Eisüberwachung des Gelben Flusses mittels hyperspektraler Technologie

Eisschollen sind Eisblöcke, die sich mit dem Flusswasser bewegen, bevor der Fluss zufriert. Da sich bewegendes Eis als „Eisschollen“ bezeichnet, spricht man von Eisschollen, die sich auf der Wasseroberfläche oder in einem Gewässer bewegen. Man unterscheidet zwischen Wintereisschollen und Frühjahrseisschollen. Erstere bestehen hauptsächlich aus Eisblumen und Eisklumpen, während letztere hauptsächlich aus Brucheis bestehen. Dies bezieht sich auf Eisschollen, die sich vor dem Zufrieren des Flusses bilden.

△ Abbildung 1. Überwachung des Eisflusses durch Eislöcher

△ Abbildung 2 Eisstaukatastrophe

Warum sollte man Eiszapfen überwachen?

1. Hochwasserschutz und Katastrophenvorsorge:Eisüberflutungen oder die Blockierung von Flussläufen können zu Rückstau führen, der Eisstau verursacht und flussabwärts gelegene Gebiete gefährdet. Die Überwachung von Eisschollen ermöglicht rechtzeitige Warnungen und Maßnahmen zur Verringerung des Auftretens und der Auswirkungen von Überschwemmungen.

2. Wasserschutzanlagen schützen:Eisansammlungen können Wasserbauwerke wie Dämme, Brücken und Deiche beschädigen und deren Betrieb und Sicherheit beeinträchtigen. Die Überwachung des Eisflusses hilft, potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und geeignete Instandhaltungs- und Verstärkungsmaßnahmen zu ergreifen.

3. Wasserressourcenmanagement:Die Entstehung und Entwicklung von Eisschollen spiegeln Veränderungen der Wassertemperatur und der hydrologischen Eigenschaften wider und liefern wertvolle Erkenntnisse für das Wassermanagement und die hydrologische Vorhersage. Die Beobachtung von Eisschollen ermöglicht ein besseres Verständnis der Eisverhältnisse auf Flüssen und bietet somit Datengrundlagen für das Wassermanagement.

4. Wissenschaftliche Forschung:Die Beobachtung und Untersuchung von Eisschollen trägt dazu bei, ein tieferes Verständnis des Entstehungsmechanismus, der Entwicklung und des Zusammenhangs von Eisschollen in Flüssen und Bächen mit dem Klimawandel zu gewinnen, was von großer Bedeutung für die Klimaforschung und die Entwicklung der Hydrologie ist.

△ Abbildung 3 Lageplan des Untersuchungsgebiets für die Eisüberwachung am Gelben Fluss

Einführung in das Forschungsgebiet

Das Untersuchungsgebiet liegt im Inneren Mongolei-Abschnitt des Gelben Flusses, an dessen nördlichstem Punkt, auf einer Höhe von über 1000 Metern. Weit vom Meer entfernt, erreichen warme und gemäßigte Luftströmungen es nur selten, und es wird häufig vom Mongolischen Hoch beeinflusst. Es weist ausgeprägte kontinentale Klimamerkmale auf, mit langen, strengen Wintern, in denen die Temperaturen 4–5 Monate lang unter dem Gefrierpunkt bleiben und bis zu -35 °C erreichen. Der Fluss friert in diesem Abschnitt 4–5 Monate lang zu, wobei der größte Teil davon eine stabile, gefrorene Fläche bildet. Im Winter übersteigt der Durchfluss des Flusses im Inneren Mongolei-Abschnitt in der Regel 400 Kubikmeter pro Sekunde. Die niedrigen Temperaturen und die dicken Eisschichten in diesem Abschnitt, kombiniert mit der Wucht von Hochwasserwellen, die zum Brechen von Eisschollen und zur Bildung großer Eisschollen führen, sowie die Flussmorphologie, bewirken dichte Eisformationen, die das Eis einschließen und aufstauen können. Dies führt zu einem starken Anstieg des Flusspegels und macht den Fluss sehr anfällig für Eisbrüche, Überschwemmungen und andere Katastrophen.

Das Untersuchungsgebiet ist ein 103 Kilometer langer Flussabschnitt im südlichen Teil der Stadt Baotou, der in Ost-West-Richtung verläuft. Die Fläche des Flussbetts beträgt etwa 70 Quadratkilometer.

△ Abbildung 4 Satellitenbild des Eisüberwachungsgebiets des Gelben Flusses

△ Abbildung 5 Arten von Flussmerkmalen

△ Abbildung 6 Reflexionskarte der Landbedeckungstypen im Flussbett

Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics CAS Aerospace Science and Technology Group Co.,LTD - Fließendes Wasser Überwachung von Forschungsmethoden

1. Datenerfassung: Es wurden hyperspektrale Bilder des Gebiets Baotou in der Inneren Mongolei mit 150 Bändern verwendet, die am 5. Januar 2024 vom hyperspektralen Satelliten XIGUANG003 aufgenommen wurden.
2. Bestimmung des Untersuchungsgebiets: Die ursprünglichen Rasterdaten wurden mithilfe von Flussgrenzvektoren maskiert, um hyperspektrale Bilder innerhalb des Untersuchungsgebiets zu extrahieren.
3. Ermitteln Sie die Anzahl der Kategorien: Vorher[Kolumne Hyperspektrale Anwendungen] Schnee- und Eisbedeckungsüberwachung im Dalad-Banner, Innere Mongolei, basierend auf hyperspektraler MischungsspektralzerlegungAnhand der Klassifizierung von Eis und Schnee wurden drei Arten von Landformen im Flussbett identifiziert: fließende Wasseroberfläche (klarer Graben*), Eis-Schnee-Gemisch und schneebedeckte Eisoberfläche. Wie Abbildung 5 zeigt, ist im Wellenlängenbereich von 450–850 nm die Reflektivität der fließenden Wasseroberfläche mit durchschnittlich unter 10 % am geringsten, die der Eis-Wasser-Mischung liegt zwischen 10 % und 30 %, während die der schneebedeckten Eisoberfläche bis zu 65 % beträgt.
4. Klassifizierung: Pixelbasierte, unüberwachte Klassifizierung von Landmerkmalen innerhalb des Flussbetts.
5. Statistische Analyse: Statistiken zur Fläche und zum Flächenanteil der einzelnen Merkmale in verschiedenen Regionen.

In zugefrorenen Flussabschnitten gibt es freiliegende Wasserflächen unterschiedlicher Länge, sogenannte Rinnen. Rinnen, die sich während der Gefrierperiode bilden, werden als primäre Rinnen bezeichnet; Rinnen, die sich während der Auftauperiode bilden, werden als sekundäre Rinnen bezeichnet.

△ Abbildung 8 Verteilungskarte der Eisschollen im Baotou-Abschnitt des Gelben Flusses

Forschungsergebnisse und Anwendungen

Durch die Entnahme und Analyse von Eisschollen unter verschiedenen Mischungsbedingungen im Gelben Flussbett des Untersuchungsgebiets wurde eine Eisschollenverteilungskarte erstellt, die die Verteilung der Eisschollen in unterschiedlichen Zuständen anschaulich darstellt. Gleichzeitig wurden die Verteilungsfläche und deren Verhältnis statistisch analysiert. Dies ermöglicht die Bestimmung des aktuellen Vereisungszustands des Flussbetts, die Identifizierung von Risikogebieten und bietet ein praktisches Instrument für die großflächige Eisschollenüberwachung.

Wenkaihe: Das Eis schmilzt und der Fluss öffnet sich hauptsächlich aufgrund thermischer Einwirkung. Die Situation ist relativ stabil, aber es dauert lange.

Wukai-Fluss: Das Aufbrechen und Öffnen des Flusses wird hauptsächlich durch die Wasserkraft verursacht. Der Oberlauf des Flusses taut zuerst auf, während das Eis im Unterlauf fest bleibt. Wenn die Wassermenge, die vom Oberlauf herabströmt, plötzlich zunimmt und auf die Eisdecke im Unterlauf trifft, kommt es unter dem Einfluss der Wassermassen zu einem gleichzeitigen Abfließen von Eis und Wasser, wodurch es zu Wassereinbrüchen und Eisaufbrüchen kommt. 

Die Überwachung von Eisschollen mittels großflächiger Satellitenfernerkundung liefert präzise Daten zur Eisschollenverteilung innerhalb eines bestimmten Zeitraums und bildet damit die Grundlage für die Erstellung von Vorhersagemodellen. Durch die Kombination von meteorologischen Daten, Messdaten von stationären Geräten im Flussbett und Fernerkundungsdaten von UAVs lassen sich umfassende Informationen über die Flussvereisung und Eisschollen gewinnen. Dies reduziert den Arbeitsaufwand und ermöglicht gleichzeitig eine kontinuierliche, einzugsgebietsübergreifende Überwachung und Risikoprognose.

Die kombinierten Merkmale von hyperspektralen Bilddaten und Atlanten ermöglichen zudem eine weitergehende quantitative Inversion und Klassifizierung auf Subpixel-Ebene. Dies hilft Forschern und Fachleuten im Wasserbau, Art und Zustand von Eisschollen genauer zu bestimmen. Dadurch wird ein tieferes Verständnis der Gefrierbedingungen (flach oder vertikal) und der Auftauprozesse (langsames oder schnelles Auftauen) von Flüssen ermöglicht. So lassen sich beispielsweise das Verhältnis von Eis zu Wasser im Flussbett, die Morphologie der Eiskristalle, der Eiskappentyp (statisch oder dynamisch) sowie die Zu- oder Abnahme der Flussbettfreihaltung überwachen. Veränderungen der Freihaltung können beispielsweise genutzt werden, um die Art des Auftauens vorherzusagen (eine zunehmende Freihaltung deutet auf ein allmähliches Auftauen hin). Dies ermöglicht proaktive Maßnahmen zur Reduzierung von Schäden durch Eisstau.