导言
了解地表水在时间和空间上的位置对于制定有关环境、野生动物和人类福利的政策至关重要。全球动态地表水地图，最著名的是Pekel等人（2016）的产品，他们的产品描述了在每个30米分辨率的单元中观察到水的时间百分比，加拿大自然资源部（NRCan）的紧急地理信息服务（EGS）在洪水事件中大量依赖该层来绘制地表水。为了生成针对加拿大独特地理环境的动态地表水体图，Ian Olthof 和 Thomas Rainville近期在Remote Sensing of Environment期刊上发表论文，在云环境中基于Landsat使用全自动EGS地表水制图方法对1984-2019年的加拿大进行地表水制图。为形成完整的数据集，同时制作了全国范围的地表水图和淹没频率，以及使用每像素逻辑回归计算的年际干湿趋势。该数据集将加强EGS的洪水和河冰测绘业务，提供关于洪泛区位置和范围的信息，并深入了解气候变化对地表水供应的影响。
1.研究背景
加拿大权威的地表水基层地图是加拿大国家水文网络（NHN），该图是加拿大的不同地区在不同年份进行的绘制，因此当前NHN的部分内容已过时。全球动态地表水体图，最著名的是Pekel等人的产品，加拿大自然资源部（NRCan）的紧急地理信息服务（EGS）在洪水事件中大量依赖该产品来绘制地表水。Pekel等人虽然提供了完整的加拿大陆表水体动态图，但他们的变化图需要频繁的年内观测，而在高纬度地区，由于相对较短的无雪季节和频繁的云层覆盖，有时缺乏这些观测。作为一种全球产品，它们并未针对加拿大独特的地理位置进行优化。其他存在于国家和全球土地覆盖数据集中的水体信息则缺乏细节或省略了时间信息。
2.数据
2.1 Landsat 影像
使用USGS EarthExplorer批量下载应用程序下载了1984年至2019年Landsat 4、5和7的数据，而Landsat 8的数据来自于由USGS管理的S3桶，并托管在亚马逊网络服务(AWS)上。
2.2 Pekel 水体产品
Pekel 水体产品通过由欧盟委员会联合研究中心维护的全球地表水探索者门户网站下载。
2.3 加拿大国家水文数据网(NHN)
NHN是一个矢量产品，代表加拿大当前权威的内陆地表水基础数据层。从 1944 年到现在，加拿大的不同地区在不同年份进行了地图绘制，因此当前 NHN 的部分内容已过时。
3.研究方法
3.1 地表水制图
EGS操作性地表水绘图算法是由Olthof等人（2018年）首次描述，本研究修改了该制图算法并在AWS EC2实例上实施。对于每个场景，该算法首先使用Pekel 产品生成代表永久水体（水体出现率大于80%）和永久土地（水体出现率等于0%）的掩膜。在永久土地掩膜下提取蓝、绿、红、近红外、短波红外1和2这六个反射波段的土地样本，在水掩膜下提取水样本，随机抽取每个类别的25000个样本进行训练。而后用100棵树训练特定场景的随机森林模型，进行陆地和开放水域的分类。
分类后，生成分类结果的PNG图像，进行视觉质量控制，删除质量差的图像。在处理的182289个Landsat 4、5、7 和 8 场景中，有80%在质量控制后保留（图1）。
图1 每年采集（a）和传感器（b）在质量控制后用于生成动态地表水产品的场景数量。
3.2 淹没频率
通过将有效水观测值的数量除以不包括云和云阴影的有效观测值的总数来计算每个像素的淹没频率。还为每个传感器输出了有效观测值的计数，通过计算三个传感器的加权平均每像素淹没频率，可以创建跨越整个1984-2019年时间线的最终淹没产品。
3.3 干湿趋势
本研究使用逻辑回归来计算淹没频率的干湿趋势，呈正趋势，表明湿润，而呈负趋势，表明干燥。以年份为自变量，以叠加水地图中的陆地/水为二元因变量，利用年度Landsat时间序列生成淹没趋势图
3.4 后处理
使用由Landsat生成的国家土地覆盖数据集（Latifovic等人，2017年）消除城市地区以及由山区和北极冰川组成的永久性冰雪的错误水检测；使用加拿大数字高程数据集（CDED）生成的坡度掩膜，移除所在坡度大于5度的水。
在基于辅助数据去除错分误差之后，应用滤波基于水体大小和出现频率去除额外的错误检测，保留的水体大小和频率标准如表1所示。最后，应用3×3移动窗口滤波器去除水体中的任何虚假永久陆地像素
表1 产品中保留的水体大小和频率标准
3.5 验证
本研究针对两个现有的国家地表水数据集（包括 Pekel 的产品和 NHN）分别进行了基于对象的比较。为了与Pekel的产品进行比较，本研究的产品和Pekel的产品都通过将所有水对象（包括永久和短暂的）设置为1并将永久土地设置为零来进行二值化。然后将二值化水层相交以识别存在于本研究的产品中但在Pekel的产品中不存在的对象，反之亦然（在仅考虑平均淹没频率为5%或20个像素的对象）。随后使用谷歌地球（GE）图像的视觉解释来验证每个数据集中的唯一对象，以确定水对象是否真实存在或检测到的对象是否是错误的（图2）。
图2 研究产品与Pekel产品的部分比较
4.实验结果
淹没频率产品以蓝色显示永久水的位置（图3）。本研究的淹没频率、Pekel和NHN数据都被剪切到加拿大地图集1:1000000边界文件，已去除沿海水域，以便计算三个产品中的陆地和水域面积（表2）。在36年间，根据逻辑回归（p < 0.05），主洪泛区的很大一部分变得显著湿润，如相应趋势图中的浅蓝色区域所示（图4），这表明洪水已经在这个地区变得更加频繁。
表2 根据不同水产品和加拿大统计局估算的加拿大陆地和水域面积
图3 1984-2019年全国水体淹没频率图，红框内为新不伦瑞克圣约翰河主要洪泛平原
图4 1984-2019年全国水体淹没趋势产品，红框内为新不伦瑞克圣约翰河主要洪泛平原
4.1艾伯塔省比弗希尔湖
艾伯塔省比弗希尔湖于1987年根据《湿地公约》被指定为国际重要湿地，其作为水禽的集结区和许多草原鸟类的繁殖区具有重要意义。该湖是自然动态的，在有记录的历史上曾两次经历过干燥循环。如图5，本研究的动态地表水产品显示，湖泊范围从2005年开始衰退，在2010年达到最低程度，从2015年开始重新填充。
图5 艾伯塔省比弗希尔湖的干湿趋势
4.2萨斯喀彻温省奎尔湖
奎尔湖由三个湖泊组成，是加拿大最大的盐湖。该地区自2005年以来一直处于潮湿循环，导致水位上升，三个湖泊合并形成一个水体。本研究的动态地表水产品显示三个湖泊边缘的周期性淹没湖泊，而趋势图像表明向湿润的重大转变。
图6 萨斯喀彻温省奎尔湖的干湿趋势
4.3淹没频率产品比较与评估
共有135420个大于20像素的独特水体出现在本研究的淹没频率产品中，而在Pekel的产品中缺失，其中82.0%被视觉解释确定为真正永久或短暂的水体对象，如湿地和漫滩（表3）。只有5979个大于20像素的独特水体在本研究的淹没频率产品中缺失，在Pekel的产品中出现，其中只有不到一半（46.5%）是正确的。
表3 与Pekel产品的水体提取正确率对比
共有1872个大于20像素的独特水体出现在本研究的淹没频率产品中，但在NHN中不存在，其中89.3%被视觉解释确定为正确的（表4）。共有286602个大于20像素的独特永久性水体在本研究的淹没频率产品中缺失，在NHN中出现，其中87.3%是正确的。这些水体中有很大一部分只是作为永久性水体不存在，但在本研究的产品中作为短暂水体存在。
表4 与NHN的水体提取正确率对比
5.研究结论
本文描述了 EGS 地表水绘图程序，并用于生成历史地图以创建加拿大动态地表水产品。包括洪水频率、趋势和年度水掩膜在内的整套产品代表了对现有国家级地表水产品的改进，该产品在空间上比 Pekel 的产品更完整，同时还包含 NHN 中缺乏的时间信息。展望未来，EGS 将使用本研究的淹没频率产品而不是 Pekel 的产品来训练地表水分类，因为比较结果表明本研究的淹没频率产品在整个加拿大的对象级别上更加完整。
6.文章引用格式
Ian Olthof*, Thomas Rainville. Dynamic surface water maps of Canada from 1984 to 2019 Landsat satellite imagery [J]. Remote Sensing of Environment, Volume 279, 2022, 113121, ISSN 0034-4257. https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113121.
转自：“科研圈内人”微信公众号
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