Hiperspektral Klorofil İndeksine Dayalı Taihu Gölü Analizi Örneği

Arka Plan Girişi

Uydu uzaktan algılama teknolojisi, iç su kalitesi izlemesinde çok önemli bir rol oynamakta olup, geniş bir alanda temel su kalitesi parametrelerinin hızlı ve düşük maliyetle elde edilmesini sağlamaktadır. Bununla birlikte, iç su kalitesi izlemesi, uydu uzaktan algılama teknolojisine yüksek talepler de getirmektedir: küçük su kütleleri yüksek mekansal çözünürlük gerektirir; hızla değişen su kalitesi yüksek zamansal çözünürlük gerektirir; ve su kütlelerinin karmaşık ve değişken optik özellikleri yüksek spektral çözünürlük gerektirir. Bu nedenle, aynı anda yüksek mekansal, yüksek zamansal ve yüksek spektral çözünürlüğü karşılayan uydu verileri, iç su izlemesinde önemli avantajlara sahiptir.

Klorofil a, önemli bir su kalitesi parametresi ve alglerde bulunan temel bir pigmenttir. Farklı alglerin toplam biyokütlesini ve dağılımını yansıtabilir ve su kütlelerindeki ötrofikasyon derecesini ölçebilir.

Alg patlaması sırasında, su kütlesinin çoğu bölgesinde klorofil konsantrasyonu genellikle 100 mg/m³'ü aşar.^-3Bu aşamada, klorofil a konsantrasyonu artık alg patlamaları için erken uyarı göstergesi olarak yeterli değildir. Alg patlamasından önce veya başlangıcında su kütlelerindeki klorofil a konsantrasyonunun izlenmesi, alg biyokütlesi ve su kalitesi hakkında bilgi sağlayabilir; bu da alg patlamalarının erken uyarısı ve hedefli önlenmesi için büyük önem taşır.

Yöntemler ve Prensipler

Bu vaka çalışmasında, 18 Haziran 2025 tarihinde Xiguang-1 05 uydusu (Tianxianpei) tarafından çekilen Taihu Gölü bölgesinin hiperspektral görüntüleri kullanılarak çeşitli klorofil indeksleri hesaplanmış ve elde edilen indeks sonuçlarına dayanarak Taihu Gölü bölgesinin su kalitesi analiz edilmiştir.

Tablo 1. Veri Tanıtımı

Bu durumda, indeks hesaplaması atmosferik olarak düzeltilmiş L2C seviye yansıma verilerini kullanır. Spesifik işlem prosedürü aşağıdaki gibidir:

1. Veri Ön İşleme

Radyometrik kalibrasyon: Görünür radyans verilerini elde etmek için, radyans tarafından sağlanan radyometrik kalibrasyon katsayıları kullanılarak ham DN değeri verilerine radyometrik düzeltme uygulanır. Bu işlem, ENVI'deki Radyometrik Kalibrasyon aracı kullanılarak yapılabilir.

Atmosferik düzeltme: Atmosferik düzeltme, ENVI'deki FLAASH atmosferik düzeltme aracı gibi, yüzey yansıma verilerini elde etmek için 6S veya MODTRAN modellerine dayalı atmosferik düzeltme araçları kullanılarak gerçekleştirilir.

Spektral yumuşatma: ENVI'de yüzey yansıma verilerini yumuşatmak için Savitzky-Golay (SG) algoritması kullanılır; bu da spektral gürültüyü azaltır ve sonraki ilgili indeks hesaplamalarının güvenilirliğini artırır.

Su kütlesi maskesi: Yüzey yansıtma değerleri normalize edilerek su kütlesi indeksi hesaplanır ve hesaplama sonuçlarının histogramına göre uygun bir eşik değeri seçilir, böylece Taihu Gölü alanı çıkarılır.

İndeks Hesaplaması: Spektral indeksleri hesaplayın.

2. Spektral indeks hesaplaması

• YEDİ

Su kütlesinin büyüklüğü spektral indeks yöntemi kullanılarak belirlendi. Özellikle, FLASH tarafından işlenmiş yüzey yansıma görüntüsüne dayanarak Normalleştirilmiş Fark Su İndeksi (NDWI) hesaplandı. Daha sonra, NDWI görüntüsünün histogramına dayanarak, su kütlesinin belirlenmesini tamamlamak için bir eşik değeri ayarlandı. Hesaplama formülü aşağıdaki gibidir:

• İki bant oranı indeksi (BR)

705nm ve 671nm bantlarında uzaktan algılama yansıma katsayısı R_rsBu oran klorofil spektrumundaki farklılıkları vurgular ve hesaplama formülü aşağıdaki gibidir:

• Normalleştirilmiş Diklorofil İndeksi (NDCI)

705 nm ve 671 nm bantları arasındaki normalize edilmiş yansıma farkı, klorofille ilgili yer altı özelliklerine (algler ve bitki örtüsü gibi) ilişkin bilgileri çıkarmak için kullanılabilir. Hesaplama formülü aşağıdaki gibidir:

• Üç Bantlı İndeks (TBI)

671 nm ve 705 nm bantlarındaki yansıma değerlerinin karşılıklı farkını birleştirip, bunu 731 nm bandındaki yansıma değeriyle çarparak, bulanık sudaki bulanıklık değişimlerini veya farklılıklarını belirlemek mümkün olabilir. Hesaplama formülü şu şekildedir:

Sonuçları Görüntüle

Şekil 1. Gerçek renkli bileşik görüntü (Xiguang-1 05 uydusu (Tianxianpei), 20250618)

Taihu Gölü bölgesinde SG filtrelemesinden önce ve sonra spektral eğrilerin karşılaştırılması (yansıtıcılık 10.000 kat artırıldı, Xiguang-1 05 uydusu (Tianxianpei), 20250406)

Şekil 2. SG filtrelemesinden önce ve sonraki spektral eğrilerin karşılaştırılması.

Yukarıda belirtilen su çıkarma ve indeks hesaplamaları Xiguang-1 05 uydusunda (Tianxianpei) gerçekleştirilmiş ve aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:

Şekil 3. İki bant oranı indeksinin (BR) dağılımı (Xiguang-1 05 uydusu (Tianxianpei), 20250618)

Şekil 4. Normalleştirilmiş Diklorofil İndeksi (NDCI) Dağılımı (Xiguang No. 1 05 uydusu (Tianxianpei), 20250618)

Şekil 5. Üç Bantlı İndeks (TBI) Dağılımı (Xiguang-1-05 uydusu (Tianxianpei), 20250618)

Yukarıdaki şekillerde gösterilen sonuçlar, BR ve TCDI indekslerinin genel dağılımı açısından nispeten tutarlıdır, ancak TBI dağılımında bazı farklılıklar görülmektedir. Genel olarak, alg patlamaları Taihu Gölü'nün batı bölgesinde şiddetlidir ve patlamaların yakınında klorofil a konsantrasyonları daha yüksektir. Bunun nedeni, Taihu Gölü'nün batı kısmının, göle büyük miktarda besin maddesi getiren nehirlerin aktığı yer olması ve bu durumun da yoğun alg büyümesine ve dolayısıyla siyanobakteri patlamalarına ve klorofil a konsantrasyonlarının artmasına yol açmasıdır. Taihu Gölü'nün orta ve doğu bölgeleri daha az etkilenir ve bu da batı Taihu Gölü'ne göre daha iyi su kalitesine yol açar. Gölün doğu kısmında su bitkileri yetişir ve klorofil a konsantrasyonu daha düşüktür.

Tarihsel verilerin analizi, Zhushan Körfezi ve Meiliang Körfezi de dahil olmak üzere Taihu Gölü'nün kuzeybatı koylarının, siyanobakteri patlamalarının en yüksek sıklıkta görüldüğü ve bu üç bölgenin en şiddetli patlamaları yaşadığı alanlar olduğunu göstermektedir. Yüzey algleri rüzgar ve dalgalardan etkilenir. Bir yandan akıntı ile hareket ederek koy alanlarında birikip patlamalar oluştururlar. Öte yandan, yaz aylarında Taihu Gölü bölgesinde hakim rüzgarlar doğu ve güneydoğu yönlü olduğundan, siyanobakteriler yüzeye çıktığında rüzgarın etkisiyle gölün kuzeyine ve batısına doğru sürüklenerek bu bölgelerdeki mevcut siyanobakterilerle birleşip şiddetli patlamalar yaratırlar.

Merkez göl bölgesi, geniş çaplı alg patlamalarının dağılım alanıdır. Yaz aylarında merkez göl bölgesinde bir alg patlaması meydana geldiğinde, geniş bir alanı kaplar. Tarihsel olarak, merkez göl bölgesi, diğer su alanlarındaki alg patlamalarının kapsamını aşan geniş çaplı alg patlamalarına tanık olmuştur. Buna karşılık, güneybatı göl bölgesinde alg patlamaları nadiren görülür ve doğu Taihu Gölü bölgesinde neredeyse hiç görülmez; bu da doğu Taihu Gölü bölgesinin çevresinin nispeten iyi olduğunu gösterir.