Журнал гидрогеологии и гидрологической инженерии

Мониторинг озер с помощью комбинации нескольких миссий Copernicus: Sentinel-1 A и B и Sentinel-3A

Ширзад Рухи, Араш Амини, Бехзад Вусоги и Дуглас Баттлс

Мониторинг изменений объема воды конкретного озера требует точной оценки уровня воды и изменений поверхности воды. Уровень воды озера может быть ошибочным из-за множественных отражений, называемых многопиковыми волновыми формами, от освещенной области внутри зоны действия радара. Данные батиметрии также не везде доступны для измерения абсолютного объема хранения воды.

Для получения оптимизированных диапазонов и, следовательно, более точного уровня воды необходимо проанализировать искаженные формы волн. Мы разработали новый подход для выбора оптимального пика в заданной форме волны для повторного отслеживания с помощью порогового ретрекера. Мы выбрали пик, который обеспечивает уровень воды, наиболее близкий к датчику in situ. В другом сценарии мы включили все значимые пики в заданной форме волны и рассмотрели среднее значение поправок на повторный трекинг, полученных из всех подволн/пиков.

Водная поверхность озера была оценена путем анализа изображений SAR. Для различения воды и неводных поверхностей был использован пороговый алгоритм на основе гистограммы. Временной ряд поверхности был проверен по внешним данным. Наконец, относительные изменения объема воды были оценены по уровню воды и изменениям поверхности в соответствии с методом Герона.

В этом исследовании мы использовали данные L2 и L1b Sentinel-3 A SRAL и изображения SAR с Sentinel-1 A и B с июня 2016 года по май 2018 года для мониторинга озера Венерн в Швеции. Наш анализ определения уровня воды показывает улучшение на 50% для нашего нового оптимизированного метода выбора пиков по сравнению с данными L2 перед измерениями датчика на месте. Мы также обнаружили, что для более чем 90% волновых форм первый пик, называемый первой подволновой формой, приводит к лучшему результату. Второй сценарий, т. е. включающий все значимые пики, называемые средними подволновыми формами, имеет почти такую ​​же производительность, как оптимизированная подволновая форма, что показывает эффективность этого сценария для мониторинга уровня воды.

Мы обнаружили корреляцию 97% и 71% для уровня воды относительно изменений объема и поверхности воды соответственно. Корреляция 78% была достигнута для изменений объема поверхности воды. Также существует корреляция 83% и 88% для наших изменений поверхности и объема воды относительно базы данных Hydroweb соответственно. Среднеквадратичное отклонение 5 см в изменении уровня воды является значительным достижением для высотомеров Sentinel-3 SAR над внутренними водами, т. е. озером Венерн.