《Ecological Frontiers》：Surface water monitoring in Ghana: Evaluating spectral water indices across diverse aquatic environments
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本研究提出一种多传感器、基于光谱指数的遥感框架，利用Landsat和Sentinel-2影像评估加纳地表水动态，系统对比了AWEI、MNDWI、NDWI、NWI和WRI五种指数的精度，发现AWEI和MNDWI在河流划界中表现最优（Kappa系数0.83-0.95），Sentinel-2更适合大型水体，Landsat对窄河网捕捉更佳，揭示指数选择比传感器更重要，为资源受限地区的水资源管理提供决策支持。
Clement Kwang|Emmanuel Yeboah|Augustine O.K.N. Mensah|Jedidiah Tetteh Madjanor|Clement Issaka Anaba|Asante Vincent Antwi|Bernard Adu Adjei|Ian Kofi Afele|Lewis Blagogie|Dinesh Madhushanka Karunarathna Rathnayaka Mudiyanselage|Pasindu Liyanage|Isaac Sarfo
加纳大学地理与资源开发系，阿克拉，加纳
摘要
可靠的地表水监测对于可持续的水资源管理至关重要，但在受采矿影响的热带地区检测河流和湖泊仍然具有挑战性。本文提出了一种基于多传感器的遥感框架，利用Landsat和Sentinel-2影像来评估加纳的地表水状况。五种广泛使用的水分指数（AWEI、MNDWI、NDWI、NWI和WRI）在基于云的处理环境中被系统应用，以评估它们在受沉积物和人为干扰影响的异质土地覆盖条件下的表现。所有指数均成功检测到了主要的水体，包括沃尔特湖和博索姆特韦湖；然而，在河流划定方面存在显著差异。AWEI和MNDWI的表现始终优于传统的比率基指数，其Kappa系数在0.83至0.95之间，总体准确率在0.79至0.88之间。NDWI的表现中等，而NWI和WRI在检测狭窄且浑浊的河流时出现了较高的遗漏错误，尽管其总体准确率相对较高。跨传感器比较显示，Sentinel-2在检测大型、光谱特征明显的水体方面表现最佳，而Landsat则更有效地捕捉到了狭窄且水文连通的河流网络。这些结果表明，光谱敏感性和指数与传感器的兼容性对检测精度的影响大于空间分辨率本身。本研究的核心贡献在于提供了实证证据，表明在受采矿干扰的热带环境中，指数选择比传感器选择更为关键。通过将定量精度评估与治理相关的解释相结合，这些发现为可扩展的、开放访问的水资源监测系统提供了实用指导，这些系统有助于支持加纳及类似资源有限地区的监管执行、环境责任和可持续水资源管理。
引言
地表水资源对人类生活和自然环境都至关重要，对维持人类生存和生态系统起着重要作用[15]。像水库这样的水体对全球气候、生物多样性和人类人口的重要性强调了在环境管理政策中优先考虑其观测和保护的必要性[32]。在撒哈拉以南地区，农村社区严重依赖开放水域的水资源，这些水体除了具有娱乐和生态功能外，还对社会经济活动至关重要。尽管水资源覆盖了地球表面的70%，但可获取的开放地表水（如河流、湖泊和水库）仅占这一总量的3%[32]。然而，这部分水资源却是人类最容易获取的。此外，气候变化和城市化导致了开放地表水的污染和枯竭[8]。
在加纳，非法采矿活动（通常称为“galamsey”）对地表水造成了严重影响，并继续对水资源构成严重威胁。多项研究证实了采矿相关矿物（如汞）对水体的有害影响[4,16,37]。为应对这一日益严重的问题，政府实施了多项政策来遏制galamsey对土地和水资源的破坏性影响。这些政策包括全面禁止所有形式的非法采矿，并部署军事力量来执行禁令并保护关键水体。
鉴于这些挑战，有必要绘制和评估地表水的动态变化，以便持续监测和管理水资源[28]。近年来，卫星遥感和GIS技术已成为监测和管理水资源的强大工具，为地表水体的空间和时间动态提供了前所未有的洞察[48]。随着卫星技术的进步，水资源评估技术也得到了革命性的发展，新的卫星传感器具有不同的空间和光谱分辨率[46]。
研究人员开发了光谱水分指数（SWIs），以从卫星影像中识别和划定水体。第一个SWI——归一化差异水分指数（NDWI）由McFeeters于1996年提出[32]。此后，又开发了其他几种指数，如改进的归一化差异水分指数（MNDWI）和自动水分提取指数（AWEI），以在不同环境条件和传感器下提高识别精度。SWIs确实是识别水体的强大工具，在大多数情况下优于机器学习技术[23]。它们被用于多种用途，包括监测内陆水质以及绘制洪水图[45]和洪水区域图[21]。尽管取得了这些进展，但由于传感器特性和环境条件的变化，为特定传感器和环境选择最合适的指数仍具有挑战性[42]。大多数关于SWI的研究传统上集中在较大的水体上，而像河流这样的较小水体则研究较少。本研究旨在通过评估不同SWI在加纳广阔地理区域内同时划定大型和小型水体的表现来填补这一空白。通过这样做，它旨在确定每种指数的有效性，并提供关于它们适用于不同传感器和环境的见解。
本研究基于环境正义（EJ）框架，该框架建立在[49]的核心原则之上：分配正义、程序正义和认可正义，这些原则已成为EJ讨论的核心。分配正义关注在不同社会群体之间公平分配环境利益和负担，而认可正义强调承认受影响社区的身份、权利和文化价值的重要性。程序正义涉及个人和社区参与与其生活相关的环境问题决策过程的权利，倡导包容性和民主参与，以确保所有利益相关者都能参与有关环境管理的讨论和行动[54]。
环境正义越来越被认为是一个重要的框架，有助于推进公平和可持续的环境治理，特别是在边缘化人群面临不成比例的环境风险和资源短缺的情况下。环境正义运动的起源在于其努力解决历史和系统性不平等问题，这些问题使低收入和少数群体承受了不成比例的环境危害，包括污染的空气、受污染的水和危险废物[10]。近年来，环境正义已成为评估自然资源管理（包括水资源）的关键分析和决策工具。早期学术研究强调了环境负担的不平等分配，而当代研究继续强调采矿等采掘业如何加剧生计问题，特别是在农村和资源匮乏的地区[31,44,54]。
环境正义框架提供了一个有力的视角，用于审视地表水资源退化的社会环境影响，特别是在那些不平等和边缘化现象严重的背景下，这些现象对依赖地表水进行饮用、农业和日常家庭使用的农村和低收入社区影响尤为严重。这些社区承受了最大的环境负担，但他们往往缺乏减轻影响的基础设施或替代资源。在加纳，非法的小规模采矿已成为一个主要的环境威胁，特别是对河流、溪流和水库等地表水体。环境正义框架的三个核心支柱使我们能够全面评估这些环境危害在不同社会群体中的不平等体验。这种方法超越了单纯的技术性水体测绘，批判性地评估了与水相关的危害和保护的分配情况、谁参与了这些决策，以及谁的经验得到了认可。
研究区域
研究区域
加纳位于西非，北邻布基纳法索，东接多哥，西靠科特迪瓦，南濒几内亚湾。它位于东经0°05′04″至3°14′12″，北纬5°05′39″至10°54′38″之间，面积约为240,000平方公里[29]。加纳分为16个地区，阿克拉是首都。加纳有两个主要的气候区：北部地区以炎热干燥的气候为特征，而
基于Landsat的地表水提取
使用五种光谱水分指数从Landsat影像中提取的地表水空间模式如图2所示。所有指数均一致地勾勒出了加纳的主要开放水域系统，特别是沃尔特湖和博索姆特韦湖，证实了它们在绘制大型、光谱均匀的水体方面的有效性。然而，当考虑河流连续性、空间连贯性和指数值分离时，指数表现存在显著差异。
讨论
本研究通过使用Landsat和Sentinel-2影像，对加纳不同水生环境中的五种光谱水分指数（AWEI、MNDWI、NDWI、NWI和WRI）进行了全面评估，为地表水监测提供了宝贵的进展。研究发现AWEI和MNDWI在准确划定大型和狭窄水体方面表现最佳，为类似地理环境中的遥感应用提供了实用指导。
结论
本研究表明，基于指数的地表水提取方法是一种高效且可扩展的水体监测方式，特别是在数据稀缺的地区，那里可能无法获得训练数据集和复杂的分类工作流程。在评估的五种光谱水分指数中，AWEI和MNDWI在Landsat和Sentinel-2影像上的表现始终优于NDWI、NWI和WRI，体现了它们在加纳多样且易受干扰的环境条件下的稳健性。
资金
本研究未获得任何资助。
代码可用性
软件和所有数据库的链接已在方法论部分提供。
CRediT作者贡献声明
Clement Kwang：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Emmanuel Yeboah：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Augustine O.K.N. Mensah：撰写——审阅与编辑、验证、调查、正式分析。Jedidiah Tetteh Madjanor：撰写——审阅与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢负责编辑和匿名审稿人对手稿提出的宝贵意见。
