กรณีศึกษาการวิเคราะห์ทะเลสาบไท่หูโดยใช้ดัชนีคลอโรฟิลล์แบบไฮเปอร์สเปกตรัม

ภูมิหลังและบทนำ

เทคโนโลยีการสำรวจระยะไกลด้วยดาวเทียมมีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบคุณภาพน้ำในแหล่งน้ำจืด เนื่องจากช่วยให้สามารถตรวจวัดพารามิเตอร์คุณภาพน้ำที่สำคัญในพื้นที่ขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็วและต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบคุณภาพน้ำในแหล่งน้ำจืดก็ต้องการเทคโนโลยีการสำรวจระยะไกลด้วยดาวเทียมในระดับสูงเช่นกัน กล่าวคือ แหล่งน้ำขนาดเล็กต้องการความละเอียดเชิงพื้นที่สูง คุณภาพน้ำที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วต้องการความละเอียดเชิงเวลาสูง และลักษณะทางแสงที่ซับซ้อนและแปรผันของแหล่งน้ำต้องการความละเอียดเชิงสเปกตรัมสูง ดังนั้น ข้อมูลดาวเทียมที่ตรงตามข้อกำหนดทั้งความละเอียดเชิงพื้นที่ ความละเอียดเชิงเวลา และความละเอียดเชิงสเปกตรัมสูงพร้อมกัน จึงมีข้อได้เปรียบอย่างมากในการตรวจสอบคุณภาพน้ำในแหล่งน้ำจืด

คลอโรฟิลล์เอเป็นพารามิเตอร์สำคัญในคุณภาพน้ำและเป็นรงควัตถุหลักในสาหร่าย สามารถสะท้อนถึงมวลชีวภาพรวมและการกระจายตัวของสาหร่ายชนิดต่างๆ และวัดระดับภาวะยูโทรฟิเคชันในแหล่งน้ำได้

ในช่วงที่เกิดปรากฏการณ์สาหร่ายบานสะพรั่ง ความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์ในพื้นที่ส่วนใหญ่ของแหล่งน้ำโดยทั่วไปจะสูงเกิน 100 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เมตร^-3ณ จุดนี้ ความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์เอเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะใช้เป็นตัวบ่งชี้เตือนภัยล่วงหน้าสำหรับการเกิดปรากฏการณ์สาหร่ายบานสะพรั่ง การตรวจสอบความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์เอในแหล่งน้ำก่อนหรือในช่วงเริ่มต้นของการเกิดปรากฏการณ์สาหร่ายบานสะพรั่งสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับชีวมวลของสาหร่ายและคุณภาพน้ำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการเตือนภัยล่วงหน้าและการป้องกันการเกิดปรากฏการณ์สาหร่ายบานสะพรั่งอย่างตรงจุด

วิธีการและหลักการ

กรณีศึกษาชิ้นนี้ใช้ภาพไฮเปอร์สเปกตรัมของบริเวณทะเลสาบไท่หูที่ถ่ายโดยดาวเทียมซีกวง-1 05 (เทียนเซียนเป่ย) เมื่อวันที่ 18 มิถุนายน 2568 เพื่อคำนวณดัชนีคลอโรฟิลล์ต่างๆ และวิเคราะห์คุณภาพน้ำของบริเวณทะเลสาบไท่หูโดยอิงจากผลลัพธ์ของดัชนีเหล่านั้น

ตารางที่ 1. ข้อมูลเบื้องต้น

ในกรณีนี้ การคำนวณดัชนีจะใช้ข้อมูลค่าการสะท้อนแสงระดับ L2C ที่ได้รับการแก้ไขทางบรรยากาศแล้ว ขั้นตอนการดำเนินการโดยละเอียดมีดังนี้:

1. การประมวลผลข้อมูลเบื้องต้น

การปรับเทียบค่ารังสี: การแก้ไขค่ารังสีจะดำเนินการกับข้อมูลค่า DN ดิบโดยใช้สัมประสิทธิ์การปรับเทียบค่ารังสีที่ได้จากค่าความสว่าง เพื่อให้ได้ข้อมูลค่าความสว่างที่ปรากฏ สามารถทำได้โดยใช้เครื่องมือการปรับเทียบค่ารังสีใน ENVI

การแก้ไขความคลาดเคลื่อนของบรรยากาศ: การแก้ไขความคลาดเคลื่อนของบรรยากาศดำเนินการโดยใช้เครื่องมือแก้ไขความคลาดเคลื่อนของบรรยากาศโดยอิงตามแบบจำลอง 6S หรือ MODTRAN เพื่อให้ได้ข้อมูลการสะท้อนแสงพื้นผิว เช่น เครื่องมือแก้ไขความคลาดเคลื่อนของบรรยากาศ FLAASH ใน ENVI

การปรับเรียบสเปกตรัม: อัลกอริทึม Savitzky-Golay (SG) ถูกนำมาใช้เพื่อปรับเรียบข้อมูลการสะท้อนแสงของพื้นผิวใน ENVI ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนสเปกตรัมและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของการคำนวณดัชนีที่เกี่ยวข้องในภายหลัง

มาสก์แหล่งน้ำ: โดยการปรับค่าการสะท้อนแสงของพื้นผิวให้เป็นมาตรฐานเพื่อคำนวณดัชนีแหล่งน้ำ และเลือกค่าเกณฑ์ที่เหมาะสมโดยอิงจากฮิสโตแกรมของผลการคำนวณ จะสามารถแยกพื้นที่ทะเลสาบไท่หูออกมาได้

การคำนวณดัชนี: คำนวณดัชนีสเปกตรัม

2. การคำนวณดัชนีสเปกตรัม

• เจ็ด

ขอบเขตของแหล่งน้ำถูกแยกออกมาโดยใช้วิธีดัชนีสเปกตรัม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ดัชนีความแตกต่างของน้ำแบบนอร์มาไลซ์ (NDWI) ถูกคำนวณจากภาพสะท้อนแสงพื้นผิวที่ประมวลผลโดย FLASH จากนั้น กำหนดค่าเกณฑ์ตามฮิสโตแกรมของภาพ NDWI เพื่อทำการสกัดแหล่งน้ำให้เสร็จสมบูรณ์ สูตรการคำนวณมีดังนี้:

• ดัชนีอัตราส่วนสองแถบ (BR)

ค่าการสะท้อนแสง R จากการสำรวจระยะไกลในช่วงคลื่น 705 นาโนเมตรและ 671 นาโนเมตร_rs​อัตราส่วนนี้แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างในสเปกตรัมของคลอโรฟิลล์ และสูตรการคำนวณมีดังนี้:

• ดัชนีไดคลอโรฟิลล์แบบนอร์มาไลซ์ (NDCI)

ความแตกต่างของค่าการสะท้อนแสงที่ปรับให้เป็นมาตรฐานระหว่างแถบคลื่น 705 นาโนเมตรและ 671 นาโนเมตร สามารถนำมาใช้ในการสกัดข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะพื้นดินที่เกี่ยวข้องกับคลอโรฟิลล์ (เช่น สาหร่ายและพืชพรรณ) สูตรการคำนวณมีดังนี้:

• ดัชนีสามแบนด์ (TBI)

การนำค่าผกผันของความแตกต่างระหว่างค่าการสะท้อนแสงในช่วงคลื่น 671 นาโนเมตรและ 705 นาโนเมตร มาคูณด้วยค่าการสะท้อนแสงในช่วงคลื่น 731 นาโนเมตร สามารถนำมาใช้เพื่อเน้นให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงหรือความแตกต่างของความขุ่นในน้ำขุ่นได้ สูตรการคำนวณมีดังนี้:

การแสดงผลลัพธ์

ภาพที่ 1. ภาพประกอบสีจริง (ดาวเทียม Xiguang-1 05 (เทียนเซียนเป่ย), 18 มิถุนายน 2025)

การเปรียบเทียบเส้นโค้งสเปกตรัมในบริเวณทะเลสาบไท่หู ก่อนและหลังการกรอง SG (ค่าการสะท้อนแสงเพิ่มขึ้น 10,000 เท่า ดาวเทียม Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250406)

รูปที่ 2 การเปรียบเทียบเส้นโค้งสเปกตรัมก่อนและหลังการกรอง SG

การสกัดน้ำและการคำนวณดัชนีที่กล่าวถึงข้างต้น ดำเนินการบนดาวเทียม Xiguang-1 05 (Tianxianpei) และได้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้:

รูปที่ 3 การกระจายตัวของดัชนีอัตราส่วนสองแถบ (BR) (ดาวเทียม Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 18 มิถุนายน 2025)

รูปที่ 4 การกระจายตัวของดัชนีไดคลอโรฟิลล์แบบนอร์มาไลซ์ (NDCI) (ดาวเทียมซีกวง หมายเลข 1 05 (เทียนเซียนเป่ย), 18 มิถุนายน 2025)

รูปที่ 5 การกระจายตัวของดัชนีสามแถบ (TBI) (ดาวเทียม Xiguang-1-05 (เทียนเซียนเป่ย), 18 มิถุนายน 2025)

ผลลัพธ์ที่แสดงในรูปภาพข้างต้นค่อนข้างสอดคล้องกันในแง่ของการกระจายตัวโดยรวมของดัชนี BR และ TCDI ในขณะที่การกระจายตัวของ TBI แสดงความแตกต่างกันบ้าง โดยรวมแล้ว การแพร่กระจายของสาหร่ายมีความรุนแรงในบริเวณทะเลสาบไท่หูฝั่งตะวันตก โดยมีความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์เอสูงขึ้นใกล้กับบริเวณที่มีการแพร่กระจายของสาหร่าย เนื่องจากบริเวณฝั่งตะวันตกของทะเลสาบไท่หูเป็นบริเวณที่แม่น้ำไหลลงสู่ทะเลสาบ นำสารอาหารจำนวนมากเข้ามา ทำให้สาหร่ายเจริญเติบโตอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการแพร่กระจายของไซยาโนแบคทีเรียและเพิ่มความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์เอ บริเวณทะเลสาบไท่หูตอนกลางและตะวันออกได้รับผลกระทบน้อยกว่า ส่งผลให้คุณภาพน้ำดีกว่าบริเวณฝั่งตะวันตก พืชน้ำเจริญเติบโตในบริเวณฝั่งตะวันออกของทะเลสาบ และความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์เอต่ำกว่า

จากการวิเคราะห์ข้อมูลในอดีตพบว่า อ่าวทางตะวันตกเฉียงเหนือของทะเลสาบไท่หู รวมถึงอ่าวจูซานและอ่าวเหมยเหลียง เป็นพื้นที่ที่มีการเกิดปรากฏการณ์สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินบานสะพรั่งบ่อยที่สุด และพื้นที่ทั้งสามนี้ประสบกับปรากฏการณ์ดังกล่าวอย่างรุนแรงที่สุด สาหร่ายผิวน้ำได้รับผลกระทบจากลมและคลื่น ในด้านหนึ่ง พวกมันเคลื่อนที่ไปกับกระแสน้ำ สะสมตัวในบริเวณอ่าวและก่อตัวเป็นกลุ่มก้อน ในอีกด้านหนึ่ง เนื่องจากลมที่พัดแรงในบริเวณทะเลสาบไท่หูในช่วงฤดูร้อนเป็นลมตะวันออกและตะวันออกเฉียงใต้ เมื่อสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ พวกมันจะลอยไปทางเหนือและตะวันตกของทะเลสาบภายใต้อิทธิพลของลม รวมตัวกับสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่มีอยู่แล้วในพื้นที่เหล่านั้น ทำให้เกิดปรากฏการณ์บานสะพรั่งอย่างรุนแรง

บริเวณตอนกลางของทะเลสาบเป็นพื้นที่ที่มีการแพร่กระจายของสาหร่ายในวงกว้าง เมื่อเกิดการแพร่กระจายของสาหร่ายในบริเวณตอนกลางของทะเลสาบในช่วงฤดูร้อน มันจะครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ ในอดีต บริเวณตอนกลางของทะเลสาบเคยประสบกับการแพร่กระจายของสาหร่ายในวงกว้างซึ่งมีขอบเขตเกินกว่าการแพร่กระจายในแหล่งน้ำอื่นๆ ในทางตรงกันข้าม การแพร่กระจายของสาหร่ายเกิดขึ้นน้อยมากในบริเวณทางตะวันตกเฉียงใต้ของทะเลสาบ และแทบไม่เคยเกิดขึ้นเลยในบริเวณทางตะวันออกของทะเลสาบไท่หู ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสภาพแวดล้อมของบริเวณทางตะวันออกของทะเลสาบไท่หูนั้นค่อนข้างดี