ترکیب شاخص‌های طیفی و یادگیری ماشین برای استخراج دقیق پهنه‌های آبی سطحی: یک چارچوب کاربردی مبتنی بر SVM با ارزیابی مکانی (IoU, Dice)

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

گروه سنجش از دور و GIS، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، خوزستان، ایران

10.22034/gp.2026.71865.3525

چکیده

هدف: در سال‌های اخیر، استخراج دقیق پهنه‌های آبی سطحی از تصاویر ماهواره‌ای به دلیل نقش کلیدی آن‌ها در مدیریت منابع آب و پایش محیط‌زیست اهمیت ویژه‌ای یافته است. با وجود توسعه شاخص‌های طیفی متعددی برای شناسایی آب، عملکرد این روش‌ها در مناطق وسیع، کوهستانی و دارای پوشش ناهمگون اغلب با تداخل طیفی، سایه و سطوح تیره با محدودیت مواجه است.

روش پژوهش: در این پژوهش، یک چارچوب یکپارچه مبتنی بر ترکیب شاخص‌های طیفی رایج شامل NDWI، MNDWI، AWEI_sh، AWEI_nsh و WRI به همراه باندهای خام چندطیفی لندست 8 برای استخراج پهنه‌های آبی سطحی ارائه شده است. سپس از الگوریتم ماشین بردار پشتیبان (SVM) به‌عنوان روش یادگیری ماشین به‌منظور تلفیق بهینه فضای ویژگی و تفکیک کلاس‌های آب و غیرآب استفاده گردید. داده‌های مرجع از ترکیب برداشت میدانی، تفسیر بصری تصاویر با قدرت تفکیک بالا و داده‌های برداری OpenStreetMap (OSM) تهیه شدند و با اعمال فیلترهای کیفیتی و فشرده‌سازی فضایی، وابستگی مکانی نمونه‌ها کاهش یافت.

نتایج: ارزیابی عملکرد مدل با استفاده از معیارهای کمی شامل Recall: 90 درصد و IOU: 53 درصد و Dice: 70 درصد نشان داد که مدل عملکرد پایداری در شناسایی پهنه‌های آبی ارائه می‌دهد. SVM توانست مقدار Recall برابر با 90 درصد را برای کلاس آب ارائه دهد که نشان‌دهنده توان بالای مدل در شناسایی صحیح اکثر پیکسل‌های واقعی آب است. همچنین مقدار Dice برابر 70 و IoU برابر با 53 بیانگر همخوانی فضایی متوسط تا قابل‌قبول بین نقشه پیش‌بینی شده و داده‌های مرجع است.

نتیجه گیری: نتایج حاکی از آن است که غنی‌سازی فضای ویژگی با ترکیب باندهای خام و شاخص‌های طیفی، نقش کلیدی در بهبود شناسایی پیوسته و دقیق مرزهای پهنه‌های آبی ایفا می‌کند. این چارچوب می‌تواند به‌عنوان روشی کارآمد و قابل اتکا در استخراج پهنه‌های آبی سطحی در مناطق پیچیده و بزرگ‌مقیاس مورد استفاده قرار گیرد و پشتیبان تصمیم‌گیری در مدیریت منابع آب باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Combining spectral indices and machine learning for accurate surface water bodies extraction: An SVM-based application framework with spatial assessment (IoU, Dice)

نویسندگان [English]

  • Maryam Riahinia
  • Sajad Zareie
  • Kazem Rangzan
Department of Remote Sensing and GIS, Earth Sciences Faculty, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Khuzestan, Iran
چکیده [English]

Objective: In recent years, accurate extraction of surface water areas from satellite images has gained special importance due to their key role in water resources management and environmental monitoring. Despite development of numerous spectral indices for water identification, performance of these methods in vast mountainous and heterogeneous areas is often limited by spectral interference, shadow and dark surfaces.

Methods: In this study, an integrated framework based on the combination of common spectral indices including NDWI, MNDWI, AWEI_sh, AWEI_nsh and WRI along with Landsat-8 OLI multispectral raw bands is presented for extracting surface water areas. Then, the support vector machine (SVM) algorithm was used as a machine learning method to optimally integrate feature space and separate water and non-water classes. Reference data were prepared from a combination of field observations, visual interpretation of high-resolution images, and Open Street Map (OSM) vector data, and spatial dependence of the samples was reduced by applying quality filters and spatial compression.

Results: Model performance evaluation using quantitative criteria including Recall: 90%, IOU: 53%, and Dice: 70% showed that model provides stable performance in identifying water bodies. SVM model was able to obtain a Recall value of 0.90 for water class, which indicates high power of the model in correctly identifying most of real water pixels. Also, Dice value of 0.70 and IoU of 0.53 indicate moderate to acceptable spatial agreement between the predicted map and reference data.

Conclusions: Results indicate that enriching feature space by combining raw bands and spectral indices plays a key role in improving continuous and accurate identification of water body boundaries. This framework can be used as an efficient and reliable method for extracting surface water areas in complex and large-scale areas and support decision-making in water resources management.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spectral index
  • Open Streep Map
  • Support vector machine
  • Spatial metrics