北京师范大学 | ISPRS | 基于深度数据融合的间歇性河流和短时溪流监测水指数时间序列重建方法

文摘   2025-01-07 07:00   湖北  
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(一)文章信息
  • 标题:A deep data fusion-based reconstruction of water index time series for intermittent rivers and ephemeral streams monitoring

  • 期刊:《ISPRS》(中科院1区TOP, IF=10.6)

  • 作者:Junyuan Fei, et al.

  • doi:10.1016/j.isprsjprs.2024.12.015

(二)研究背景
间歇性河流和短暂性溪流(IRES)是地球上主要的流动水源之一,但其动态变化监测存在诸多挑战。由于云层覆盖和狭窄的水面,光学和雷达卫星难以有效监测这些河流。此外,光学和合成孔径雷达(SAR)图像在IRES监测中的联合使用也受到显著的后向散射机制变化和图像匹配问题的阻碍。为了克服这些困难,研究者提出了一种基于深度数据融合的方法,用于重建广泛接受的改进归一化差异水指数(MNDWI)时间序列,以监测IRES。该方法利用Sentinel-1 SAR数据进行连续的IRES观测,并结合锚定数据和辅助数据来反映IRES的动态变化。通过紧密耦合的卷积神经网络(CNN)和循环神经网络(RNN)架构,实现在显著后向散射机制变化下的像素级SAR到光学重建。该研究不仅提高IRES监测的精度,还为流域尺度的水资源管理提供重要的数据支持。

(三)研究数据与方法
研究使用了三个类别的数据:Sentinel-1 SAR数据、锚定数据和辅助数据。Sentinel-1数据提供了12天间隔的连续观测,锚定数据包括Sentinel-2的年均MNDWI、土地覆盖和数字高程模型(DEM),辅助数据则包括气候和水文数据,如降水、地表温度、地下水储量等。所有数据均通过Google Earth Engine平台获取,并统一在WGS84坐标系统中处理。研究设计了一个紧密耦合的CNN-RNN架构,通过卷积门控循环单元(ConvGRU)和U-Net架构的结合,充分捕捉多源数据的空间-时间依赖性。模型的输入包括10个解释变量,输出为预测的MNDWI时间序列。损失函数采用加权均方误差,以减少云层干扰的影响。通过预处理和后处理技术,进一步提高了模型的性能,确保了训练数据的生成和偏差的减少。

(四)研究结果

实验结果表明,所提出的DRIM方法在IRES的MNDWI时间序列重建中表现出色。在实验流域中,该方法实现了R2大于0.80的回归效果,显著优于随机森林(RF)、多层感知机-门控循环单元(MLP-GRU)和U-Net等其他方法。消融测试进一步证实了Sentinel-1数据在精确MNDWI时间序列重建中的重要性,以及锚定和辅助数据在多源数据融合中的贡献。该方法在不同气候条件下的IRES监测中也显示出良好的适用性,平均R2达到0.77。具体而言,DRIM能够有效捕捉IRES的季节性变化和动态过程,尤其是在河流宽度从2米到300米的范围内,能够准确反映IRES的水文过程和水资源管理需求。此外,通过阈值法提取的IRES分布图也验证了MNDWI在反映河流流动条件中的有效性,尽管在复杂地形和植被覆盖区域的提取精度有待进一步提高。

(五)研究结论

本研究提出的基于深度学习的DRIM方法,成功解决了在显著后向散射机制变化和图像匹配问题下的IRES MNDWI时间序列重建挑战。该方法通过紧密耦合的CNN-RNN架构,有效整合了Sentinel-1 SAR数据、锚定数据和辅助数据,实现了对IRES动态变化的高精度监测。研究结果表明,该方法在不同气候条件下的IRES监测中均表现出良好的适用性和准确性,为流域尺度的水资源管理和水文过程研究提供了重要的数据支持。未来的研究将进一步优化模型结构,提高计算效率,探索更多辅助数据的应用,增强模型在更大范围内的应用能力。

文章来源 :

Fei, J., Zhang, X., Li, C., Hao, F., Guo, Y., & Fu, Y. (2025). A deep data fusion-based reconstruction of water index time series for intermittent rivers and ephemeral streams monitoring. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 220, 339-353.

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