《Technologies》：UAS-Validated Comparison of Sentinel-2 Shoreline Extraction Techniques for Large-Lake Coastal Mapping
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可靠评估从中等分辨率卫星影像提取的岸线需要独立的高分辨率参考数据以及考虑空间依赖性的统计方法。本研究对比了三种常规分析师辅助的岸线提取工作流程——直方图阈值法、波段比值法和归一化差异水体指数（Normalised Difference Water Index,
可靠评估从中等分辨率卫星影像提取的岸线需要独立的高分辨率参考数据以及考虑空间依赖性的统计方法。本研究对比了三种常规分析师辅助的岸线提取工作流程——直方图阈值法、波段比值法和归一化差异水体指数（Normalised Difference Water Index, NDWI）——在加拿大安大略湖Coronation Park使用Sentinel-2 Level-2A影像的表现。由Sentinel-2场景获取约27小时前采集的基于无人机（UAV）的正射影像图手动数字化得到的岸线用作独立参考。将UAV参考岸线和每条Sentinel-2提取岸线划分为31个有序分段。对于每条Sentinel-2提取分段的中心点，计算其到最近UAV参考中心点的平面欧几里得最短距离，并用于推导平均绝对误差（mean absolute error, MAE）和均方根误差（root mean square error, RMSE）。使用9999次排列评估残差空间自相关性，采用全局莫兰指数（Moran’s I）。由于配对差异偏离正态性，研究人员将弗里德曼检验（Friedman test）作为主要的整体比较方法，而沿大小为2至8个岸线位置的连续空间块排列检验评估了对局部空间依赖性的稳健性。NDWI实现了最高的位置一致性（MAE = 5.645 m；RMSE = 6.429 m），其次是波段比值法（MAE = 14.303 m；RMSE = 14.797 m）和直方图阈值法（MAE = 26.167 m；RMSE = 26.910 m）。所有三种方法均识别出显著的正残差空间自相关性（Moran’s I = 0.587–0.832，所有p < 0.001）。弗里德曼检验确认了显著的提取方法效应，χ2(2) = 49.226，p < 0.001，肯德尔和谐系数（Kendall’s W）= 0.794，并且该效应在所有测试的空间块大小中保持显著，经验p值范围为0.000007至0.004630。在该大型湖泊站点测试的三种常规方法中，NDWI提供了最高的位置一致性，因此为评估未来的Sentinel-2影像增强方法提供了合理的基线。
研究背景方面，岸线划分是海岸与内陆水体制图的基本组成部分，因为岸线代表了陆地与水之间的动态界面。可靠的岸线信息支持侵蚀与淤积评估、环境监测、航行安全、基础设施规划、海岸带管理以及气候变化影响分析。然而，岸线并非固定或普适定义的边界，其成图位置会因所选岸线指标、水位条件、影像获取时间、传感器分辨率、地理配准精度及提取方法而变化。因此，可靠的岸线制图既需要适当的划分技术，也需要针对独立的更高分辨率参考数据集进行验证。卫星遥感提供了大范围重复、空间一致且经济高效的观测，特别适用于监测动态的海洋与内陆水体岸线。开放获取的多光谱任务尤其是Sentinel-2，提供了适用于分离水体与非水体表面的可见光、近红外与短波红外波段，并支持阈值法、波段比值法、水体指数及基于分类的提取方法。尽管如此，Sentinel-2提取岸线的位置精度可能受传感器空间分辨率、陆水边界的混合像元、地理配准不确定性、大气与水表条件、浊度、阴影、潮湿岸线物质及所选阈值或分类规则的影响。这些限制在岸线特征相对于影像像元尺寸较窄、不规则或异质的情况下尤为重要。目前存在若干局限：首先，岸线提取精度高度依赖环境背景，来自海洋海滩、潮汐海岸、泻湖或三角洲环境的对比结果不能自动转移至大型内陆湖泊；其次，在大型湖泊环境中针对常规Sentinel-2岸线提取的独立UAV验证仍相对有限；第三，在评估后续影像增强方法是否带来真正的位置改善之前，需要一个经过验证的常规基线；最后，基于分段的岸线比较沿有序空间边界产生重复观测，相邻分段误差可能共享空间背景，因此在统计比较中不应自动视为独立观测。为此，研究人员在加拿大安大略湖北岸Coronation Park对比三种常规Sentinel-2岸线提取技术——直方图阈值法、波段比值法与NDWI，Sentinel-2 Level-2A影像获取时间距UAV调查约一天，提供近似同步的比较基础。研究目标包括：使用三种选定Sentinel-2技术提取岸线；生成独立的高分辨率UAV参考岸线；使用MAE与RMSE量化位置一致性；在考虑重复岸线位置与空间自相关的情况下评估方法间差异；并确定三种测试的常规工作流程中最合理的方法，用作后续Sentinel-2影像增强研究中固定的岸线提取基线。该方法论贡献在于一个近似同步的UAV–Sentinel-2验证框架，整合了明确的岸线指标解释、基于地面控制点（Ground Control Point, GCP）支持的UAV参考评估、重复参考岸线数字化、水位比较、基于分段的位置测量、残差空间自相关检验、相关样本方法比较及连续空间块稳健性检验；其实证贡献是在异质大型湖泊岸线环境中对三种广泛使用的常规Sentinel-2岸线提取技术进行的定量UAV验证对比；其实用贡献是建立一个经过验证的常规基线，用以评估未来的Sentinel-2影像增强与深度学习方法。论文发表在《Technologies》。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：研究区位于加拿大安大略湖北岸Coronation Park，UAV影像于2022年10月22日使用DJI Matrice 300 RTK搭载Zenmuse P1获取504张重叠影像，通过ArcGIS Drone2Map与ArcGIS Pro Reality Mapping生成正射影像图、数字表面模型、数字地形模型与点云，采用8个RTK GNSS测量的地面点其中4个作为GCP进行块调整；Sentinel-2A Level-2A影像获取于2022年10月23日，选取Band 3（绿光）、Band 8（近红外）与Band 11（短波红外）；分别实施直方图阈值法（Band 11阈值1150）、波段比值法（Green/NIR与Green/SWIR比值取阈值1并以逻辑并集组合）与NDWI（阈值0）提取岸线并转为矢量；将UAV参考岸线与三条Sentinel-2岸线各划分为31个有序分段，生成分段中心点，计算平面最近中点欧几里得距离得到MAE与RMSE；统计上采用全局Moran’s I（9999次排列）检验残差空间自相关，采用弗里德曼检验作为主要整体比较，重复测量方差分析（Repeated-Measures ANOVA）作支持性参数比较，Holm调整配对比较与Wilcoxon符号秩检验作两两敏感检查，连续空间块排列检验（块大小2至8）评估空间稳健性。
研究结果部分保留原文小标题并说明结论如下。
3.1. Positional Accuracy and Alongshore Error Patterns：研究人员通过31个有序分段评估位置精度，NDWI的MAE为5.645 m、RMSE为6.429 m最低，波段比值法MAE为14.303 m、RMSE为14.797 m居中，直方图阈值法MAE为26.167 m、RMSE为26.910 m最大；NDWI标准差最小表明沿分析段一致性更好，直方图阈值法均值误差与标准差均最高表明位置稳定性较差；有序距离剖面显示方法间差异沿岸线非均匀分布，NDWI段级偏差最低，波段比值法居中，直方图阈值法最大，邻近相似值连续出现表明测量具空间模式而非独立。
3.2. Residual Spatial Autocorrelation：研究人员对所有三种方法特定残差进行全局Moran’s I检验，均检测到显著正残差空间自相关，Moran’s I值分别为NDWI 0.679、波段比值法0.587、直方图阈值法0.832，所有排列检验p < 0.001，表明邻近岸线位置倾向具相似残差，直方图阈值法自相关最强；结果证实不应将距离测量作为独立观测处理，需采用相关样本与空间块分析。
3.3. Overall Method Differences and Spatial Robustness：研究人员先以Shapiro–Wilk检验配对差异正态性，三对方法均偏离正态（NDWI vs 波段比值法W = 0.908, p = 0.0115；NDWI vs 直方图阈值法W = 0.803, p < 0.001；波段比值法 vs 直方图阈值法W = 0.906, p = 0.0100），因此以弗里德曼检验为主要整体比较，识别显著提取方法效应χ2(2) = 49.226, p < 0.001，Kendall’s W = 0.794显示大体效应；连续空间块排列分析显示方法效应在块大小2至8均显著，经验p值0.000007–0.004630；Mauchly检验违反球面假设W = 0.455, χ2(2) = 22.832, p < 0.001，采用Greenhouse–Geisser校正重复测量ANOVA作支持比较F(1.295, 38.837) = 163.645, p < 0.001, 偏ηp2 = 0.845，结论一致。
3.4. Pairwise Differences Among Extraction Methods：研究人员进行Holm调整配对比较，NDWI与波段比值法平均配对差异?8.658 m，NDWI与直方图阈值法?20.522 m，波段比值法与直方图阈值法?11.864 m，所有调整后p < 0.001；Wilcoxon符号秩检验也均p < 0.001，确认三者两两显著差异，排序为NDWI最接近UAV参考、波段比值法居中、直方图阈值法偏差最大。
3.5. Spatial Comparison of the Extracted Shorelines：研究人员空间叠加UAV参考岸线与三条Sentinel-2岸线，NDWI衍生岸线总体上最接近UAV参考，局部偏差仍可见；波段比值法一致性居中；直方图阈值法在大多数岸线段位置偏离最大；误差沿岸线非随机分布，邻近段出现相似偏差，支持显著正Moran’s I结果，强化需用相关样本与空间稳健程序解释方法比较。
3.6. Diagnostic Sensitivity and Reference-Uncertainty Checks：研究人员进行诊断敏感性检验，直方图阈值法Band 11阈值1050、1100、1150、1200、1250对应诊断MAE分别为150.576 m、27.127 m、23.426 m、21.130 m、19.680 m，显示其对阈值敏感且1150为场景特定；波段比值法逻辑并集规则诊断MAE 5.453 m、RMSE 8.538 m，严格交集规则MAE 4.197 m、RMSE 5.732 m，显示逻辑组合规则影响结果；两名独立分析师重数字化UAV参考岸线平均偏差0.890 m与0.409 m，RMSE 1.176 m与0.560 m，小于Sentinel-2方法RMSE，表明人工解释不确定性非主导误差源；水位记录显示两日日均水位差约0.004 m，近期观测0.200 m，无法计算水平位移占比，时间不匹配仍为残留限制；采样密度敏感性分析显示20、31、40、50等间距下三种方法相对排序不变，NDWI始终最优。
讨论部分总结：研究人员指出所选Sentinel-2岸线提取方法显著影响衍生岸线位置，NDWI与UAV参考一致性最高，波段比值法居中，直方图阈值法最差，差异体现于MAE、RMSE、沿岸剖面、两两比较与空间叠加上，且在考虑重复位置、非正态配对差异与残差空间自相关后依然显著，支持NDWI作为该站点三种流程中最合理的常规基准，但不暗示NDWI在所有岸线环境中均最优。比较性能方面，NDWI的MAE 5.645 m与RMSE 6.429 m较低，源于归一化绿–近红外对比增强陆水过渡，不依赖场景特定绝对反射率阈值，在该异质岸线（湿沙滩、岩石、人工结构、浅水）表现稳定，但RMSE 6.429 m不代表Sentinel-2真分辨率为6.429 m或具等同绝对大地测量精度，仅代表与所选UAV参考在当前流程下的一致性；最终分类栅格均为20 m像元大小，NDWI初始源于两个原生10 m波段，直方图阈值法依赖原生20 m短波红外波段，波段比值法混合10 m与20 m源波段，性能差异应解释为光谱公式、阈值行为、源波段分辨率、栅格处理与局部岸线特征的综合结果而非单一因素。直方图阈值法MAE 26.167 m与RMSE 26.910 m最弱，依赖所选阈值1150为场景特定，诊断阈值敏感性显示固定阈值高度依赖局部光谱条件，湿沉积物、浅水、阴影、植被与混合像元均可导致重叠。波段比值法MAE 14.303 m与RMSE 14.797 m居中，逻辑并集保留任一比值满足条件像素为水体可能扩展边界，诊断显示严格交集规则诊断误差更低，表明结果受光谱波段与掩膜组合规则共同影响。空间依赖与稳健性方面，所有方法残差具显著正空间自相关，直方图阈值法最强（Moran’s I 0.832），源于单一短波红外阈值在连续岸线段导致持续过分类或欠分类，NDWI降低总体误差但未消除相邻混合像元与形态相关的空间连贯效应，波段比值法Moran’s I较低可能因其两个比值条件与逻辑并集响应变异更大；此自相关证实须用相关样本与空间块程序而非独立单因素方差分析；弗里德曼检验显著且空间块排列在各块大小均显著，重复测量ANOVA结论一致，支持NDWI、波段比值法、直方图阈值法排序稳健。UAV验证与位置一致性解释方面，UAV正射影像图地面采样距离0.006 m提供远细于Sentinel-2的视觉细节，由8个RTK GNSS地面点中4个作GCP支持，报告RMSE EN = 0.08 m、RMSE U = 0.09 m为全部八点地面控制数据集摘要而非独立检查点残差或正射影像图绝对精度；UAV采集距Sentinel-2约27小时减少时间失配，但非同时，岸线按可见湿干边界与相邻陆水界面手动解译，含可见湿沙为受水影响区，模糊区依连续性解释，重复数字化偏差小于Sentinel-2误差表明人工参考不确定性非主导；水位日均差约0.004 m对像素与测量偏差可忽略，但短时波浪、水位晃动、浊度、光照差异与湿面持续可能影响局部偏差；位置度量基于最近中点平面距离，未强制顺序对应、未限唯一匹配、未约束垂直岸线法向，故MAE与RMSE为无符号最近中点接近度，不指示陆向或湖向位移，也不作有符号岸线变化解释；采样密度敏感性显示排序稳健但绝对误差随密度变化，曲线段可能使派生中点匹配非对应参考中点，因此分析支持相对比较而非有符号位移测量。方法论与实践意义方面，研究提供异质大型湖泊环境中三种常规Sentinel-2流程的UAV验证对比，扩展至大型湖泊而非常见海洋潮汐海岸文献；方法论上整合明确岸线指标、近似同步UAV验证、有序分段测量、空间自相关、相关样本比较与空间块排列，显示即便较短岸线段空间依赖也可观，未来研究应检验误差空间结构与分布假设；实践上建立UAV验证常规参考点用于后续Sentinel-2影像增强阶段，NDWI为三者最强基线，未来增强或深度学习方法应在相同定义、参考、采样与统计框架下展现低于此NDWI基线的位置误差方为有效；该基准应视为局部，不直接迁移至其他湖泊、季节、传感器或岸线类型，需本地验证。局限与未来工作包括：基于单一大型湖泊岸线段与一对近似同步影像，结果为Coronation Park站点特定而非普适排名，未含沼泽或植被湿地岸线且31段未按类型分层，未来应跨多环境应用同流程；虽用水位记录表征约27小时失配但无法算水平位移占比，未来应更紧密协调采集并收集岸坡、水动力与近岸条件以分离方法误差与环境变异；UAV参考为RGB正射影像图手动解译，虽定义指标与重复数字化评估但仍存人工不确定性，未评估瞬时水边、固定高程等高线或植被边界等其他指标，未来应检验敏感性并直接测量UAV湿干指标与Sentinel-2光谱边界潜在偏移；归档最终分类栅格均为20 m像元但无法实验隔离ArcGIS栅格处理内部对齐效应，未测试替代捕捉栅格、处理范围、像元大小或重采样配置，未来应明确定义与归档栅格处理环境并评估替代配置；位置比较基于31个有序最近中点测量，未强制顺序对应、唯一一对一匹配或垂直法向测量，存在重复匹配，距离为无符号最近中点分离不指示陆向湖向，未来应比较最近中点结果与有符号垂直断面距离、基于多边形的面积差异及替代采样间隔以测试方法排序在不同几何下稳健性；研究限于三种常规方法，未涵盖MNDWI、AWEI、监督分类、机器学习、SAR–光学融合、甚高分辨率影像与深度学习，未来工作应以本研究的NDWI基线作为常规参考点评估增强Sentinel-2产品能否超越标准开源流程精度。总体而言，研究发现确立NDWI为所测三种常规方法中于Coronation Park岸线最强者，波段比值法居中、直方图阈值法最弱，但更广贡献在于UAV验证框架本身，通过结合近似同步UAV参考、明确岸线指标解释、GCP/检查点精度信息、重复数字化评估、水位比较、透明位置度量与空间适宜统计分析，为比较中等分辨率卫星岸线产品及判定未来增强方法是否带来可测量位置改善提供合理基础。
结论部分翻译：本研究对比了直方图阈值法、波段比值法与NDWI在从Sentinel-2 Level-2A影像提取加拿大安大略湖Coronation Park岸线中的表现。使用Sentinel-2场景获取约27小时前采集的独立衍生的UAV RGB真正射影像图生成参考岸线。UAV参考数据集由RTK GNSS地面控制与检查点信息、重复岸线数字化评估及水位比较支持。位置比较基于每种方法的31个有序最近中点距离测量，从而在同一岸线定义与测量程序下评估相对位置一致性。NDWI与UAV衍生参考岸线的一致性最高，MAE为5.645 m，RMSE为6.429 m；波段比值法居中，MAE为14.303 m，RMSE为14.797 m；直方图阈值法偏差最大，MAE为26.167 m，RMSE为26.910 m。所有三种方法均检测到显著正残差空间自相关性，证实有序岸线距离测量具空间结构。然而，提取方法效应在弗里德曼检验中仍显著，χ2(2) = 49.226，p < 0.001；在支持性重复测量ANOVA中显著，F(1.295, 38.837) = 163.645，p < 0.001；并在使用2至8个相邻岸线分段的连续空间块排列检验中均显著，经验p值范围为0.000007至0.004630。Holm调整配对比较与Wilcoxon敏感检查进一步确认三种方法均显著差异。这些发现表明，在所选大型湖泊岸线环境中，NDWI是三种常规Sentinel-2岸线提取方法中最强的，而波段比值法居中，直方图阈值法在最弱，该结果应解释为站点特定基准而非岸线提取方法的普适排名。诊断敏感性检查显示直方图阈值法对Band 11阈值选择敏感，波段比值结果受用于组合Green/NIR与Green/SWIR掩膜的逻辑规则影响，这些发现强化了在比较Sentinel-2岸线提取工作流程时记录阈值、栅格处理设置与分类规则的必要性。总体而言，本研究为异质大型湖泊环境中的中等分辨率Sentinel-2岸线制图建立了UAV验证的常规基准。通过结合近似同步UAV验证、明确岸线指标解释、地面控制与检查点精度报告、重复数字化评估、水位比较、透明位置度量与空间适宜的统计检验，该工作流程为评估未来Sentinel-2影像增强或深度学习方法是否在经过验证的NDWI基线之外带来可测量位置改善提供了合理基础。
