Гиперспектрлік қоспаның спектрлік ыдырауына негізделген Далад Баннер, Ішкі Моңғолиядағы қар мен мұз жамылғысын бақылау

Қар жамылғысы Жердің климатының өзгеруіндегі белсенді жүйелік айнымалы болып табылады, ол жаһандық климаттың өзгеруінің маңызды көрсеткіші ғана емес, сонымен қатар Жердің энергетикалық балансымен, атмосфералық циклмен, су айналымымен және көміртегі мен азот циклімен тығыз байланысты. Оның жоғары шағылыстыру қабілеті, жоғары суық сақтау қабілеті, фазалық ауысудың үлкен жасырын жылуы және парниктік газдардың көзі мен сіңірушісі ретіндегі рөлі оны Жер бетінің энергия балансында маңызды рөл атқарады. Сандық қашықтықтан зондтау технологиясы қар жамылғысының өзгерістерін бақылау, климаттың өзгеруіне реакциясын бағалау және қар жамылғысының гидрологиялық зерттеулерін жүргізу үшін қар жамылғысы туралы ақпарат алудың негізгі құралы болып табылады. Спутниктік қашықтықтан зондтау қар жамылғысын зерттеу саласында кеңінен қолданылады.

Қардың көрінетін жарық диапазонында жоғары шағылыстыру қабілеті бар, бірақ қысқа толқынды инфрақызыл диапазонында шағылыстыру қабілеті төмен, ал көптеген бұлттардың екі диапазонда да жоғары шағылыстыру қабілеті бар. Сондықтан, қардың қалыпқа келтірілген айырмашылығы индексін (NDSI) пайдаланып көрінетін және қысқа толқынды инфрақызыл диапазондар арасындағы айырмашылықты есептеу оптикалық қашықтықтан зондтау деректеріндегі қар жамылғысы туралы ақпаратты тиімді түрде анықтай алады. Дегенмен, қар мен бұлттар көрінетін жарық диапазонында ұқсас спектрлік сипаттамаларға ие болғандықтан, оптикалық қашықтықтан зондтау технологиясына негізделген қар жамылғысы өнімдеріне көбінесе күн радиациясының және бұлт жамылғысының жеткіліксіздігі әсер етеді, бұл көптеген мәндердің жоғалуына әкеледі және қолдануда белгілі бір қиындықтар туғызады. Сондықтан біз қар жамылғысы аймағын алу үшін гибридті спектрлік ыдырау әдісін қолданамыз, бұл жоғары дәлдікке және төмен жалған оң нәтижелерге қол жеткізуге мүмкіндік береді.

CAS Xiguang Aerospace - қар мен мұз жамылғысын картаға түсіру

Деректер көзі: XIGUANG003 гиперспектрлік бейнелеу құрылғысы

Аймақ: Далад Баннер, Ішкі Моңғолия

Түсірілім күні: 2024 жылғы 5 қаңтар

Қар мен мұз жамылғысын картаға түсіру келесі қадамдарды қамтиды:

1. Шикі L2A деректерін радиометриялық калибрлеу, атмосфералық түзету және орторектификациялау;
2. Спектрлік өлшемділікті азайту минималды шуды түрлендіру (MNF) көмегімен жүзеге асырылады.
3. Деректердің өлшемдерін анықтау үшін кеңістіктік сәйкестік өлшемдерін пайдаланыңыз;
4. Таза пиксель индексін (PPI) есептеңіз және айнымалыларды таза пиксель индексін (PPI) пайдаланып әрі қарай тексеріңіз;
5. Нәтижелер N өлшемдерінде көрсетіледі, автоматты түрде кластерленеді және соңғы мүшелер анықталады.
6. Спектрлік картаға түсіру спектрлік бұрыштық картаға түсіргішті (SAM) және гибридті бапталған сәйкестендіру сүзгісін (MTMF) пайдаланып, соңғы мүшелердің көптігін бір уақытта жіктеу және есептеу үшін орындалды.
7. Карталар картаға түсіру нәтижелері негізінде жасалады, содан кейін жоғары ажыратымдылықтағы панхроматикалық кескіндермен біріктіріледі.

△ 1-сурет Атмосфералық түзетуден және орторектификациядан кейінгі шағылысу кескіні

Зерттеу аймағы Ішкі Моңғолияның Далад Баннер қаласында, атап айтқанда Баотоу қаласының оңтүстік бөлігінде, Хуанхэ өзенінің оңтүстік жағалауында орналасқан. Ол Далад қаласын және Далад фотоэлектрлік электр станциясын қамтиды. Бұл аймақтағы негізгі жер бедері қалалар, өзендер, шахталар және шөлдер болып табылады, спутниктік транзит кезінде қар жамылғысы айтарлықтай байқалады.

△2-сурет Әртүрлі жер бетіндегі ерекшеліктердің шағылыстыру қабілетін салыстыру

Қарда 760 нм-де шағылысу шыңының болуы оның сол толқын ұзындығындағы жарыққа қатысты күшті шағылысуын көрсетеді. Себебі қар мұз кристалдарынан тұрады, олар жарыққа күшті шашыраңқы әсер етеді. Жарық қарға түскенде, жарықтың бір бөлігі мұз кристалдарына жұтылады, ал қалған бөлігі әртүрлі бағытта шашыраңқы болады. Шашыраған жарықтың ішінде шашыраудың қарқындылығы 760 нм-де ең жоғары болады, сондықтан осы толқын ұзындығындағы шағылысу шыңы. 2-суретке сәйкес, 760 нм-дегі шағылысу айырмашылығын қар жамылғысын одан әрі жіктеу үшін пайдалануға болады; яғни, 760 нм-де жарықтың шағылысуындағы өзгерістерді бақылау арқылы қардың еруін бақылауға болады. Қар еріген кезде мұз кристалдары суға айналады, ал су жарықты мұз кристалдарына қарағанда аз тиімді шашыратады. Сондықтан, қар еріген сайын, 760 нм-де жарықтың шағылысу қабілеті төмендейді.

Таза пиксельді есептеуден және соңғы мүшелерді бөліп алудан кейін, сақталған соңғы мүшелердің соңғы саны 3 болды, оның екеуі қар жамылғысын білдірді. Сондықтан, қар жамылғысы кейіннен жаңа қар және ескі қар (мұз-қар қоспасы) болып бөлінді және қардың еру жағдайы талданды.

Қардың еруін бақылау келесі мақсаттарда қолданылуы мүмкін:

1. Су тасқынын болжау: Қардың еруі су тасқынының негізгі көздерінің бірі болып табылады. Қардың еруін бақылау арқылы су тасқынының ықтималдығы мен ауқымын болжауға болады.
2. Қар көшкінін болжау: Қар көшкіні - қардың еруінен туындайтын тағы бір табиғи апат. Қардың еруін бақылау арқылы қар көшкінінің ықтималдығы мен ауқымын болжауға болады.
3. Су ресурстарын басқару: Қардың еруі өзен ағынының маңызды көзі болып табылады. Қардың еруін бақылау арқылы өзен ағынының өзгеруін болжауға болады, осылайша су ресурстарын басқаруға мүмкіндік береді.

△ 3-сурет Жаңа қар элементінің молшылық таралу картасы.

△ 4-сурет. Ескі қар эндогенді тұқымдасының молшылық таралу картасы.

Араластырып реттелетін сәйкестендірілетін сүзгілеу (MTMF) соңғы мүше спектрлерінің молдығын табу үшін ішінара араластыруды жою әдісін қолданады. Бұл әдіс белгілі соңғы мүшелердің жауабын барынша арттыру және белгісіз фонмен араласқан жауаптарды басу үшін «сәйкес келетін сүзгіні» (MF) пайдаланады, осылайша белгілі сигналды «сәйкестендіреді». Ол кескін көрінісіндегі барлық соңғы мүшелерді білуді талап етпей, кітапханадағы немесе кескіндегі соңғы мүшелердің спектрлерін сәйкестендіруге негізделген нақты материалдарды жылдам анықтау әдісін ұсынады. Екінші жағынан, сызықтық спектрлік араластыруды жою әрбір жолақтағы пиксельдің шағылысу коэффициенті пиксель ішінде бар соңғы мүше материалдарының шағылысу коэффициенттерінің сызықтық комбинациясына тең деп болжау арқылы кескін пикселдеріндегі материалдардың молдығын табады.

3 және 4-суреттерде MTMF нәтижелері көрсетілген, олар әрбір пиксельдің соңғы элементінің молдығын көрнекі түрде көрсете алады және пиксельдің аралас спектрлік құрамын интуитивті түрде көрсетеді. Түс неғұрлым қараңғы болса, сол соңғы элементтің молдығы соғұрлым жоғары болады. Жаңа жауған қар Далат қаласының батыс жазықтары мен оңтүстік тауларын жауып тұрғаны анықталды. Ескі қар негізінен батыс шөл далада, Далат қаласында және тау-кен өндіру аймағында таралған.Кейінгі спектрлік бұрыштық карта жасаушының (SAM) нәтижелері де мұны растайды.

△ 5-сурет. Спектрлік бұрыштық карта түзгіштің жіктеу нәтижелері

Спектрлік бұрыштық карта жасаушы (SAM) кескін спектрін N-өлшемді кеңістіктегі анықтамалық спектрмен сәйкестендіреді. SAM соңғы мүше спектрі (n-өлшемді вектор ретінде қарастырылады, мұндағы N - жолақтар саны) мен N-өлшемді кеңістіктегі әрбір пиксель векторы арасындағы бұрышты салыстырады. Кіші бұрыш анықтамалық спектрге жақынырақ сәйкестікті көрсетеді. Калибрленген деректерде қолданылған кезде, бұл әдіс жарықтандыру мен альбедо эффектілеріне салыстырмалы түрде сезімтал емес. SAM максималды бұрыш шегіне негізделген жіктеу кескінін жасайды.

5-сурет соңғы жіктеу нәтижелерін көрсетеді. MTMF нәтижелерімен салыстырғанда батыс аймақ үшін жіктеу әсері жақсырақ екенін, жалған оң нәтижелер көрсеткішін тиімді түрде төмендететінін көруге болады. Сонымен қатар, ол солтүстік-шығыстағы Далат қаласында және оңтүстік-шығыстағы тау-кен өндіру аймағында қар мен мұз жамылғысының аздығын және қардың еру құбылысын айқынырақ көрсетеді.

Қар мен мұз жамылғысының ауданы бойынша статистика

Қар мен мұз жамылғысының статистикасы келесідей:

Спутниктік суреттермен қамтылған жалпы аумақ: 6400 шаршы шақырым

Қар жамылғысы: 11% (704 шаршы шақырым)

Ескі қар жамылғысы: 6% (384 шаршы шақырым)

Жергілікті тарихи метеорологиялық деректерге сүйене отырып, ең жоғары температура -1℃ шамасында болғаны анықталды. Сондықтан, бұл аймақта қар мен мұздың еруінің негізгі себептері келесі факторлар болуы мүмкін:

1. Адам қызметінің әсері: Халық тығыз орналасқан аудандарда және көмір өндіру аймақтарында әдетте тау-кен жұмыстары, көлік және механикалық операциялар сияқты адам қызметі көп болады. Бұл әрекеттер жер бетінің сипаты мен құрылымын өзгертуі, жер бетінің кедір-бұдырлығын азайтуы және қардың бетінде қалуын немесе жиналуын қиындатуы мүмкін. Сонымен қатар, қалалар мен жолдарда жасанды қар тазалау жұмыстары жүргізіледі. Керісінше, солтүстік аймақтар негізінен ауылдар мен егістік алқаптардан тұрады, онда адамның араласуы аз болады, сондықтан қар баяу ериді.
2. Жабын және нысандар: Халық тығыз қоныстанған аудандарда және көмір өндіру аймақтарында әдетте ғимараттар, жабдықтар және жолдар сияқты жасанды құрылымдар көп болады. Бұл жамылғылар күн радиациясын сіңіреді, бұл жер бетінің температурасын көтереді және қардың пайда болуы мен сақталуын азайтады.
3. Жылу шығарындылары: Халық тығыз орналасқан аудандар мен көмір шахталарындағы өндірістік қызмет әдетте көмірді жағу кезінде пайда болатын жылу және механикалық жабдықтардың жұмыс жылуы сияқты көп мөлшерде жылу шығарындыларымен қатар жүреді. Бұл жылу қоршаған беттің температурасын көтереді, бұл мұндай ортада қардың жиналуын қиындатады.

Қар/мұз бетінің ескі жіктеу нәтижелері Сары өзен арнасында пайда болды. Метеорологиялық жағдайлармен және Сары өзен мұзының тасқыны маусымының күнімен бірге мұз-су қоспасынан немесе жартылай мұздатылған өзен арнасынан тұратын мұз қабаттары анықталды. Жер үсті деректерімен бірге мұз қабатының құрамын немесе өзеннің қатуын одан әрі талдауға болады. Өзен арнасындағы мұз қабаттарының бүкіл процесін кеңірек кеңістіктік масштабтан бақылауға болады, бұл сонымен қатар гиперспектрлік қашықтықтан зондтау технологиясының қолданылу құндылығын көрсетеді.