Revista de hidrogeología e ingeniería hidrológica

Monitoreo de lagos a partir de una combinación de misiones múltiples de Copernicus: Sentinel-1 A y B y Sentinel-3A

Shirzad Roohi, Arash Amini, Behzad Voosoghi y Douglas Battles

Para monitorear los cambios en el volumen de agua de un lago determinado es necesario realizar una estimación precisa del nivel del agua y de las variaciones en la superficie del agua. El nivel del agua del lago puede ser erróneo debido a reflexiones múltiples, llamadas formas de onda de picos múltiples, provenientes del área iluminada dentro de la huella del radar. Los datos batimétricos tampoco están disponibles en todas partes para medir el volumen absoluto de agua almacenada.

Para obtener rangos optimizados y, en consecuencia, niveles de agua más precisos, es necesario analizar las formas de onda corruptas. Desarrollamos un nuevo enfoque para seleccionar un pico óptimo en una forma de onda dada para volver a rastrearlo con el rastreador de umbral. Seleccionamos un pico que proporciona un nivel de agua más cercano al medidor in situ. En otro escenario, involucramos todos los picos significativos en una forma de onda dada y consideramos el promedio de las correcciones de rastreo obtenidas de todas las subformas de onda/picos.

La superficie del agua del lago se estimó a partir del análisis de imágenes SAR. Para distinguir las superficies con agua de las que no lo son, se utilizó el algoritmo de umbral basado en el histograma. La serie temporal de la superficie se validó con datos externos. Finalmente, se estimaron los cambios relativos del volumen de agua a partir del nivel del agua y las variaciones de la superficie según el método Heron.

En este estudio, utilizamos datos L2 y L1b de imágenes SRAL de Sentinel-3 A y SAR de Sentinel-1 A y B de junio de 2016 a mayo de 2018 para monitorear el lago Vänern en Suecia. Nuestro análisis en la determinación del nivel de agua muestra una mejora del 50% para nuestro novedoso método de selección de picos optimizado en comparación con los datos L2 frente a las mediciones de medidores in situ. También descubrimos que para más del 90% de las formas de onda, el primer pico, llamado primera subforma de onda, conduce a un mejor resultado. El segundo escenario, es decir, que involucra todos los picos significativos, llamado media de todas las subformas de onda, tiene casi el mismo rendimiento que la subforma de onda optimizada, lo que muestra la efectividad de este escenario para el monitoreo del nivel de agua.

Encontramos una correlación del 97% y 71% para el nivel del agua con respecto al volumen del agua y las variaciones de la superficie, respectivamente. Se logró una correlación del 78% para las variaciones del volumen de la superficie del agua. También hay una correlación del 83% y 88% para nuestras variaciones de la superficie y el volumen del agua con respecto a las de la base de datos Hydroweb, respectivamente. Un RMSE de 5 cm en la variación del nivel del agua es un logro significativo para los altímetros SAR Sentinel-3 sobre las aguas interiores, es decir, el lago Vänern.