Kes Analisis Tasik Taihu Berdasarkan Indeks Klorofil Hiperspektral

Pengenalan Latar Belakang

Teknologi penderiaan jauh satelit memainkan peranan penting dalam pemantauan kualiti air pedalaman, membolehkan pengambilan parameter kualiti air utama di kawasan yang luas, dengan cepat dan pada kos yang rendah. Walau bagaimanapun, pemantauan kualiti air pedalaman juga meletakkan permintaan yang tinggi terhadap teknologi penderiaan jauh satelit: badan air kecil memerlukan resolusi ruang yang tinggi; kualiti air yang berubah dengan pantas memerlukan resolusi temporal yang tinggi; dan ciri optik badan air yang kompleks dan berubah-ubah memerlukan resolusi spektrum yang tinggi. Oleh itu, data satelit yang serentak memenuhi resolusi ruang, temporal tinggi dan spektrum tinggi mempunyai kelebihan yang ketara dalam pemantauan air pedalaman.

Klorofil a merupakan parameter kualiti air yang penting dan pigmen utama dalam alga. Ia boleh mencerminkan jumlah biojisim dan taburan alga yang berbeza dan mengukur tahap eutrofikasi dalam badan air.

Semasa perkembangan alga, kepekatan klorofil di kebanyakan kawasan badan air biasanya melebihi 100 mg/m³.^-3Pada ketika ini, kepekatan klorofil a tidak lagi mencukupi sebagai penunjuk amaran awal untuk perkembangan alga. Pemantauan kepekatan klorofil a dalam badan air sebelum atau pada permulaan perkembangan alga boleh memberikan maklumat tentang biojisim alga dan kualiti air, yang sangat penting untuk amaran awal dan pencegahan perkembangan alga yang disasarkan.

Kaedah dan Prinsip

Kajian kes ini menggunakan imej hiperspektral kawasan Tasik Taihu yang diambil oleh satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei) pada 18 Jun 2025 untuk mengira pelbagai indeks klorofil dan menganalisis kualiti air kawasan Tasik Taihu berdasarkan keputusan indeks yang sepadan.

Jadual 1. Pengenalan Data

Dalam kes ini, pengiraan indeks menggunakan data pantulan aras L2C yang dibetulkan secara atmosfera. Prosedur operasi khusus adalah seperti berikut:

1. Prapemprosesan Data

Penentukuran radiometrik: Pembetulan radiometrik dilakukan pada data nilai DN mentah menggunakan pekali penentukuran radiometrik yang disediakan oleh sinaran untuk mendapatkan data sinaran ketara. Ini boleh dilakukan menggunakan alat Penentukuran Radiometrik dalam ENVI.

Pembetulan atmosfera: Pembetulan atmosfera dilakukan menggunakan alat pembetulan atmosfera berdasarkan model 6S atau MODTRAN untuk mendapatkan data pantulan permukaan, seperti alat pembetulan atmosfera FLAASH dalam ENVI.

Pelicinan spektrum: Algoritma Savitzky-Golay (SG) digunakan untuk melicinkan data pantulan permukaan dalam ENVI, yang mengurangkan hingar spektrum dan meningkatkan kebolehpercayaan pengiraan indeks berkaitan seterusnya.

Topeng badan air: Dengan menormalkan nombor pantulan permukaan untuk mengira indeks badan air, dan memilih ambang yang sesuai berdasarkan histogram keputusan pengiraan, kawasan Tasik Taihu diekstrak.

Pengiraan Indeks: Kira indeks spektrum.

2. Pengiraan indeks spektrum

• TUJUH

Keluasan jasad air diekstrak menggunakan kaedah indeks spektrum. Secara khususnya, Indeks Perbezaan Air Ternormal (NDWI) dikira berdasarkan imej pantulan permukaan yang diproses oleh FLASH. Kemudian, berdasarkan histogram imej NDWI, ambang ditetapkan untuk melengkapkan pengekstrakan jasad air. Formula pengiraan adalah seperti berikut:

• Indeks nisbah dua jalur (BR)

Pantulan penderiaan jauh R dalam jalur 705nm dan 671nm_rs​Nisbah tersebut menonjolkan perbezaan dalam spektrum klorofil, dan formula pengiraannya adalah seperti berikut:

• Indeks Diklorofil Ternormalisasi (NDCI)

Perbezaan pantulan ternormalisasi antara jalur 705nm dan 671nm boleh digunakan untuk mendapatkan maklumat tentang ciri-ciri tanah berkaitan klorofil (seperti alga dan tumbuh-tumbuhan). Formula pengiraan adalah seperti berikut:

• Indeks Tiga Jalur (TBI)

Menggabungkan perbezaan pantulan timbal balik dalam jalur 671nm dan 705nm, dan kemudian mendarabkannya dengan pantulan dalam jalur 731nm, berpotensi digunakan untuk menonjolkan perubahan atau perbezaan kekeruhan dalam air keruh. Formula pengiraan adalah seperti berikut:

Paparan Keputusan

Rajah 1. Imej komposit warna sebenar (satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250618)

Perbandingan lengkung spektrum di kawasan Tasik Taihu sebelum dan selepas penapisan SG (pemantulan meningkat sebanyak 10,000 kali ganda, satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250406)

Rajah 2 Perbandingan lengkung spektrum sebelum dan selepas penapisan SG

Pengekstrakan air dan pengiraan indeks yang dinyatakan di atas telah dilakukan pada satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei), dan keputusan berikut telah diperolehi:

Rajah 3. Taburan indeks nisbah dua jalur (BR) (satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250618)

Rajah 4. Taburan Indeks Diklorofil Ternormal (NDCI) (satelit Xiguang No. 1 05 (Tianxianpei), 20250618)

Rajah 5. Taburan Indeks Tiga Jalur (TBI) (satelit Xiguang-1-05 (Tianxianpei), 20250618)

Keputusan yang ditunjukkan dalam rajah di atas agak konsisten dari segi taburan keseluruhan indeks BR dan TCDI, manakala taburan TBI menunjukkan beberapa perbezaan. Secara keseluruhan, perkembangan alga adalah teruk di kawasan barat Tasik Taihu, dengan kepekatan klorofil a yang lebih tinggi berhampiran perkembangan tersebut. Ini kerana bahagian barat Tasik Taihu adalah tempat sungai mengalir ke dalam tasik, membawa masuk sejumlah besar nutrien, yang membawa kepada pertumbuhan alga yang rancak dan seterusnya menyebabkan perkembangan sianobakteria dan peningkatan kepekatan klorofil a. Kawasan tengah dan timur Tasik Taihu kurang terjejas, menghasilkan kualiti air yang lebih baik berbanding barat Tasik Taihu. Tumbuhan akuatik tumbuh di bahagian timur tasik, dan kepekatan klorofil a adalah lebih rendah.

Analisis data sejarah menunjukkan bahawa teluk barat laut Tasik Taihu, termasuk Teluk Zhushan dan Teluk Meiliang, merupakan kawasan yang mempunyai kekerapan tertinggi berlakunya bunga sianobakteria, dan ketiga-tiga kawasan ini mengalami bunga yang paling teruk. Alga permukaan dipengaruhi oleh angin dan ombak. Di satu pihak, ia bergerak mengikut arus, terkumpul di kawasan teluk dan membentuk bunga. Sebaliknya, kerana angin lazim di rantau Tasik Taihu semasa musim panas adalah dari timur dan tenggara, apabila sianobakteria naik ke permukaan, ia hanyut ke utara dan barat tasik di bawah pengaruh angin, bergabung dengan sianobakteria sedia ada di kawasan ini untuk menghasilkan bunga yang teruk.

Kawasan tasik tengah merupakan kawasan taburan perkembangan alga berskala besar. Sebaik sahaja perkembangan alga berlaku di kawasan tasik tengah semasa musim panas, ia meliputi kawasan yang luas. Dari segi sejarah, kawasan tasik tengah telah mengalami perkembangan alga berskala besar yang telah melebihi julat perkembangan alga di kawasan air lain. Sebaliknya, perkembangan alga jarang berlaku di kawasan tasik barat daya, dan perkembangan alga hampir tidak pernah berlaku di kawasan timur Tasik Taihu, menunjukkan bahawa persekitaran kawasan timur Tasik Taihu agak baik.