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Inversion de la concentration de chlorophylle a dans le lac Hongze
Aperçu
La chlorophylle a est le principal pigment photosynthétique du phytoplancton et est souvent utilisée comme indicateur de sa biomasse, ce qui en fait un élément important de la gestion des milieux aquatiques. La concentration en chlorophylle a (Chla) est un indicateur clé pour évaluer le degré d'eutrophisation des plans d'eau et étudier le cycle du carbone en milieu aquatique ; sa mesure rapide et précise est essentielle à la gestion écologique des lacs.
Les méthodes traditionnelles d'évaluation de l'état trophique des lacs reposent principalement sur l'échantillonnage et l'analyse in situ. Cependant, cette méthode est sensible aux conditions météorologiques et environnementales locales, et le processus d'échantillonnage et d'analyse est long, laborieux et coûteux, ce qui rend difficile le suivi de l'eutrophisation des lacs à des échelles spatio-temporelles fines. En revanche, la télédétection offre des avantages tels qu'une large couverture, une acquisition de données rapide et des temps de traitement courts, palliant ainsi de nombreux inconvénients des méthodes traditionnelles d'échantillonnage de la qualité de l'eau. C'est pourquoi elle est largement utilisée pour la surveillance de l'environnement aquatique et de l'écologie des lacs.
données
Source des données :
(1) Données des points d'échantillonnage : Dans cette étude, un total de 19 points d'échantillonnage valides ont été collectés et analysés. Ces points de données ont fait l'objet d'un contrôle qualité rigoureux afin de garantir l'exactitude et la fiabilité des analyses ultérieures.
(2) Données de télédétection : Le produit standard de niveau 2A fourni par l’instrument multispectral Sentinel-2 (MSI) a été utilisé comme principale source de données de télédétection. Ce produit couvre 10 bandes spectrales clés, dont les bandes B1 à B9 et la bande B8A, permettant de capturer de manière exhaustive les caractéristiques spectrales des masses d’eau de surface. Toutes les données de télédétection ont été acquises et traitées efficacement grâce à la plateforme Google Earth Engine.
Informatique:
(1) Nettoyage des données : Tout d'abord, supprimez les points de données avec une concentration de chlorophylle a (Chl-a) inférieure ou égale à 0 et les valeurs manquantes pour garantir la validité et l'exactitude des données.
(2) Extraction des étendues d'eau : L'indice normalisé de l'eau (NDWI) est appliqué, et la formule de calcul est (B3 - B8) / (B3 + B8). Un masque des étendues d'eau est généré en définissant un seuil supérieur à 0,1, ce qui permet d'extraire précisément la zone des étendues d'eau et d'éliminer l'interférence des pixels autres que ceux des étendues d'eau.
(3) Traitement de correspondance spatio-temporelle : Spatialement, la valeur de réflectance moyenne de la fenêtre de 3x3 pixels autour de chaque point d'échantillonnage est extraite pour réduire l'impact du bruit au niveau des pixels et de l'hétérogénéité spatiale ; temporellement, une correspondance précise est effectuée sur la base de la date d'échantillonnage réelle pour garantir que les données de télédétection et les données d'observation sur le terrain sont hautement cohérentes dans le temps, améliorant ainsi la précision spatio-temporelle de l'analyse.
voie technique
Figure 1. Feuille de route technologique
méthode
À partir de données mesurées et d'images satellitaires existantes, cette étude compare les coefficients de corrélation de différentes bandes spectrales, seules ou combinées. La combinaison de bandes présentant la corrélation la plus élevée est utilisée comme variable indépendante, et la concentration en chlorophylle a, paramètre de qualité de l'eau, comme variable dépendante. Un modèle de régression statistique est construit pour extraire les données de qualité de l'eau. La précision du modèle est évaluée à l'aide du coefficient de détermination R², ce qui permet d'obtenir le modèle d'extraction final.
Résultats et analyse
À partir du modèle d'inversion ci-dessus, la carte de distribution de la concentration de chlorophylle a dans l'eau du lac Hongze aux points d'échantillonnage ce jour-là a été obtenue :
Figure 2.Concentration de chlorophylle a dans le lac Hongze (mg/L)
Comme le montre la figure, la concentration globale de chlorophylle a (Chl-a) dans le lac Hongze, estimée par inversion des données Sentinel-2, correspond à un faible niveau trophique, avec une concentration maximale de seulement 0,0145 mg/L. Ceci concorde avec la caractéristique saisonnière de la biomasse phytoplanctonique, réduite par les basses températures et la faible luminosité hivernales. Spatialement, une hétérogénéité marquée se dégage, caractérisée par une faible concentration au centre du lac et une forte concentration sur ses rives : les eaux libres au centre du lac présentent généralement de faibles concentrations de Chl-a, indiquant une eau relativement propre ; tandis que le long des rives, notamment aux embouchures des rivières et dans les baies peu profondes proches des villes voisines, des zones localisées de forte concentration apparaissent, témoignant d’une activité humaine fréquente et d’un impact potentiel sur l’eutrophisation. Globalement, l’inversion s’est produite en janvier (hiver), lorsque la température de l’eau du lac Hongze était basse, ce qui a freiné la croissance des algues. Par conséquent, la concentration de Chl-a dans la zone principale du lac est restée faible tout au long de l’année. Cependant, le littoral a subi l'influence ponctuelle des apports terrestres, formant ainsi une zone locale à forte valeur écologique. Ceci concorde avec le profil de distribution saisonnière de la concentration en chlorophylle a dans le lac Hongze, élevée près du rivage en hiver et au printemps, et faible au centre du lac.