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Überwachung der Wasserqualität des Hongze-Sees mithilfe des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei).
Hintergrund Einführung
Bei der Überwachung von Seen und Feuchtgebieten mithilfe hyperspektraler Fernerkundungstechnologie ist die Gesamtmenge an Schwebstoffen (TSM) ein wichtiger Indikator zur Beurteilung der Wassertransparenz und der Seeversickerung. Der Hongze-See ist ein temporärer See mit stark schwankender Wasserfläche und einem durchschnittlichen Wasserstand von nur 1,5 m. Die komplexen Sedimentquellen und die Verteilung der Wasserpflanzen bilden ein einzigartiges spektrales Umfeld.
Die physikalische Grundlage der hyperspektralen Fernerkundung von Schwebstoffen liegt in der starken Streuung des einfallenden Lichts durch die Schwebstoffe. Mit zunehmender Schwebstoffkonzentration im Wasser verändert sich das Reflexionsspektrum im sichtbaren und nahinfraroten Bereich deutlich, insbesondere im Bereich von 600 nm bis 800 nm, wo die Reflexion mit steigender Konzentration sprunghaft zunimmt. Im Vergleich zu herkömmlichen multispektralen Bildgebungsverfahren erfasst die hyperspektrale Bildgebung diese feinen spektralen Merkmale durch kontinuierliche Bänder im Nanometerbereich und ermöglicht so die effektive Unterscheidung der Beiträge von Sedimentstreuung, Algenabsorption und Bodenreflexion.
Methoden und Prinzipien
In dieser Fallstudie wurden hyperspektrale Bilder des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei) vom 14. Juli 2025 verwendet, um die Schwebstoffkonzentration zu überwachen. Anschließend wurden verschiedene Methoden auf Basis der Extraktionsergebnisse verglichen und analysiert.
Tabelle 1. Dateneinführung
In diesem Fall werden für die Indexberechnung atmosphärisch korrigierte L2C-Reflexionsdaten verwendet. Die genaue Vorgehensweise ist wie folgt:
1. Datenvorverarbeitung
(1) Radiometrische Kalibrierung: Die ursprünglichen DN-Werte werden mithilfe der aus der Strahlungsmessung bereitgestellten radiometrischen Kalibrierungskoeffizienten in scheinbare Strahlungswerte umgerechnet. Dies kann mit dem Werkzeug „Radiometrische Kalibrierung“ in ENVI erfolgen.
(2) Atmosphärische Korrektur: Die atmosphärische Korrektur wird mit Hilfe von atmosphärischen Korrekturwerkzeugen durchgeführt, die auf 6S- oder MODTRAN-Modellen basieren, um Oberflächenreflexionsdaten zu erhalten, wie zum Beispiel das atmosphärische Korrekturwerkzeug FLAASH in ENVI.
(3) Spektrale Glättung: In ENVI wird der Savitzky-Golay-Algorithmus (SG) zur Glättung der Oberflächenreflexionsdaten verwendet. Dies reduziert das spektrale Rauschen und verbessert die Zuverlässigkeit der nachfolgenden Klassifizierung. Sie können die Erweiterung „Savitzky-Golay-Filter“ aus dem ENVI App Store oder das integrierte Tool „THOR Spektrale Glättung“ verwenden. Bei Verwendung des Savitzky-Golay-Filters werden die Parameter wie folgt eingestellt:
(4) Bildregistrierung (optional): Georegistrieren Sie die verarbeiteten Daten anhand der Basiskarte. Die Registrierung kann in ENVI, QGIS oder ArcGIS durchgeführt werden. Google Maps wird als Referenzkarte empfohlen.
2. Normalisierter Differenzwasserindex (NDWI)
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:
3. Normalisierter Differenz-Schwebesedimentindex (NDSSI)
Der Normalisierte Differenzindex für Schwebstoffe (NDSSI) nutzt die hohe Eindringtiefe von blauem Licht und die starke Absorption von Nahinfrarotlicht in Wasser. Da reines Wasser nahezu die gesamte einfallende Energie im Nahinfrarotbereich absorbiert und Schwebstoffe in diesem Bereich signifikante Streueigenschaften aufweisen, kann die normalisierte Differenz zwischen blauem und Nahinfrarotlicht den Kontrast zwischen Schwebstoffen und dem Wasserhintergrund deutlich erhöhen.
4. Bandverhältnismethode (TSM-Verhältnis)
Die TSM-Verhältnismethode eliminiert Umgebungsrauschen und hebt Zielmerkmale durch nichtlineare Kombinationen verschiedener Spektralkanäle hervor. Physikalisch basiert diese Methode auf der signifikanten Rotverschiebung des Reflexionsspektrums des Wassers mit zunehmender Konzentration suspendierter Feststoffe. In der Praxis wird das Verhältnis von rotem zu grünem Licht (Rot/Grün) häufig als Empfindlichkeitsindikator verwendet. Dies liegt daran, dass der rote Lichtbereich (um 665 nm) extrem empfindlich auf Rückstreuung durch niedrige bis mittlere Konzentrationen suspendierter Partikel reagiert, während der grüne Lichtbereich (um 560 nm) weniger von Pigmenten wie Chlorophyll beeinflusst wird. Die Berechnung dieses Verhältnisses ist mathematisch einfach und effizient und kann Strahlungsfehler, die durch den Sensorwinkel und die Abschattung durch das Gelände verursacht werden, teilweise eliminieren. Sie ist eine gängige Methode zur Überwachung der Wasserqualität in komplex gefärbten Seen wie dem Hongze-See.
Ergebnisanalyse
Abbildung 1. Echtfarben-Kompositbild des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 20250714
Abbildung 2. Verteilung der NDSSI-Ergebnisse für den Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 20250714
Abbildung 3. Verteilung der TSM-Verhältnis-Ergebnisse für den Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei-Nummer 20250714)
Den Berechnungen des NDSSI und des TSM-Verhältnisses zufolge weist der Schwebstoffgehalt im Hongze-See ein sehr einheitliches räumliches Verteilungsmuster auf, das durch hohe Werte im Nordwesten und niedrige Werte in der Seemitte und im Südosten gekennzeichnet ist. Die Bereiche mit hohen Werten konzentrieren sich deutlich entlang des nordwestlichen Ufers und spiegeln direkt den ursprünglichen Ablagerungszustand der großen Sedimentmengen wider, die durch den Zufluss in den See gelangten. Darüber hinaus verstärken die konzentrierten Sommerregen in Verbindung mit dem Monsunklima des Hongze-Seebeckens und seinem hohen Oberflächenabfluss die Erosions- und Sedimenttransportkapazität der Flüsse, was zu einem signifikanten Anstieg des Sedimenteintrags führt. Der Hongze-See ist ein typischer „Schwebesee“ in einer flachen Landschaft; der Seeboden liegt höher als das umliegende Land. Zuflüsse wie der Huai-Fluss erfahren beim Eintritt in den See einen starken Höhenabfall, wodurch sich ihre Fließgeschwindigkeit verringert und ihre Transportkapazität reduziert wird, was zu erheblichen Sedimentablagerungen führt. Im Gegensatz dazu befinden sich die offenen Gewässer in der Mitte des Sees und die tiefen Gewässer im Südosten in beiden Karten im niedrigen Wertebereich, was darauf hindeutet, dass diese Gebiete weniger von landseitigen Einflüssen betroffen sind und eine relativ hohe Wassertransparenz aufweisen.
Zusammenfassend bestätigen diese beiden Methoden nicht nur die geographische Tatsache, dass der Huai-Fluss die Hauptquelle für Sedimente des Hongze-Sees ist, sondern liefern auch eine wissenschaftliche quantitative Grundlage für die anschließende Beseitigung von Störungen durch aufkommende Vegetation und die präzise Überwachung der Feuchtgebietsentwicklung.