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Monitoreo de la clorofila a acuática basado en un nuevo índice hiperespectral
Introducción a los antecedentes
La clorofila a es el principal pigmento fotosintético del fitoplancton y se utiliza frecuentemente como indicador de su biomasa. La concentración de clorofila a (Chla) es un indicador clave para evaluar los niveles de eutrofización y estudiar el ciclo del carbono en ambientes acuáticos. En comparación con los métodos tradicionales de muestreo de aguas superficiales, que solo permiten medir un número limitado de puntos, la tecnología de teledetección ofrece una mayor variedad de información sobre la distribución espacial de la clorofila a.
La teledetección hiperespectral tiene un gran potencial para el monitoreo de la clorofila a (Chla) en condiciones de agua ópticamente complejas. Sin embargo, los índices hiperespectrales existentes se ven fácilmente limitados por la interferencia de otros parámetros de calidad del agua, la corrección atmosférica imperfecta y la dispersión de la banda espectral cuando se trata de cuerpos de agua de alta productividad. Para abordar esto, Yao et al. propusieron un nuevo índice espectral: el Índice de Ancho del Pico de Reflectancia del Borde Rojo (REPWI). Este índice:
(1) Aprovechar al máximo la alta resolución espectral de los datos hiperespectrales para reducir la interferencia de TSM y CDOM en cuerpos de agua ópticamente complejos, dando así todo el potencial al pico de reflexión del borde rojo.
(2) Insensible a las incertidumbres introducidas durante el proceso de corrección atmosférica imperfecto.
(3) Minimizar el impacto del intervalo de muestreo espectral discreto
Métodos y principios
Este estudio de caso utilizó imágenes hiperespectrales de la región del lago Taihu tomadas por el satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) el 18 de junio de 2025, para realizar cálculos de índices y analizar la calidad del agua de la región del lago Taihu basándose en los resultados de los índices.
Tabla 1. Introducción de datos
En este caso, el cálculo del índice utiliza datos de reflectancia de nivel L2C corregidos atmosféricamente. El procedimiento operativo específico es el siguiente:
1. Preprocesamiento de datos
(1) Suavizado espectral: En ENVI, los datos de reflectancia superficial se suavizan mediante el algoritmo de Savitzky-Golay (SG), que reduce el ruido espectral y mejora la fiabilidad de los cálculos posteriores del índice de correlación del borde rojo. Se puede utilizar el filtro de Savitzky-Golay de la App Store en ENVI o la herramienta de suavizado espectral THOR integrada. Al usar el filtro de Savitzky-Golay, la configuración de parámetros es la siguiente:
(2) Registro de imágenes (opcional): El registro geográfico se realiza sobre los datos procesados a partir del mapa base. El registro puede realizarse en ENVI, qgis o arcgis. Se recomienda utilizar Google Images como mapa de referencia.
(3) Máscara de cuerpos de agua: El área del lago Taihu se extrae normalizando el índice de cuerpos de agua por el número de reflectancia de la superficie y seleccionando un umbral apropiado basado en el histograma de los resultados del cálculo.
(4) Cálculo del índice: El índice se calcula mediante la herramienta Band Math de ENVI. El índice calculado es un ráster multibanda o monobanda. Se puede exportar en formato TIFF con la herramienta New File Builder de ENVI y analizarlo posteriormente en QGIS o ArcGIS.
(5) Extracción de máscara de región de clorofila: Utilizando el índice parcial calculado, se realizó la extracción de máscara de región de clorofila en el lago Taihu utilizando un método de umbral fijo.
(6) Análisis integral de índices múltiples: Basándose en el vector estadístico o el índice de cuadrícula, se analiza la distribución de diferentes índices haciendo referencia al significado físico representado por diferentes índices.
El índice también se puede calcular directamente utilizando las imágenes originales del valor DN, o bien obteniendo datos de reflectancia después de la calibración radiométrica y la corrección atmosférica para el cálculo del índice.
Calibración radiométrica: La corrección radiométrica se realiza sobre los datos brutos del valor DN utilizando los coeficientes de calibración radiométrica proporcionados por la radiancia para obtener los datos de radiancia aparente. Esto se puede hacer utilizando la herramienta de calibración radiométrica en ENVI.
Corrección atmosférica: La corrección atmosférica se realiza utilizando herramientas de corrección atmosférica basadas en los modelos 6S o MODTRAN para obtener datos de reflectancia de la superficie, como la herramienta de corrección atmosférica FLAASH en ENVI.
2. Cálculo del índice espectral
(1) YO SOY:La extensión de los cuerpos de agua se extrajo utilizando el método del índice espectral. Específicamente, el Índice de Diferencia Normalizada del Agua (NDWI) se calculó a partir de la imagen de reflectancia superficial procesada por FLASH. Luego, basándose en el histograma de la imagen NDWI, se estableció un umbral para completar la extracción de los cuerpos de agua. La fórmula de cálculo es la siguiente:
(2) RESPUESTA:Según el modelo bioóptico, cuanto mayor sea el contenido de clorofila a en el agua, mayor será su absorción (más profundo el valle de reflexión) cerca de 670-680 nm, lo que provocará que el pico de reflexión en la región del borde rojo (alrededor de 700 nm) se desplace hacia longitudes de onda más largas y se vuelva más ancho.
Definición física de REPWI: Se define como la distancia de longitud de onda horizontal que se extiende horizontalmente hacia la derecha desde una longitud de onda fija del valle de reflexión roja (678 nm) hasta que interseca el lado derecho de la curva del pico de reflexión del borde rojo. La fórmula de cálculo es la siguiente:
en，l'enLa longitud de onda en el punto de cruce derecho se determina mediante interpolación lineal, satisfaciendo R.rs(l'en) = Rrs(678).
Visualización de resultados
Figura 1. Imagen compuesta en color real. Xiguang No. 1 05 (Una combinación perfecta) 20250618
Los siguientes resultados se obtuvieron al realizar la extracción de cuerpos de agua y el cálculo del índice mencionados anteriormente sobre los datos del satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei):
Figura 2. Mapa de distribución del índice REPWIXiguang No. 1 05 (Una combinación perfecta) 20250618
Para analizar la aplicabilidad del índice REPWI, se realizó un análisis comparativo con el Índice de Clorofila Normalizado (NDCI), de uso más común. La distribución de los resultados del Índice de Clorofila Normalizado (NDCI) se muestra en la siguiente figura:
Figura 3. Distribución del Índice de Clorofila Normalizado (NDCI)Xiguang No. 1 05 (Una combinación perfecta) 20250618
La comparación revela coherencia entre los índices REPWI y NDCI en cuanto a las tendencias macroscópicas. Ambos muestran concentraciones de clorofila a significativamente más altas en las zonas noroccidentales y costeras del lago Taihu en comparación con las zonas central y sureste, lo que indica una clara diferenciación espacial en la eutrofización. En general, la proliferación de algas es grave en la región occidental del lago Taihu, con concentraciones de clorofila a más elevadas cerca de las zonas afectadas. Esto se debe a que la parte occidental del lago Taihu es donde los ríos desembocan en él, aportando grandes cantidades de nutrientes que promueven un crecimiento vigoroso de algas, lo que da lugar a floraciones de cianobacterias y un aumento de las concentraciones de clorofila a. Las regiones central y oriental del lago Taihu se ven menos afectadas, lo que resulta en una mejor calidad del agua que la zona occidental. En la parte oriental del lago crecen plantas acuáticas y las concentraciones de clorofila a son más bajas, lo que valida aún más la eficacia del índice REPWI para capturar las características de distribución espacial de la clorofila a en los cuerpos de agua. Esto proporciona datos más fiables para la posterior monitorización de la calidad del agua y la alerta temprana de proliferación de algas.