Анализ озера Тайху на основе гиперспектрального индекса хлорофилла.

Введение

Технология спутникового дистанционного зондирования играет решающую роль в мониторинге качества внутренних водоемов, позволяя быстро и недорого получать ключевые параметры качества воды на больших территориях. Однако мониторинг качества внутренних водоемов также предъявляет высокие требования к технологии спутникового дистанционного зондирования: для небольших водоемов требуется высокое пространственное разрешение; для быстро меняющегося качества воды — высокое временное разрешение; а для сложных и изменчивых оптических характеристик водоемов — высокое спектральное разрешение. Поэтому спутниковые данные, одновременно отвечающие требованиям высокого пространственного, временного и спектрального разрешения, обладают значительными преимуществами в мониторинге внутренних водоемов.

Хлорофилл а — важный параметр качества воды и ключевой пигмент водорослей. Он может отражать общую биомассу и распределение различных водорослей, а также измерять степень эвтрофикации водоемов.

Во время цветения водорослей концентрация хлорофилла в большинстве участков водоема обычно превышает 100 мг/м³.^-3На данном этапе концентрация хлорофилла а уже недостаточна в качестве индикатора раннего предупреждения о цветении водорослей. Мониторинг концентрации хлорофилла а в водоемах до или в начале цветения водорослей может предоставить информацию о биомассе водорослей и качестве воды, что имеет большое значение для раннего предупреждения и целенаправленного предотвращения цветения водорослей.

Методы и принципы

В данном исследовании использовались гиперспектральные изображения района озера Тайху, полученные спутником Xiguang-1 05 (Tianxianpei) 18 июня 2025 года, для расчета различных индексов хлорофилла и анализа качества воды в районе озера Тайху на основе соответствующих результатов индексов.

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

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.

Сглаживание спектра: Для сглаживания данных об отражательной способности поверхности в ENVI используется алгоритм Савицкого-Голея (SG), который уменьшает спектральный шум и повышает надежность последующих расчетов соответствующих индексов.

Маска водной поверхности: Путем нормализации коэффициента отражения поверхности для расчета индекса водной поверхности и выбора соответствующего порогового значения на основе гистограммы результатов расчета выделяется область озера Тайху.

Расчет индексов: Рассчитайте спектральные индексы.

2. Расчет спектрального индекса

• СЕМЬ

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:

• Индекс отношения двух полос (BR)

Коэффициент отражения R, полученный методом дистанционного зондирования, в диапазонах 705 нм и 671 нм._rsЭто соотношение подчеркивает различия в спектре хлорофилла, а формула расчета выглядит следующим образом:

• Нормализованный индекс дихлорофилла (NDCI)

Нормализованная разница в отражательной способности между полосами 705 нм и 671 нм может быть использована для получения информации о характеристиках поверхности земли, связанных с хлорофиллом (таких как водоросли и растительность). Формула расчета выглядит следующим образом:

• Трехдиапазонный индекс (ТДИ)

Объединение обратной разницы коэффициентов отражения в диапазонах 671 нм и 705 нм с последующим умножением на коэффициент отражения в диапазоне 731 нм потенциально может быть использовано для выявления изменений или различий в мутности мутной воды. Формула расчета выглядит следующим образом:

Отображение результатов

Рисунок 1. Составное изображение в истинных цветах (спутник Xiguang-1 05 (Тяньсяньпэй), 20250618)

Сравнение спектральных кривых в районе озера Тайху до и после фильтрации SG (коэффициент отражения увеличен в 10 000 раз, спутник Xiguang-1 05 (Тяньсяньпэй), 20250406)

Рисунок 2. Сравнение спектральных кривых до и после фильтрации SG.

Вышеупомянутые методы извлечения воды и расчета индексов были выполнены на спутнике Xiguang-1 05 (Тяньсяньпэй), и были получены следующие результаты:

Рисунок 3. Распределение двухдиапазонного индекса отношения (BR) (спутник Xiguang-1 05 (Тяньсяньпэй), 20250618)

Рисунок 4. Распределение нормализованного индекса дихлорофилла (NDCI) (спутник Сигуан № 105 (Тяньсяньпэй), 20250618)

Рисунок 5. Распределение трехдиапазонного индекса (TBI) (спутник Xiguang-1-05 (Тяньсяньпэй), 20250618)

Результаты, представленные на рисунках выше, относительно согласуются с точки зрения общего распределения индексов BR и TCDI, в то время как распределение TBI демонстрирует некоторые различия. В целом, цветение водорослей особенно сильно выражено в западной части озера Тайху, с более высокими концентрациями хлорофилла а вблизи очагов цветения. Это связано с тем, что западная часть озера Тайху — это место, куда впадают реки, приносящие большое количество питательных веществ, что приводит к интенсивному росту водорослей и, следовательно, 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, и концентрация хлорофилла а там ниже.

Анализ исторических данных показывает, что северо-западные заливы озера Тайху, включая заливы Чжушань и Мэйлян, являются районами с наибольшей частотой цветения цианобактерий, и именно в этих трех районах наблюдается наиболее сильное цветение. Поверхностные водоросли подвержены воздействию ветра и волн. С одной стороны, они перемещаются по течению, накапливаясь в заливах и образуя скопления. С другой стороны, поскольку преобладающие ветры в районе озера Тайху летом — восточные и юго-восточные, когда цианобактерии поднимаются к поверхности, они под воздействием ветра дрейфуют на север и запад от озера, соединяясь с уже существующими цианобактериями в этих районах и вызывая сильное цветение.

Центральная часть озера представляет собой зону распространения масштабного цветения водорослей. Если летом в центральной части озера происходит цветение водорослей, оно охватывает большую территорию. Исторически сложилось так, что в центральной части озера наблюдались масштабные цветения водорослей, превышающие масштабы цветения в других водоемах. В отличие от этого, в юго-западной части озера цветение водорослей происходит редко, а в восточной части озера Тайху оно практически никогда не наблюдалось, что указывает на относительно благоприятные условия в восточной части озера Тайху.