نشریه سنجش از دور و GIS  ایران

نشریه سنجش از دور و GIS ایران

: ارزیابی قابلیت‌های محصول ابرنقاط مأموریت SWOT در پایش تراز آب مخازن با هندسه‌های گوناگون در ایران: مطالعه تطبیقی با داده‌های ارتفاع‌سنجی Sentinel-3 و مجموعه‌داده چندمأموریتی پایگاه داده DAHITI

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 سنجش از دور، دانشکده نقشه برداری، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
2 ژئودزی، دانشکده نقشه برداری، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
10.48308/gisj.2026.245378.1361
چکیده
پایش تراز آب مخازن سدها یکی از نیازهای مهم در مدیریت منابع آب، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک است. داده‌های زمینی با وجود دقت مناسب، به دلیل پوشش مکانی محدود و دشواری دسترسی، همواره در دسترس نیستند؛ ازاین‌رو، داده‌های ماهواره‌ای می‌توانند راهکاری مناسب برای پایش گسترده تراز آب باشند. مأموریت ارتفاع‌سنجی Sentinel-3 امکان تهیه سری‌های زمانی منظم تراز آب را فراهم می‌کند، اما محدود بودن مسیرهای عبور ماهواره، استفاده از آن را در برخی پهنه‌های آبی با مشکل روبه‌رو می‌کند. در مقابل، مأموریت SWOT با استفاده از فناوری تداخل‌سنجی راداری و اندازه‌گیری گسترده سطح آب، امکان برداشت مکانی متراکم‌تری را فراهم می‌کند.

هدف این پژوهش، ارزیابی توانایی ابرنقاط SWOT برای استخراج و پایش تراز آب چهار مخزن کرخه، شهید کاظمی بوکان، درودزن و منجیل در ایران و بررسی میزان توافق آن با Sentinel-3 و داده‌های پردازش‌شده DAHITI است. همچنین، برای ارزیابی مستقل، تراز آبSWOT ، Sentinel-3A و DAHITI در دریاچه نیپیسینگ کانادا با داده‌های زمینی مقایسه شد.

داده‌های SWOT از محصول ابرنقاط با تفکیک مکانی بالا (L2_HR_PIXC) در بازه زمانی اوت ۲۰۲۳ تا نوامبر ۲۰۲۵ تهیه شدند. سپس کنترل کیفیت و پالایش چندمرحله‌ای انجام شد و نقاط مناسب سطح آب نگه داشته شدند. میانه ارتفاع نقاط معتبر در هر گذر ماهواره به ‌عنوان تراز آب آن گذر محاسبه شد. داده‌های Sentinel-3 نیز با استفاده از داده‌هایSRAL ، الگوریتم بازتعقیب OCOG و پس از اعمال تصحیحات جوی و ژئوفیزیکی پردازش شدند.

عملکرد داده‌ها با مقایسه SWOT و Sentinel-3 در بوکان و درودزن، مقایسه با DAHITI در درودزن و مقایسه با داده‌های زمینی در نیپیسینگ ارزیابی شد. از آنجا که DAHITI بر پایه داده‌های ارتفاع‌سنجی ماهواره‌ای چندمأموریتی تهیه شده است، مرجع مستقل در نظر گرفته نشد و فقط برای بررسی توافق داده‌ها به‌ کار رفت. برای ارزیابی توافق، شاخص‌هایRMSE ، میانگین قدرمطلق خطا، ضریب تعیین و میانگین اختلاف محاسبه شدند.

نتایج نشان داد که تعداد نقاط معتبر و پیوستگی سری زمانی در مخازن مختلف متفاوت بود (شکل 4 و جدول 3). در کرخه، میانگین تعداد نقاط معتبر ۸۳۹۳ بود و سری زمانی نسبتاً پیوسته‌ای به‌دست آمد. منجیل با شکل باریک و کشیده و میانگین ۵۲۰۲ نقطه معتبر، بیشترین گسست زمانی و پراکندگی تراز آب را نشان داد. بوکان با میانگین ۱۴۳۰۹ نقطه معتبر، بیشترین تراکم نقاط را داشت و انحراف معیار تراز آب آن ۳٫۱۴ متر بود. درودزن نیز با انحراف معیار ۰٫۹۸ متر، کمترین پراکندگی تراز آب را نشان داد.

در دریاچه نیپیسینگ، مقایسه با داده‌های زمینی (شکل ۳) DAHITI با RMSE برابر۰٫۲۷ متر، ضریب تعیین برابر۰٫۹۴ و میانگین اختلاف ۰٫۲۱ متر، بیشترین توافق را با داده‌های زمینی داشت. برایSWOT، RMSE برابر ۰٫۴۳ متر،ضریب تعیین برابر ۰٫۶۹ و میانگین اختلاف ۰٫۲۶ متر به‌ دست آمد. Sentinel-3A نیز RMSE برابر۰٫۹۱ متر و میانگین اختلاف ۰٫۹۰ متر داشت.

در بوکان ضریب تعیین برابر ۰٫۹۵، RMSE برابر ۱٫۰۶ متر و میانگین اختلاف SWOT و Sentinel-3 برابر ۰٫۷۵ متر بود. در درودزن نیز این مقادیر به‌ ترتیب ۰٫۴۵، ۱٫۱۰ متر و ۰٫۲۳ متر به‌ دست آمد. در درودزن، مقایسه با DAHITI نیز نشان داد که SWOT در دوره بررسی‌شده توافق بیشتری با این مجموعه داده دارد (شکل ۷ و جدول ۵) RMSE .و ضریب تعیین برای SWOT به‌ ترتیب ۰٫۴۱ متر و ۰٫۷۷ و برای Sentinel-3A به‌ ترتیب ۰٫۹۲ متر و ۰٫۶۲ بود. با این‌ حال، از آنجا که DAHITI خود بر پایه داده‌های ارتفاع‌سنجی ماهواره‌ای تهیه شده است، این مقایسه صرفاً بیانگر میزان توافق نسبی داده‌هاست و نمی‌توان از آن دقت مطلق SWOT یا برتری قطعی آن نسبت به Sentinel-3 را نتیجه گرفت.

در مجموع، نتایج نشان داد که ابرنقاط SWOT توانایی مناسبی برای استخراج و پایش تراز آب مخازن مورد مطالعه دارد، اما عملکرد آن به ویژگی‌های هندسی مخزن و کیفیت و تعداد نقاط معتبر وابسته است. این وابستگی در مخازن باریک و کشیده بیشتر دیده شد. ارزیابی دریاچه نیپیسینگ نیز اهمیت استفاده از داده‌های زمینی مستقل را برای سنجش دقت محصولات ارتفاع‌سنجی نشان داد. همچنین، مقایسه با DAHITI باید به‌عنوان بررسی توافق نسبی و نه اعتبارسنجی مستقل تفسیر شود. استفاده از دوره‌های زمانی طولانی‌تر، مخازن بیشتر با ویژگی‌های هندسی متفاوت، داده‌های زمینی مستقل و روش‌های پیشرفته‌تر پالایش ابرنقاط می‌تواند در پژوهش‌های آینده به ارزیابی جامع‌تر عملکرد SWOT کمک کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

**Assessing the Capability of the SWOT Point-Cloud Product for Reservoir Water Surface Elevation Monitoring across Diverse Geometries in Iran: A Comparative Assessment with Sentinel-3 Altimetry and the Multi-Mission DAHITI Database**

نویسندگان English

Mahdis Rezapour 1
Iraj Jazireeyan 2
Mohammad Javad Valadan Zouj 1
Saeed Ebrahimi 2
1 Department of Remote Sensing, Faculty of Geodesy and Geomatics Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Geodesy, Faculty of Geodesy and Geomatics Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Monitoring water surface elevation (WSE) in dam reservoirs is an important requirement for water resources management, particularly in arid and semi-arid regions. Although in situ measurements provide adequate accuracy, they are not always available because of limited spatial coverage and difficulties in accessing some locations. Satellite observations can therefore provide a suitable approach for large-scale WSE monitoring. The Sentinel-3 altimetry mission enables the generation of regular WSE time series; however, its limited ground-track coverage can restrict its applicability over some water bodies. In contrast, the SWOT mission, based on radar interferometry and wide-swath water-surface measurements, provides denser spatial sampling.

This study aims to evaluate the capability of SWOT point-cloud data for extracting and monitoring WSE in four reservoirs in Iran Karkheh, Shahid Kazemi (Bukan), Doroodzan, and Manjil and to assess their agreement with Sentinel-3 and the processed DAHITI dataset. In addition, for independent assessment, WSE derived from SWOT, Sentinel-3A, and DAHITI over Lake Nipissing, Canada, was compared with in situ measurements.

SWOT data were obtained from the high-resolution point-cloud product (L2_HR_PIXC) for the period from August 2023 to November 2025. Multi-stage quality control and filtering were then applied to retain suitable water-surface points. The median elevation of valid points for each satellite pass was calculated as the WSE for that pass. Sentinel-3 data were processed using SRAL observations and the OCOG retracking algorithm, followed by the application of atmospheric and geophysical corrections.

The performance of the datasets was assessed through comparisons between SWOT and Sentinel-3 over Bukan and Doroodzan, comparisons with DAHITI over Doroodzan, and comparisons with in situ measurements over Lake Nipissing. Because DAHITI is itself derived from multi-mission satellite altimetry data, it was not considered an independent reference and was used only to assess inter-dataset agreement. Agreement was evaluated using RMSE, mean absolute error, coefficient of determination (R²), and mean difference.

The results showed that the number of valid points and the temporal continuity of the WSE time series varied among the reservoirs (Fig. 4 and Table 3). Karkheh had a mean of 8,393 valid points and produced a relatively continuous time series. Manjil, characterized by a narrow and elongated shape and a mean of 5,202 valid points, exhibited the greatest temporal discontinuity and WSE variability. Bukan had the highest point density, with a mean of 14,309 valid points, and its WSE standard deviation was 3.14 m. Doroodzan showed the lowest WSE variability, with a standard deviation of 0.98 m.

Over Lake Nipissing, comparison with in situ measurements (Fig. 3) showed that DAHITI had the highest agreement with the in situ data, with an RMSE of 0.27 m, an R² of 0.94, and a mean difference of 0.21 m. For SWOT, the RMSE, R², and mean difference were 0.43 m, 0.69, and 0.26 m, respectively. Sentinel-3A yielded an RMSE of 0.91 m and a mean difference of 0.90 m.

For Bukan, the R², RMSE, and mean difference between SWOT and Sentinel-3 were 0.95, 1.06 m, and 0.75 m, respectively. For Doroodzan, the corresponding values were 0.45, 1.10 m, and 0.23 m. Comparison with DAHITI over Doroodzan also indicated greater agreement between SWOT and DAHITI during the study period (Fig. 7 and Table 5). The RMSE and R² were 0.41 m and 0.77 for SWOT and 0.92 m and 0.62 for Sentinel-3A, respectively. However, because DAHITI is itself based on satellite altimetry data, this comparison represents only relative agreement among the datasets and cannot be interpreted as an assessment of the absolute accuracy of SWOT or as definitive evidence of its superiority over Sentinel-3.

Overall, the results demonstrate that SWOT point-cloud data have good potential for extracting and monitoring WSE in the studied reservoirs; however, their performance depends on reservoir geometry and the quality and number of valid points. This dependence was more evident in narrow and elongated reservoirs. The Lake Nipissing assessment further highlights the importance of independent in situ measurements for evaluating the accuracy of altimetry-derived products. Comparisons with DAHITI should likewise be interpreted as assessments of relative agreement rather than independent validation. Longer observation periods, a larger number of reservoirs with diverse geometric characteristics, independent in situ measurements, and more advanced point-cloud filtering approaches could support a more comprehensive assessment of SWOT performance in future studies.

کلیدواژه‌ها English

SWOT
Sentinel-3
Water Surface Elevation
Satellite Radar Altimetry
Pixel Cloud

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 04 مهر 1405