Ανίχνευση υδρολογικού δικτύου λεκάνης απορροής με εικόνες Sentinel

Από RemoteSensing Wiki

Ανίχνευση υδρολογικού δικτύου λεκάνης απορροής με εικόνες Sentinel-2 χωρικής ανάλυσης 10m

Basin-scale high-resolution extraction of drainage networks using 10-m Sentinel-2 imagery

Συγγραφείς: Zifeng Wang, Junguo Liu, Jinbao Li, Ying Meng, Yadu Pokhrel, Hongsheng Zhang

[1]

1.Εισαγωγή

Η χαρτογράφηση του υδρολογικού δικτύου ανέκαθεν χρησιμοποιούνταν για την κατανόηση της ροής του νερού στην γήινη επιφάνεια. Η σημασία όμως των μικρών ποταμιών στον γεωχημικό κύκλο ήταν υποτιμημένη. Τα μικρά ποτάμια συστήματα είναι όμως πιο γεωχημικώς ενεργά.

Η χαρτογράφηση αυτών των μικρών ποτάμιων συστημάτων επιτυγχάνεται χάρις σε δορυφορικές εικόνες υψηλής χωρικής ανάλυσης. Για την χαρτογράφηση του υδρολογικού δικτύου μια λεκάνης απορροής προτιμώνται μέθοδοι μη επιβλεπόμενων δεικτών νερού, όπως ο NDWI, MNDWI και MuWI.

2.Δεδομένα και μέθοδοι

2.1 Περιοχή μελέτης

Η λεκάνη του ποταμού Lancang-Mekong, του μεγαλύτερου ποταμού της νοτιοανατολικής Ασίας, αποτελεί την περιοχή μελέτης. Ο ποταμός έχει μήκος ~5000km, απορροή ~145000m3/s και εμβαδόν λεκάνης 795000km2 και διαρρέει 6 χώρες (Σχήμα 1).

Σχήμα 1: a) Το υδρολογικό δίκτυο της λεκάνης απορροής/ b) σκιαγράφηση των ποταμών και σημεία διακοπής της ροής τους

2.2 Δεδομένα

2.2.1 Δεδομένα ανακλαστικότητας

Τα κατάλληλα δεδομένα αντλήθηκαν από πολυφασματικές εικόνες Sentinel-2. Ο δέκτης αυτός καταγράφει ακτινοβολία σε 13 κανάλια σε 3 χωρικές αναλύσεις (10m, 20m, 60m) Επιπλέον χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat (TM, OLI) χωρικής ανάλυσης 30m.

2.2.2 Τοπογραφικά δεδομένα

Ως δεδομένα ανάγλυφου χρησιμοποιήθηκε ένα MERIT DEM χωρικής ανάλυσης 90m.

2.2.3 Δεδομένα θέσης ποταμών αναφοράς

Οι θέσεις των ποταμών αναφοράς αντλήθηκαν από βάση δεδομένων GRWL. Καθώς όμως τα δεδομένα της βάσης αυτής αντλήθηκαν από Landsat εικόνες, ποτάμια με πλάτος <30m δεν συμπεριλαμβάνονται. Από τη βάση αυτή εν τέλη εξήχθησαν διανυσματικά δεδομένα για 649189 ποταμούς.

2.3 Μέθοδος

2.3.1 Παραγωγή της σύνθετης εικόνας από εκατοστημόριο ανακλαστικότητας

Η εικόνα δημιουργήθηκε με τον υπολογισμό ανά κανάλι, ανά pixel εκατοστημόρια ανακλαστικότητας. Χρησιμοποιήθηκε το εκατοστημόριο των 50% καθώς αντιπροσωπεύει τη μέση κατάσταση ανά περίοδο ενώ μειώνει την αβεβαιότητα. Ο μεγάλος αριθμός εικόνων Sentinel 2 και Landsat που χρησιμοποιήθηκαν επέτρεψε κάθε pixel να εμπεριέχεται σε εικόνες από 50 ως 157 φορές. Επιπροσθέτως εξουδετερώθηκαν οι νεφοκαλύψεις.

2.3.2 Ανίχνευση παρουσίας νερού με πολυφασματικό δείκτη νερού (MuWI)

Ο δείκτης MuWI επιλέχθηκε έναντι άλλων για την υψηλότερη χωρική του ανάλυση και ακρίβειας αποτελεσμάτων. Επιπλέον παρουσιάζει ενισχυμένες επιδόσεις σε pixel χαμηλής φωταυγείας, μειώνοντας τον αριθμό των σφαλμάτων καθώς τείνουν να αναγνωρίζονται λανθασμένα ως νερό. Ο δείκτης υπολογίστηκε με τους εξής τύπους για εικόνες Sentinel-2 και Landsat:

MuWISentinel-2 = - 4ND(2, 3)+2ND(3, 8)+2ND(3, 12) - ND(3, 11)

MuWILandsat-5 = - 4ND(1, 2)+2ND(2, 4)+2ND(2, 7) - ND(2, 5)

όπου ND(i,j) η κανονικοποιημένη διαφορά των καναλιών i και j

ND(i, j) = (ρbandi-ρbandj)/(ρbandi+ρbandj)

όπου, ρ η ανακλαστικότητα στην κορυφή της ατμόσφαιρας (ΤΟΑ).

2.3.3 Αποτύπωση ρεμάτων και δρομολόγηση ροής

Η μέθοδος stream burning χρησιμοποιείται για την παραγωγή DEM προσαρμοσμένων για την άντληση ποτάμιων δικτύων λεκανών απορροής χρησιμοποιώντας έναν κανονικοποιημένο χάρτη ποταμών

Για τον προσδιορισμό της πορείας της ροής, ενσωματώθηκαν στο DEM τα αποτυπωμένα ύδατα από το MuWI. Καθώς αυτά έχουν συνεχείς τιμές για τα εδάφη και τα νερά απαλείφονται συχνά σφάλματα από το αν αποτυπώνονταν μόνο τα pixel νερού.

Z_burning=Z_base-φMuWI

όπου φ η παράμετρος έντασης της αποτύπωσης

2.3.4 Ανάλυση

Έγινε εκτίμηση της ακρίβειας της θέσης των ποταμών σύμφωνα με τον Goodchild

p(x)=(L(επικάλυψη με το buffer του μεγέθους x))/L_total

Η παράμετρος φ είναι ο κύριος παράγοντας ελέγχου και τις τοπογραφικές μετατροπές και την τελική εξαγωγή. Έγινε σύγκριση τιμών φ από τα 1,5,10 και 20m.

Σχήμα 2: Σύγκριση εξαγωγών υψηλής και χαμηλής ανάλυσης σε 2 επίπεδα zoom: α) επίπεδο δικτύου, β) επίπεδο μαιάνδρου.

3. Αποτελέσματα

3.1 Υψηλής ανάλυσης εξαγωγή του υδρολογικού δικτύου

Οι συναρτήσεις αθροιστικής πυκνότητας δείχνουν ότι η ακρίβεια είχε βελτιωθεί στις εξαγωγές υψηλής ανάλυσης προερχόμενες από το RSSB (Σχήμα 3).

Σχήμα 3: Αθροιστικές συναρτήσεις διανομής της διαφοράς θέσης των παρατηρούμενων κεντρικών γραμμών δικτύων εξαγμένων από RSSB και στις 2 χωρικές αναλύσεις αναλύσεις χρησιμοποιώντας διαφορετικά DEM , και για δίκτυα εξαγμένα με την συμβατική μέθοδο.

Την καλύτερη ακρίβεια έδωσε η εξαγωγή 10m βάσει του DEM 90m.

Το σχήμα 4 δείχνει τα μήκη των ποταμών και την πυκνότητα των δικτύων για τις 2 χωρικές αναλύσεις. Η υψηλότερη ανάλυση δίνει μεγαλύτερα μήκη και περισσότερα ρυάκια, δίνοντας έτσι όχι μόνο καλύτερη απεικόνιση της ροής των νερών αλλά ενισχύει το επίπεδο λεπτομέρειας του δικτύου.

Σχήμα 4: Η τάξη, ο αριθμός το συνολικό μήκος και η πυκνότητα του ποτάμιου δικτύου από την υψηλής ανάλυσης εξαγωγή και από την συμβατική χαμηλής ανάλυσης

3.2 Πολυχρονική αναπαράσταση του δικτύου απορροής

Η εξαγωγή υψηλής ανάλυσης είναι ικανή να διαχωρίσει την διαδρομή της ροής και μετά από περιβαλλοντικές αλλαγές (Σχήμα 5)

Σχήμα 5: Πολυχρονικά δίκτυα απορροής

3.3 Εξαγωγή του δικτύου απορροής σε όλη τη λεκάνη

Τα αποτελέσματα ου εξήχθησαν ήταν 2 (Origin και RSSB) και τα δύο σε χωρική ανάλυση 90m μμε την διαφορά μεταξύ τους να είναι στο αν ενσωματώθηκε η εικόνα Sentinel 2 μέσω του MuWI (Σχήμα 6). Η απόσταση στο RSSB από την κεντρική γραμμή μειώθηκε κατά 48%. Γενικά μεγαλύτερα πλάτυ ποταμών έχουν μικρές διαφορές. Για ποτάμια όμως πλατύτερα των 500m η σχέση πλάτους σφάλματος δεν είναι σταθερή.

Η χωρική διασπορά των σφαλμάτων θέσης στην λεκάνη απορροής φαίνονται στο σχήμα 7.

Σχήμα 6: Βελτίωση της χωρικής ακρίβειας εξαγόμενων δικτύων

Σχήμα 7: Χωρική διανομή της βελτίωσης της ακρίβειας θέσης στην λεκάνη απορροής

3.4 Ανάλυση ευαισθησίας

Η πιο ευαίσθητη παράμετρος της μεθόδου είναι η φ. Μεγάλη τιμή φ σημαίνει βελτίωση της ακρίβειας μέχρι τα 10m ενώ από τα 10 ως τα 20m παρατηρείται μικρή μείωση. (Σχήμα 8). Η καλύτερη τιμή φ είναι στα 10m.

4 Συζήτηση

4.1 Σημασία των τηλεπισκοπικών εισροών

Η χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτα, χωρικά συνεχή δεδομένα βοηθούν στην εξαγωγή του δικτύου απορροής. Δίνει ένα συνεχές και ακριβές δίκτυο χωρίς περαιτέρω επεξεργασία.

4.3 Περιορισμοί και μελλοντική δουλειά

Πρώτον, χρειάζονται έλεγχοι σχετικά με την επίδραση της ανακλαστικότητας, την επιλογή της εξίσωσης αποτύπωσης και την λήψη δεδομένων σχετικά με τα βάθη των νερών. Δεύτερον, η αύξηση της χωρικής ανάλυσης του εξαγόμενου αποτελέσματος περιορίζεται από την υπολογιστική ισχύ. Η μέθοδος αν και ακριβής δεν μπορεί ακόμα να αποτυπώσει όλες τις λεπτομέρειες του δικτύου.

5 Συμπεράσματα

Η προτεινόμενη μέθοδος υψηλής ανάλυσης έδωσε καλύτερα αποτελέσματα, μείωση του σφάλματος κατά 50%. Η μέθοδος αυτή επιβάλει την συνδεσιμότητα σε μεγάλη κλίμακα των λεκανών απορροής που δεν λαμβάνεται υπόψη σε άλλες μεθόδους.