Analyse de cas du lac Taihu basée sur l'indice de chlorophylle hyperspectral

Introduction générale

La télédétection satellitaire joue un rôle crucial dans la surveillance de la qualité des eaux continentales, permettant l'acquisition rapide et économique de paramètres clés sur une vaste zone. Cependant, cette surveillance impose également des exigences élevées à la télédétection satellitaire : les petites masses d'eau requièrent une haute résolution spatiale ; l'évolution rapide de la qualité de l'eau exige une haute résolution temporelle ; et les caractéristiques optiques complexes et variables des masses d'eau requièrent une haute résolution spectrale. Par conséquent, les données satellitaires qui répondent simultanément à des résolutions spatiale, temporelle et spectrale élevées présentent des avantages considérables pour la surveillance des eaux continentales.

La chlorophylle a est un paramètre important de la qualité de l'eau et un pigment essentiel des algues. Elle permet de refléter la biomasse totale et la répartition des différentes algues et de mesurer le degré d'eutrophisation des plans d'eau.

Lors d'une prolifération d'algues, la concentration de chlorophylle dans la plupart des zones du plan d'eau dépasse généralement 100 mg/m³.^-3À ce stade, la concentration de chlorophylle a ne suffit plus comme indicateur précoce de prolifération d'algues. Le suivi de cette concentration dans les plans d'eau avant ou au début d'une prolifération d'algues peut fournir des informations sur la biomasse algale et la qualité de l'eau, ce qui est essentiel pour la détection précoce et la prévention ciblée de ces proliférations.

Méthodes et principes

Cette étude de cas a utilisé des images hyperspectrales de la région du lac Taihu prises par le satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) le 18 juin 2025 pour calculer divers indices de chlorophylle et a analysé la qualité de l'eau de la région du lac Taihu sur la base des résultats des indices correspondants.

Tableau 1. Introduction aux données

Dans ce cas, le calcul de l'indice utilise des données de réflectance du niveau L2C corrigées des effets atmosphériques. La procédure opératoire spécifique est la suivante :

1. Prétraitement des données

Étalonnage radiométrique : une correction radiométrique est appliquée aux données brutes de valeurs DN à l’aide des coefficients d’étalonnage radiométrique fournis par Radiance afin d’obtenir les données de luminance apparente. Cette opération peut être effectuée à l’aide de l’outil d’étalonnage radiométrique d’ENVI.

Correction atmosphérique : La correction atmosphérique est effectuée à l'aide d'outils de correction atmosphérique basés sur les modèles 6S ou MODTRAN pour obtenir des données de réflectance de surface, comme l'outil de correction atmosphérique FLAASH dans ENVI.

Lissage spectral : L'algorithme Savitzky-Golay (SG) est utilisé pour lisser les données de réflectance de surface dans ENVI, ce qui réduit le bruit spectral et améliore la fiabilité des calculs d'indices connexes ultérieurs.

Masque de plan d'eau : en normalisant le nombre de réflectance de surface pour calculer l'indice du plan d'eau et en sélectionnant un seuil approprié en fonction de l'histogramme des résultats du calcul, la zone du lac Taihu est extraite.

Calcul des indices : Calculer les indices spectraux.

2. Calcul de l'indice spectral

• SEPT

L'étendue des plans d'eau a été extraite par la méthode de l'indice spectral. Plus précisément, l'indice de différence normalisée de l'eau (NDWI) a été calculé à partir de l'image de réflectance de surface traitée par FLASH. Ensuite, un seuil a été défini à partir de l'histogramme de l'image NDWI pour extraire les plans d'eau. La formule de calcul est la suivante :

• Indice de rapport à deux bandes (BR)

Réflectance de télédétection R dans les bandes 705 nm et 671 nm_rsCe ratio met en évidence les différences dans le spectre de la chlorophylle, et la formule de calcul est la suivante :

• Indice de dichlorophylle normalisé (NDCI)

La différence normalisée de réflectance entre les bandes 705 nm et 671 nm permet d'extraire des informations sur les caractéristiques du sol liées à la chlorophylle (comme les algues et la végétation). La formule de calcul est la suivante :

• Indice à trois bandes (TBI)

En combinant l'inverse de la différence de réflectance dans les bandes 671 nm et 705 nm, puis en la multipliant par la réflectance dans la bande 731 nm, on peut potentiellement mettre en évidence des variations de turbidité dans une eau trouble. La formule de calcul est la suivante :

Affichage des résultats

Figure 1. Image composite en vraies couleurs (satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 18/06/2025)

Comparaison des courbes spectrales dans la région du lac Taihu avant et après filtrage SG (réflectivité augmentée de 10 000 fois, satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 06/04/2025)

Figure 2 Comparaison des courbes spectrales avant et après filtrage SG

L'extraction d'eau et le calcul d'indice mentionnés ci-dessus ont été effectués sur le satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), et les résultats suivants ont été obtenus :

Figure 3. Distribution de l'indice de rapport à deux bandes (BR) (satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250618)

Figure 4. Distribution de l'indice de dichlorophylle normalisé (NDCI) (satellite Xiguang n° 1 05 (Tianxianpei), 20250618)

Figure 5. Distribution de l'indice à trois bandes (TBI) (satellite Xiguang-1-05 (Tianxianpei), 18/06/2025)

Les résultats présentés dans les figures ci-dessus sont relativement cohérents quant à la distribution globale des indices BR et TCDI, tandis que la distribution de l'indice TBI présente quelques différences. De manière générale, les proliférations algales sont importantes dans la partie ouest du lac Taihu, avec des concentrations de chlorophylle a plus élevées à proximité des zones touchées. Ceci s'explique par le fait que cette partie du lac est alimentée par des rivières qui y apportent d'importantes quantités de nutriments, favorisant une croissance algale vigoureuse et, par conséquent, des proliférations de cyanobactéries et une augmentation des concentrations de chlorophylle a. Les parties centrale et orientale du lac Taihu sont moins affectées, ce qui explique une meilleure qualité de l'eau que dans la partie ouest. La végétation aquatique se développe dans la partie orientale du lac, et la concentration de chlorophylle a y est plus faible.

L'analyse des données historiques révèle que les baies du nord-ouest du lac Taihu, notamment les baies de Zhushan et de Meiliang, sont les zones où la prolifération de cyanobactéries est la plus fréquente, et que ces trois zones subissent les proliférations les plus importantes. Les algues de surface sont influencées par le vent et les vagues. D'une part, elles se déplacent avec le courant, s'accumulant dans les baies et formant des efflorescences. D'autre part, les vents dominants dans la région du lac Taihu durant l'été étant d'est et de sud-est, lorsque les cyanobactéries remontent à la surface, elles dérivent vers le nord et l'ouest du lac sous l'effet du vent, se combinant aux cyanobactéries déjà présentes dans ces zones et provoquant ainsi d'importantes proliférations.

La zone centrale du lac est une zone de prolifération algale de grande ampleur. Lorsqu'une prolifération algale se produit dans cette zone pendant l'été, elle couvre une vaste superficie. Historiquement, cette zone a connu des proliférations algales d'une ampleur supérieure à celle observée dans d'autres zones aquatiques. En revanche, les proliférations algales sont rares dans la partie sud-ouest du lac et quasi inexistantes dans la partie orientale, ce qui indique que l'environnement y est relativement favorable.