Évaluation des concentrations d'algues lacustres et de chlorophylle

Surveillance des concentrations de floraison d'algues et de chlorophylle a (CHL - a) dans les lacs, pourGouvernance de l'eutrophisation, protection de l'eau potable et évaluation de la santé des écosystèmesEssentiel.Les cyanobactéries produisent des toxines nocives lorsqu'elles se reproduisent en grand nombre, ce qui constitue une menace pour l'approvisionnement en eau potable et la vie aquatique.Par conséquent, en tant queChlorophylle a indicateur de substitution de biomasse algaleEffectuer une surveillance précise et continue dans l'espace est essentiel à la gestion de l'environnement et à la modélisation de la qualité de l'eau.Les méthodes traditionnelles d'échantillonnage sur le terrain fournissent des mesures ponctuelles précises, mais la couverture spatiale est clairsemée et coûteuse en main - d'œuvre.En comparaison,Les techniques de télédétection permettent des évaluations à grande échelle, reproductibles et évolutives- Oui.Parmi les différentes techniques de télédétection,L'imagerie hyperspectrale fournit les informations spectrales les plus complètes pour distinguer de manière fiable les pigments d'algues et estimer les concentrations de chlorophylle, même dans les eaux intérieures aux propriétés optiques complexes.

L'imagerie hyperspectrale (Hsi) permet de réaliser des paramètres de qualité de l'eauEntre espace et tempsCaractérisation spectrale détaillée.

livreLe texteFocus surSystème d'imagerie hyperspectrale terrestre，Le système permet une surveillance à haute résolution, flexible et rentable des lacs et des réservoirs.Par le biais dePlate - forme fixe ou mobile près de l'eau(p. ex., quai, tour de surveillance ou navire) en opération, imagerie hyperspectrale au sol TianCombler l'écart entre les mesures in situ et les observations aéronautiques / par satellite- Oui.

Principes de télédétection hyperspectrale

Capteur hyperspectral accessible400 à 1000 nmDans la gamme visible à proche infrarouge,Des centaines de bandes spectrales étroites continues (généralement de 2 à 10 nm de largeur de bande)deDonnées de réflectivité. Cette résolution spectrale fine est capable deIdentification précise des caractéristiques subtiles d'absorption et de diffusion associées aux pigments, aux matières en suspension et aux matières organiques dissoutes- Oui.

Le spectre de réflexion amont hors de l'eau d'un plan d'eau lacustre est un signal Composite influencé par divers facteurs, notamment:

l Absorption de la chlorophylle a et des pigments auxiliaires (phycocyanine, caroténoïdes, par exemple)

l Effet de rétrodiffusion des sédiments en suspension et du phytoplancton

l Effet absorbant des matières organiques solubles colorées (cdom)

l émission fluorescente de chlorophylle près de 681 nm

Système au sol capable de jiRapport signal sur bruit (SNR) élevéL'analyse de ces caractéristiques à l'échelle fine les rend idéales pour les études d'étalonnage et de validation.

Avantages de l'imagerie hyperspectrale au sol

l Géométrie d'observation contrôlable

Système au sol (monté sur quai, bateau ou trépied) peut être paireAngle d'observation et angle de lumièreEffectuer un contrôle précis,maximumLimitesRéduit la réflexion spéculaire et les effets de voisinage- Oui.

l Haute résolution spatio - temporelle

Peut captureréchelle centimètre à mètreChangements de plaques ou de gradients d'algues locales.

Acquisition répétée (de l'ordre de la minute à l'heure)Capable d'effectuer des analyses chronologiques de l'évolution de la floraison d'algues.

l Alignement direct avec mesure in situ

Peut être facilement combiné avec la collecte d'échantillons d'eau (chlorophylle a, phycocyanine, total des solides en suspension (TSM), matières organiques solubles colorées (cdom).

Aide à la validation algorithmique des applications satellites ou drones.

l Rentabilité et accessibilité

Évitez les problèmes liés aux coûts de l'avion, à la logistique du vol et à l'autorisation de l'espace aérien.

Convient aux stations de surveillance continues ou semi - permanentes Jiu.

l Flexibilité dans la configuration spectrale

Spectromètre portable ou caméra hyperspectraleIl peut être ajusté à la gamme de bandes visible ou visible - proche infrarouge (vnir) en fonction du pigment cible.

Configuration du système d'imagerie hyperspectrale terrestre

² Composants typiques

l Caméra hyperspectrale (Push - Sweep)

l Plate - forme de montage stable (trépied, PTZ ou cardan)

l Accessoires d'étalonnage (plaques spectralon, Lampes de référence pour l'étalonnage radiatif)

l Ordinateur d'acquisition de données avec GPS / marqueur de temps

l Capteur de rayonnement d'irradiance descendante en option (pour calculer la réflectivité)

² Options d'installation

l Site fixe: installé sur un quai, une tour de surveillance ou un pont pour des mesures répétées

l Plate - forme mobile: embarquée sur un bateau ou un radeau flottant, balayage des sections du lac

l Paramètres de balayage: balayez horizontalement des parties du lac pour générer une mosaïque hyperspectrale

Caractéristiques spectrales clés pour la détection des algues et de la chlorophylle

Avantages de l'imagerie hyperspectrale dans les eaux intérieures

l Amélioration de la discrimination pigmentaire

Données hyperspectrales résolvablesCaractéristiques d'absorption étroite(par exemple, le pic d'absorption de 620 nanomètres de phycocyanine)，Réalisant ainsi la distinction entre les algues bleues et vertes.

l Améliorer la précision quantitative de la chlorophylle

Bande étroiteIndexCapture de subtils décalages de bord rougeIl est possible d'obtenir des estimations de la chlorophylle à la fois dans les masses d'eau pauvres et eutrophes.

l Flexibilité de conception algorithmique

L'utilisateur peut ajuster une combinaison de bandes personnalisée ou appliquer un modèle semi - analytique,Non limité aux bandes multispectrales fixes- Oui.

l Mobilité trans - capteurs et formation en Machine Learning

Les ensembles de données hyperspectrales soutiennent le développement de modèles d'apprentissage automatique tels que Random Forest (RF), Ji - end Gradient Lift (xgb), Convolutive Neural Network (CNN), quiGénéralisable entre différents Lacs et saisons- Oui.

l Prospective

Les nouvelles missions satellites (PRISMA, DESIS, EnMAP, Chime) et les capteurs aéronautiques assurentContinuité et couverture mondiale des données- Oui.

Exemples de mise en œuvre sur site

Le déploiement réel peut inclure les éléments suivants:

l Une caméra clydehsi vnir - S (plage de bande 400 - 1000 nm, résolution spectrale 5 nm)ChargementSur la Marina avec vue sur le lac

l Imagerie périodique toutes les 30 minutes pendant la journée

l Prélèvement synchronisé d'échantillons d'eau pour la détermination de la chlorophylle a (CHL - a), de la phycocyanine (PC) et des solides en suspension totaux (TSM)

l Calibration avec plaques spectralon à 99% de réflectivité

l Les données ont été traitées pour cartographier la distribution de la chlorophylle a dans la zone côtière avec une résolution d'environ 10 cm.

De tels systèmes peuvent détecter l'apparition précoce de floraisons d'algues, suivre les changements quotidiens de pigments et fournir des données réelles au sol pour la vérification des algorithmes satellites.

Processus d'utilisation des données hyperspectrales

l Acquisition de données

Acquisition d’images hyperspectrales (par exemple PRISMA, DESIS, EnMAP satellite ou imagerie aérienne)

Assurez - vous que le temps d'acquisition est synchronisé avec le temps d'échantillonnage sur le terrain utilisé pour l'étalonnage

l Pré - traitement

Effectuer un étalonnage radiatif et une correction atmosphérique pour en déduire la réflectivité hors de l'eau (ρw ou RRS)

Effectuer la correction des effets d'éblouissement et de proximité (essentiel pour les petits lacs)

l Analyse spectrale

Extraire le spectre des pixels d'un plan d'eau à l'aide d'un masque de zone d'intérêt (roi) ou d'un shapefile

Calcul des indices spectraux (par exemple, rapport NDCI, MCI, phycocyanine (PC))

Étape optionnelle: effectuer une analyse de la dérivée ou une élimination continue pour améliorer la caractérisation spectrale

l Applications algorithmiques

Appliquer un modèle expérientiel optimisé ou un modèle de régression d'apprentissage automatique basé sur la formation de données de terrain locales

Générer des cartes de distribution des concentrations de chlorophylle et / ou de phycocyanine

l Vérification et Calibration

Comparaison des concentrations inversées par satellite avec les données de chlorophylle a in situ

La précision est évaluée à l'aide de l'erreur quadratique moyenne (rmse), de l'écart et du coefficient de décision (r²)

l sortie

Générer une carte géo - référencée des concentrations de chlorophylle a et de phycocyanine (PC)Identifier les zones de floraison d'algues et leurs variations temporelles, apporter un soutien à la gestion des réponses

Exemple: application de données hyperspectrales à l'estimation de la chlorophylle des lacs

1. Extraction du spectre de réflexion à partir d'images hyperspectrales de la région du lac

2. Calculez l'indice de chlorophylle normalisé (NDCI) ou l'indice de bord rouge tri - bande pour chaque pixel

3. Conversion de la valeur de l'indice en concentration de chlorophylle a à l'aide d'un facteur de régression dérivé des données sur le terrain

4. Visualisez la distribution spatiale pour identifier les zones d'intensité de floraison d'algues

Ce processus Yi permet une surveillance en temps quasi réel de la dynamique des proliférations d'algues et facilite l'intégration avec des modèles hydrodynamiques ou des modèles de qualité de l'eau.

En option: système d'imagerie hyperspectrale basé sur un drone

Si nécessaireCouvrir une plus grande zone du lacLe système Hyperspectral de véhicule aérien sans pilote (UAV) peut fournir uneSolutions intermédiaires flexibles

Appareils photo modernes légers à balayage poussé ou instantané embarqués dans des drones (par exemple, headwall Nano - hyperspec,

Cubert uhd) est capable de:

l ObtenirRésolution de niveau centimètreDonnées spectrales de

l DansEn quelques minutesCouvre toute la surface du lac

l Systèmes de soutien et de fondationMême processus d'étalonnage et de traitement

Cependant, les opérations de drones nécessitent l'obtention d'une autorisation d'espace aérien, une stabilisation de la lumière garantie et un balisage radiatif précis pour garantir les résultats.Quantitative.

L'imagerie hyperspectrale au sol offre une méthode puissante, flexible et rentable pour la surveillance de la qualité de l'eau des Lacs. L'imagerie hyperspectrale permet de surveiller la dynamique de la floraison d'algues et de la chlorophylle dans les lacsQuantitative, spectrale informative et évolutiveLa solution. Ses données en bande étroiteCapable de capturer les caractéristiques clés d'absorption et de diffusion des pigments manquées par les systèmes multispectrauxPermettant ainsi une détection précise de la biomasse algale et de l'activité des cyanobactéries.

Les principaux avantages sont:

l Haute résolution temporelle et précision des zones locales

l Modèles bio - optiques et modèles de machine learning directement vérifiables

l Convient aux déploiements à long terme ou automatisés

l Avec le potentiel d'intégration avec les systèmes de drones (UAV) et de satellites

En se concentrant sur les observations hyperspectrales au sol, les chercheurs et les gestionnaires ont pu établirSurveillance continue et quantitative des pigmentsCadre de mesureSoutenir le système d'alerte précoce des proliférations d'algues nuisibles et fournir une base d'étalonnage fiable pour un réseau de télédétection plus large.