Giám sát lớp phủ tuyết và băng ở huyện Dalad, Nội Mông dựa trên phân tích phổ hỗn hợp siêu phổ.

Lớp phủ tuyết là một biến số hệ thống tích cực trong biến đổi khí hậu Trái đất, không chỉ là một chỉ báo quan trọng về biến đổi khí hậu toàn cầu mà còn liên quan mật thiết đến cân bằng năng lượng, chu trình khí quyển, chu trình nước, và chu trình carbon và nitơ của Trái đất. Khả năng phản xạ cao, khả năng lưu trữ lạnh lớn, nhiệt ẩn chuyển pha khổng lồ và vai trò là nguồn phát thải và hấp thụ khí nhà kính khiến nó đóng vai trò quan trọng trong cân bằng năng lượng bề mặt Trái đất. Công nghệ viễn thám định lượng là phương tiện chính để thu thập thông tin về lớp phủ tuyết nhằm theo dõi sự thay đổi của lớp phủ tuyết, đánh giá phản ứng của nó đối với biến đổi khí hậu và tiến hành nghiên cứu thủy văn về lớp phủ tuyết. Viễn thám vệ tinh được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu lớp phủ tuyết.

Tuyết có độ phản xạ cao trong dải ánh sáng nhìn thấy, nhưng độ phản xạ thấp trong dải hồng ngoại sóng ngắn, trong khi hầu hết các đám mây có độ phản xạ cao ở cả hai dải. Do đó, việc tính toán sự khác biệt giữa dải ánh sáng nhìn thấy và dải hồng ngoại sóng ngắn bằng cách sử dụng Chỉ số Khác biệt Chuẩn hóa về Tuyết (NDSI) có thể xác định hiệu quả thông tin về lớp phủ tuyết trong dữ liệu viễn thám quang học. Tuy nhiên, vì tuyết và mây có đặc điểm quang phổ tương tự nhau trong dải ánh sáng nhìn thấy, các sản phẩm lớp phủ tuyết được phát triển dựa trên công nghệ viễn thám quang học thường bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời không đủ và mây che phủ, dẫn đến một lượng lớn giá trị bị thiếu và gây ra một số khó khăn trong ứng dụng. Vì vậy, chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích quang phổ lai để trích xuất diện tích lớp phủ tuyết, có thể đạt được độ chính xác cao và tỷ lệ dương tính giả thấp.

CAS Xiguang Aerospace - Lập bản đồ lớp phủ tuyết và băng

Nguồn dữ liệu: Máy ảnh siêu phổ XIGUANG003

Khu vực: Dalad Banner, Nội Mông

Ngày quay phim: 5 tháng 1 năm 2024

Việc lập bản đồ lớp phủ tuyết và băng bao gồm các bước sau:

1. Hiệu chuẩn bức xạ, hiệu chỉnh khí quyển và hiệu chỉnh hình học dữ liệu L2A thô;
2. Việc giảm chiều phổ được thực hiện bằng cách sử dụng phép biến đổi nhiễu tối thiểu (MNF).
3. Sử dụng các phép đo tính nhất quán không gian để xác định kích thước của dữ liệu;
4. Tính toán Chỉ số Điểm ảnh Thuần túy (PPI) và sàng lọc thêm các biến số bằng cách sử dụng Chỉ số Điểm ảnh Thuần túy (PPI);
5. Kết quả được trực quan hóa trong không gian N chiều, tự động phân cụm và xác định các thành phần cuối.
6. Việc lập bản đồ quang phổ được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lập bản đồ góc quang phổ (SAM) và bộ lọc khớp điều chỉnh lai (MTMF) để phân loại và tính toán đồng thời độ phong phú của các thành phần cơ bản.
7. Các bản đồ được tạo ra dựa trên kết quả lập bản đồ và sau đó được kết hợp với hình ảnh toàn sắc độ phân giải cao.

△ Hình 1. Ảnh phản xạ sau khi hiệu chỉnh khí quyển và chỉnh ảnh trực giao.

Khu vực nghiên cứu nằm ở huyện Dalad, Nội Mông, cụ thể là ở phía nam thành phố Baotou, bên bờ nam sông Hoàng Hà. Khu vực này bao gồm thị trấn Dalad và nhà máy điện mặt trời Dalad. Các dạng địa hình chính trong khu vực là các thị trấn, sông ngòi, mỏ và sa mạc, với lượng tuyết phủ đáng kể được quan sát thấy trong quá trình vệ tinh di chuyển.

△Hình 2 So sánh độ phản xạ của các đặc điểm địa hình khác nhau

Sự xuất hiện của đỉnh phản xạ ở bước sóng 760 nm trong tuyết cho thấy khả năng phản xạ mạnh mẽ của nó đối với ánh sáng ở bước sóng đó. Điều này là do tuyết được cấu tạo từ các tinh thể băng, có tác dụng tán xạ mạnh mẽ đối với ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào tuyết, một phần ánh sáng bị các tinh thể băng hấp thụ, trong khi phần còn lại bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau. Trong số ánh sáng tán xạ, cường độ tán xạ mạnh nhất ở bước sóng 760 nm, do đó xuất hiện đỉnh phản xạ ở bước sóng này. Theo Hình 2, sự khác biệt về khả năng phản xạ ở bước sóng 760 nm có thể được sử dụng để phân loại thêm lớp phủ tuyết; nghĩa là, bằng cách theo dõi sự thay đổi khả năng phản xạ của ánh sáng ở bước sóng 760 nm, có thể theo dõi quá trình tan chảy của tuyết. Khi tuyết tan, các tinh thể băng biến thành nước, và nước tán xạ ánh sáng kém hiệu quả hơn so với các tinh thể băng. Do đó, khi tuyết tan, khả năng phản xạ của ánh sáng ở bước sóng 760 nm giảm đi.

Sau khi thực hiện tính toán pixel thuần túy và trích xuất các thành phần cơ bản, số lượng thành phần cơ bản được giữ lại cuối cùng là 3, trong đó hai thành phần đại diện cho lớp tuyết phủ. Do đó, lớp tuyết phủ sau đó được chia thành tuyết mới và tuyết cũ (hỗn hợp băng-tuyết), và tình hình tan chảy của tuyết được phân tích.

Việc giám sát quá trình tan chảy của tuyết có thể được sử dụng cho các mục đích sau:

1. Dự báo lũ lụt: Nước tan từ tuyết là một trong những nguyên nhân chính gây ra lũ lụt. Bằng cách theo dõi lượng nước tan từ tuyết, người ta có thể dự đoán được khả năng và quy mô của lũ lụt.
2. Dự báo tuyết lở: Tuyết lở là một thảm họa tự nhiên khác do tuyết tan gây ra. Bằng cách theo dõi quá trình tan chảy của tuyết, người ta có thể dự đoán được khả năng xảy ra và quy mô của các vụ tuyết lở.
3. Quản lý tài nguyên nước: Nước tan từ tuyết là nguồn cung cấp nước chảy đáng kể cho các con sông. Bằng cách theo dõi lượng nước tan từ tuyết, có thể dự đoán được những thay đổi trong dòng chảy của sông, từ đó giúp quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.

△ Hình 3 Bản đồ phân bố mật độ của nguyên tố tuyết mới.

△ Hình 4 Bản đồ phân bố mật độ của chi nội sinh trong tuyết cũ.

Phương pháp lọc khớp điều chỉnh hỗn hợp (Mixture-Tuned Matched Filtering - MTMF) sử dụng phương pháp tách hỗn hợp một phần để tìm ra độ phong phú của các phổ thành phần cơ bản. Kỹ thuật này sử dụng một "bộ lọc khớp" (MF) để tối đa hóa phản hồi của các thành phần cơ bản đã biết và triệt tiêu các phản hồi kết hợp với nền không xác định, do đó "khớp" với một tín hiệu đã biết. Nó cung cấp một phương pháp để nhanh chóng phát hiện các vật liệu cụ thể dựa trên việc khớp phổ của các thành phần cơ bản trong thư viện hoặc hình ảnh, mà không cần biết tất cả các thành phần cơ bản trong cảnh hình ảnh. Mặt khác, phương pháp tách phổ tuyến tính tìm ra độ phong phú của các vật liệu trong các điểm ảnh bằng cách giả định rằng độ phản xạ của điểm ảnh trong mỗi dải bằng một tổ hợp tuyến tính của độ phản xạ của các vật liệu thành phần cơ bản có trong điểm ảnh đó.

Hình 3 và 4 thể hiện kết quả của MTMF, có thể trực quan hóa sự phong phú của các thành phần cơ bản trong mỗi pixel và hiển thị một cách trực quan thành phần quang phổ hỗn hợp của pixel. Màu càng đậm, sự phong phú của thành phần cơ bản đó càng cao. Lớp tuyết mới phủ trắng vùng đồng bằng phía tây và các dãy núi phía nam thị trấn Đà Lạt. Tuyết cũ chủ yếu phân bố ở sa mạc phía tây, thị trấn Đà Lạt và khu vực khai thác mỏ.Kết quả từ thiết bị đo góc quang phổ (SAM) tiếp theo cũng xác nhận điều này.

△ Hình 5 Kết quả phân loại của bộ lập bản đồ góc quang phổ

Bộ ánh xạ góc quang phổ (SAM) so khớp phổ ảnh với phổ tham chiếu trong không gian N chiều. SAM so sánh góc giữa phổ thành phần cuối (được xem như một vectơ n chiều, trong đó N là số dải tần) và vectơ của mỗi pixel trong không gian N chiều. Góc càng nhỏ thì độ khớp với phổ tham chiếu càng cao. Khi được sử dụng trên dữ liệu đã hiệu chuẩn, kỹ thuật này tương đối ít nhạy cảm với hiệu ứng chiếu sáng và suất phản xạ. SAM tạo ra ảnh phân loại dựa trên ngưỡng góc tối đa.

Hình 5 thể hiện kết quả phân loại cuối cùng. Có thể thấy rằng, so với kết quả MTMF, hiệu quả phân loại đối với khu vực phía Tây tốt hơn, giúp giảm tỷ lệ dương tính giả một cách hiệu quả. Đồng thời, nó cũng thể hiện rõ hơn hiện tượng tuyết phủ và băng tan thấp ở thị trấn Đà Lạt phía Đông Bắc và khu vực khai thác mỏ phía Đông Nam.

Thống kê về diện tích phủ tuyết và băng.

Số liệu thống kê về độ phủ của tuyết và băng như sau:

Tổng diện tích được bao phủ bởi ảnh vệ tinh: 6.400 km vuông.

Diện tích tuyết phủ: 11% (704 km²)

Diện tích tuyết phủ cũ: 6% (384 km²)

Qua tham khảo dữ liệu khí tượng lịch sử địa phương, người ta nhận thấy nhiệt độ cao nhất vào khoảng -1℃. Do đó, các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tan chảy tuyết và băng ở khu vực này có thể là do các yếu tố sau:

1. Tác động của hoạt động con người: Các khu vực dân cư đông đúc và khu vực khai thác than thường có nhiều hoạt động của con người, chẳng hạn như khai thác mỏ, vận tải và vận hành máy móc. Những hoạt động này có thể làm thay đổi tính chất và cấu trúc bề mặt, làm giảm độ nhám bề mặt và khiến tuyết khó đọng lại hoặc tích tụ trên bề mặt. Đồng thời, việc dọn tuyết nhân tạo được thực hiện ở các thị trấn và đường sá. Ngược lại, các khu vực phía bắc chủ yếu là làng mạc và đất nông nghiệp với ít sự can thiệp của con người, do đó tuyết tan chậm hơn.
2. Lớp phủ và cơ sở hạ tầng: Các khu vực dân cư đông đúc và khu vực khai thác than thường có rất nhiều công trình nhân tạo như nhà cửa, thiết bị và đường sá. Những lớp phủ này hấp thụ bức xạ mặt trời, làm tăng nhiệt độ bề mặt và làm giảm sự hình thành cũng như duy trì tuyết.
3. Phát thải nhiệt: Các hoạt động sản xuất ở những khu vực dân cư đông đúc và các mỏ than thường đi kèm với một lượng lớn nhiệt phát thải, chẳng hạn như nhiệt sinh ra từ việc đốt than và nhiệt lượng tỏa ra từ hoạt động của các thiết bị cơ khí. Nhiệt lượng này sẽ làm tăng nhiệt độ của bề mặt xung quanh, khiến cho tuyết khó tích tụ trong môi trường như vậy.

Kết quả phân loại bề mặt tuyết/băng cũ xuất hiện ở lòng sông Hoàng Hà. Kết hợp với điều kiện khí tượng và thời điểm mùa lũ băng ở sông Hoàng Hà, người ta xác định đó là các tảng băng trôi cấu tạo từ hỗn hợp băng và nước hoặc lòng sông bị đóng băng một phần. Kết hợp với dữ liệu thực địa, có thể tiến hành phân tích sâu hơn về thành phần của tảng băng trôi hoặc quá trình đóng băng của sông. Toàn bộ quá trình hình thành tảng băng trôi trong lòng sông có thể được giám sát ở quy mô không gian lớn hơn, điều này cũng phản ánh giá trị ứng dụng của công nghệ viễn thám siêu phổ.