文献总结 | RSE:间歇性地表水体动态变化遥感研究框架

文摘   2024-08-18 19:44   江苏  

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研究背景
RESEARCH BACKGROUND
间歇性地表水体不同于常年水体,常常在数月甚至数年之间在水和陆地之间频繁转换。这些水体广泛分布于全球的各大洲、生态区域和气候带中。间歇性水体对社会和生态系统具有重要意义。然而,由于人类活动和气候变化,这些水体变得越来越普遍存在,对社会和生态系统的影响也日益显著。尽管如此,间歇性水体的动态变化仍难以理解,主要原因是其剧烈的动态性和缺乏现场观测数据。
为了解决这一问题,研究提出了一种新的遥感框架,用于捕捉地表水体的长期月度动态变化,并应用于中国最大的淡水湖——鄱阳湖。该框架利用随机森林分类器处理所有可用的Landsat数据来识别月度地表水体,并开发了基于空间和时间邻域相似性的缺口填补方法,以恢复被云层遮挡的水体,确保空间完整性。此外,还引入了一个指数来量化水体的间歇性,进而将水体分类为常年、湿间歇性和干间歇性。
研究方法
1. 研究数据

基于GEE获取所有覆盖鄱阳湖(图1)的所有 Landsat SR数据,重建1986 年 4 月至 2023 年 9 月期间地表水体的月度时间序列。通过计算掩膜后的中值,将 5157 个完整或部分图块聚合成月度合成图像,使用高级填补空白方法 (STNS-GF) 修复由于屏蔽无效像素带来的明显间隙像素的问题。选取星子水文站的水位观测数据来评估 STNS-GF 方法重建的地表水时间序列的可靠性。

图 1. 鄱阳湖的位置

2. 其他数据集

ESA WorldCover 2020 10米数据集:用于生成不透水表面掩膜;

NASA DEM 30米数字高程模型:获取高程数据;

JRC-GSW数据集:获取地表水体的精确样本像素;

Sentinel-2 A/B 影像:对图像进行去云、拼接和裁剪,并通过中值计算汇总为月合成图像。用假彩色影像为本研究中地表水数据集的人工解释和验证提供清晰的观测图像。

3. 研究方法

3.1 间歇性的定义

开发一种H指数(Heterogeneity (H) index):以香农多样性(Shannon diversity index)指数为基础,进行显著改进用来量化地表水时间序列的间歇性。根据连续性将其时间序列分为水段和非水段,每个段代表水(表示为 1)或非水(表示为 0)的连续延伸。新段的出现标志着水和非水状态之间的过渡。利用划分的段,计算异质性指数H,对于每个像素使用以下公式:

指数越接近1,代表水体状态转换越频繁,间歇性越强;H指数越接近0,则代表水体状态较为持续,转换频率低,间歇性越弱。进一步地,结合像元的异质性指数和淹水频率,可将水体分为分类为常年、湿间歇性和干间歇性。
3.2 基于时空邻域相似性的云遮挡区地表状态推测方法

研究发展了一种云遮挡区的地表水体推测方法(STNS-GF),以推测受云遮挡及条带影响区域的“水/非水”状态。该方法利用大量历史影像,提取了待推测像元的历史水体频率、空间邻域相似性和时间邻域相似性三种关键信息,然后通过朴素贝叶斯分类器对该像元的“水/非水”状态进行推测分析(图1)。其中,水体频率提供了每个像元存在水的先验概率,指示了该位置历史上水的出现情况,以减少误判;空间邻域相似性评估以待推测像元为中心的一定空间邻域内,待推测时刻的地表状态与该邻域历史状态空间格局的一致性,以借助历史上相似水位的水体空间分布信息;与此同时,时间邻域相似性则通过计算待推测像元在以当前时刻为中心、一段时间内的状态变化与历史时段的相似性,以借助历史上相似的水体扩张或退缩过程中像元状态随时间变化的过程信息;最后,通过朴素贝叶斯分类器,STNS-GF综合利用以上三种信息来判断每个待推测像元的“水/非水”状态,首次生成了长时间序列、高频率且空间完整的详细地表水体分布图(图 2)。

图 2. 地表水体云遮挡区域状态的推测方法(STNS-GF)示意图

研究结果
1. 重建月地表水时间序列
使用RF分类方法创建的1986年至2023年的月度地表水数据集,尽管该数据集的准确率达96.2%,但52.4%的图像存在超过10%的缺口。为了填补这些缺口,采用了STNS-GF方法,成功重建了鄱阳湖的完整水面积时间序列。重建后的数据与观测水位高度一致,显著提高了对地表水动态的捕捉能力,并显示出水面积和水位的长期下降趋势。尽管许多图像存在缺口,STNS-GF方法在不同季节均表现出色,确保了数据的准确性和可靠性(图 3)。

图 3. 鄱阳湖地表水体月时间序列

2. 地表水体空间格局

中央水道、两侧平原、南部小型水库和补给河流淹没频率高,而远离水道地区淹没频率低,间歇度高。平均间歇度为0.51,表明整体间歇性显著。横截面剖面线的分析表明,淹没频率和间歇度通常呈反比关系,但有时可能同时较高(图4)。

常年水体主要集中在中央水道及南部地区,占地面积最小(51,292公顷,9.8%),湿润间歇水体和干旱间歇水体分别占44.8%和45.4%。这表明鄱阳湖的水体面积季节性波动显著(图5)。

图 4.1986年 4 月至 2023 年 9 月鄱阳湖淹没频率和间歇度的空间分布

图 5. 1986年4月至2023年9月鄱阳湖地表水类型

3. 地表水体变化与转型

1987年至2022年间鄱阳湖三类地表水体及总水体面积的年变化情况。常年水体面积从143,706公顷减少到101,472公顷,年均减少1,303.58公顷(P < 0.001图 6。干旱间歇性水体面积稳定增加,每年增加5.74公顷,而湿润间歇性水体面积显著增加,年均增加1,087.16公顷(P < 0.001)。总水体面积略有减少,年均减少210.68公顷,主要由于常年水体的减少。

在前5年(1987-1991年)与后5年(2018-2022年)之间的空间分析显示,305,222公顷(58.9%)的水体类型保持不变,而212,744公顷(41.1%)发生了变化(图 7)。其中,113,226公顷(21.9%)的水体转变为更干燥或间歇性的状态,49,660公顷(9.6%)变得更湿润或更持续。新出现了33,890公顷(6.5%)的间歇或常年水体,而鄱阳湖失去了15,967公顷(3.1%)的地表水体,主要为干旱间歇水体,分布在补给河两侧。转变中有53.2%113,226公顷)转向干旱间歇型,表明干旱间歇性趋势主导。此外,干旱间歇水体在总损失和收益中的比例最高,显示其转变和脆弱性最强。

图 6. 地表水类型年面积变化

图 7. 研究期前 5 年(1987–1991 年)至后 5 年(2018–2022 年)地表水类型的转变

总结讨论

本研究创新地构建了一个定义、提取和定量分析间歇水体的框架,显著提高了间歇水体观测的时间和空间完整性,成功实现了地表水体间歇性的定量描述和分析。通过这一研究,详细揭示了间歇水体的普遍性、扩展性和脆弱性。这些方法和发现将为更深入理解地表水体动态以及实现全球可持续水资源管理提供有力支持。

✎ 编者注

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原文链接 ↓
https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114285

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团队介绍

湖泊遥感与智慧流域创新团队,主要围绕湖泊开展历史重构、现状观测和未来变化模拟等模型研制和应用实践工作,并在流域尺度开展大数据智慧管理平台研究,保障湖泊水质安全。团队拥有博士和硕士导师4人(段洪涛,罗菊花,刘东,谭振宇),可分别在中国科学院南京地理与湖泊研究所、西北大学以及南京信息工程大学(国科大南京学院联合培养)等招收博、硕士研究生,欢迎报考!同时,长期招收联合培养研究生,欢迎咨询!

联系人:段洪涛研究员,htduan@niglas.ac.cn

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