang-1 05 Satellit (Tianxianpei), 20250618)

Abbildung 4. Verteilung des normalisierten Dichlorophyll-Index (NDCI) (Xiguang Nr. 1 05 Satellit (Tianxianpei), 20250618)

Abbildung 5. Verteilung des Drei-Band-Index (TBI) (Xiguang-1-05-Satellit (Tianxianpei), 20250618)

Die in den obigen Abbildungen dargestellten Ergebnisse sind hinsichtlich der Gesamtverteilung der BR- und TCDI-Indizes relativ einheitlich, während die Verteilung des TBI einige Unterschiede aufweist. Insgesamt ist die Algenblüte im westlichen Teil des Taihu-Sees stark ausgeprägt, mit höheren Chlorophyll-a-Konzentrationen in der Nähe der Blüten. Dies liegt daran, dass im westlichen Teil des Taihu-Sees Flüsse in den See münden und große Mengen an Nährstoffen einbringen, was zu starkem Algenwachstum und somit zu Cyanobakterienblüten und erhöhten Chlorophyll-a-Konzentrationen führt. Die zentralen und östlichen Bereiche des Taihu-Sees sind weniger betroffen, was zu einer besseren Wasserqualität als im westlichen Teil führt. Im östlichen Teil des Sees wachsen Wasserpflanzen, und die Chlorophyll-a-Konzentration ist niedriger.

Die Analyse historischer Daten zeigt, dass die nordwestlichen Buchten des Taihu-Sees, darunter die Zhushan- und die Meiliang-Bucht, die Gebiete mit der höchsten Häufigkeit von Cyanobakterienblüten sind und in diesen drei Gebieten auch die stärksten Blüten auftreten. Oberflächenalgen werden von Wind und Wellen beeinflusst. Einerseits werden sie mit der Strömung verdriftet, sammeln sich in den Buchten und bilden dort Algenblüten. Andererseits wehen im Sommer in der Taihu-See-Region vorwiegend Ost- und Südostwinde. Wenn Cyanobakterien an die Oberfläche gelangen, werden sie vom Wind nach Norden und Westen getrieben und vermischen sich dort mit bereits vorhandenen Cyanobakterien, was zu starken Algenblüten führt.

Das zentrale Seegebiet ist ein großflächiges Verbreitungsgebiet für Algenblüten. Tritt dort im Sommer eine Algenblüte auf, breitet sie sich über ein weites Gebiet aus. In der Vergangenheit kam es im zentralen Seegebiet häufig zu großflächigen Algenblüten, deren Ausmaß das anderer Gewässer übertraf. Im Gegensatz dazu treten Algenblüten im südwestlichen Seegebiet selten auf, und im östlichen Taihu-Seegebiet sind sie nahezu nie vorgekommen, was auf einen vergleichsweise intakten Zustand der Umwelt in diesem Gebiet hindeutet.