Pemantauan Salji dan Litupan Ais di Dalad Banner, Mongolia Dalam Berdasarkan Penguraian Spektrum Campuran Hiperspektral

Litupan salji merupakan pembolehubah sistemik aktif dalam perubahan iklim Bumi, bukan sahaja penunjuk penting perubahan iklim global tetapi juga berkait rapat dengan keseimbangan tenaga Bumi, kitaran atmosfera, kitaran air, dan kitaran karbon dan nitrogen. Pantulannya yang tinggi, kapasiti penyimpanan sejuk yang tinggi, haba pendam peralihan fasa yang sangat besar, dan peranannya sebagai sumber dan penyerap gas rumah hijau menjadikannya memainkan peranan penting dalam keseimbangan tenaga permukaan Bumi. Teknologi penderiaan jauh kuantitatif merupakan cara utama untuk memperoleh maklumat litupan salji bagi memantau perubahan litupan salji, menilai tindak balasnya terhadap perubahan iklim, dan menjalankan penyelidikan hidrologi litupan salji. Penderiaan jauh satelit digunakan secara meluas dalam bidang penyelidikan litupan salji.

Salji mempunyai pantulan yang tinggi dalam jalur cahaya nampak, tetapi pantulan yang rendah dalam jalur inframerah gelombang pendek, manakala kebanyakan awan mempunyai pantulan yang tinggi dalam kedua-dua jalur. Oleh itu, mengira perbezaan antara jalur inframerah nampak dan gelombang pendek menggunakan Indeks Perbezaan Salji Ternormal (NDSI) dapat mengenal pasti maklumat litupan salji dalam data penderiaan jauh optik dengan berkesan. Walau bagaimanapun, kerana salji dan awan mempunyai ciri spektrum yang serupa dalam jalur cahaya nampak, produk litupan salji yang dibangunkan berdasarkan teknologi penderiaan jauh optik sering terjejas oleh sinaran suria dan litupan awan yang tidak mencukupi, mengakibatkan sejumlah besar nilai yang hilang dan menimbulkan kesukaran tertentu dalam aplikasi. Oleh itu, kami menggunakan kaedah penguraian spektrum hibrid untuk mengekstrak kawasan litupan salji, yang dapat mencapai ketepatan yang tinggi dan kadar positif palsu yang rendah.

CAS Xiguang Aerospace - Pemetaan Salji dan Litupan Ais

Sumber data: Pengimej hiperspektral XIGUANG003

Wilayah: Sepanduk Dalad, Mongolia Dalam

Tarikh penggambaran: 5 Januari 2024

Pemetaan salji dan litupan ais merangkumi langkah-langkah berikut:

1. Penentukuran radiometrik, pembetulan atmosfera dan ortorektifikasi data L2A mentah;
2. Pengurangan dimensi spektrum dilakukan menggunakan Transformasi Hingar Minimum (MNF).
3. Gunakan ukuran ketekalan ruang untuk menentukan dimensi data;
4. Kira Indeks Piksel Tulen (PPI) dan saring pembolehubah selanjutnya menggunakan Indeks Piksel Tulen (PPI);
5. Hasilnya divisualisasikan dalam N dimensi, dikelompokkan secara automatik dan ahli akhir dikenal pasti.
6. Pemetaan spektrum telah dilakukan menggunakan pemeta sudut spektrum (SAM) dan penapis padanan tertala hibrid (MTMF) untuk mengklasifikasikan dan mengira kelimpahan ahli hujung secara serentak.
7. Peta dicipta berdasarkan hasil pemetaan dan kemudian digabungkan dengan imejan pankromatik resolusi tinggi.

△ Rajah 1 Imej pantulan selepas pembetulan atmosfera dan ortorektifikasi

Kawasan kajian terletak di Dalad Banner, Inner Mongolia, khususnya di bahagian selatan Bandar Baotou, di tebing selatan Sungai Kuning. Ia meliputi Bandar Dalad dan Stesen Janakuasa Fotovoltaik Dalad. Bentuk muka bumi utama di kawasan ini ialah pekan, sungai, lombong dan padang pasir, dengan litupan salji yang ketara diperhatikan semasa transit satelit.

△Rajah 2 Perbandingan pemantulan pelbagai ciri tanah

Kehadiran puncak pantulan pada 760 nm dalam salji menunjukkan pantulan yang kuat terhadap cahaya pada panjang gelombang tersebut. Ini kerana salji terdiri daripada kristal ais, yang mempunyai kesan penyerakan yang kuat terhadap cahaya. Apabila cahaya menyinari salji, sebahagian cahaya diserap oleh kristal ais, manakala selebihnya berselerak dalam pelbagai arah. Antara cahaya yang berselerak, keamatan penyerakan adalah paling kuat pada 760 nm, oleh itu puncak pantulan pada panjang gelombang ini. Menurut Rajah 2, perbezaan pantulan pada 760 nm boleh digunakan untuk mengklasifikasikan litupan salji dengan lebih lanjut; iaitu, dengan memantau perubahan dalam pantulan cahaya pada 760 nm, pencairan salji boleh dipantau. Apabila salji cair, kristal ais bertukar menjadi air, dan air menyerakkan cahaya kurang berkesan berbanding kristal ais. Oleh itu, apabila salji cair, pantulan cahaya pada 760 nm berkurangan.

Selepas pengiraan piksel tulen dan pengekstrakan anggota hujung, bilangan anggota hujung yang terkumpul ialah 3, dua daripadanya mewakili litupan salji. Oleh itu, litupan salji kemudiannya dibahagikan kepada salji baharu dan salji lama (campuran ais-salji), dan situasi pencairan salji dianalisis.

Pemantauan pencairan salji boleh digunakan untuk aplikasi berikut:

1. Ramalan banjir: Salji cair merupakan salah satu punca utama banjir. Dengan memantau salji cair, kemungkinan dan skala banjir dapat diramalkan.
2. Ramalan salji runtuh: Salji runtuh merupakan satu lagi bencana alam yang disebabkan oleh pencairan salji. Dengan memantau pencairan salji, kemungkinan dan skala salji runtuh dapat diramalkan.
3. Pengurusan sumber air: Salji cair merupakan sumber larian sungai yang penting. Dengan memantau salji cair, perubahan dalam larian sungai dapat diramalkan, sekali gus membolehkan pengurusan sumber air.

△ Rajah 3 Peta taburan kelimpahan unsur salji baharu.

△ Rajah 4 Peta taburan kelimpahan tumbuhan endogen salji tua

Penapisan Padanan yang Ditala Campuran (MTMF) menggunakan kaedah penyahcampuran separa untuk mencari kelimpahan spektrum anggota akhir. Teknik ini menggunakan "penapis yang dipadankan" (MF) untuk memaksimumkan tindak balas anggota akhir yang diketahui dan menyekat tindak balas yang digabungkan dengan latar belakang yang tidak diketahui, sekali gus "memadankan" isyarat yang diketahui. Ia menyediakan kaedah untuk mengesan bahan tertentu dengan pantas berdasarkan pemadanan spektrum anggota akhir dalam pustaka atau imej, tanpa memerlukan pengetahuan tentang semua anggota akhir dalam pemandangan imej. Sebaliknya, penyahcampuran spektrum linear mencari kelimpahan bahan dalam piksel imej dengan mengandaikan bahawa pantulan piksel dalam setiap jalur bersamaan dengan gabungan linear pantulan bahan anggota akhir yang terdapat dalam piksel.

Rajah 3 dan 4 menunjukkan keputusan MTMF, yang dapat menggambarkan kelimpahan ahli hujung setiap piksel dan memaparkan komposisi spektrum campuran piksel secara intuitif. Semakin gelap warnanya, semakin tinggi kelimpahan ahli hujung tersebut. Salji segar didapati meliputi dataran barat dan pergunungan selatan Bandar Dalat. Salji lama kebanyakannya tersebar di padang pasir barat, Bandar Dalat, dan kawasan perlombongan.Keputusan pemeta sudut spektrum (SAM) seterusnya juga mengesahkan perkara ini.

△ Rajah 5 Keputusan pengelasan pemeta sudut spektrum

Pemetaan Sudut Spektrum (SAM) memadankan spektrum imej dengan spektrum rujukan dalam ruang N-dimensi. SAM membandingkan sudut antara spektrum anggota hujung (dilihat sebagai vektor n-dimensi, dengan N ialah bilangan jalur) dan vektor setiap piksel dalam ruang N-dimensi. Sudut yang lebih kecil menunjukkan padanan yang lebih dekat dengan spektrum rujukan. Apabila digunakan pada data yang dikalibrasi, teknik ini agak tidak sensitif terhadap kesan pencahayaan dan albedo. SAM menjana imej pengelasan berdasarkan ambang sudut maksimum.

Rajah 5 mewakili keputusan pengelasan akhir. Dapat dilihat bahawa berbanding dengan keputusan MTMF, kesan pengelasan untuk wilayah barat adalah lebih baik, sekali gus mengurangkan kadar positif palsu dengan berkesan. Pada masa yang sama, ia menunjukkan dengan lebih jelas fenomena salji dan litupan ais yang rendah serta fenomena pencairan salji di Bandar Dalat di timur laut dan kawasan perlombongan di tenggara.

Statistik kawasan liputan salji dan ais

Statistik liputan salji dan ais adalah seperti berikut:

Jumlah kawasan yang diliputi oleh imejan satelit: 6,400 kilometer persegi

Litupan salji: 11% (704 kilometer persegi)

Litupan salji lama: 6% (384 kilometer persegi)

Dengan merujuk kepada data meteorologi sejarah tempatan, didapati bahawa suhu tertinggi adalah sekitar -1℃. Oleh itu, sebab utama pencairan salji dan ais di kawasan ini mungkin disebabkan oleh faktor-faktor berikut:

1. Kesan aktiviti manusia: Kawasan padat penduduk dan kawasan perlombongan arang batu biasanya mempunyai banyak aktiviti manusia, seperti perlombongan, pengangkutan dan operasi mekanikal. Aktiviti-aktiviti ini boleh mengubah sifat dan struktur permukaan, mengurangkan kekasaran permukaan dan menyukarkan salji untuk kekal atau terkumpul di permukaan. Pada masa yang sama, penyingkiran salji buatan dijalankan di bandar dan jalan raya. Sebaliknya, kawasan utara kebanyakannya merupakan kampung dan tanah pertanian dengan kurang gangguan manusia, jadi salji cair lebih perlahan.
2. Litupan dan kemudahan: Kawasan padat penduduk dan kawasan perlombongan arang batu biasanya mempunyai sejumlah besar struktur buatan manusia seperti bangunan, peralatan dan jalan raya. Litupan ini menyerap sinaran suria, yang meningkatkan suhu permukaan dan mengurangkan pembentukan dan penyelenggaraan salji.
3. Pelepasan haba: Aktiviti pengeluaran di kawasan padat penduduk dan lombong arang batu biasanya disertai dengan sejumlah besar pelepasan haba, seperti haba yang dihasilkan oleh pembakaran arang batu dan haba kerja peralatan mekanikal. Haba ini akan meningkatkan suhu permukaan sekeliling, menyukarkan salji untuk terkumpul dalam persekitaran sedemikian.

Keputusan pengelasan permukaan salji/ais lama muncul di Terusan Sungai Kuning. Digabungkan dengan keadaan meteorologi dan tarikh musim banjir ais Sungai Kuning, ia ditentukan sebagai gumpalan ais yang terdiri daripada campuran air ais atau saluran sungai yang sebahagiannya beku. Digabungkan dengan data tanah, analisis lanjut tentang komposisi gumpalan ais atau pembekuan sungai boleh dijalankan. Keseluruhan proses gumpalan ais di terusan sungai boleh dipantau dari skala ruang yang lebih besar, yang juga mencerminkan nilai aplikasi teknologi penderiaan jauh hiperspektral.