洪泛平原水文周期建模新突破：融合地形与多光谱影像的混合模型研究

本研究针对传统NDWI(归一化水体指数)在洪泛平原淹没频率监测中忽略地貌影响的局限性，创新性地结合LiDAR高精度DEM(数字高程模型)与Sentinel-2多时相影像，构建了地形-多光谱混合模型(F1=0.67)。该模型将淹没频率分析精度提升至75.9%，揭示了南非Nuwejaars河部分决口下游区域的高频淹没特征，为理解地貌-水文-生态耦合机制提供了新范式。

　　

在气候变化加剧的背景下，洪泛平原作为陆地与水域的过渡带，其水文动态对生态系统服务功能具有决定性影响。然而传统遥感监测方法如归一化水体指数(NDWI)存在明显缺陷——它无法捕捉地貌因素驱动的淹没异质性，导致模型精度受限。这一技术瓶颈严重制约着对湿地碳汇潜力、生物多样性维持等关键生态过程的理解。

南非斯泰伦博斯大学(Stellenbosch University)地理与环境研究系的S. M. Askew团队在《Wetlands Ecology and Management》发表创新研究，通过融合LiDAR(激光雷达)衍生的0.5米分辨率DEM与127景Sentinel-2影像(2018-2023)，构建了首个整合高度最近排水点(HAND)地貌描述符与多光谱指数的洪泛平原水文周期模型。该研究选取南非Nuwejaars河12.24 km²的洪泛平原为实验区，采用四大关键技术：(1)基于DEM和HAND的宏观地貌特征提取；(2)Google Earth Engine平台的无监督学习算法；(3)多光谱指数(NDWI/mNDWI/rNDWI等17种组合)优化；(4)混淆矩阵验证(n=60)。

【研究结果】

1. 模型优化：
   通过17种特征组合测试，包含全波段(B.*)、NDVI(归一化植被指数)、改进型NDWI(mNDWI)及地形因子(Slope/HAND)的组合7达到最佳性能(准确率75.9%，召回率66.7%)，较传统NDWI方法提升显著。

2. 地貌特征：
   HAND模型将洪泛平原划分为11种宏观地貌单元，包括东西侧回水沼泽(平均相对高程2.26m/1.82m)和中央低洼回水沼泽(最低相对高程1.2m)。决口区下游形成0.15km²的中央上回水沼泽，其平均淹没频率达17.45%。

1. 水文周期：
   五年监测显示91.64%区域为间歇性淹没(1-25%频率)，仅0.33%为永久淹没。中央东回水沼泽平均淹没频率最高(18.28%)，而废弃河道区仅9.99%。

2. 地貌-水文关联：
   决口过程塑造了显著的空间异质性——下游决口区淹没频率是废弃河道的1.8倍，证实了"河道超高程→决口→漫流扩散→低频区形成"的地貌驱动机制。

【结论与意义】
该研究首次量化了半干旱区洪泛平原淹没动态的地貌控制效应：(1)创新性提出HAND与多光谱指数融合框架，解决了光学遥感在植被覆盖区的水体识别难题；(2)揭示决口过程通过改变局部坡度(0.05%→0.11%)和流路分配，可提升邻近区域66%的淹没概率；(3)为《湿地公约》(Ramsar)要求的生态系统服务评估提供了可推广技术路径，特别适用于数据稀缺的非洲地区。研究强调未来应结合Sentinel-1雷达数据以穿透植被覆盖，并建议将地貌单元作为湿地修复的基准空间单元。

该成果不仅推动了水文地貌学与遥感科学的交叉创新，更为全球变化背景下的湿地适应性管理提供了科学基准。正如作者指出："理解历史淹没格局的地貌控制机制，是预测未来生态服务功能变化的前提"(原文Discussion节)。这种"地形-水文-生态"三位一体的研究范式，有望成为湿地可持续管理的黄金标准。