Global Vision Media Focus
Компания в общей сложности 15 раз появлялась в эфире CCTV, а ее охват через партийные СМИ, центральные СМИ и местные официальные СМИ составил 50 миллионов человек.
Мониторинг содержания хлорофилла а в водных экосистемах на основе нового гиперспектрального индекса.
Введение
Хлорофилл а — основной фотосинтетический пигмент фитопланктона, часто используемый в качестве индикатора биомассы фитопланктона. Концентрация хлорофилла а (Chla) является ключевым показателем для оценки уровня эвтрофикации и изучения круговорота углерода в водных средах. По сравнению с традиционными методами отбора проб поверхностных вод, которые позволяют измерять лишь ограниченное количество точек, технологии дистанционного зондирования могут предоставить более широкий спектр информации о пространственном распределении хлорофилла а.
Гиперспектральное дистанционное зондирование обладает огромным потенциалом для мониторинга хлорофилла а (Chla) в оптически сложных водных условиях. Однако существующие гиперспектральные индексы легко ограничиваются помехами от других параметров качества воды, несовершенной атмосферной коррекцией и дисперсией спектральных полос при работе с высокопродуктивными водоемами. Для решения этой проблемы Яо и др. предложили новый спектральный индекс — индекс ширины пика отражения на красном краю спектра (REPWI). Этот индекс:
(1) В полной мере использовать высокое спектральное разрешение гиперспектральных данных для уменьшения помех от TSM и CDOM в оптически сложных водоемах, тем самым в полной мере используя потенциал пика отражения красного края.
(2) Нечувствителен к неопределенностям, возникающим в процессе несовершенной атмосферной коррекции.
(3) Минимизировать влияние дискретного интервала спектральной выборки
Методы и принципы
В данном исследовании использовались гиперспектральные изображения района озера Тайху, полученные спутником Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 18 июня 2025 года, для проведения расчетов индексов и анализа качества воды в районе озера Тайху на основе полученных результатов.
Таблица 1. Введение в данные.
В данном случае для расчета индекса используются данные об отражательной способности уровня L2C с атмосферной коррекцией. Конкретная процедура выполнения операции следующая:
1. Предварительная обработка данных
(1) Сглаживание спектра: В ENVI данные о поверхностном отражательном коэффициенте сглаживаются с помощью алгоритма Савицкого-Голея (SG), который уменьшает спектральный шум и повышает надежность последующих вычислений индекса корреляции красного края. Можно использовать либо фильтр Савицкого-Голея из App Store в ENVI, либо встроенный инструмент сглаживания спектра THOR. При использовании фильтра Савицкого-Голея параметры настройки следующие:
(2) Регистрация изображений (необязательно): Географическая регистрация выполняется на обработанных данных на основе базовой карты. Регистрация может быть выполнена в ENVI, qgis или arcgis. В качестве эталонной карты рекомендуется использовать Google Imagery.
(3) Маска водного объекта: Площадь озера Тайху выделяется путем нормализации индекса водного объекта по показателю отражения поверхности и выбора соответствующего порогового значения на основе гистограммы результатов вычислений.
(4) Расчет индекса: Индекс рассчитывается с помощью инструмента Band Math в ENVI. Рассчитанный индекс представляет собой многоканальный или одноканальный растр. Его можно экспортировать в формате TIFF с помощью инструмента New File Builder в ENVI, а затем проанализировать в QGIS или ArcGIS.
(5) Извлечение маски области хлорофилла: Используя рассчитанный частичный индекс, было выполнено извлечение маски области хлорофилла в озере Тайху с использованием метода фиксированного порога.
(6) Комплексный многоиндексный анализ: На основе статистического вектора или сетки индексов анализируется распределение различных индексов с учетом физического смысла, представленного различными индексами.
Индекс также можно рассчитать непосредственно, используя исходные изображения со значениями DN, или путем получения данных об отражательной способности после радиометрической калибровки и атмосферной коррекции для расчета индекса.
Радиометрическая калибровка: Радиометрическая коррекция выполняется над исходными данными значений DN с использованием коэффициентов радиометрической калибровки, предоставляемых функцией Radiance, для получения данных видимой яркости. Это можно сделать с помощью инструмента «Радиометрическая калибровка» в ENVI.
Атмосферная коррекция: Атмосферная коррекция выполняется с использованием инструментов атмосферной коррекции, основанных на моделях 6S или MODTRAN, для получения данных об отражательной способности поверхности, таких как инструмент атмосферной коррекции FLAASH в ENVI.
2. Расчет спектрального индекса
(1) Я ЕСТЬ:Размеры водного объекта были определены с использованием метода спектрального индекса. В частности, на основе изображения поверхностного отражения, обработанного программой FLASH, был рассчитан нормализованный разностный водный индекс (NDWI). Затем, на основе гистограммы изображения NDWI, был установлен пороговый уровень для завершения определения размера водного объекта. Формула расчета выглядит следующим образом:
(2) ОТВЕТ:Согласно биооптической модели, чем выше содержание хлорофилла а в воде, тем сильнее его поглощение (тем глубже провал отражения) вблизи 670-680 нм, что приведет к смещению пика отражения в области красного края спектра (около 700 нм) в сторону более длинных волн и его расширению.
Физическое определение REPWI: это горизонтальное расстояние по длине волны, простирающееся горизонтально вправо от фиксированной длины волны красной зоны отражения (678 нм) до пересечения с правой стороной кривой пика отражения в красной зоне. Формула расчета следующая:
в，л'вДлина волны в правой точке пересечения определяется линейной интерполяцией, удовлетворяющей условию R.rs(л'в) = Rrs(678).
Отображение результатов
Рисунок 1. Составное изображение в истинных цветах. Сигуан № 1 05 (Идеальное совпадение) 20250618
В результате выполнения вышеуказанных операций по выделению водных объектов и расчету индексов на основе данных спутника Xiguang-1 05 (Тяньсяньпэй) были получены следующие результаты:
Рисунок 2. Карта распределения индекса REPWI.Сигуан № 1 05 (Идеальное совпадение) 20250618
Для анализа применимости индекса REPWI был проведен сравнительный анализ с более распространенным нормализованным индексом хлорофилла (NDCI). Распределение результатов нормализованного индекса хлорофилла (NDCI) показано на рисунке ниже:
Рисунок 3. Распределение нормализованного индекса хлорофилла (NDCI)Сигуан № 1 05 (Идеальное совпадение) 20250618
Сравнение показывает согласованность индексов REPWI и NDCI с точки зрения макроскопических тенденций. Оба индекса демонстрируют значительно более высокие концентрации хлорофилла а в северо-западной и прибрежной частях озера Тайху по сравнению с центральной и юго-восточной частями, что указывает на четкую пространственную дифференциацию эвтрофикации. В целом, цветение водорослей особенно сильно выражено в западной части озера Тайху, с более высокими концентрациями хлорофилла а вблизи очагов цветения. Это объясняется тем, что западная часть озера Тайху — это место впадения рек, приносящих большое количество питательных веществ, которые способствуют интенсивному росту водорослей, что приводит к цветению цианобактерий и повышению концентрации хлорофилла а. Центральная и восточная части озера Тайху менее затронуты, что приводит к лучшему качеству воды, чем западная часть. В восточной части озера произрастают водные растения, а концентрации хлорофилла а ниже, что дополнительно подтверждает эффективность индекса REPWI в отражении характеристик пространственного распределения хлорофилла а в водоемах. Это обеспечивает более надежную базу данных для последующего мониторинга качества воды и системы раннего предупреждения о цветении водорослей.