Analysis of automated mapping techniques for changes in water bodies

O.О. Kavats; Y.V. Kavats; K.L. Sergieieva; D.М. Roi

doi:10.34185/1562-9945-5-160-2025-17

Автор(и)

O.О. Kavats
Y.V. Kavats
K.L. Sergieieva
D.М. Roi

DOI:

https://doi.org/10.34185/1562-9945-5-160-2025-17

Ключові слова:

водні ресурси, водойми, автоматизоване картування, супутниковий моніторинг, методи ДЗЗ, спектральні індекси, машинне навчання

Анотація

Моніторинг внутрішніх вод має стратегічне значення для розвитку країни. Оцінка екологічного стану, обʼєм та площа водойм є ключовим у аналізі та прогнозі водного балансу. Внаслідок зміни клімату в Україні відбувається негативний за наслідками процес погіршення умов природного вологозабезпечення, в результаті якого у зоні Полісся зникають території надлишкового зволоження, а на півдні розпочався процес опустелювання земель. Наземні вимірювання з оцінки змін площі водойм є дорогим і ресурсоємним підходом, який особливо складний у віддалених районах. В статті розглянуті основні методи автоматизованого картування змін водойм на основі да-них ДЗЗ. Використання різнорідних даних у поєднанні з комбінацією методів на основі спектральних індексів та машинного навчання демонструють найкращий результат.

Посилання

Biemans, H.; Haddeland, I.; Kabat, P.; Ludwig, F.; Hutjes, R.W.A.; Heinke, J.; von Bloh, W.; Gerten, D. Impact of reservoirs on river discharge and irrigation water supply during the 20th century. Water Resour. Res. 2011, 47. [Google Scholar] [CrossRef]

Haines-Young, R.; Potschin, M. Common International Classification of Ecosystem Ser-vices (CICES) V5.1; Technical Report; Fabis Consulting Ltd.: Nottingham, UK, 2018. [Google Scholar]

Grizzetti, B.; Lanzanova, D.; Liquete, C.; Reynaud, A.; Cardoso, A. Assessing water eco-system services for water resource management. Environ. Sci. Policy 2016, 61, 194–203. [Google Scholar] [CrossRef]

Shaad, K.; Souter, N.J.; Vollmer, D.; Regan, H.M.; Bezerra, M.O. Integrating Ecosystem Services Into Water Resource Management: An Indicator-Based Approach. Environ. Manag. 2022, 69, 752–767. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

Аналітичні матеріали, наукові прогнози та пропозиції НААН щодо переліку заходів, реалізація яких сприятиме забезпеченню водної та продовольчої безпеки України в умовах змін клімату URL: http://naas.gov.ua/slide/v-umovakh-suchasnikh-zm-n-kl-matu-r-ven-zvolozhennya-na-teritor-ukra-ni-golovnim-chinnikom-yakiy-obm/#:~:text=%D0%92%D0%B6%D0%B5%20%D0%B2%20%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B9%20%D1%87%D0%B0%D1%81%20%D0%BD%D0%B0,%E2%80%94%20%D0%B2%D1%96%D0%B4%2020%20%D0%B4%D0%BE%2050%25. (дата звер-нення: 11.04.2025).

Aguirre, I.; Lozano-Parra, J.; Garrido Velarde, J. Reservoir time-series filling from remote sensing data in the Central Valley, Chile. In Analyzing Sustainability in Peripheral, Ultra-Peripheral, and Low-Density Regions; IGI Global: Hershey, PA, USA, 2022; pp. 117–130. [Google Scholar]

Liu, J.; Jiang, L.; Zhang, X.; Druce, D.; Kittel, C.M.M.; Tøttrup, C.; Bauer-Gottwein, P. Impacts of water-resources management on land-water storage in the North China Plain. J. Hydrol. 2021, 603 Pt C, 126933. [Google Scholar] [CrossRef]

Vörösmarty, C.; McIntyre, P.; Gessner, M.; Dudgeon, D.; Prusevich, A.; Green, P.; Glid-den, S.; Bunn, S.E.; Sullivan, C.A.; Liermann, C.R.; et al. Global threats to human water se-curity and river biodiversity. Nature 2010, 467, 555–561. [Google Scholar] [CrossRef]

Peng, J.; Liu, S.; Lu, W.; Liu, M.; Feng, S.; Cong, P. Continuous Change Mapping to Un-derstand Wetland Quantity and Quality Evolution and Driving Forces: A Case Study in the Liao River Estuary from 1986 to 2018. Remote Sens. 2021, 13, 4900. [Google Scholar] [CrossRef]

Yao, F.; Wang, J.; Wang, C.; Crétaux, J.-F. Constructing long-term high-frequency time series of global lake and reservoir areas using Landsat imagery. Remote Sens. Environ. 2019, 232, 111210. [Google Scholar] [CrossRef]

Deng, X.; Song, C.; Liu, K.; Ke, L.; Zhang, W.; Ma, R.; Zhu, J.; Wu, Q. Remote-sensing estimation of catchment-scale reservoir water impoundment in the upper Yellow River. J. Hydrol. 2020, 585, 124791. [Google Scholar] [CrossRef]

Di Francesco, S.; Casadei, S.; Di Mella, I.; Giannone, F. The role of small reservoirs in a water-scarcity scenario: A computational approach. Water Resour. Manag. 2022, 36, 875–889. [Google Scholar] [CrossRef]

Shi, J.; Hu, C. Evaluation of ECOSTRESS thermal data over South Florida estuaries. Sensors 2021, 21, 4341. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

Condeça, J.; Nascimento, J.; Barreiras, N. Monitoring the storage volume of water reser-voirs using Google Earth Engine. Water Resour. Res. 2022, 58, e2021WR030026. [Google Scholar] [CrossRef]

Pekel, J.F.; Cottam, A.; Gorelick, N. High-resolution mapping of global surface water and its long-term changes. Nature 2016, 540, 418–422. [Google Scholar] [CrossRef]

Gao, H.; Birkett, C.; Lettenmaier, D.P. Global monitoring of large-reservoir storage from satellite remote sensing. Water Resour. Res. 2012, 48. [Google Scholar] [CrossRef]

Khandelwal, A.; Karpatne, A.; Marlier, M.E.; Kim, J.; Lettenmaier, D.P.; Kumar, V. An approach for global monitoring of surface-water-extent variations in reservoirs using MODIS data. Remote Sens. Environ. 2017, 202, 113–128. [Google Scholar] [CrossRef]

Ghansah, B.; Foster, T.; Higginbottom, T.P.; Adhikari, R.; Zwart, S.J. Monitoring spatial-temporal variations of surface areas of small reservoirs in Ghana. Phys. Chem. Earth 2022, 125, 103082. [Google Scholar] [CrossRef]

K Sergieieva, O Kavats, V Vasyliev, Y Kavats, O Kovro, Machine learning-based moni-toring of war-damaged water bodies in Ukraine using satellite images. CEUR Workshop Pro-ceedings, 2024, V3790, «Information Control Systems & Technologies 2024.,

p. 422–434.

Tan, J.; Tang, Y.; Liu, B.; Zhao, G.; Mu, Y.; Sun, M.; Wang, B. A self-adaptive thresh-olding approach for automatic water extraction using Sentinel-1 SAR imagery. Remote Sens. 2023, 15, 2690. [Google Scholar] [CrossRef]

Kavats, O., Khramov, D., & Sergieieva, K. (2022). Surface Water Mapping from SAR Images Using Optimal Threshold Selection Method and Reference Water Mask. Water, 14(24), 4030, DOI: https://doi.org/10.3390/w14244030.