评估手工河岸线划定方法所导致的解释不确定性

《River Research and Applications》：Evaluating the Interpretation Uncertainty From the Manual Streambank Delineation

人工水道界定方法及不确定性分析，采用三人手动界定加拿大河70公里河段的多时相航空影像，提出质心法和直接宽度法计算不确定性，结果显示位置不确定性0.1-2.8米，宽度不确定性2.0-2.8米，弯曲度高的区域和近期洪水活动导致更大不确定性。

　　这项研究聚焦于加拿大河（Oklahoma州，美国）70公里河段的河岸手动勾勒过程，并深入探讨了在这一过程中产生的不确定性。研究的主要目标是通过对比不同方法，评估河岸位置和河道宽度的不确定性，并分析这些不确定性如何受到河岸形态、河道弯曲度（sinuosity）以及近期洪水活动的影响。通过这种方法，研究者不仅揭示了手动勾勒的可靠性和局限性，还为河流管理应用中不确定性评估提供了实用的框架。

河岸勾勒是理解河流形态的重要数据采集步骤，它有助于获取两个关键参数：河岸位置和河道宽度。河岸位置指的是河流与河岸之间的边界，而河道宽度则是河岸之间的距离，通常垂直于河流中心线。这两个参数在河流管理活动中起着重要作用，包括河岸退缩速率的测定、河道流量计算、洪水泛滥区地图绘制以及水力模型的构建。然而，为了确保这些参数的准确性和代表性，必须对河岸勾勒过程中的不确定性进行量化。

在本研究中，研究团队使用了八张1米像素分辨率的美国农业部国家农业影像计划（NAIP）RGB合成影像，由三位独立的勾勒者手动勾勒了河岸。这些影像涵盖了2003年6月至2021年5月期间的多个时间点，其中加拿大河的河道宽度从2013年的106米减少到2021年的71米，表明该河流的形态在研究期间经历了显著的变化。这种变化可能是由于人类活动（如土地利用和水利工程）的影响，使得河道逐渐变窄和直化。研究者认为，手动勾勒仍然是复杂河流形态的可靠方法，尤其是在自动方法难以应对的河岸边缘和植被遮挡区域。

为了量化不确定性，研究团队开发了两种计算方法：**中心点法**（centroid method）和**直接宽度法**（direct width method）。中心点法通过计算勾勒者在每个横断面的左、右河岸线的交点中心点，与真实河岸位置进行比较，从而得出河岸位置和绝对、符号宽度的不确定性。直接宽度法则通过比较勾勒者在每个横断面的宽度数据，计算宽度的标准差，进而评估不确定性。这两种方法各有优劣，中心点法能够提供更精确的不确定性估计，而直接宽度法则则能更直观地反映勾勒者之间的差异。

研究发现，不确定性值通常在0.1到2.8米之间，这大约是1米像素分辨率的0.1到3倍，远小于河道宽度的中位数（106米至71米）。这一结果表明，尽管存在不确定性，手动勾勒仍能提供相对精确的测量结果。同时，研究还指出，河道弯曲度的增加会导致不确定性指标的中位数和四分位距（IQR）上升，这说明在河道弯曲处，河岸位置和宽度的勾勒难度更大。此外，近期洪水活动也对不确定性产生显著影响，尤其是在洪水发生后不久拍摄的影像中，由于植被被冲刷、河床暴露以及沙土区域与水体特征的混淆，导致勾勒者之间的分歧增加，从而产生更多的异常值（outliers）。

在手动勾勒过程中，研究团队制定了明确的规则，以确保不同勾勒者之间的结果具有可比性。这些规则包括：每位勾勒者需独立完成勾勒任务，不参考其他人的结果；在勾勒时，需要连续完成整个河道的勾勒，而不是跳过某些部分；对于河岸的识别，优先考虑水体和被湿润的沙地，当植被明显时，也可作为辅助标志。此外，研究团队还采用了地理信息系统（GIS）软件，如ArcGIS 10.8，来处理影像数据，从而减少影像配准误差和数字化误差对不确定性的影响。

研究进一步探讨了勾勒者的经验对不确定性的影响。尽管三位勾勒者的经验水平存在差异，但他们在不确定性指标上的表现相对接近，这表明手动勾勒的不确定性更多是由河道形态和影像特征决定，而不是勾勒者个人的技能差异。然而，经验最丰富的勾勒者在某些横断面表现出更多的异常值，这可能意味着他们对复杂地形的判断更为严格，从而导致更大的分歧。因此，勾勒者的经验虽然在某些情况下会影响勾勒的准确性，但并不一定与不确定性直接相关。

研究还发现，影像中的水流速率对不确定性有显著影响。水流速率较高的影像中，异常值的数量更多，这可能是因为高流量的影像更难以分辨河岸的边界，尤其是在洪水期间，河床和植被的边界变得模糊。相反，水流速率较低的影像中，河岸边界更为清晰，勾勒者之间的分歧较少。因此，水流速率可以作为评估不确定性的一个重要指标，尤其是在评估河道宽度时。

此外，研究还发现，近期洪水活动对不确定性的影响尤为显著。洪水发生后，植被被冲刷，导致河岸边界难以识别，从而增加勾勒的难度。特别是当洪水的规模接近两年一遇的流量时，这种影响更为明显。洪水的发生会改变河岸的形态，使得河岸的边界更加模糊，进而导致更多的异常值。因此，在洪水频发的区域，手动勾勒的不确定性通常更高，这需要勾勒者具备更高的专业判断能力。

本研究的结果对河流管理实践具有重要的指导意义。首先，它表明手动勾勒仍然是复杂河流形态的可靠方法，尤其是在自动方法无法有效处理的区域。其次，研究提供了不确定性评估的具体方法，这有助于在使用遥感数据进行河流管理时，更准确地判断哪些变化具有统计学意义，哪些变化可能仅是测量误差的结果。最后，研究强调了洪水活动和河道形态对不确定性的影响，这为未来的研究提供了方向，即需要结合更多的环境因素，如洪水历史、植被覆盖和地形变化，来全面评估河岸勾勒的不确定性。

总的来说，本研究为河流管理提供了关键的不确定性量化框架，特别是在手动勾勒过程中。通过对比不同方法和不同环境因素，研究团队揭示了河岸勾勒的复杂性，并为未来的研究和应用提供了重要的参考。未来的工作可以进一步比较手动勾勒与自动勾勒的不确定性，同时扩大研究范围，以涵盖不同形态的河流，从而更全面地理解河道弯曲度和流量对不确定性的影响。这将有助于提高河流管理的精确度，并减少由于不确定性导致的误判。