硕士生肖真在遥感顶刊RSE发表文章:揭示间歇地表水体的隐藏动态

  • 鹿绍宇
  • 日期:2024-07-01
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   近日,我院地理信息系统(GIS)方向研究团队在地表间歇水体动态的遥感监测和分析方法领域取得创新性进展,核心研究成果“Unveiling the hidden dynamics of intermittent surface water: A remote sensing framework”发表于遥感领域顶级期刊《Remote Sensing of Environment》。其中,2022级硕士生肖真为第一作者,指导老师李润奎副教授为通讯作者,多名课题组成员参与研究。

  1. 背景

   地表水体是人类生存发展和生态系统平衡的关键资源。其中,陆地表面间歇性出现的水体,往往在月际或年际尺度上频繁发生陆地和水体状态的转换。该类水体对碳循环和生物多样性等方面有着重要影响,而且具有更高的敏感性和脆弱性,需要得到重点关注。随着人类活动和气候变化的影响,间歇地表水体变得越来越普遍,对社会和生态系统的影响也愈发显著。

   然而,由于监测手段的限制和分析方法的不足,间歇地表水体的动态变化过程一直未被充分揭示。现有水文观测站点多聚焦于常年水体,严重缺乏针对间歇水体的观测,因此,遥感观测成为间歇水体监测的重要手段。然而,遥感监测方法存在云遮挡问题及时间跨度、时间分辨率和空间分辨率无法兼顾的问题,缺乏长时间序列、月尺度、全覆盖的30米分辨率地表水体监测数据。此外,对间歇水体的定义和分析多停留在定性层面,尚无刻画地表水体间歇性的定量指标,以上问题严重制约了我们对间歇水体详细时空变化规律的分析和认识。

   针对上述关键科学问题,该研究首次提出了一种间歇地表水体遥感监测的方法框架。首先,该方法框架基于海量历史图像中蕴含的时空关联信息,构建了基于时空邻域相似性的云遮挡区“水/非水”状态的推测方法(Spatial and Temporal Neighborhood Similarity-based Gap Filling, STNS-GF),恢复了被云遮挡区的地表状态,重建了空间完整的逐月地表水体分布图;其次,提出了度量序列结构异质性的指标(Heterogeneity Index, 0~1),定量描述各像元水体时间序列的间歇性,从而实现了水体类型的详细划分;最终,通过在我国最大的淡水湖——鄱阳湖的验证,该方法框架能够很好地揭示间歇地表水体的详细时空动态。

  1. 方法

2.1 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1 地表水体云遮挡区域状态的推测方法(STNS-GF)示意图

2.2 水体间歇度指标

   研究构建了在0到1之间变化的异质性指数(Heterogeneity Index, H),以定量刻画地表水体在时间序列上表现出的间歇性。该指数在香农多样性指数基础上进行了显著的改进,创新性地将某像元的水体状态时间序列分成多个均质的片段,每个片段代表连续的水(表示为 1)或连续的非水(表示为 0),两个片段之间意味着水和非水状态的转变。对于由这些均质片段构成的整个时间序列,使用以下公式计算每个像元的间歇程度:

   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,结合像元的间歇度指数和淹水频率,可将水体分为常年水体、偏湿间歇水、偏干间歇水。

  1. 结果分析

   为验证该方法框架的有效性,在中国最大的淡水湖——鄱阳湖区域,利用该区域5157幅Landsat卫星遥感图像,重建了1986年4月到2023年9月的逐月地表水体空间分布图,并深入探究了地表水体的详细动态变化特征。

   研究结果显示,重建的月度地表水时间序列与观测到的水位呈现高度相关性(图2),探测到了2003年10月和2022年7月的地表水体显著减少事件。重建的水体分布图的空间完整性及时间连续性与当前经典数据集JRC-GSW相比有显著提升(图3)。


图2 鄱阳湖地表水体的月尺度时间序列及云覆盖区域填补前后对照


图3填补效果与经典数据集JRC-GSW相比有显著提升

   研究发现,间歇水体在鄱阳湖区域极为普遍,占总水体面积5210平方公里的91.2%,而常年性水体仅占9.8%(图4)。年际尺度上的水体分类结果表明,常年水体平均每年缩减13.04平方公里(P<0.001),而偏湿间歇水体平均每年扩张10.87平方公里(P<0.001)。在研究期间,有1132.26平方公里(21.9%)的水体转变为更干燥和更间歇的状态,包括从常年性转变为偏湿间歇或偏干间歇,以及从偏湿间歇转变为偏干间歇。在三种水体类型中,偏干间歇水体表现出最强的动态变化。


图4 地表水类型在研究期间的前5年(1987-1991)和最后5年(2018-2022)之间的状态变化

  1. 启示意义

   在气候变化背景及我国“碳达峰”、“碳中和”战略下,水体的间歇性及其社会和生态意义进一步增强。该研究创新性地构建了间歇水体的定义、提取、定量分析框架,显著提升了间歇水体观测的时间和空间完整性,实现了地表水体间歇性的定量刻画及分析,进而详细地揭示出间歇水体的普遍性、扩张性和脆弱性,相关方法和发现将为深入认识地表水体动态、实现全球可持续水资源管理提供支撑。

   论文全文链接如下:

   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425724003031