Архив
Том 21, 2024
Том 20, 2023
Том 19, 2022
Том 18, 2021
Том 17, 2020
Том 16, 2019 г.
Том 15, 2018 г.
Том 14, 2017 г.
Том 13, 2016 г.
Том 12, 2015 г.
Том 11, 2014 г.
Том 10, 2013 г.
Том 9, 2012 г.
Том 8, 2011 г.
Том 7, 2010 г.
Выпуск 6, 2009 г.
Выпуск 5, 2008 г.
Выпуск 4, 2007 г.
Выпуск 3, 2006 г.
Выпуск 2, 2005 г.
Выпуск 1, 2004 г.
Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
Ваш e-mail:
ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 4. С. 227-238

Спутниковый мониторинг речных отмелей трансграничной реки Или (Центральная Азия) в задаче оценки уровня воды

А.Г. Терехов 1, 2 , Н.Н. Абаев 1, 2 , Г.Н. Сагатдинова 1 , Р.И. Мухамедиев 1 , Е.Н. Амиргалиев 1 
1 Институт информационных и вычислительных технологий, Алматы, Казахстан
2 РГП «Казгидромет», Алматы, Казахстан
Одобрена к печати: 10.08.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-4-227-238
Равнинные реки, протекающие через лёссовые породы, подвержены активным процессам русловых деформаций (меандрированию) на фоне переноса большого количества взвешенного материала. В руслах рек этого типа присутствует множество отмелей, которые постоянно видоизменяются, особенно в период многоводья. Реки не имеют стабильных гидрологических профилей, поэтому дистанционные оценки их водности представляют большой практический интерес. В периоды маловодья морфология русла относительно стабильна, а отмели находятся в полузатопленном состоянии. В этих условиях доля затопления отмелей весьма чувствительна к уровню воды в реке, что создаёт благоприятные условия для разработки спутниковых методик оценок водности. На примере центральноазиатской р. Или с годовым объёмом стока около 12 км3, являющейся основным притоком крупного оз. Балхаш, рассмотрена информативность спутниковых данных Sentinel-2 (разрешение 10 м) в задаче оценки уровня воды в реке в условиях относительного маловодья. Из архива спутниковых данных 2018–2022 гг. было отобрано 179 безоблачных спутниковых покрытий Sentinel-2 периода апрель – ноябрь в те дни, когда уровень воды, зарегистрированный на гидропосте «Или-Добынь» сети РГП «Казгидромет» опустился ниже 280 см. Этот уровень воды был типичен примерно для 80 % времени маловодного периода 2018–2022 гг. На 40-километровом участке русла реки была сформирована маска из 26 отмелей с общей площадью более 4 км2. Для выделения на маске отмелей класса «вода» использовался водный индекс MNDWI1 (англ. Modified Normalized Difference Water Index) c пороговым значением +0,25. Доля подтопления отмелей противопоставлялась наземным данным гидропоста «Или-Добынь» об уровне воды во время пролёта спутника. Для периода апрель – ноябрь были получены линейные зависимости между долей затопления отмелей и уровнем воды. Достоверность линейной аппроксимации для сезонных данных была высока и варьировалась от R2 = 0,83 (2022) до R2 = 0,96 (2020). Весь период анализа (2018–2022) характеризовался R2 = 0,93. Использование уравнения линейной регрессии в качестве модели для прогноза уровня воды в реке на основе доли подтопления тестовых отмелей обеспечило достаточно высокое значение (0,74) параметра эффективности гидрологического прогнозирования Нэша – Сатклиффа, что говорит о практической значимости разработанной методики.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, Sentinel-2, речной сток, русло реки, речная отмель, водное зеркало, прогноз уровня воды
Полный текст

Список литературы:

  1. Мухамеджанов И. Д., Константинова А. М., Лупян Е. А., Умирзаков Г. У. Оценка возможностей спутникового мониторинга динамики речного стока на примере анализа состояния реки Амударьи // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 1. С. 87–103. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-1-87-103.
  2. Терехов А. Г., Ивкина Н. И., Абаев Н. Н., Галаева А. В., Елтай А. Г. Реакция годового стока р. Урал на высоту снежного покрова в его бассейне в период 2001–2019 гг. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 5. С. 181–190. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-5-181-190.
  3. Bjerklie D. M., Dingman S. L., Vorosmarty Ch. J. et al. Evaluating the potential for measuring river discharge from space // J. Hydrology. 2003. V. 278. Iss. 1–4. P. 17–38. DOI: 10.1016/S0022-1694(03)00129-X.
  4. Bjerklie D. M., Birkett C. M., Jones J. W. et al. Satellite remote sensing estimation of river discharge: Application to the Yukon River Alaska // J. Hydrology. 2018. V. 561. P. 1000–1018. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2018.04.005.
  5. Brakenridge G., Cohen S., Kettner A. J. et al. Calibration of satellite measurements of river discharge using a global hydrology model // J. Hydrology. 2012. V. 475. P. 123–136. DOI: 10.1016/j.hydrol.2012.09.035.
  6. Filippucci P., Brocca L., Bonafoni S. et al. Sentinel-2 high-resolution data for river discharge monitoring // Remote Sensing of Environment. 2022. V. 281. Article 113255. DOI: 10.1016/j.rse.2022.113255.
  7. Fok H. S., Chen Y., Wang L. et al. Improved Mekong Basin Runoff Estimate and Its Error Characteristics Using Pure Remotely Sensed Data Products // Remote Sensing. 2021. V. 13. Iss. 5. Article 996. DOI: 10.3390/rs13050996.
  8. Fok H. S., Chen Y., Zhou L. Daily runoff and its potential error sources reconstructed using individual satellite hydrological variables at the basin upstream // Frontiers of Earth Science. 2022. V. 10. DOI: 10.3389/feart.2022.821592.
  9. Garambois P., Monnier J. Inference of effective river properties from remotely sensed observations of water surface // Advances in Water Resources. 2015. V. 79. P. 103–120. DOI: 10.1016/j.advwatres.2015.02.007.
  10. Gleason C. J., Durand M. T. Remote sensing of river discharge: A review and a framing for the discipline // Remote Sensing. 2020. V. 12. Iss. 7. Article 1107. DOI: 10.3390/rs12071107.
  11. Hirpa F. A., Hopson T. M., De Groeve T. et al. Upstream satellite remote sensing for river discharge forecasting: Application to major rivers in South Asia // Remote Sensing of Environment. 2013. V. 131. P. 140–151.DOI: 10.1016/j.rse.2012.11.013.
  12. Kebede M. G., Wang L., Li X., Hu Z. Remote sensing-based river discharge estimation for a small river flowing over the high mountain regions of the Tibetan Plateau // Intern. J. Remote Sensing. 2020. V. 41. P. 3322–3345. DOI: 10.1080/01431161.2019.1701213.
  13. Koblinsky C. J., Clarke R. T., Brenner A. C., Frey H. Measurement of river level variations with satellite altimetry // Water Resources Research. 1993. V. 29. Iss. 6. P. 1839–1848. DOI: 10.1029/93WR00542.
  14. McFeeters S. K. The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features // Intern. J. Remote Sensing. 1996. V. 17. Iss. 7. P. 1425–1432. DOI: 10.1080/01431169608948714.
  15. Mukhamedjanov I. D., Konstantinova A. M., Loupian E. A. The use of satellite data for monitoring rivers in the Amu Darya basin // Regional Problems of Earth Remote Sensing (RPERS 2020): E3S Web Conf. 2020. V. 223. Article 03008. DOI: 10.1051/e3sconf/202022303008.
  16. Nash J. E., Sutcliffe J. V. River flow forecasting through conceptual models. Part I — A discussion of principles // J. Hydrology. 1970. V. 27. No. 3. P. 282–290. DOI: 10.1016/022-1694(70)90255-6.
  17. Schultz G. A. Remote sensing applications to hydrology: runoff // Hydrological Sciences J. 1996. V. 41. No. 4. P. 453–475. DOI: 10.1080/02626669609491520.
  18. Shi Zh., Chen Q., Huang Ch. The Influence of River Morphology on the Remote Sensing Based Discharge Estimation: Implications for Satellite Virtual Gauge Establishment // Water. 2022. V. 14. Iss. 23. Article 3854. DOI: 10.3390/w14233854.
  19. Sichangi A. W., Wang L., Yang K. et al. Estimating continental river basin discharges using multiple remote sensing datasets // Remote Sensing of Environment. 2016. V. 179. P. 36–53. DOI: 10.1016/j.rse.2016.03.019.
  20. Sun W., Ishidaira H., Bastola S., Yu J. Estimating daily time series of streamflow using hydrological model calibrated based on satellite observations of river water surface width: Toward real world applications // Environmental Research. 2015. V. 139. P. 36–45. DOI: 10.1016/j.envres.2015.01.002.
  21. Tarpanelli A., Sant E., Tourian M. J. et al. Daily River Discharge Estimates by Merging Satellite Optical Sensors and Radar Altimetry Through Artificial Neural Network // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2018. V. 57. P. 329–341. DOI: 10.1109/TGRS.2018.2854625.
  22. Tarpanelli A., Camici S., Nielsen K. et al. Potentials and limitations of Sentinel-3 for river discharge assessment // Advances in Space Research. 2021. V. 68. No. 2. P. 593–606. DOI: 10.1016/j.asr.2019.08.005.
  23. Terekhov A., Makarenko N., Pak A., Abayev N. Using the Digital Elevation Model (DEM) and coastlines for satellite monitoring of small reservoir filling // Cogent Engineering. 2020. V. 7. Iss. 1. Article 1853305. DOI: 10.1080/23311916.2020.1853305.
  24. Verma S., Verma R. K., Mishra S. K. et al. A revisit of NRCS-CN inspired models coupled with RS and GIS for runoff estimation // Hydrological Sciences J. 2017. V. 62. Iss. 12. P. 1891–1930. DOI: 10.1080/02626667.2017.1334166.
  25. Xu H. Modification of Normalised Difference Water Index (NDWI) to Enhance Open Water Features in Remotely Sensed Imagery// Intern. J. Remote. Sensing. 2006. V. 27. No. 14. P. 3025–3033. DOI: 10.1080/01431160600589179.
  26. Yu Z., Wu J., Yao H. et al. Calibrating a hydrological model in ungauged small river basins of the northeastern Tibetan Plateau based on near-infrared images // J. Hydrology. 2023. V. 618. Article 129158. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2023.129158.
  27. Zhang J., Zhang Ch., Bao Zh. et al. Analysis of the effects of vegetation changes on runoff in the Huang-Huai-Hai River basin under global change // J. Advances in Water Science. 2021. V. 32. Iss. 6. P. 813–823. DOI: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.06.001.