Гиперспектрлік хлорофилл индексіне негізделген Тайху көлін талдау жағдайы

Анықтамалық кіріспе

Спутниктік қашықтықтан зондтау технологиясы ішкі су сапасын бақылауда маңызды рөл атқарады, бұл үлкен аумақтағы су сапасының негізгі параметрлерін тез және арзан бағамен алуға мүмкіндік береді. Дегенмен, ішкі су сапасын бақылау спутниктік қашықтықтан зондтау технологиясына да жоғары талаптар қояды: шағын су айдындары жоғары кеңістіктік ажыратымдылықты қажет етеді; су сапасының тез өзгеруі жоғары уақыттық ажыратымдылықты қажет етеді; ал су айдындарының күрделі және айнымалы оптикалық сипаттамалары жоғары спектрлік ажыратымдылықты қажет етеді. Сондықтан, бір мезгілде жоғары кеңістіктік, жоғары уақыттық және жоғары спектрлік ажыратымдылыққа сәйкес келетін спутниктік деректер ішкі суларды бақылауда айтарлықтай артықшылықтарға ие.

Хлорофилл a су сапасының маңызды параметрі және балдырлардағы негізгі пигмент болып табылады. Ол жалпы биомасса мен әртүрлі балдырлардың таралуын көрсете алады және су айдындарындағы эвтрофикация дәрежесін өлшей алады.

Балдырлардың гүлденуі кезінде су айдынының көптеген жерлеріндегі хлорофилл концентрациясы әдетте 100 мг/м³-ден асады.^-3Қазіргі уақытта хлорофилл А концентрациясы балдырлардың гүлденуінің ерте ескерту индикаторы ретінде жеткіліксіз. Су айдындарындағы хлорофилл А концентрациясын балдырлардың гүлденуіне дейін немесе басында бақылау балдырлардың биомассасы мен су сапасы туралы ақпарат бере алады, бұл балдырлардың гүлденуінің ерте ескертуі және мақсатты түрде алдын алу үшін өте маңызды.

Әдістер мен қағидаттар

Бұл зерттеуде әртүрлі хлорофилл индекстерін есептеу үшін 2025 жылдың 18 маусымында Xiguang-1 05 спутнигі (Tianxianpei) түсірген Тайху көлі аймағының гиперспектрлік суреттері пайдаланылды және тиісті индекс нәтижелеріне сүйене отырып, Тайху көлі аймағының су сапасы талданды.

1-кесте. Деректерге кіріспе

Бұл жағдайда индексті есептеу атмосфералық түзетілген L2C деңгейінің шағылысу деректерін пайдаланады. Нақты жұмыс істеу тәртібі келесідей:

1. Деректерді алдын ала өңдеу

Радиометриялық калибрлеу: Көрінетін сәулелену деректерін алу үшін сәулеленумен қамтамасыз етілген радиометриялық калибрлеу коэффициенттерін пайдаланып, шикі DN мәнінің деректерінде радиометриялық түзету орындалады. Мұны ENVI бағдарламасындағы Радиометриялық калибрлеу құралын пайдаланып жасауға болады.

Атмосфералық түзету: Атмосфералық түзету ENVI бағдарламасындағы FLAASH атмосфералық түзету құралы сияқты беттік шағылысу деректерін алу үшін 6S немесе MODTRAN модельдеріне негізделген атмосфералық түзету құралдарын пайдалану арқылы жүзеге асырылады.

Спектрлік тегістеу: Савицкий-Голай (SG) алгоритмі ENVI-де беттік шағылысу деректерін тегістеу үшін қолданылады, бұл спектрлік шуды азайтады және кейінгі байланысты индекс есептеулерінің сенімділігін арттырады.

Су айдынының маскасы: Су айдынының индексін есептеу үшін беткі шағылысу санын қалыпқа келтіру және есептеу нәтижелерінің гистограммасына негізделген тиісті шекті таңдау арқылы Тайху көлінің ауданы алынады.

Индексті есептеу: Спектрлік индекстерді есептеңіз.

2. Спектрлік индексті есептеу

• ЖЕТІ

Су айдынының көлемі спектрлік индекс әдісін қолдану арқылы алынды. Нақтырақ айтқанда, қалыпты су айнымалысының индексі (NDWI) FLASH арқылы өңделген беттік шағылысу кескіні негізінде есептелді. Содан кейін, NDWI кескінінің гистограммасы негізінде су айдынын алуды аяқтау үшін шекті мән белгіленді. Есептеу формуласы келесідей:

• Екі жолақты қатынас индексі (BR)

705 нм және 671 нм диапазондарындағы қашықтықтан зондтау шағылыстыруы R_rs​Бұл қатынас хлорофилл спектріндегі айырмашылықтарды көрсетеді, ал есептеу формуласы келесідей:

• Қалыпқа келтірілген дихлорофилл индексі (NDCI)

705 нм және 671 нм жолақтар арасындағы шағылысу коэффициентінің нормаланған айырмашылығын хлорофиллге байланысты жер бетіндегі ерекшеліктер (мысалы, балдырлар мен өсімдіктер) туралы ақпарат алу үшін пайдалануға болады. Есептеу формуласы келесідей:

• Үш жолақты индекс (TBI)

671 нм және 705 нм диапазондарындағы кері шағылысу айырмашылығын біріктіріп, содан кейін оны 731 нм диапазонындағы шағылысу коэффициентіне көбейту лайлы судағы лайлылықтың өзгерістерін немесе айырмашылықтарын анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Есептеу формуласы келесідей:

Нәтижелерді көрсету

1-сурет. Шынайы түсті композиттік кескін (Xiguang-1 05 спутнигі (Tianxianpei), 20250618)

Тайху көлі аймағындағы SG сүзгісінен бұрын және кейін спектрлік қисықтарды салыстыру (шағылысу 10 000 есеге артты, Сигуан-1 05 спутнигі (Тяньсяньпей), 20250406)

2-сурет. SG сүзгілеуіне дейінгі және кейінгі спектрлік қисықтарды салыстыру.

Жоғарыда аталған суды алу және индексті есептеу Xiguang-1 05 спутнигінде (Tianxianpei) жүргізілді және келесі нәтижелер алынды:

3-сурет. Екі жолақты қатынас индексінің (BR) таралуы (Xiguang-1 05 спутнигі (Tianxianpei), 20250618)

4-сурет. Қалыпқа келтірілген дихлорофилл индексінің (NDCI) таралуы (Сыгуан № 1 05 спутнигі (Тяньсяньпей), 20250618)

5-сурет. Үш диапазонды индекстің (TBI) таралуы (Xiguang-1-05 спутнигі (Tianxianpei), 20250618)

Жоғарыдағы суреттерде көрсетілген нәтижелер BR және TCDI индекстерінің жалпы таралуы тұрғысынан салыстырмалы түрде сәйкес келеді, ал TBI таралуы кейбір айырмашылықтарды көрсетеді. Жалпы алғанда, батыс Тайху көлі аймағында балдырлардың гүлденуі қатты байқалады, гүлдену орындарының жанында хлорофилл а концентрациясы жоғары. Себебі Тайху көлінің батыс бөлігінде өзендер көлге құяды, бұл көп мөлшерде қоректік заттарды әкеледі, бұл балдырлардың қарқынды өсуіне әкеледі және осылайша цианобактериялық гүлдену мен хлорофилл а концентрациясының жоғарылауына әкеледі. Тайху көлінің орталық және шығыс аймақтары аз зардап шегеді, бұл батыс Тайху көліне қарағанда су сапасының жақсаруына әкеледі. Көлдің шығыс бөлігінде су өсімдіктері өседі, ал хлорофилл а концентрациясы төмен.

Тарихи деректерді талдау Тайху көлінің солтүстік-батыс шығанақтары, соның ішінде Жушань шығанағы мен Мэйлян шығанағы цианобактериялардың гүлденуінің ең жиі кездесетін аймақтары екенін көрсетеді және бұл үш аймақ ең қатты гүлденуді бастан кешіреді. Жер бетіндегі балдырларға жел мен толқындар әсер етеді. Бір жағынан, олар ағыспен бірге қозғалады, шығанақ аймақтарында жиналып, гүлденулер түзеді. Екінші жағынан, жаз мезгілінде Тайху көлі аймағында басым желдер шығыс және оңтүстік-шығыс бағытта болғандықтан, цианобактериялар бетіне көтерілгенде, олар желдің әсерінен көлдің солтүстігіне және батысына қарай жылжиды, бұл аймақтардағы бар цианобактериялармен бірігіп, қатты гүлденулер тудырады.

Орталық көл аймағы балдырлардың кең таралған аймағы болып табылады. Жаз мезгілінде орталық көл аймағында балдырлар гүлденгеннен кейін, ол үлкен аумақты қамтиды. Тарихи тұрғыдан алғанда, орталық көл аймағында басқа су айдындарындағы балдырлардың гүлдену ауқымынан асып түскен кең ауқымды балдырлар гүлденуі байқалды. Керісінше, оңтүстік-батыс көл аймағында балдырлар сирек кездеседі, ал шығыс Тайху көлі аймағында балдырлар ешқашан гүлденбеген, бұл шығыс Тайху көлі аймағының қоршаған ортасының салыстырмалы түрде жақсы екенін көрсетеді.