İç Moğolistan'ın Dalad Sancağı'ndaki Kar ve Buz Örtüsünün Hiper Spektral Karışım Spektral Ayrıştırma Yöntemiyle İzlenmesi

Kar örtüsü, Dünya'nın iklim değişikliğinde aktif bir sistemik değişkendir; sadece küresel iklim değişikliğinin önemli bir göstergesi olmakla kalmayıp, aynı zamanda Dünya'nın enerji dengesi, atmosfer döngüsü, su döngüsü ve karbon-azot döngüsüyle de yakından ilişkilidir. Yüksek yansıtıcılığı, yüksek soğuk depolama kapasitesi, muazzam faz geçişi gizli ısısı ve sera gazlarının kaynağı ve yutağı rolü, Dünya'nın yüzey enerji dengesinde hayati bir rol oynamasını sağlar. Kantitatif uzaktan algılama teknolojisi, kar örtüsü değişikliklerini izlemek, iklim değişikliğine tepkisini değerlendirmek ve kar örtüsü hidroloji araştırmaları yapmak için kar örtüsü bilgilerini edinmenin başlıca yoludur. Uydu uzaktan algılama, kar örtüsü araştırmaları alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Kar, görünür ışık bandında yüksek yansıtıcılığa sahipken, kısa dalga kızılötesi bandında düşük yansıtıcılığa sahiptir; bulutların çoğu ise her iki bantta da yüksek yansıtıcılığa sahiptir. Bu nedenle, Normalleştirilmiş Kar Farkı İndeksi (NDSI) kullanılarak görünür ve kısa dalga kızılötesi bantlar arasındaki farkın hesaplanması, optik uzaktan algılama verilerindeki kar örtüsü bilgilerini etkili bir şekilde belirleyebilir. Bununla birlikte, kar ve bulutların görünür ışık bandında benzer spektral özelliklere sahip olması nedeniyle, optik uzaktan algılama teknolojisine dayalı olarak geliştirilen kar örtüsü ürünleri genellikle yetersiz güneş radyasyonu ve bulut örtüsünden etkilenir, bu da çok sayıda eksik değere yol açar ve uygulamada belirli zorluklar yaratır. Bu nedenle, yüksek doğruluk ve düşük yanlış pozitif oranı elde edebilen hibrit bir spektral ayrıştırma yöntemi kullanarak kar örtüsü alanını çıkarıyoruz.

CAS Xiguang Havacılık ve Uzay - Kar ve Buz Örtüsü Haritalaması

Veri kaynağı: XIGUANG003 hiperspektral görüntüleyici

Bölge: Dalad Banner, İç Moğolistan

Çekim tarihi: 5 Ocak 2024

Kar ve buz örtüsü haritalaması aşağıdaki adımları içerir:

1. Ham L2A verilerinin radyometrik kalibrasyonu, atmosferik düzeltmesi ve ortorektifikasyonu;
2. Spektral boyut indirgeme işlemi Minimum Gürültü Dönüşümü (MNF) kullanılarak gerçekleştirilir.
3. Verilerin boyutlarını belirlemek için mekansal tutarlılık ölçümlerini kullanın;
4. Saf Piksel İndeksini (PPI) hesaplayın ve değişkenleri Saf Piksel İndeksini (PPI) kullanarak daha detaylı inceleyin;
5. Sonuçlar N boyutta görselleştirilir, otomatik olarak kümelenir ve uç elemanlar belirlenir.
6. Spektral haritalama, uç üye bolluğunu eş zamanlı olarak sınıflandırmak ve hesaplamak için bir spektral açı eşleyici (SAM) ve hibrit ayarlı eşleştirilmiş filtre (MTMF) kullanılarak gerçekleştirildi.
7. Haritalar, haritalama sonuçlarına dayanarak oluşturulur ve daha sonra yüksek çözünürlüklü pankromatik görüntülerle birleştirilir.

△ Şekil 1 Atmosferik düzeltme ve ortorektifikasyondan sonraki yansıma görüntüsü

Çalışma alanı, İç Moğolistan'ın Dalad Sancağı'nda, özellikle Sarı Nehir'in güney kıyısındaki Baotou şehrinin güney kesiminde yer almaktadır. Dalad Kasabası ve Dalad Fotovoltaik Enerji Santrali'ni kapsamaktadır. Bölgedeki başlıca yer şekilleri kasabalar, nehirler, madenler ve çöllerdir; uydu geçişi sırasında önemli miktarda kar örtüsü gözlemlenmiştir.

△Şekil 2 Çeşitli yer şekillerinin yansıtıcılığının karşılaştırılması

Karda 760 nm'de bir yansıma tepe noktasının bulunması, bu dalga boyundaki ışığa karşı güçlü yansıtıcılığını gösterir. Bunun nedeni, karın, ışık üzerinde güçlü bir saçılma etkisi olan buz kristallerinden oluşmasıdır. Işık kara çarptığında, ışığın bir kısmı buz kristalleri tarafından emilirken, geri kalanı çeşitli yönlere saçılır. Saçılan ışık arasında, saçılma yoğunluğu 760 nm'de en güçlüdür, bu nedenle bu dalga boyunda bir yansıma tepe noktası oluşur. Şekil 2'ye göre, 760 nm'deki yansıtıcılık farkı, kar örtüsünü daha da sınıflandırmak için kullanılabilir; yani, 760 nm'deki ışığın yansıtıcılığındaki değişiklikler izlenerek, karın erimesi izlenebilir. Kar eridiğinde, buz kristalleri suya dönüşür ve su, ışığı buz kristallerinden daha az etkili bir şekilde saçar. Bu nedenle, kar eridikçe, 760 nm'deki ışığın yansıtıcılığı azalır.

Saf piksel hesaplaması ve uç eleman çıkarımından sonra, elde tutulan uç eleman sayısı 3 oldu; bunlardan ikisi kar örtüsünü temsil ediyordu. Bu nedenle, kar örtüsü daha sonra yeni kar ve eski kar (buz-kar karışımı) olarak ikiye ayrıldı ve kar erime durumu analiz edildi.

Kar erimesinin izlenmesi aşağıdaki uygulamalar için kullanılabilir:

1. Sel tahmini: Kar erimesi, sellerin başlıca kaynaklarından biridir. Kar erimesini izleyerek, sellerin olasılığı ve ölçeği tahmin edilebilir.
2. Çığ tahmini: Çığlar, eriyen karın neden olduğu bir diğer doğal afettir. Kar erimesini izleyerek, çığların olasılığı ve büyüklüğü tahmin edilebilir.
3. Su kaynakları yönetimi: Kar erimesi, nehir akışının önemli bir kaynağıdır. Kar erimesini izleyerek, nehir akışındaki değişiklikler tahmin edilebilir ve böylece su kaynakları yönetimi mümkün hale gelir.

△ Şekil 3 Yeni kar elementinin bolluk dağılım haritası.

△ Şekil 4 Eski karda yetişen doğal bitkilerin bolluk dağılım haritası

Karışım Ayarlı Eşleştirilmiş Filtreleme (MTMF), uç üye spektrumlarının bolluğunu bulmak için kısmi bir ayrıştırma yöntemi kullanır. Bu teknik, bilinen uç üyelerin yanıtını en üst düzeye çıkarmak ve bilinmeyen arka planlarla birleşmiş yanıtları bastırmak için bir "eşleştirilmiş filtre" (MF) kullanır ve böylece bilinen bir sinyali "eşleştirir". Görüntü sahnesindeki tüm uç üyeler hakkında bilgi gerektirmeden, bir kütüphanedeki veya görüntüdeki uç üyelerin spektrumlarını eşleştirerek belirli malzemeleri hızlı bir şekilde tespit etme yöntemi sağlar. Öte yandan, doğrusal spektral ayrıştırma, her banttaki piksel yansıtıcılığının, piksel içinde bulunan uç üye malzemelerinin yansıtıcılıklarının doğrusal bir kombinasyonuna eşit olduğunu varsayarak görüntü piksellerindeki malzemelerin bolluğunu bulur.

Şekil 3 ve 4, her pikselin uç üye bolluğunu görselleştirebilen ve pikselin karışık spektral bileşimini sezgisel olarak gösterebilen MTMF'nin sonuçlarını göstermektedir. Renk ne kadar koyuysa, o uç üyenin bolluğu o kadar yüksektir. Yeni karın Dalat şehrinin batı ovalarını ve güney dağlarını kapladığı görüldü. Eski kar ise ağırlıklı olarak batı çölünde, Dalat şehrinde ve maden bölgesinde yoğunlaşmıştı.Daha sonra yapılan spektral açı eşleme (SAM) sonuçları da bunu doğrulamaktadır.

△ Şekil 5 Spektral açı eşleyicisinin sınıflandırma sonuçları

Spektral Açı Eşleyici (SAM), bir görüntü spektrumunu N boyutlu uzayda bir referans spektrumuyla eşleştirir. SAM, uç nokta spektrumu (N, bant sayısı olmak üzere n boyutlu bir vektör olarak görülür) ile N boyutlu uzaydaki her pikselin vektörü arasındaki açıyı karşılaştırır. Daha küçük bir açı, referans spektrumuna daha yakın bir eşleşmeyi gösterir. Kalibre edilmiş verilerde kullanıldığında, bu teknik aydınlatma ve albedo etkilerine nispeten duyarsızdır. SAM, maksimum açı eşiğine dayalı olarak bir sınıflandırma görüntüsü oluşturur.

Şekil 5, nihai sınıflandırma sonuçlarını göstermektedir. MTMF sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, batı bölgesi için sınıflandırma etkisinin daha iyi olduğu ve yanlış pozitif oranının etkili bir şekilde azaldığı görülmektedir. Aynı zamanda, kuzeydoğudaki Dalat Kasabası ve güneydoğudaki maden bölgesinde düşük kar ve buz örtüsü ile kar erimesi olgusunu daha net bir şekilde göstermektedir.

Kar ve buz örtüsü alanına ilişkin istatistikler

Kar ve buz örtüsüne ilişkin istatistikler aşağıdaki gibidir:

Uydu görüntüleriyle kapsanan toplam alan: 6.400 kilometrekare

Kar örtüsü: %11 (704 kilometrekare)

Eski kar örtüsü: %6 (384 kilometrekare)

Yerel tarihi meteorolojik verilere bakıldığında, en yüksek sıcaklığın yaklaşık -1℃ civarında olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, bu bölgedeki kar ve buzun erimesinin başlıca nedenleri muhtemelen aşağıdaki faktörlerdir:

1. İnsan faaliyetlerinin etkisi: Yoğun nüfuslu bölgeler ve kömür madenciliği yapılan alanlarda genellikle madencilik, ulaşım ve mekanik işlemler gibi birçok insan faaliyeti bulunur. Bu faaliyetler yüzeyin doğasını ve yapısını değiştirebilir, yüzey pürüzlülüğünü azaltabilir ve karın yüzeyde kalmasını veya birikmesini zorlaştırabilir. Aynı zamanda, kasabalarda ve yollarda yapay kar temizleme işlemleri yapılır. Buna karşılık, kuzey bölgeleri çoğunlukla köyler ve tarım arazilerinden oluşur ve insan müdahalesi daha azdır, bu nedenle kar daha yavaş erir.
2. Örtü ve tesisler: Yoğun nüfuslu bölgeler ve kömür madenciliği yapılan alanlarda genellikle binalar, ekipmanlar ve yollar gibi çok sayıda insan yapımı yapı bulunur. Bu örtüler güneş radyasyonunu emer, bu da yüzey sıcaklığını yükseltir ve kar oluşumunu ve korunmasını azaltır.
3. Isı emisyonları: Yoğun nüfuslu bölgelerdeki üretim faaliyetleri ve kömür madenleri genellikle kömür yakılmasından kaynaklanan ısı ve mekanik ekipmanların çalışma ısısı gibi büyük miktarda ısı emisyonuna yol açar. Bu ısı, çevredeki yüzeyin sıcaklığını yükselterek, bu tür bir ortamda kar birikmesini zorlaştırır.

Sarı Nehir yatağında eski kar/buz yüzeyi sınıflandırma sonuçları ortaya çıktı. Meteorolojik koşullar ve Sarı Nehir buz taşkını mevsiminin tarihiyle birlikte, buz-su karışımından oluşan buz parçaları veya kısmen donmuş bir nehir yatağı olduğu belirlendi. Yer verileriyle birlikte, buz parçalarının bileşimi veya nehir donması hakkında daha fazla analiz yapılabilir. Nehir yatağındaki buz parçalarının tüm süreci daha geniş bir mekansal ölçekte izlenebilir; bu da hiperspektral uzaktan algılama teknolojisinin uygulama değerini yansıtır.