Phân tích trường hợp hồ Thái Hồ dựa trên chỉ số diệp lục siêu phổ

Giới thiệu bối cảnh

Công nghệ viễn thám vệ tinh đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát chất lượng nước nội địa, cho phép thu thập các thông số chất lượng nước quan trọng trên diện tích lớn một cách nhanh chóng và với chi phí thấp. Tuy nhiên, việc giám sát chất lượng nước nội địa cũng đặt ra những yêu cầu cao đối với công nghệ viễn thám vệ tinh: các vùng nước nhỏ đòi hỏi độ phân giải không gian cao; chất lượng nước thay đổi nhanh chóng cần độ phân giải thời gian cao; và đặc điểm quang học phức tạp và biến đổi của các vùng nước đòi hỏi độ phân giải quang phổ cao. Do đó, dữ liệu vệ tinh đáp ứng đồng thời độ phân giải không gian, thời gian và quang phổ cao có những lợi thế đáng kể trong việc giám sát chất lượng nước nội địa.

Diệp lục a là một thông số quan trọng về chất lượng nước và là sắc tố chủ yếu trong tảo. Nó có thể phản ánh tổng sinh khối và sự phân bố của các loại tảo khác nhau, đồng thời đo lường mức độ phú dưỡng trong các thủy vực.

Trong thời kỳ tảo nở hoa, nồng độ chất diệp lục ở hầu hết các khu vực trong nguồn nước thường vượt quá 100 mg/m³.^-3Ở giai đoạn này, nồng độ chlorophyll a không còn đủ để làm chỉ báo sớm cho hiện tượng tảo nở hoa. Việc theo dõi nồng độ chlorophyll a trong các nguồn nước trước hoặc khi bắt đầu hiện tượng tảo nở hoa có thể cung cấp thông tin về sinh khối tảo và chất lượng nước, điều này rất quan trọng đối với việc cảnh báo sớm và ngăn ngừa hiện tượng tảo nở hoa một cách có mục tiêu.

Phương pháp và nguyên tắc

Nghiên cứu trường hợp này sử dụng ảnh siêu phổ của khu vực hồ Thái Hồ được chụp bởi vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc) vào ngày 18 tháng 6 năm 2025 để tính toán các chỉ số diệp lục khác nhau, và phân tích chất lượng nước của khu vực hồ Thái Hồ dựa trên kết quả chỉ số tương ứng.

Bảng 1. Giới thiệu dữ liệu

Trong trường hợp này, việc tính toán chỉ số sử dụng dữ liệu phản xạ mức L2C đã được hiệu chỉnh khí quyển. Quy trình vận hành cụ thể như sau:

1. Xử lý sơ bộ dữ liệu

Hiệu chuẩn bức xạ: Việc hiệu chỉnh bức xạ được thực hiện trên dữ liệu giá trị DN thô bằng cách sử dụng các hệ số hiệu chuẩn bức xạ do Radiance cung cấp để thu được dữ liệu bức xạ biểu kiến. Điều này có thể được thực hiện bằng công cụ Hiệu chuẩn bức xạ trong ENVI.

Hiệu chỉnh khí quyển: Việc hiệu chỉnh khí quyển được thực hiện bằng cách sử dụng các công cụ hiệu chỉnh khí quyển dựa trên mô hình 6S hoặc MODTRAN để thu được dữ liệu phản xạ bề mặt, chẳng hạn như công cụ hiệu chỉnh khí quyển FLAASH trong ENVI.

Làm mịn phổ: Thuật toán Savitzky-Golay (SG) được sử dụng để làm mịn dữ liệu phản xạ bề mặt trong ENVI, giúp giảm nhiễu phổ và cải thiện độ tin cậy của các phép tính chỉ số liên quan tiếp theo.

Mặt nạ vùng nước: Bằng cách chuẩn hóa chỉ số phản xạ bề mặt để tính toán chỉ số vùng nước, và chọn ngưỡng thích hợp dựa trên biểu đồ tần suất của kết quả tính toán, khu vực hồ Thái Hồ được trích xuất.

Tính toán chỉ số: Tính toán các chỉ số quang phổ.

2. Tính toán chỉ số quang phổ

• BẢY

Phạm vi vùng nước được trích xuất bằng phương pháp chỉ số quang phổ. Cụ thể, Chỉ số chênh lệch chuẩn hóa vùng nước (NDWI) được tính toán dựa trên ảnh phản xạ bề mặt được xử lý bằng FLASH. Sau đó, dựa trên biểu đồ tần suất của ảnh NDWI, một ngưỡng được thiết lập để hoàn thành việc trích xuất vùng nước. Công thức tính toán như sau:

• Chỉ số tỷ lệ hai băng tần (BR)

Hệ số phản xạ viễn cảm R trong dải bước sóng 705nm và 671nm._rsTỷ lệ này làm nổi bật sự khác biệt trong quang phổ diệp lục, và công thức tính toán như sau:

• Chỉ số diệp lục chuẩn hóa (NDCI)

Sự khác biệt chuẩn hóa về độ phản xạ giữa dải bước sóng 705nm và 671nm có thể được sử dụng để trích xuất thông tin về các đặc điểm trên mặt đất liên quan đến chất diệp lục (như tảo và thảm thực vật). Công thức tính toán như sau:

• Chỉ số ba dải (TBI)

Việc kết hợp hiệu số nghịch đảo của độ phản xạ trong dải bước sóng 671nm và 705nm, sau đó nhân với độ phản xạ trong dải bước sóng 731nm, có thể được sử dụng để làm nổi bật những thay đổi hoặc khác biệt về độ đục trong nước đục. Công thức tính toán như sau:

Hiển thị kết quả

Hình 1. Ảnh ghép màu thật (Vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc), 18/06/2025)

So sánh đường cong phổ trong khu vực hồ Thái Hồ trước và sau khi lọc SG (độ phản xạ tăng 10.000 lần, vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc), 06/04/2025)

Hình 2 So sánh các đường cong phổ trước và sau khi lọc SG

Quá trình trích xuất nước và tính toán chỉ số nêu trên được thực hiện trên vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc), và thu được các kết quả sau:

Hình 3. Phân bố chỉ số tỷ lệ hai băng tần (BR) (Vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc), 18/06/2025)

Hình 4. Phân bố Chỉ số Diệp lục Chuẩn hóa (NDCI) (Vệ tinh Xiguang số 1 05 (Thiên Tiên Bắc), 18/06/2025)

Hình 5. Phân bố chỉ số ba dải tần (TBI) (Vệ tinh Xiguang-1-05 (Thiên Tiên Bắc), 18/06/2025)

Kết quả thể hiện trong các hình trên tương đối nhất quán về phân bố tổng thể của các chỉ số BR và TCDI, trong khi phân bố của TBI lại có một số khác biệt. Nhìn chung, hiện tượng tảo nở hoa nghiêm trọng ở khu vực phía tây hồ Thái Hồ, với nồng độ diệp lục a cao hơn gần các khu vực tảo nở hoa. Điều này là do phía tây hồ Thái Hồ là nơi các con sông đổ vào hồ, mang theo một lượng lớn chất dinh dưỡng, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của tảo và do đó gây ra hiện tượng tảo lam nở hoa và làm tăng nồng độ diệp lục a. Khu vực trung tâm và phía đông hồ Thái Hồ ít bị ảnh hưởng hơn, dẫn đến chất lượng nước tốt hơn so với phía tây hồ Thái Hồ. Thực vật thủy sinh phát triển ở phía đông hồ, và nồng độ diệp lục a thấp hơn.

Phân tích dữ liệu lịch sử cho thấy các vịnh phía tây bắc của hồ Thái Hồ, bao gồm vịnh Chu Sơn và vịnh Miêu Lương, là những khu vực có tần suất bùng phát tảo lam cao nhất, và ba khu vực này chịu ảnh hưởng nặng nề nhất bởi hiện tượng bùng phát. Tảo bề mặt bị ảnh hưởng bởi gió và sóng. Một mặt, chúng di chuyển theo dòng chảy, tích tụ ở các khu vực vịnh và tạo thành các đợt bùng phát. Mặt khác, do gió thịnh hành ở vùng hồ Thái Hồ vào mùa hè là gió đông và đông nam, khi tảo lam nổi lên bề mặt, chúng trôi dạt về phía bắc và tây của hồ dưới tác động của gió, kết hợp với tảo lam hiện có trong các khu vực này tạo ra các đợt bùng phát nghiêm trọng.

Khu vực trung tâm hồ là vùng phân bố rộng lớn của hiện tượng tảo nở hoa. Khi hiện tượng tảo nở hoa xảy ra ở khu vực trung tâm hồ vào mùa hè, nó sẽ bao phủ một diện tích rộng lớn. Trong lịch sử, khu vực trung tâm hồ đã từng trải qua các đợt tảo nở hoa quy mô lớn, vượt xa phạm vi tảo nở hoa ở các vùng nước khác. Ngược lại, hiện tượng tảo nở hoa hiếm khi xảy ra ở khu vực tây nam hồ, và hầu như chưa từng xảy ra ở khu vực phía đông hồ Thái Hồ, cho thấy môi trường của khu vực phía đông hồ Thái Hồ tương đối tốt.