Studi Kasus Analisis Danau Taihu Berdasarkan Indeks Klorofil Hiperspektral

Pendahuluan Latar Belakang

Teknologi penginderaan jauh satelit memainkan peran penting dalam pemantauan kualitas air pedalaman, memungkinkan pengambilan parameter kualitas air utama di area yang luas, dengan cepat, dan dengan biaya rendah. Namun, pemantauan kualitas air pedalaman juga menuntut teknologi penginderaan jauh satelit yang tinggi: badan air kecil membutuhkan resolusi spasial yang tinggi; kualitas air yang berubah dengan cepat memerlukan resolusi temporal yang tinggi; dan karakteristik optik badan air yang kompleks dan bervariasi memerlukan resolusi spektral yang tinggi. Oleh karena itu, data satelit yang secara simultan memenuhi resolusi spasial tinggi, resolusi temporal tinggi, dan resolusi spektral tinggi memiliki keunggulan signifikan dalam pemantauan air pedalaman.

Klorofil a merupakan parameter kualitas air yang penting dan pigmen kunci pada alga. Klorofil a dapat mencerminkan total biomassa dan distribusi berbagai alga serta mengukur tingkat eutrofikasi di badan air.

Selama terjadinya ledakan alga, konsentrasi klorofil di sebagian besar area badan air umumnya melebihi 100 mg/m³.^-3Pada titik ini, konsentrasi klorofil a tidak lagi cukup sebagai indikator peringatan dini untuk terjadinya ledakan alga. Pemantauan konsentrasi klorofil a di badan air sebelum atau pada awal terjadinya ledakan alga dapat memberikan informasi tentang biomassa alga dan kualitas air, yang sangat penting untuk peringatan dini dan pencegahan ledakan alga yang tepat sasaran.

Metode dan Prinsip

Studi kasus ini menggunakan citra hiperspektral wilayah Danau Taihu yang diambil oleh satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei) pada tanggal 18 Juni 2025, untuk menghitung berbagai indeks klorofil, dan menganalisis kualitas air wilayah Danau Taihu berdasarkan hasil indeks yang sesuai.

Tabel 1. Pengenalan Data

Dalam hal ini, perhitungan indeks menggunakan data reflektansi tingkat L2C yang telah dikoreksi secara atmosferik. Prosedur operasi spesifiknya adalah sebagai berikut:

1. Praproses Data

Kalibrasi radiometrik: Koreksi radiometrik dilakukan pada data nilai DN mentah menggunakan koefisien kalibrasi radiometrik yang disediakan oleh radiansi untuk mendapatkan data radiansi tampak. Hal ini dapat dilakukan menggunakan alat Kalibrasi Radiometrik di ENVI.

Koreksi atmosfer: Koreksi atmosfer dilakukan menggunakan alat koreksi atmosfer berbasis model 6S atau MODTRAN untuk mendapatkan data reflektansi permukaan, seperti alat koreksi atmosfer FLAASH di ENVI.

Penghalusan spektral: Algoritma Savitzky-Golay (SG) digunakan untuk menghaluskan data reflektansi permukaan di ENVI, yang mengurangi noise spektral dan meningkatkan keandalan perhitungan indeks terkait selanjutnya.

Masking badan air: Dengan menormalkan angka reflektansi permukaan untuk menghitung indeks badan air, dan memilih ambang batas yang sesuai berdasarkan histogram hasil perhitungan, area Danau Taihu diekstrak.

Perhitungan Indeks: Hitung indeks spektral.

2. Perhitungan indeks spektral

• TUJUH

Luas badan air diekstraksi menggunakan metode indeks spektral. Secara spesifik, Normalized Difference Water Index (NDWI) dihitung berdasarkan citra reflektansi permukaan yang diproses oleh FLASH. Kemudian, berdasarkan histogram citra NDWI, ambang batas ditetapkan untuk menyelesaikan ekstraksi badan air. Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut:

• Indeks rasio dua pita (BR)

Reflektansi penginderaan jauh R pada pita 705nm dan 671nm_rsRasio tersebut menyoroti perbedaan dalam spektrum klorofil, dan rumus perhitungannya adalah sebagai berikut:

• Indeks Diklorofil Ternormalisasi (NDCI)

Perbedaan reflektansi yang dinormalisasi antara pita 705nm dan 671nm dapat digunakan untuk mengekstrak informasi tentang fitur permukaan tanah yang berkaitan dengan klorofil (seperti alga dan vegetasi). Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut:

• Indeks Tiga Pita (TBI)

Dengan menggabungkan perbedaan timbal balik reflektansi pada pita 671nm dan 705nm, lalu mengalikannya dengan reflektansi pada pita 731nm, berpotensi dapat digunakan untuk menyoroti perubahan atau perbedaan kekeruhan pada air keruh. Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut:

Tampilan Hasil

Gambar 1. Citra komposit warna asli (satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250618)

Perbandingan kurva spektral di wilayah Danau Taihu sebelum dan setelah penyaringan SG (reflektivitas meningkat 10.000 kali, satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250406)

Gambar 2 Perbandingan kurva spektral sebelum dan setelah penyaringan SG

Pengambilan sampel air dan perhitungan indeks yang disebutkan di atas dilakukan pada satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei), dan diperoleh hasil sebagai berikut:

Gambar 3. Distribusi indeks rasio dua pita (BR) (satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250618)

Gambar 4. Distribusi Indeks Diklorofil Ternormalisasi (NDCI) (Satelit Xiguang No. 1 05 (Tianxianpei), 20250618)

Gambar 5. Distribusi Indeks Tiga Pita (TBI) (satelit Xiguang-1-05 (Tianxianpei), 20250618)

Hasil yang ditunjukkan pada gambar di atas relatif konsisten dalam hal distribusi keseluruhan indeks BR dan TCDI, sementara distribusi TBI menunjukkan beberapa perbedaan. Secara keseluruhan, pertumbuhan alga sangat parah di area Danau Taihu bagian barat, dengan konsentrasi klorofil a yang lebih tinggi di dekat lokasi pertumbuhan alga. Hal ini karena bagian barat Danau Taihu merupakan tempat sungai mengalir ke danau, membawa sejumlah besar nutrisi, yang menyebabkan pertumbuhan alga yang pesat dan dengan demikian menyebabkan pertumbuhan sianobakteri dan peningkatan konsentrasi klorofil a. Area Danau Taihu bagian tengah dan timur kurang terpengaruh, sehingga kualitas airnya lebih baik daripada Danau Taihu bagian barat. Tumbuhan air tumbuh di bagian timur danau, dan konsentrasi klorofil a lebih rendah.

Analisis data historis menunjukkan bahwa teluk-teluk di barat laut Danau Taihu, termasuk Teluk Zhushan dan Teluk Meiliang, adalah daerah dengan frekuensi tertinggi terjadinya ledakan alga sianobakteri, dan ketiga daerah ini mengalami ledakan yang paling parah. Alga permukaan dipengaruhi oleh angin dan gelombang. Di satu sisi, alga bergerak bersama arus, menumpuk di daerah teluk dan membentuk ledakan alga. Di sisi lain, karena angin yang dominan di wilayah Danau Taihu selama musim panas bertiup dari timur dan tenggara, ketika sianobakteri naik ke permukaan, mereka hanyut ke utara dan barat danau di bawah pengaruh angin, bergabung dengan sianobakteri yang sudah ada di daerah-daerah ini untuk menciptakan ledakan alga yang parah.

Area tengah danau merupakan area penyebaran ledakan alga skala besar. Begitu ledakan alga terjadi di area tengah danau selama musim panas, ledakan tersebut akan menutupi area yang luas. Secara historis, area tengah danau telah mengalami ledakan alga skala besar yang melampaui jangkauan ledakan alga di area perairan lainnya. Sebaliknya, ledakan alga jarang terjadi di area danau barat daya, dan ledakan alga hampir tidak pernah terjadi di area timur Danau Taihu, menunjukkan bahwa lingkungan di area timur Danau Taihu relatif baik.