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Inversion quantitative de la chlorophylle a dans l'eau lacustre par télédétection
Aperçu
Chlorophylle a 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.
Cependant, les caractéristiques optiques des plans d'eau continentaux varient considérablement selon les régions et les saisons, et les différents algorithmes d'inversion de la chlorophylle a restent limités par les saisons et les zones géographiques, ce qui engendre des incohérences dans les modèles d'inversion établis à partir des paramètres de qualité de l'eau dans différentes zones d'étude. Par conséquent, cet article utilise les modèles d'inversion précédemment établis pour différents lacs afin d'évaluer leur universalité.
données
Modèle d'inversion :
Dans les travaux préliminaires, un modèle d'inversion de fonction linéaire binaire a été établi en utilisant les données de 20 points d'échantillonnage lacustres le 15 janvier 2026, ainsi que les données du satellite Sentinel-2 passant au-dessus pendant la même période, à travers différentes combinaisons de bandes d'ondes.
Lac de vérification
En utilisant les données du satellite Sentinel-2 ayant traversé la région pendant la même période, les données ont été analysées pour le lac Luoma et le lac Chaohu.Lac TaipingL'étude s'est principalement concentrée sur les lacs Longgan, Daguan, Gucheng et Wabu, en collectant des données de concentration en chlorophylle a (Chl-a) provenant de différentes stations jusqu'au 15 janvier 2026 (tableau 1). Le produit de niveau 2A de l'analyseur multispectral (MSI) Sentinel-2 a été utilisé, couvrant 10 bandes (B1 à B9, incluant B8A). Les données proviennent de…Moteur Google EarthObtenir.
Méthodes d'évaluation
Dans le processus de correspondance spatiale entre les résultats d'inversion de télédétection et les données mesurées par station, une fenêtre de 3×3 pixels est utilisée pour l'extraction collaborative afin d'améliorer la précision de la vérification et de réduire l'incertitude causée par les effets d'échelle.
Le processus de mise en œuvre spécifique est le suivant :
(1) FenêtreLocalisation et extractionEn se basant sur les coordonnées de la station de surveillance, localisez le pixel voisin le plus proche dans l'image et extrayez toutes les valeurs d'inversion de la chlorophylle a dans une fenêtre de voisinage 3×3 centrée sur ce pixel.
(2) Contrôle de la qualité et statistiques :
Supprimer les valeurs invalides dans la fenêtre (telles que les marqueurs de masque de nuage, les pixels terrestres, les valeurs inversées qui dépassent la plage physiquement raisonnable, etc.) ;
Le nombre de pixels valides doit être ≥5 ; sinon, les données de ce site seront marquées comme « échec de correspondance » et supprimées.
La moyenne arithmétique des pixels effectifs restants est calculée et utilisée comme valeur représentative finale de l'inversion de télédétection pour la station mesurée ;
Le modèle optimal issu de travaux antérieurs a été directement appliqué à d'autres lacs, et son applicabilité générale a été évaluée à l'aide du coefficient de détermination (R²), de l'erreur quadratique moyenne (RMSE) et de l'erreur absolue moyenne (MAE).
Coefficient de détermination (R²) :
Erreur quadratique moyenne (RMSE) :
Erreur absolue moyenne (MAE) :
Résultats et analyse
Le modèle d'inversion précédent a été appliqué à chaque lac, et les cartes d'inversion suivantes ont été obtenues :
Figure 1.Images de Sentinel-2 à Chaohu
Figure 2.Carte de distribution des résultats d'inversion de la chlorophylle a à Chaohu
Figure 3.Images Sentinel-2 du lac Gucheng
Figure 4.Carte de répartition des résultats d'inversion de la chlorophylle a dans le lac Gucheng
Figure 5.Images Sentinel-2 du lac Luoma
Figure 6.Carte de répartition des résultats d'inversion de la chlorophylle a dans le lac Luoma
Figure 7.Images Sentinel-2 du lac Taiping
Figure 8.Carte de répartition des résultats d'inversion de la chlorophylle a dans le lac Taiping
Le coefficient de détermination (R²) était de 0,7589, l'erreur quadratique moyenne (RMSE) de 0,002143 et l'erreur absolue moyenne (MAE) de 0,001189, ce qui indique que le modèle d'inversion présentait des caractéristiques d'« ajustement modéré et de différenciation régionale » lors de la validation inter-lacs. Le biais d'inversion était relativement faible dans la zone estuarienne et les zones de faible concentration. Le modèle, à trois stations, a montré une sensibilité insuffisante dans la zone de forte biomasse sur la rive ouest du lac Chaohu, possiblement liée aux résidus de prolifération algale hivernale et à l'effet de couplage spectral entre les matières en suspension et la chlorophylle. Biais de distribution spatiale et…Propriétés optiques de l'eauLes gradients sont très cohérents : le système d’inversion à forte turbidité présente systématiquement des valeurs basses, tandis que le plan d’eau profond et clair (lac Taiping) reste relativement stable, confirmant ainsi la règle d’inversion de télédétection selon laquelle « le type de plan d’eau détermine la réponse du modèle ». Globalement, le modèle s’adapte très bien aux régions relativement homogènes présentant des fonds optiques de plans d’eau et possède une certaine applicabilité régionale pour l’inversion. Les résultats sont généralement d’une grande utilité pratique.
Étant donné que cette inversion est basée sur des données de station d'une seule journée, et que la concentration de chlorophylle a dans l'eau est faible en hiver et que les données d'image sont fortement affectées par la couverture nuageuse, des données sur plusieurs périodes seront collectées à l'avenir afin d'augmenter la taille de l'échantillon pour de multiples inversions.