ОЦЕНКА НА ОБХВАТА НА ВЪТРЕШНОКОНТИНЕНТАЛНИ ВОДНИ ОБЕКТИ С ПОМОЩТА НА СПЪТНИКОВИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ SENTINEL 2 НА ПРИМЕРА НА ЯЗОВИР „ БАТАК“( ЗАПАДНИ РОДОПИ, БЪЛГАРИЯ)
Доц. д-р Емилия Черкезова, докторант Калин Марков, доц. д-р Мариан Върбанов, гл. ас. д-р Стефан Генчев, НИГГГ-БАН
SUMMARY
Climate change and human activities significantly impact inland surface water bodies. Effective water use and resource management depend on accurate delineation of water body boundaries. The rapid development of geoinformation technologies over the past decades provides an opportunity to apply Geographic Information Systems( GIS) and remote sensing methods and techniques for water body delineation and analysis of their spatial and temporal dynamics. This study utilizes Sentinel-2 optical satellite images to analyze the surface water area changes of the Batak Reservoir( Western Rhodopes, Bulgaria). The analysis covers two years in two seasons: November( 2022) and July( 2024). It includes the calculation of several water indices, e. g. Normalized Difference Water Index( NDWI), Sentinel Water Mask( SWM), Water Ratio Index( WRI), threshold methods, and Object- Based Image Analysis( OBIA). The results were compared with in-situ investigation and opensource data from the Bulgarian Ministry of Agriculture and Food. They provide valuable spatial information on changes in the Batak Reservoir area, which cannot be identified only by measuring its water levels. This highlights the usefulness and effectiveness of processing satellite imagery data, which can be applied to enhance the quality of existing data sets available from the East Aegean River Basin Directorate( Plovdiv). Also, the methodological approach used in this study can be applied for long-term monitoring of the spatial and temporal changes in the boundaries of the Batak Reservoir.
Keywords: Sentinel-2, water indices, thresholds method, Object-Based Image Analysis( OBIA), open-surface water body extent, Batak Reservoir, Western Rhodopes, Bulgaria.
РЕЗЮМЕ
Изменението на климата и човешката дейност оказват значително влияние върху вътрешните повърхностни водни обекти. Ефективното водоползване, оценката на водопотреблението и управлението на водните ресурсите зависят в голяма степен от точното очертаване на техните граници и промени.
Бързото развитие на геоинформационните технологии през последните десетилетия предоставя възможност за прилагане на географските информационни системи( ГИС), както и методи и техники на спътникови дистанционни изследвания за идентифициране на повърхностни водни обекти.
В настоящето изследване са използвани оптични сателитни изображения Sentinel-2 за анализ на промените в площта на повърхностните води в язовир „ Батак“( Западни Родопи, България).
Анализът обхваща две години в два различни сезона – ноември( 2022 г.) и юли( 2024 г.) и три методологични подхода. Той включва изчисляване на следните водни индекси: нормализиран разликов воден индекс( Normalized Difference Water Index ̶ NDWI), Sentinel водна маска( Sentinel Water Mask), индекс на водно съотношение( Water Ration Index ̶ WRI), метод на праговете( thresholding) и обектно-базиран анализ на изображения( OBIA).
Резултатите са сравнени с in situ изследване и свободно достъпни данни от Министерството на земеделието и храните( МЗХ). Те предоставят ценна пространствена информация за промените в обхвата на язовир „ Батак“, които не могат да бъдат идентифицирани само чрез измерване на водните нива. Това подчертава полезността на ефективната обработка на данни от сателитни изображения и може да допринесе за подобряване на управлението на водните ресурси, както и на качеството на съществуващите набори от данни, предоставени от Басейнова дирекция „ Източнобеломорски район“( Пловдив). Също така методологичният подход, използван в това изследване, може да бъде приложен за дългосрочен мониторинг на пространствените и времеви промени в границите на язовир „ Батак“.
Ключови думи: Sentinel-2, водни индекси, метод на праговете, обектно-базиран анализ на изображения( OBIA), граници на повърхностни водни обекти, яз. „ Батак“( Западни Родопи, България).
1. ВЪВЕДЕНИЕ
Вътрешноконтиненталните повърхностни водни обекти са важни компоненти на хидросферата и вътрешните водни екосистеми, поради което установяването на техните граници и промени вследствие на изменението на климата и антропогенни въздействия имат много важно значение за различни научни цели и решаване на редица проблеми, свързани с водоползването, анализ на качеството на повърхностните води, трансформацията и управлението на водните ресурси.
Наличието на средно-мащабни спътникови данни, като Sentinel 1 и 2, Landsat и др., дават възможност за бързо и точно идентифициране и екстрахиране на водни обекти, както и проследяване на динамиката на техния обхват. Понастоящем съществуват редица методи за определяне на техните граници предимно от оптични сателитни изображения, напр. [ 2 ], [ 3 ], [ 6 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 15 ], [ 16 ], [ 18 ], [ 22 ]. Основните методи за екстрахиране на повърхностни водни обекти могат да бъдат групирани по следния начин: 1) спектрално базиран воден индекс и прагов подход, напр. [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ], [ 24 ] и др., и 2) класификации без и с обучение, използващи единичен или множество спектрални канали, напр. [ 10 ]. В последните години за класификация без обучение на водни обекти са използвани методи като K-Means [ 8 ], a за класификации с обучение – различни методи за машинно обучение като Random Forests [ 12 ], Decision Trees [ 3 ], Artificial Neural Network( ANN), Maximum Likelihood( ML) [ 18 ],
26 ГКЗ 1-2’ 2025