Метод визначення площі дзеркал водних об’єктів водогосподарської ділянки з використанням супутникових зображень

Abstract

The paper analyzes modern approaches to determining the water surface area using Earth remote sensing data within the context of water management balance tasks. The structure of the consumption component of the balance is examined using the example of the Water Management Area (WMA) M5.4.0.02 of the Southern Bug River. The authors justify the use of remote sensing as an alternative to traditional field measurements, which fail to provide the necessary data dynamics. The relevance of the study is driven by the need to predict water resource deficits, the accuracy of which is particularly critical during arid periods. The core methodology involves processing Sentinel-2 satellite imagery using the Normalized Difference Water Index (NDWI) and an empirically determined water pixel threshold of 0.05. A time-series weighted approach is proposed for determining the water area within the WMA. This method utilizes a series of images over a specific period, each image is assigned a weighting coefficient based on cloud cover and overall image quality. Such an approach mitigates the impact of random errors in individual frames and yields a representative weighted area estimate. During the study, the technical limitations of the Planet Labs platform were addressed through the algorithmic division of the territory into tiles, ensuring high spatial resolution. By default, the resolution for the entire WMA M5.4.0.02 is 48 m2 per pixel, while the territorial tiling allowed for a fivefold increase in image quality, which proved sufficient for further research. Testing the method for the summer and autumn periods of 2025 revealed significant seasonal area variability ( 41.425 km2 to 30.048 km2), highlighting the importance of accounting for seasonal water surface changes when performing water balance tasks. The results are integrated into a Python-based software package, creating a foundation for automating additional evaporation calculations within the overall river basin water resource management system.

Проаналізовано сучасні підходи до визначення площі водної поверхні за даними дистанційного зондування Землі в контексті задач водогосподарського балансу. Розглянуто структуру витратної частини балансу на прикладі ВГД (водогосподарської ділянки) М5.4.0.02 річки Південний Буг. Авторами обґрунтовано використання дистанційного зондування Землі як альтернативу традиційним польовим замірам, що не забезпечують необхідної динаміки даних. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю прогнозування дефіцитів водних ресурсів, точність якого особливо важлива у засушливі періоди. Основу методу становить обробка супутникових знімків місії Sentinel-2 із застосуванням NDWI (нормалізованого різницевого водного індексу) та емпірично визначеного порога водних пікселів 0,05. Запропоновано часосерійно-ваговий підхід до визначення площі води на ВГД. Метод передбачає використання серії знімків за певний період, де кожному знімку присвоюється ваговий коефіцієнт залежно від рівня хмарності та якості зображення. Такий підхід дозволяє нівелювати вплив випадкових похибок окремих кадрів та отримувати репрезентативну зважену оцінку площі. В ході дослідження вирішено проблему технічних обмежень платформи Planet Labs шляхом алгоритмічного поділу території на тайли, що дозволило отримати високу роздільну здатність. За замовчуванням роздільна здатність всієї ВГД М5.4.0.02 становить 48 м2 на піксель, а поділ території на тайли дозволив збільшити якість зображень у п’ять разів, що достатньо для подальшого дослідження. Апробація методу для літнього та осіннього періодів 2025 року виявила значну сезонну варіабельність площі (від 41,425 км2 до 30,048 км2), що підкреслює важливість врахування сезонних змін водної поверхні під час виконання завдань водогосподарського балансу. Отримані результати інтегровані у програмний комплекс на базі Python, що створює підґрунтя для автоматизації розрахунку додаткового випаровування у загальній системі управління водними ресурсами басейну.