Pemantauan Tutupan Salju dan Es di Dalad Banner, Mongolia Dalam Berdasarkan Dekomposisi Spektral Campuran Hiperspektral

Tutupan salju merupakan variabel sistemik aktif dalam perubahan iklim Bumi, bukan hanya indikator penting perubahan iklim global tetapi juga terkait erat dengan keseimbangan energi Bumi, siklus atmosfer, siklus air, dan siklus karbon dan nitrogen. Reflektivitasnya yang tinggi, kapasitas penyimpanan dingin yang tinggi, panas laten transisi fase yang sangat besar, dan perannya sebagai sumber dan penyerap gas rumah kaca menjadikannya memainkan peran penting dalam keseimbangan energi permukaan Bumi. Teknologi penginderaan jauh kuantitatif adalah sarana utama untuk memperoleh informasi tutupan salju guna memantau perubahan tutupan salju, menilai responsnya terhadap perubahan iklim, dan melakukan penelitian hidrologi tutupan salju. Penginderaan jauh satelit banyak digunakan di bidang penelitian tutupan salju.

Salju memiliki reflektivitas tinggi pada pita cahaya tampak, tetapi reflektivitas rendah pada pita inframerah gelombang pendek, sedangkan sebagian besar awan memiliki reflektivitas tinggi pada kedua pita tersebut. Oleh karena itu, menghitung perbedaan antara pita cahaya tampak dan inframerah gelombang pendek menggunakan Indeks Perbedaan Normalisasi pada Salju (NDSI) dapat secara efektif mengidentifikasi informasi tutupan salju dalam data penginderaan jauh optik. Namun, karena salju dan awan memiliki karakteristik spektral yang serupa pada pita cahaya tampak, produk tutupan salju yang dikembangkan berdasarkan teknologi penginderaan jauh optik seringkali dipengaruhi oleh radiasi matahari dan tutupan awan yang tidak mencukupi, sehingga menghasilkan sejumlah besar nilai yang hilang dan menimbulkan kesulitan tertentu dalam penerapannya. Oleh karena itu, kami menggunakan metode dekomposisi spektral hibrida untuk mengekstrak area tutupan salju, yang dapat mencapai akurasi tinggi dan tingkat kesalahan positif yang rendah.

CAS Xiguang Aerospace - Pemetaan Tutupan Salju dan Es

Sumber data: Pencitra hiperspektral XIGUANG003

Wilayah: Dalad Banner, Mongolia Dalam

Tanggal pengambilan gambar: 5 Januari 2024

Pemetaan tutupan salju dan es meliputi langkah-langkah berikut:

1. Kalibrasi radiometrik, koreksi atmosfer, dan ortorektifikasi data mentah L2A;
2. Pengurangan dimensi spektral dilakukan menggunakan Minimum Noise Transform (MNF).
3. Gunakan pengukuran konsistensi spasial untuk menentukan dimensi data;
4. Hitung Indeks Piksel Murni (PPI) dan saring variabel lebih lanjut menggunakan Indeks Piksel Murni (PPI);
5. Hasilnya divisualisasikan dalam N dimensi, dikelompokkan secara otomatis, dan endmember diidentifikasi.
6. Pemetaan spektral dilakukan menggunakan pemetaan sudut spektral (SAM) dan filter pencocokan terkalibrasi hibrida (MTMF) untuk mengklasifikasikan dan menghitung kelimpahan endmember secara simultan.
7. Peta dibuat berdasarkan hasil pemetaan dan kemudian digabungkan dengan citra pankromatik resolusi tinggi.

△ Gambar 1 Citra reflektansi setelah koreksi atmosfer dan ortorektifikasi

Area penelitian terletak di Dalad Banner, Mongolia Dalam, tepatnya di bagian selatan Kota Baotou, di tepi selatan Sungai Kuning. Area ini mencakup Kota Dalad dan Pembangkit Listrik Fotovoltaik Dalad. Bentuk lahan utama di area ini adalah kota, sungai, tambang, dan gurun, dengan tutupan salju yang signifikan yang diamati selama pengamatan satelit.

△Gambar 2 Perbandingan reflektivitas berbagai fitur permukaan tanah

Kehadiran puncak refleksi pada 760 nm di salju menunjukkan daya pantulnya yang kuat terhadap cahaya pada panjang gelombang tersebut. Hal ini karena salju tersusun dari kristal es, yang memiliki efek hamburan cahaya yang kuat. Ketika cahaya menyinari salju, sebagian cahaya diserap oleh kristal es, sementara sisanya dihamburkan ke berbagai arah. Di antara cahaya yang dihamburkan, intensitas hamburan paling kuat pada 760 nm, sehingga muncul puncak refleksi pada panjang gelombang ini. Menurut Gambar 2, perbedaan daya pantul pada 760 nm dapat digunakan untuk mengklasifikasikan lebih lanjut lapisan salju; yaitu, dengan memantau perubahan daya pantul cahaya pada 760 nm, pencairan salju dapat dipantau. Ketika salju mencair, kristal es berubah menjadi air, dan air menghamburkan cahaya kurang efektif daripada kristal es. Oleh karena itu, saat salju mencair, daya pantul cahaya pada 760 nm menurun.

Setelah perhitungan piksel murni dan ekstraksi endmember, jumlah akhir endmember yang dipertahankan adalah 3, dua di antaranya mewakili tutupan salju. Oleh karena itu, tutupan salju selanjutnya dibagi menjadi salju baru dan salju lama (campuran es-salju), dan situasi pencairan salju dianalisis.

Pemantauan pencairan salju dapat digunakan untuk aplikasi berikut:

1. Prakiraan banjir: Pencairan salju merupakan salah satu sumber utama banjir. Dengan memantau pencairan salju, kemungkinan dan skala banjir dapat diprediksi.
2. Prakiraan longsor salju: Longsor salju adalah bencana alam lain yang disebabkan oleh pencairan salju. Dengan memantau pencairan salju, kemungkinan dan skala longsor salju dapat diprediksi.
3. Pengelolaan sumber daya air: Pencairan salju merupakan sumber aliran sungai yang signifikan. Dengan memantau pencairan salju, perubahan aliran sungai dapat diprediksi, sehingga memungkinkan pengelolaan sumber daya air.

△ Gambar 3 Peta distribusi kelimpahan unsur salju baru.

△ Gambar 4 Peta distribusi kelimpahan tanaman endemik salju tua

Penyaringan Pencocokan yang Disetel Campuran (MTMF) menggunakan metode dekomposisi parsial untuk menemukan kelimpahan spektrum endmember. Teknik ini memanfaatkan "filter yang cocok" (MF) untuk memaksimalkan respons endmember yang diketahui dan menekan respons yang bercampur dengan latar belakang yang tidak diketahui, sehingga "mencocokkan" sinyal yang diketahui. Teknik ini menyediakan metode untuk mendeteksi material spesifik secara cepat berdasarkan pencocokan spektrum endmember dalam pustaka atau gambar, tanpa memerlukan pengetahuan tentang semua endmember dalam adegan gambar. Sebaliknya, dekomposisi spektral linier menemukan kelimpahan material dalam piksel gambar dengan mengasumsikan bahwa reflektansi piksel di setiap pita sama dengan kombinasi linier dari reflektansi material endmember yang ada di dalam piksel.

Gambar 3 dan 4 menunjukkan hasil MTMF, yang dapat memvisualisasikan kelimpahan endmember dari setiap piksel dan secara intuitif menampilkan komposisi spektral campuran piksel tersebut. Semakin gelap warnanya, semakin tinggi kelimpahan endmember tersebut. Salju yang baru turun ditemukan menutupi dataran barat dan pegunungan selatan Kota Dalat. Salju lama sebagian besar tersebar di gurun barat, Kota Dalat, dan daerah pertambangan.Hasil dari pemetaan sudut spektral (SAM) selanjutnya juga mengkonfirmasi hal ini.

△ Gambar 5 Hasil klasifikasi pemetaan sudut spektral

Spectral Angle Mapper (SAM) mencocokkan spektrum citra dengan spektrum referensi dalam ruang N-dimensi. SAM membandingkan sudut antara spektrum endmember (dilihat sebagai vektor n-dimensi, di mana N adalah jumlah band) dan vektor setiap piksel dalam ruang N-dimensi. Sudut yang lebih kecil menunjukkan kecocokan yang lebih dekat dengan spektrum referensi. Ketika digunakan pada data yang telah dikalibrasi, teknik ini relatif tidak sensitif terhadap efek iluminasi dan albedo. SAM menghasilkan citra klasifikasi berdasarkan ambang batas sudut maksimum.

Gambar 5 menunjukkan hasil klasifikasi akhir. Terlihat bahwa dibandingkan dengan hasil MTMF, efek klasifikasi untuk wilayah barat lebih baik, secara efektif mengurangi tingkat positif palsu. Pada saat yang sama, hal ini lebih jelas menunjukkan rendahnya tutupan salju dan es serta fenomena pencairan salju di Kota Dalat di timur laut dan area pertambangan di tenggara.

Statistik tentang area cakupan salju dan es

Statistik mengenai cakupan salju dan es adalah sebagai berikut:

Total area yang dicakup oleh citra satelit: 6.400 kilometer persegi

Luas wilayah yang tertutup salju: 11% (704 kilometer persegi)

Luas tutupan salju lama: 6% (384 kilometer persegi)

Dengan meneliti data meteorologi historis setempat, ditemukan bahwa suhu tertinggi sekitar -1℃. Oleh karena itu, alasan utama mencairnya salju dan es di daerah ini kemungkinan besar adalah faktor-faktor berikut:

1. Dampak aktivitas manusia: Daerah padat penduduk dan daerah pertambangan batubara biasanya memiliki banyak aktivitas manusia, seperti penambangan, transportasi, dan operasi mekanis. Aktivitas-aktivitas ini dapat mengubah sifat dan struktur permukaan, mengurangi kekasaran permukaan, dan menyulitkan salju untuk tetap berada atau menumpuk di permukaan. Pada saat yang sama, pembersihan salju buatan dilakukan di kota-kota dan jalan-jalan. Sebaliknya, daerah utara sebagian besar terdiri dari desa dan lahan pertanian dengan sedikit campur tangan manusia, sehingga salju mencair lebih lambat.
2. Penutup dan fasilitas: Daerah padat penduduk dan daerah pertambangan batubara biasanya memiliki banyak struktur buatan manusia seperti bangunan, peralatan, dan jalan. Penutup ini menyerap radiasi matahari, yang meningkatkan suhu permukaan dan mengurangi pembentukan serta pemeliharaan salju.
3. Emisi panas: Aktivitas produksi di daerah padat penduduk dan tambang batubara biasanya disertai dengan emisi panas dalam jumlah besar, seperti panas yang dihasilkan dari pembakaran batubara dan panas kerja peralatan mekanik. Panas ini akan meningkatkan suhu permukaan sekitarnya, sehingga menyulitkan salju untuk menumpuk di lingkungan seperti itu.

Hasil klasifikasi permukaan salju/es lama muncul di saluran Sungai Kuning. Dikombinasikan dengan kondisi meteorologi dan tanggal musim banjir es Sungai Kuning, ditentukan bahwa itu adalah bongkahan es yang terdiri dari campuran es dan air atau saluran sungai yang sebagian membeku. Dikombinasikan dengan data lapangan, analisis lebih lanjut tentang komposisi bongkahan es atau pembekuan sungai dapat dilakukan. Seluruh proses bongkahan es di saluran sungai dapat dipantau dari skala spasial yang lebih besar, yang juga mencerminkan nilai aplikasi teknologi penginderaan jauh hiperspektral.