Caso de análisis del lago Taihu basado en el índice de clorofila hiperespectral

Introducción a los antecedentes

La tecnología de teledetección satelital desempeña un papel crucial en el monitoreo de la calidad del agua continental, permitiendo la obtención de parámetros clave en una amplia zona, de forma rápida y a bajo costo. Sin embargo, este monitoreo también impone altas exigencias a la tecnología de teledetección satelital: los cuerpos de agua pequeños requieren alta resolución espacial; la calidad del agua, que cambia rápidamente, exige alta resolución temporal; y las características ópticas complejas y variables de los cuerpos de agua requieren alta resolución espectral. Por lo tanto, los datos satelitales que cumplen simultáneamente con alta resolución espacial, temporal y espectral presentan ventajas significativas en el monitoreo del agua continental.

La clorofila a es un parámetro importante para la calidad del agua y un pigmento clave en las algas. Puede reflejar la biomasa total y la distribución de diferentes algas, así como medir el grado de eutrofización en los cuerpos de agua.

Durante una floración de algas, la concentración de clorofila en la mayoría de las zonas del cuerpo de agua generalmente supera los 100 mg/m³.^-3En este punto, la concentración de clorofila a ya no es suficiente como indicador de alerta temprana para la proliferación de algas. El monitoreo de la concentración de clorofila a en cuerpos de agua antes o al comienzo de una floración de algas puede brindar información sobre la biomasa algal y la calidad del agua, lo cual es de gran importancia para la alerta temprana y la prevención específica de floraciones de algas.

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 calcular varios índices de clorofila y analizó la calidad del agua de la región del lago Taihu basándose en los resultados de los índices correspondientes.

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

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.

Suavizado espectral: En ENVI se utiliza el algoritmo de Savitzky-Golay (SG) para suavizar los datos de reflectancia de la superficie, lo que reduce el ruido espectral y mejora la fiabilidad de los cálculos de índices relacionados posteriores.

Máscara de cuerpos de agua: Al normalizar el número de reflectancia de la superficie para calcular el índice de cuerpos de agua y seleccionar un umbral apropiado basado en el histograma de los resultados del cálculo, se extrae el área del lago Taihu.

Cálculo del índice: Calcule los índices espectrales.

2. Cálculo del índice espectral

• SIETE

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:

• Índice de relación de dos bandas (BR)

Reflectancia de teledetección R en las bandas de 705 nm y 671 nm_rsEsta relación resalta las diferencias en el espectro de clorofila, y la fórmula de cálculo es la siguiente:

• Índice de diclorofila normalizado (NDCI)

La diferencia normalizada de reflectancia entre las bandas de 705 nm y 671 nm puede utilizarse para extraer información sobre características del suelo relacionadas con la clorofila (como algas y vegetación). La fórmula de cálculo es la siguiente:

• Índice de tres bandas (TBI)

La combinación de la diferencia recíproca de reflectancia en las bandas de 671 nm y 705 nm, y su posterior multiplicación por la reflectancia en la banda de 731 nm, puede utilizarse para resaltar cambios o diferencias en la turbidez del agua. La fórmula de cálculo es la siguiente:

Visualización de resultados

Figura 1. Imagen compuesta en color real (satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 18/06/2025)

Comparación de curvas espectrales en la región del lago Taihu antes y después del filtrado SG (reflectividad aumentada 10.000 veces, satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250406)

Figura 2. Comparación de las curvas espectrales antes y después del filtrado SG.

La extracción de agua y el cálculo del índice mencionados anteriormente se realizaron en el satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), y se obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 3. Distribución del índice de relación de dos bandas (BR) (satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 18/06/2025)

Figura 4. Distribución del Índice Normalizado de Diclorofila (NDCI) (Satélite Xiguang No. 1 05 (Tianxianpei), 18/06/2025)

Figura 5. Distribución del Índice de Tres Bandas (TBI) (satélite Xiguang-1-05 (Tianxianpei), 18/06/2025)

Los resultados mostrados en las figuras anteriores son relativamente consistentes en cuanto a la distribución general de los índices BR y TCDI, mientras que la distribución del TBI muestra algunas diferencias. En general, la proliferación de algas es severa en la zona occidental del lago Taihu, con concentraciones más altas de clorofila a cerca de las floraciones. Esto se debe a que la parte occidental del lago Taihu es donde los ríos desembocan en él, aportando grandes cantidades de nutrientes, lo que provoca un crecimiento vigoroso de algas y, por lo tanto, floraciones de cianobacterias y un aumento en las concentraciones de clorofila a. Las zonas central y oriental del lago Taihu se ven menos afectadas, lo que resulta en una mejor calidad del agua que la zona occidental del lago Taihu. En la parte oriental del lago crecen plantas acuáticas y la concentración de clorofila a es menor.

El análisis de datos históricos muestra que las bahías noroccidentales del lago Taihu, incluidas la bahía de Zhushan y la bahía de Meiliang, son las zonas con mayor frecuencia de proliferación de cianobacterias, y estas tres zonas experimentan las proliferaciones más severas. Las algas superficiales se ven afectadas por el viento y las olas. Por un lado, se desplazan con la corriente, acumulándose en las bahías y formando floraciones. Por otro lado, debido a que los vientos predominantes en la región del lago Taihu durante el verano son del este y del sureste, cuando las cianobacterias suben a la superficie, se desplazan hacia el norte y el oeste del lago bajo la influencia del viento, combinándose con las cianobacterias ya presentes en estas zonas y creando floraciones severas.

La zona central del lago es una zona de gran proliferación de algas. Cuando se produce una floración de algas en esta zona durante el verano, cubre una amplia área. Históricamente, la zona central del lago ha experimentado floraciones de algas a gran escala que han superado la extensión de las floraciones en otras zonas acuáticas. En contraste, las floraciones de algas son poco frecuentes en la zona suroeste del lago, y prácticamente nunca se han producido en la zona este del lago Taihu, lo que indica que el entorno de esta última zona es relativamente bueno.