Automation of Water Surface Area Calculation for Water Balance Purposes Using Satellite Images
DOI:
https://doi.org/10.31649/1997-9266-2026-185-2-71-78Keywords:
water surface area, NDWI, time-series weighted method, water balance, Sentinel-2, automationAbstract
The paper analyzes modern approaches to determining the water surface area using Earth remote sensing data within the context of water management balance tasks. The structure of the consumption component of the balance is examined using the example of the Water Management Area (WMA) M5.4.0.02 of the Southern Bug River. The authors justify the use of remote sensing as an alternative to traditional field measurements, which fail to provide the necessary data dynamics. The relevance of the study is driven by the need to predict water resource deficits, the accuracy of which is particularly critical during arid periods.
The core methodology involves processing Sentinel-2 satellite imagery using the Normalized Difference Water Index (NDWI) and an empirically determined water pixel threshold of 0.05. A time-series weighted approach is proposed for determining the water area within the WMA. This method utilizes a series of images over a specific period, where each image is assigned a weighting coefficient based on cloud cover and overall image quality. Such an approach mitigates the impact of random errors in individual frames and yields a representative weighted area estimate.
During the study, the technical limitations of the Planet Labs platform were addressed through the algorithmic division of the territory into tiles, ensuring high spatial resolution. By default, the resolution for the entire WMA M5.4.0.02 is 48 m2 per pixel, while the territorial tiling allowed for a fivefold increase in image quality, which proved sufficient for further research.
Testing the method for the summer and autumn periods of 2025 revealed significant seasonal area variability (from 41.425 km2 to 30.048 km2), highlighting the importance of accounting for seasonal water surface changes when performing water balance tasks. The results are integrated into a Python-based software package, creating a foundation for automating additional evaporation calculations within the overall river basin water resource management system.
References
В. Б. Мокін, В. В. Гребінь, та Є. М. Крижановський, Методи оцінювання та засоби автоматизації розрахунку складових водогосподарського балансу районів річкових басейнів України, моногр. Вінниця, Україна: ВНТУ, 2023.
Державне агентство водних ресурсів України, Водогосподарські баланси основних районів річкових басейнів. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://davr.gov.ua/vodogospodarski-balansi-osnovnih-rajoniv-richkovih-basejniv . Дата звернення: 10.12.2025.
J. Li et al., “Satellite detection of surface water extent: a review of methodology,” Water, vol. 14, no. 7, р. 1148, 2022: https://doi.org/10.3390/w14071148 .
В. В. Гнатушенко, і М. С. Міщенко, «Аналіз методів виділення водних об'єктів на супутникових зображеннях,» Системні технології, т. 4, № 159, c. 108-113, 2025. https://doi.org/10.34185/1562-9945-4-159-2025-11 .
А. О. Наюк, і Є. М. Крижановський, «Автоматизація розрахунку площі водної поверхні для потреб водного балансу з використанням супутникових зображень,» на LV Всеукраїнській науково-технічній конференції підрозділів Вінницького національного технічного університету, Вінниця, 2026. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://conferences.vntu.edu.ua/index.php/all-fksa/all-fksa-2026/paper/view/27256/22340 . Дата звернення: 08.02.26.
Planet Documentation, Cloud-native platform for Earth observation with reliable data, scalable analytics, and accessible integrations and APIs. [Electronic resource]. Available: https://docs.planet.com/ . Accessed: 08.02.26.
Алгоритм розрахунку площі водної поверхні на ВГД часосерійно-ваговим методом. Google Colab. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://colab.research.google.com/drive/1zirCxbKA9yufda0E7oNh9yLOxxAf9Tqh?usp=sharing . Дата звернення: 08.02.26.
В. К. Хільчевський, і В. В. Гребінь, «Деякі аспекти щодо стану території районів річкових басейнів та моніторингу вод під час вторгнення Росії в Україну (2022 р.),» Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія, № 3 (65), с. 6-14, 2022. https://doi.org/10.17721/2306-5680.2022.3.1 .
В. В. Гребінь, і Г. А. Беженару, «Оцінка стоку для розрахунку водогосподарського балансу в басейні Дністра,» на Міжнародній науково-практичній конференції. Рельєф, клімат та поверхневі води як об’єкти природничо-географічних досліджень. Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія, Київ, 2019, № 3 (54), с. 24-26.
В. Б. Мокін, В. В. Гребінь, Є. М. Крижановський, і Л. М. Скорина, «Технологія оптимізації управління водними ресурсами басейну р. Дністер шляхом автоматизації складання його водогосподарського балансу,» на XIV Міжнародній науково-практичній конференції. Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях, Київ, 2015, с. 131-135.
Downloads
-
pdf (Українська)
Downloads: 0
Published
How to Cite
Issue
Section
License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Authors who publish with this journal agree to the following terms:
- Authors retain copyright and grant the journal right of first publication.
- Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgment of its initial publication in this journal.
- Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
