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Monitoreo de la calidad del agua del lago Hongze basado en el satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei).
Introducción a los antecedentes
En el monitoreo de lagos y humedales mediante tecnología de teledetección hiperespectral, el sedimento total en suspensión (TSM) es un indicador clave para evaluar la transparencia del agua y la sedimentación lacustre. El lago Hongze, de carácter transitorio, presenta una gran fluctuación en su superficie, con un nivel de agua y una profundidad media de tan solo 1,5 m. Las complejas fuentes de sedimento y la distribución de la vegetación acuática conforman un entorno espectral único.
La base física del monitoreo de sedimentos en suspensión mediante teledetección hiperespectral reside en el fuerte efecto de dispersión de las partículas en suspensión sobre la luz incidente. A medida que aumenta la concentración de sedimentos en suspensión en el agua, la curva espectral de reflectancia cambia significativamente en las bandas visible e infrarroja cercana, especialmente en el rango de 600 nm a 800 nm, donde la reflectancia aumenta drásticamente con el incremento de la concentración. En comparación con las imágenes multiespectrales convencionales, las imágenes hiperespectrales capturan estas sutiles características espectrales a través de bandas continuas a escala nanométrica, distinguiendo eficazmente las contribuciones de la dispersión de sedimentos, la absorción de algas y la reflexión de los sedimentos del fondo.
Métodos y principios
Este estudio de caso utilizó imágenes hiperespectrales tomadas por el satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) el 14 de julio de 2025 para realizar un monitoreo de sedimentos en suspensión, y comparó y analizó diferentes métodos basándose en los resultados de la extracción.
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) Calibración radiométrica: Los datos originales del valor DN se procesan utilizando los coeficientes de calibración radiométrica proporcionados por la radiancia para obtener los datos de radiancia aparente. Esto se puede realizar utilizando la herramienta de calibración radiométrica en ENVI.
(2) Corrección atmosférica: La corrección atmosférica se realiza utilizando herramientas de corrección atmosférica basadas en modelos 6S o MODTRAN para obtener datos de reflectancia de superficie, como la herramienta de corrección atmosférica FLAASH en ENVI.
(3) Suavizado espectral: En ENVI, se utiliza el algoritmo Savitzky-Golay (SG) para suavizar los datos de reflectancia superficial, lo que reduce el ruido espectral y mejora la fiabilidad de la clasificación posterior. Puede utilizar la herramienta de extensión Filtro Savitzky-Golay disponible en la App Store de ENVI o la herramienta integrada de Suavizado Espectral THOR. Al utilizar el Filtro Savitzky-Golay, los parámetros se configuran de la siguiente manera:
(4) Registro de imágenes (opcional): Georreferenciar los datos procesados con respecto al mapa base. El registro puede realizarse en ENVI, QGIS o ArcGIS. Se recomienda utilizar Google Imagery como mapa de referencia.
2. Índice de Diferencia Normalizada del Agua (NDWI)
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:
3. Índice de sedimentos en suspensión de diferencia normalizada (NDSSI)
El Índice de Sedimentos en Suspensión de Diferencia Normalizada (NDSSI) se construye aprovechando al máximo el poder de penetración de la luz azul y la fuerte absorción de la luz infrarroja cercana en el agua. Dado que el agua pura absorbe casi toda la energía incidente en la banda del infrarrojo cercano, y la materia particulada en suspensión presenta características de dispersión significativas en esta banda, la diferencia normalizada entre la luz azul y la luz infrarroja cercana puede mejorar eficazmente el contraste entre la materia en suspensión y el fondo del agua.
4. Método de relación de bandas (relación TSM)
El método de relación TSM elimina el ruido ambiental de fondo y resalta las características objetivo mediante combinaciones no lineales de diferentes canales espectrales. La base física de este método es el significativo desplazamiento al rojo del pico espectral de reflectancia del agua a medida que aumenta la concentración de sólidos en suspensión. En aplicaciones prácticas, la relación entre la luz roja y la verde (Rojo/Verde) se utiliza a menudo como indicador de sensibilidad. Esto se debe a que la banda de luz roja (alrededor de 665 nm) es extremadamente sensible a la retrodispersión de concentraciones bajas a medias de partículas en suspensión, mientras que la banda de luz verde (alrededor de 560 nm) se ve menos afectada por pigmentos como la clorofila. Este cálculo de relación es matemáticamente simple y eficiente, y puede eliminar parcialmente los errores de radiación causados por el ángulo de visión del sensor y el sombreado del terreno. Es un método común para el monitoreo de la calidad del agua en lagos de colores complejos como el lago Hongze.
Análisis de resultados
Figura 1. Imagen compuesta en color real del satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 20250714
Figura 2. Distribución de los resultados de NDSSI para el satélite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 20250714
Figura 3. Distribución de los resultados de la relación TSM para el satélite Xiguang-1 05 (número Tianxianpei 20250714).
Según los resultados del cálculo del NDSSI y la relación TSM, el sedimento en suspensión en el lago Hongze presenta un patrón de distribución espacial muy consistente, caracterizado por valores altos en el noroeste y valores bajos en el centro y sureste del lago. Las áreas de valores altos se concentran significativamente a lo largo de la costa noroeste, lo que refleja directamente el estado de deposición inicial de grandes cantidades de sedimento transportadas al lago por la escorrentía. Además, las intensas lluvias de verano, junto con el clima monzónico de la cuenca del lago Hongze y su gran escorrentía superficial, aumentan la erosión del río y la capacidad de transporte de sedimentos, lo que conlleva un incremento significativo en el flujo de sedimentos. El lago Hongze es un típico lago suspendido con un terreno bajo; el lecho del lago se encuentra a mayor altura que el terreno circundante. Los ríos que desembocan en el lago (como el río Huai) experimentan un fuerte descenso de elevación al entrar en la zona lacustre, lo que reduce su velocidad de flujo y su capacidad de transporte, resultando en una importante deposición de sedimentos. Por el contrario, las aguas abiertas en el centro del lago y las aguas profundas en el sureste se encuentran en el rango de valores bajos en ambos mapas, lo que indica que estas áreas se ven menos afectadas por los aportes terrestres y tienen una transparencia del agua relativamente alta.
En resumen, estos dos métodos no solo confirman el hecho geográfico de que el río Huai es la principal fuente de sedimentos para el lago Hongze, sino que también proporcionan una base científica cuantitativa para la posterior eliminación de la interferencia de la vegetación emergente y el monitoreo preciso de la evolución del humedal.