【ISPRS好文推荐】基于长时间序列地表水动态的季节性淹没区提取

文摘   2024-12-09 06:59   湖北  
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(一)文章信息
  • 标题:Seasonally inundated area extraction based on long time-series surface water dynamics for improved flood mapping

  • 期刊:《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》(中科院1区Top, IF=10.6 )

  • 作者:Bingyu Zhao et al.

  • doi:https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2024.08.002

(二)研究背景
鄱阳湖地区——中国最大的淡水湖泊,其水域面积因季节性降水变化和干旱显著波动。鄱阳湖不仅在调节长江水位、保护水资源和生态平衡方面具有重要作用,同时也是洪水灾害的高风险区域。受气候变化和人类活动的影响,鄱阳湖的水文动态变化加剧,这给洪水灾害的预防和管理带来了挑战。为此,精确获取季节性水淹区域(Seasonally Inundated Area, SIA)对于防灾减灾具有重要意义。传统洪水映射方法通常基于遥感数据的水域频率来判断淹没区域,但这些方法在水淹频繁变化的区域中表现较差,尤其是未能有效区分不同频率的水体覆盖区域如持久水域区(Permanently Inundated Area, PIA)和陆域区(Permanently Land Area, PLA)。为了克服传统方法的局限性,本研究提出了一种基于长期水体动态(Long Time-Series Surface Water Dynamics, LTSW)的谐波模型方法(Seasonally Harmonic Model, SHM),旨在精确识别季节性水淹区域并改进洪水映射。谐波分析作为一种周期性信号分析工具,能够通过分析时间序列中的趋势、周期和残差成分,提取表面水体的变化特征。与现有方法不同,SHM不仅考虑了水体状态的平均值,还结合了水体的周期性变化特征,从而更好地识别出不同类型的水域区域并进行分类。

(三)研究数据与方法
本研究使用的主要数据包括2016年至2019年间的Sentinel-1和Sentinel-2卫星影像,通过云层筛选后构建鄱阳湖地区的LTSW。研究首先从数据集中提取长期水体状态的时间序列,并利用谐波分析模型对其进行处理,以生成包含振幅和平均值参数的时间序列模型。SIA的提取过程包括根据谐波模型参数来区分季节性水域、持久水域和陆域。此外,采用OTSU方法设置了不同阈值来划分SIA和PIA区域。同时,本研究借助地面真值数据和既有研究结果,对提取的SIA进行验证,主要验证指标包括整体准确率、Kappa系数、生产者准确率和用户准确率。与之前研究中的基准水体掩膜(Reference Water Mask, RWM)相比,SHM具有更高的自动化水平和更好的时空适应性够在洪水事件发生前准确识别并标定出水淹区域。

(四)研究结果

   研究结果表明,SHM方法在SIA提取方面具有显著优势。首先,谐波模型的振幅和平均值参数能够有效区分不同类型的水域状态。在鄱阳湖的典型区域中,SHM方法的整体准确率(OA)达到95%,Kappa系数(KC)为86.11%,生产者准确率(PA)为95.45%,用户准确率(UA)为84.00%。相比之下,基于水淹频率的传统阈值法表现较差。SHM不仅在空间上更加精确地识别出SIA,同时在时间上也能有效处理洪水的动态变化,适用于洪水发生频繁的区域。具体而言,鄱阳湖边缘的SIA区域的振幅值接近整个研究区域的最大值,而中心PIA和外围PLA区域的振幅接近0,进一步验证了谐波模型在刻画不同水域边界方面的高效性。

   另外,研究还分析了忽略SIA提取对洪水淹没区域估算的影响。通过比较PIA-SIA组合和仅基于PIA的淹没区域,研究发现如果忽略SIA提取,会导致淹没区域的高估,进而影响紧急救援资源的合理分配。这在鄱阳湖这样洪水高发的区域尤为明显。相较之下,SHM方法能够更准确地定义PIA和SIA的边界,从而避免了对洪水影响范围的误判。此外,在时间序列分析中,SHM还表现出更高的稳定性,能够有效应对季节性水体面积的变化

(五)研究结论
本研究提出的基于长期水体动态的谐波模型(SHM)在洪水映射中展示出显著优势。与传统的水淹频率阈值法相比,SHM不仅在精确度和稳定性上优于传统方法,还能更自动化地提取季节性水淹区域(SIA),对洪水动态具有较高的适应性。研究发现,谐波模型中的振幅和平均值参数能够有效区分SIA、PIA和PLA三类水域状态,改进了洪水影响区域的精确识别。SHM在洪水高发的区域如鄱阳湖具有较好的应用前景,不仅提高了洪水映射的精确性,还为自然灾害管理和防洪救灾提供了有力的技术支撑。研究表明,SHM方法能够减少人为干预的需求,并为应急响应提供及时可靠的决策支持。此外,本研究也指出了SHM方法的局限性,如在极地冰雪覆盖区和人工水库等非周期性变化的区域中效果不佳。在未来研究中,需进一步改进模型,以适应不同的水文环境。
(六)主要图表


文章来源 :

Zhao, B., Wu, J., Chen, M., Lin, J., & Du, R. (2024). Seasonally inundated area extraction based on long time-series surface water dynamics for improved flood mapping. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 217, 32-52.

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