利用坡度校正的淹没频率，通过ICESat-2和Sentinel-2进行高分辨率洪泛区地形测绘

《Journal of Hydrology》：High-resolution floodplain topography mapping from ICESat-2 and Sentinel-2 using slope-corrected inundation frequency

　　•ICESat-2与Sentinel-2的数据被整合起来，无需实地测量即可绘制洪泛区地形图。通过基于河流表面坡度的校正策略，根据淹没频率来估算海拔高度。该方法具有很高的预测精度和较强的稳健性。

引言
河流洪泛区是河流通道与其周边陆地景观之间的低洼地带（Dhote等人，2023；Di Baldassarre等人，2020；Yamazaki等人，2015；Zheng等人，2025）。它们不仅是洪水风险管理的关键区域，还在水文调节、生态支持以及生物地球化学循环中发挥着重要作用（Hauer等人，2016；Shukla等人，2024；Tolar等人，2020；Zheng等人，2025）。准确描述洪泛区地形对于理解这些过程至关重要，因为地形特征决定了溢流路径和范围以及局部淹没动态。而这些动态又会影响洪泛区内的沉积物堆积、植被更替以及养分交换，同时为研究河流与洪泛区的联系提供基础（Assine等人，2015；Hauer等人，2016；Nicholas和Walling，1997；Shukla等人，2024）。然而，由于洪泛区属于季节性淹没区域，要对其地形进行全面描述面临着诸多挑战。大范围地形的周期性淹没会掩盖地面海拔和表面特征，使得难以在干燥区和淹没区都获得一致且精确的海拔数据（Md Ali等人，2015；Shastry和Durand，2020）。

数字高程模型是水文研究中的重要地形信息来源。包括航天雷达地形测绘任务数据、高级陆地观测卫星三维数据以及TerraSAR-X的数字高程测量附加数据在内的免费全球高程模型，已被广泛用于全球淹没建模和洪泛区地形分析（HAND、TWI和SP方法）（Beven和Kirkby，1979；De Reu等人，2013；Liu等人，2025；Rennó等人，2008；Rizzoli等人，2017；Rodríguez等人，2006；Tadono等人，2013）。不过，这些数据的分辨率通常为30米甚至更低，因此难以捕捉到河流洪泛区的细微特征，比如往往被忽视的河床深度信息（Wing等人，2024）。而像GoogleDEMs这样的超高分辨率摄影测量高程模型则能实现亚米级空间分辨率和与激光雷达相当的垂直精度（Liu等人，2025）；但由于资金、技术及获取方面的限制，这类数据在许多数据匮乏的流域应用仍然有限（Yamazaki等人，2017）。另一种获取地形数据的传统方法是实地测量，但这种方法受到高昂的成本、有限的人力以及恶劣天气条件的制约（Park等人，2020），而且还会破坏原有的地形和栖息地特征（Kasvi等人，2019）。因此，获取准确且最新的洪泛区地形数据显得极为重要。

具备重复观测能力的卫星遥感技术为在广阔且难以到达的地区获取地形信息提供了可靠手段（Andriolo等人，2018；Heygster等人，2010；Kutser等人，2020）。冰云陆地高程卫星2号上的先进地形激光高度计系统已展现出精准绘制地球表面的能力（Markus等人，2017）。该仪器能够生成6条沿轨道的地形剖面，垂直精度可达数十厘米，且重复观测周期为91天（Neuenschwander和Magruder，2019）。每个ATLAS观测点的直径小于11米，相邻观测点之间的距离仅为0.7米（Magruder等人，2020）。一方面，ICESat-2的高垂直精度和沿轨道采样分辨率使其能够验证并修正传统高程模型中的地形误差（如SRTM、MERIT模型）（Li等人，2022；Simard等人，2024）。例如，在亚马逊河中下游洪泛区，研究人员将ICESat-2测得的高程点与估算出的高程模型表面进行对比，发现两者偏差与植被高度和水位波动相关，于是提出了一种基于洪水频率的偏差校正方法，将均方根误差从约1.30米降低到约0.89米（Fassoni-Andrade等人，2020）。另一方面，由于ICESat-2具备相对频繁的重复观测能力，即能够在不同季节进行重复观测，因此它可以在枯水期获取地面反射信号，从而在季节性淹没区域获取裸地高程，进而填补地形数据中的“水域空白区域”（如湿地和洪泛区）（Fassoni-Andrade等人，2020；Palomino ángel等人，2024；Pe?a-Arancibia等人，2024）。此外，ICESat-2在内陆河流横断面测量中的应用也取得了成功。（Zhou等人，2023）利用ICESat-2的河流横断面数据以及Sentinel-2的河流宽度数据，获取了多时相的水面高程，用于水动力模型校准；（Musaeus等人，2024）则利用ICESat-2数据重建了湄公河的河道几何形态和坡度，构建的水力模型的高程误差控制在亚米级别。这些研究都体现了ICESat-2在为河流洪泛区提供连续且高精度的海拔信息方面的巨大潜力。

通过这种方式，ICESat-2/ATLAS能够为基于淹没频率与海拔关系的模型提供大量精确的初始高程数据，该模型通过建立淹没频率与高程数据之间的回归关系，为重建洪泛区地形提供了一种简化且经济高效的方法（Musaeus等人，2024；Shastry和Durand，2020；Xu等人，2022；Zheng等人，2024）。这些方法基于这样一个基本假设：季节性或半永久性水体的淹没频率与其相对地形高程之间存在密切关联。那些频繁被淹没的像素对应着较低的地形，而很少被淹没的区域则位于较高海拔处。基于这种关系，只需从少量采样高程点建立回归模型，就可以推断出大规模地形图。像Sentinel-2和Landsat这样的多光谱卫星图像也被广泛用于通过检测长期的水体存在状况来绘制淹没频率图（Albertini等人，2022；Ma等人，2020；Pekel等人，2016；Yamazaki等人，2015）。这些地图提供了关于水体持续存在情况的高分辨率空间信息，为洪泛区地形反演和测深建模提供了重要依据。基于这一原理，基于淹没频率与海拔关系的方法已被成功用于估算潮滩地形、海岸测深以及湖泊深度（Ma等人，2020；Park等人，2020；Xu等人，2022）。

尽管有了这些进展，但基于淹没频率和卫星高度计数据的地形反演方法主要应用于那些地形相对均匀且起伏较小的区域，如潮滩、三角洲平原和内陆湖泊。这一限制源于淹没频率产品的本质，它们只是地形高程的间接替代指标，而非直接测量值。在实际情况下，即便处于河流走廊的不同段落或不同的水力条件下，具有相同淹没频率的像素对应的实际海拔也可能存在很大差异（Gostner等人，2010）。在大型洪泛区系统中，尤其是那些由弯曲或辫状河流构成的洪泛区，数十至数百公里范围内水面高程的纵向梯度可超过数米（Hauer等人，2016；Xu等人，2022）。这些长距离河流段的水面坡度通常与洪泛区地形直接相关（Bauer-Gottwein等人，2024；Lindroth等人，2020；Scherer等人，2023）。如果不对这些梯度加以考虑，仅基于局部样本建立的基于回归的淹没频率与海拔关系就容易失去空间一致性，从而导致重建地形出现系统性偏差。因此，若直接将未经校正的淹没频率与海拔关系模型应用于长距离河流段，就可能会得到不现实的高程值，或者使重建的洪泛区地图出现不连续现象。要解决这一问题，就需要在模型框架中加入坡度校正机制，确保来自不同纵向位置的高程点都能基于统一的标准进行校准。

在本研究中，为克服传统基于淹没频率的方法在复杂河流环境中的局限性，我们提出了一种经过坡度校正的独特方法来重建洪泛区地形。通过将Sentinel-2影像生成的的高分辨率淹没频率图与ICESat-2/ATLAS提供的高程点及河流表面坡度数据相结合，我们开发并校准了一个能够反映洪泛区地形空间变异性的模型。该方法充分考虑了沿河道地形坡度的影响，而这对于在大型河流洪泛区中准确获取地形信息至关重要。本研究将该方法应用于汉江下游洪泛区，那是一片典型的冲积平原，其地形会随着时间发生显著变化。为了确保研究结果的时效性和相关性，本研究使用了2021年至2023年的卫星数据。

本文共分为四个主要部分。第一部分介绍了研究区域的特点、其水文和物理特性，以及卫星数据和实地数据的获取过程。第二部分阐述了经过坡度校正的淹没频率与海拔关系模型的构建过程，包括淹没频率图的制作、ICESat-2数据的处理以及坡度校正方法的确定。随后介绍了两种数据集之间的匹配过程以及模型的构建方法。在结果部分，我们分析了参数选择对模型性能的影响以及误差的分布特征，同时还利用ICESat-2数据和实地数据作为初始数据集，分析了地形测绘的结果。最后，本文总结了经过坡度校正的淹没频率与海拔关系模型的优点和局限性，并提出了未来研究的方向。

研究区域
汉江是长江最长的支流，全长1,570公里，流域面积约为170,400平方公里，位于东经106° - 114°、北纬30° - 34°之间（Chen等人，2007）。该地区属于亚热带季风气候，夏季受西太平洋副高带来的温暖潮湿气流影响，冬季则受寒冷干燥的西伯利亚高压影响。这种季节性气候特征导致河流径流量出现较大变化，进而……

方法论
利用多源卫星数据绘制洪泛区地形的流程包括以下步骤：（1）基于Sentinel-2卫星影像计算淹没频率图；（2）从ICESat-2 ATL03数据中获取洪泛区地表的高程数据，从ICESat-2 ATL13数据中获取河流段的坡度序列；（3）开发坡度校正方法，并构建模型，将校正后的高程与淹没频率联系起来。

从ICESat-2 ATL13得到的水面高程和坡度
在大约100公里的河流段中，从ATL13数据中提取了136个水面高程估算值，同时得到了11个坡度估算值。如图5a所示，ATL13提供的水面高程和坡度估算值几乎覆盖了整个研究区域。在本研究中，第3.1节中生成的淹没频率图有效去除了异常值。如果没有这一步，河岸地区的测量点将会失去可靠性（Musaeus等人，2024）。坡度结果与水面高程……

不同空间分辨率下淹没频率的影响
在用于重建洪泛区地形的经过坡度校正的方法中，5米的淹没频率分辨率是基于10米的Sentinel-2衍生地图生成的。图9比较了三种不同空间分辨率下的算法精度。通过指数回归，预测数据与ICESat-2 ATL03的高程数据非常吻合。汉江的R2值在0.865到0.882之间，均方根误差在1.000到1.035米之间（图9a - c），而……

结论
本文提出了一种利用免费获取的全球范围多源遥感数据集来绘制洪泛区地形的方法，无需依赖实地测量或水力反演建模。ICESat-2的ATL03和ATL08产品提供的高分辨率陆地高程数据能够准确捕捉到各种规模和细微的地形变化。ATL13产品则可以提供整个河流段的水面高程估算值和坡度估算值。将这些数据结合起来……

CRediT作者贡献说明
Ju Ma：撰写——初稿、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念构思。Ming Zhong：撰写——初稿、监督、项目管理、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思。Shengmei Yang：撰写——审阅与编辑、验证、数据整理。Song Ye：撰写——审阅与编辑、验证、数据整理。Xuan Ban：撰写——审阅与编辑、验证、研究。Qinchuang Xin：撰写——

未引用参考文献
Chen等人，2025；Feyisa等人，2014；Liu等人，2020；Neumann等人，2019；Tadono等人，2015。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金联合基金的资助（项目编号：国家自然科学基金（项目编号U22A20567）、中国国家自然科学基金（项目编号42571088）以及湖北省自然科学基金（项目编号2024AFA020）。马驹|钟明|杨胜梅|叶松|班轩|辛琴创|凌峰