利用基于云的处理技术对Sentinel-2影像进行自动化检测，以识别河口的开启和关闭现象

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Automated detection of river mouth opening and closure using cloud-based processing of Sentinel-2 imagery

　　马库斯·席尔瓦-桑塔纳 | 玛丽亚·贝尔穆德斯 | 胡安·德尔-罗萨尔-萨利多 | 米格尔·奥尔特加-桑切斯
安达卢西亚地球系统研究所，格拉纳达大学，地中海大道无门牌号，18071格拉纳达，西班牙

**摘要**
在受强烈年际气候变化影响的微潮汐、波浪主导的海岸上，间歇性开放/关闭的河口非常普遍。监测和理解其动态对于制定明智的海岸管理策略至关重要。我们提出了一种新颖的、半自动化的、无需校准的方法，该方法利用Sentinel-2卫星图像和Google Earth Engine（GEE）中的云计算技术，通过基于指数的水掩膜和几何交叉分析来分类河口与海洋的连通状态。该方法应用于整个西地中海盆地（约1,500公里的海岸线），涵盖了整个Sentinel-2卫星图像的时间序列数据。

我们评估了不同指数-阈值组合（NDWI、AWEI和MNDWI）与专家标记图像（约600个样本）之间的性能。固定阈值总体上比Otsu方法具有更好的一致性，其中NDWI在这项应用中表现出最佳性能（约80%的一致性）。大多数分类不确定性与接近Sentinel-2空间分辨率极限的河口宽度有关。

我们提取了每个河口的地貌特征和水文时间序列，并分析了它们与开放/关闭动态之间的相关性。结果证实了河流流量（促进河口打开）和波浪作用（促进沙洲形成）的相反作用。该工作流程还捕捉到了事件规模的动态变化，例如风暴“Gloria”过后托尔德拉河（西班牙东北部）的持续开放，突显了极端事件在季节性和年际循环中的作用。

本研究首次对西地中海地区的间歇性开放/关闭河口进行了区域评估，并且可以很容易地扩展到其他地区。它展示了基于卫星的云计算工具在可扩展的海岸形态动态监测方面的潜力，对海岸管理具有明确的意义。

**引言**
海岸过渡带是陆地和海洋环境之间的动态界面，在这里不同的驱动因素（如波浪作用、海平面/潮汐变化和河流流量）与地貌特征相互作用，决定了地貌演化和生态功能（Elliott等人，2016年）。这些系统包括短暂的河口、河口湾、三角洲和沿海泻湖，其形态动态配置具有高度的空间和时间变异性，这增加了监测和建模的复杂性。在某些情况下，河口的沉积物平衡受到河流和海洋作用的影响，导致陆上沉积物沙洲的移动，从而间歇性地打开或关闭河流与海洋的水力连接。过渡性海岸环境还提供了重要的生态服务，因为它们代表了河流与海洋水交换的独特区域（Morris & Turner，2010年）。

河口的间歇性开放和关闭受到河流流量和海洋作用之间的竞争控制，这决定了河流与海洋界面的净沉积物输送和形态平衡（Ranasinghe等人，2003年）。河流流量会移动沉积物并产生能够冲破沉积物屏障的侵蚀流速，而波浪作用和沿岸漂移会将沉积物输送到河口，促进沙洲形成和河道闭合（Warrick，2020年）。McSweeney等人（2017a）在全球范围内绘制了间歇性开放/关闭的河口（沙洲形成的河口）地图，并证明波浪能量（高能量涌浪）、季节性河流流量变化和微潮汐条件是间歇性开放/关闭河口区域发生的关键因素。因此，在地中海气候区，以河流与海洋连通和断开交替为特征的系统非常普遍（例如Aouiche等人，2023年；Alonso，2024年；Orescanin等人，2021年）。其他因素，包括潮汐棱柱、风暴潮和先前的地貌条件，也调节了河流与海洋过程的相对重要性（Ranasinghe等人，2013年；Orescanin等人，2021年）。开放/关闭动态在多个时间尺度上发挥作用：极端事件（几小时到几天）可以触发快速的地貌变化，季节性周期（几个月）影响沉积物的可用性和输送模式，而地貌趋势（几年到几十年）反映了长期的气候和人为影响（Masselink等人，2003年）。

河流与海洋作用的相对主导地位在不同系统和同一系统内的不同季节之间有显著差异，导致全球范围内开放/关闭机制的广泛多样性——从全年大部分时间保持开放仅在极端波浪条件下关闭的系统，到多年保持关闭仅在极端洪水期间打开的系统。Khojasteh等人（2025年）最近的一项全球调查显示，全球共有2,245个间歇性河口，但只有约7%的河口受到了同行评审研究，亚洲、南美洲和欧洲的知识空白较大，而且只有少数研究依赖于遥感或其他新技术。捕捉这种广泛的变异性并解决这些空白需要能够在多个地点和多年内部署的观测工具——这是基于卫星的可扩展监测特别适合的领域。

河口的关闭显著影响沿海地区的水质、生态系统健康和社会经济服务（Matthews & Bernard，2015年；Li等人，2024年），对海岸管理政策尤为重要。淡水与海洋环境之间的水力连通性丧失——尤其是如果持续存在——会破坏盐度梯度，减少水循环，并可能导致缺氧条件、富营养化和栖息地退化（Largier等人，1997年），从而影响整体生物多样性。从社会经济角度来看，河口关闭会妨碍娱乐活动，降低财产价值，并需要昂贵的工程干预措施，如机械破除或疏浚（Mu?oz-Perez等人，2001年）。预计气候变化会通过改变降水模式、风暴强度和海平面上升加剧这些影响（Martel等人，2021年），可能改变关闭事件的频率和持续时间。因此，监测关闭模式并理解其环境驱动因素对于制定适应性管理策略和维持海岸过渡带的生态系统服务至关重要。

目前研究河口动态的方法包括数值建模、现场监测和遥感技术，每种方法都有其独特的优势和局限性（Ranasinghe等人，2003年）。基于过程的形态动力学模型可以模拟水动力学、沉积物输送和地貌演化之间的复杂相互作用，提供控制开放/关闭周期的物理机制的见解（Dissanayake等人，2012年；Dunn等人，2010年）。例如，Rich & Keller（2013年）开发了一个基于过程的模型，认为波浪作用是沉积的唯一驱动因素，而入口流会导致河道侵蚀，成功再现了一个案例研究河口的季节性开放/关闭模式。尽管基于过程的模型可以提供研究案例系统的全面描述，但这类模型需要广泛的校准、详细的输入数据和大量的计算资源，限制了它们在区域规模和多年评估中的应用（Ranasinghe等人，2013年）。基于平衡的方法，如Nienhuis等人（2021年）提出的简化分析模型，考虑了沙洲宽度和风暴潮高度来预测沙洲破除和沉积物沉积，提供了简化的分析框架，但可能无法完全捕捉自然系统的复杂性。现场监测技术，包括流量测量和地形调查，可以提供高分辨率的局部过程数据，但劳动密集、成本高昂且空间受限（Orescanin等人，2021年；Clark & O’Connor，2019年）。这些限制阻碍了在区域尺度上全面理解河口动态的发展，其中气候驱动和地貌的空间变异性产生了多样的生态-形态动态响应。

卫星遥感结合基于云计算的工具为在区域和多年尺度上监测河口动态提供了有前景的替代方案，提供了全面的覆盖范围、定期和周期性的时间采样以及成本效益高的长期观测（Roca等人，2022年）。传感器技术、数据可用性和处理能力的最新进展使得海岸监测的自动化方法成为可能（Vos等人，2019年；Luijendijk等人，2018年）。公开可用的光学卫星图像，特别是Sentinel-2星座的图像，提供了高空间分辨率（10-20米）和频繁的重访时间（5天），适合检测海岸系统的形态变化（Bergsma & Almar，2020年）。像Google Earth Engine（GEE）这样的云计算平台使人们能够使用卫星数据和地理空间处理能力，否则这些数据将需要大量的本地资源，从而能够进行大规模的海岸研究（Gorelick等人，2017年）。以前基于卫星的监测应用包括海岸线检测（Vos等人，2019b）、入口动态（Heimhuber等人，2021年）和河口迁移（Monegaglia等人，2018年）。本地研究已经实施了基于卫星的工具来监测河口和间歇性开放/关闭的河口。Bergsma等人（2020年）使用Landsat数据监测塞内加尔圣路易斯入口的长期沙洲移动，Flores等人（2026年）使用Sentinel-2图像检测智利中南部极端风暴事件后狭窄河口系统的连通性变化；Heimhuber等人（2021年）开发了InletTracker，这是一个基于Sentinel-2和Landsat图像的开源Python工具包，用于监测间歇性海岸入口。然而，这些现有工具通常需要某种形式的本地校准或每个地点的训练数据，并且没有完全在基于云计算的环境中实现，这大大增加了对本地计算资源的需求，并限制了它们在区域尺度评估中的使用。此外，很少有系统研究调查了卫星衍生的地貌状态与不同海岸环境中的水文气象驱动因素之间的关系。这些框架生成的信息提供了一种研究这些关系并加深我们对海岸系统动态理解的手段。

本研究提出了一种新的基于卫星的方法，用于在区域和多年尺度上自动检测和分析河口开放/关闭动态。该方法应用于西班牙大陆地中海海岸（CSMC），该海岸线超过1,500公里，具有多样的地貌特征，是一个典型的波浪主导、微潮汐系统，具有强烈的年际变化——这些条件有利于间歇性开放/关闭系统的发生（McSweeney等人，2017b；Khojasteh等人，2025年）。这项工作在方法论上做出了两项互补的贡献。方法论上，它开发了一个可扩展的、自动化的、无需校准的工作流程，结合了Sentinel-2卫星图像、基于指数的水分类和几何分析，完全在基于云的环境中进行，无需本地计算资源即可处理大型空间和时间数据集。实证上，它将此工作流程应用于不同的海岸环境，并在从事件驱动到多年尺度的范围内表征河口动态，为西地中海地区提供了首个开放/关闭时间序列的数据集。这种双重视角满足了间歇性系统研究中跨地点、跨时间的观测框架的公认需求（Khojasteh等人，2025年），并将这项工作置于应用海岸管理的背景下。

具体目标包括：（i）使用云计算工具开发一种可扩展的、自动化的流程，从Sentinel-2卫星图像中分类河口状态；（ii）表征不同海岸系统中开放/关闭动态的空间和时间模式，为研究区域生成全面的开放/关闭时间序列数据集；（iii）在区域尺度上，评估地貌配置与控制系统状态的水文气象驱动因素之间的相关性，整合建模研究和局部障碍物破除及恢复的观察结果；（iv）在局部尺度上，评估该方法在极端风暴事件后区分开放/关闭状态的能力。

**研究区域**
研究区域包括西班牙大陆地中海海岸（CSMC），沿地中海盆地西部延伸约1,500公里（图1a）。海岸线方向从南部的东西向变为北部的南北向，形成了不同的波浪暴露模式和沉积物输送机制（Stewart & Morhange，2009年）。该地区高度城市化，有大量的水坝建设、渠道化的水道和密集的海岸活动。

**间歇性开放/关闭河口的识别**
工作流程从识别研究区域内的间歇性开放/关闭河口以及河流通道和河流区域的数字化开始（图1b）。第一步是使用Google Earth的历史图像档案系统地识别CSMC沿线的间歇性开放/关闭河口。遵循McSweeney等人（2017b）的方法，使用2000-2023年的高分辨率卫星图像对整个海岸线进行了视觉检查。

**光谱指数和阈值的选取**
验证分析（见补充材料图S1）表明，使用固定阈值的NDWI指数与视觉检查结果最为吻合（约77%）。尽管AWEI和MNDWI指数是在高度城市化地区常用的水指数（Yang等人，2018年），但它们用于检测间歇性开放/关闭河流中的浅水似乎不太合适。应用更广泛的指数（如NDWI）在多种情况下更为有效。

**讨论**
从西班牙大陆地中海海岸（CSMC）大约1,500公里的海岸线上提取了河口状态（开放/关闭）的时间序列。该地区以波浪作用为主（微潮汐条件）且年际变化显著为特征，河流出入口呈现出间歇性开闭的现象（McSweeney等人，2017a），这种情况类似于加利福尼亚、澳大利亚或南非（Peel等人，2007；Haines等人，2006）的研究结果，这些地方的河流出入口也普遍存在间歇性开闭现象。

**结论**
本研究提出了一种基于云技术的可扩展方法，用于利用卫星遥感技术自动分类河流出入口的间歇性开闭状态。该方法通过基于指数的水体分类和云计算基础设施，解决了现有海岸监测工具的关键局限性：无需进行本地校准，减少了本地计算需求，并提供了关于出入口关闭持续时间和更新频率的定量指标。

**作者贡献声明**
- Juan Del-Rosal-Salido：验证、概念化
- María Bermúdez：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、资金获取、概念化
- Marcus Silva-Santana：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、方法论、数据分析、概念化
- Miguel Ortega-Sánchez：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、资金获取、概念化

**未引用参考文献**
Alonso等人，2024；Clark和O’Connor，2019

**数据可用性**
本研究使用的数据集列在手稿的表1和表2中。研究过程中生成的数据（包括34个系统的河流出入口状态时间序列、数字化的河流出入口和河道多边形以及地貌数据集），以及用于检索和分类Sentinel-2影像并进行后续时间序列和相关性分析的Google Earth Engine/Python处理脚本，均可在Zenodo平台上公开获取。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究得到了以下项目的支持：
- PLEC2022-009362项目，由MCIN/AEI/10.13039/51100011033/资助；
- EcoC2S项目，由欧盟“Horizon Europe”计划下的欧洲Water4All合作伙伴关系（授权协议编号101060874）资助，以及西班牙国家研究机构MICIU/AEI/10.13039/501100011033/欧盟资助；
- EPICOS项目，由安达卢西亚自治区政府（Consejería de...）资助。