Flood flow simulation integrating remote sensing techniques

Abstract

Floods rank among the most frequent and hazardous natural disasters, posing significant threats to human life, as well as the natural and built environment. The detrimental impacts of floods are anticipated to be further compounded in the future, driven by both climate change -which tends to enhance floods frequency and magnitude- and a range of additional factors, including the increase in population density, fast economic growth, urbanization and uncontrolled development along the floodplains, which collectively tend to enhance the vulnerability and risk in flood-prone areas. The above situation emphasizes the necessity for developing appropriate mitigation strategies for managing flood risk and alleviating the subsequent damage. Within this context, flood forecasting and early warning systems have attracted substantial interest, driven, among others, by the recent advancements in computing power and technology. The development of such systems typically relies on the coupling of a meteorological with a hydrological and/or a hydrodynamic component, with the latter being integrated by means of either sophisticated physics-based models or statistical data-driven techniques. Although computationally intensive, detailed physics-based simulators are generally accepted as more accurate in the representation of the flood phenomenon and they, thus, constitute a frequently used technique for flood forecasting and inundation mapping. Despite the increasing interest in flood modeling, hydrodynamic models continue to be subject to significant uncertainties arising from multiple stages of the modeling process. One of the most debated aspects is the choice of the appropriate model, especially in terms of the dimensionality (1D, 2D or coupled 1D/2D), which remains a contentious and critical decision influencing the accuracy of the simulation results. Beyond the well-documented uncertainties inherent in the modeling procedure, the intrinsically complex nature of floods combined with the substantial computational demands and the complete absence or limited availability of hydrometric data required for model calibration, poses further challenges for performing accurate and efficient flood modeling at high resolutions. In particular, the inadequacy of in-situ observations to independently support calibration and validation procedures has increasingly prompted a shift toward the use of satellite remote sensing products, which in turn enable systematic and large-scale flood mapping and monitoring at high resolutions. As a result, the incorporation of remote sensing techniques in flood modeling has attracted much attention lately, while the contribution of remotely sensed-derived products, especially in model calibration, has been primarily explored by considering either the flood extent or the indirectly retrieved water depth data. In light of the above, the present dissertation seeks to introduce a comprehensive investigation into the integration of satellite remote sensing with hydrodynamic modeling, specifically tailored to the particular hydrologic and physiographic characteristics of Greek riverine systems. Within this context, it ultimately aims to establish a robust framework for supporting decision-making in modeling-related issues and formulate an efficient strategy for the use of complex hydrodynamic models in ungauged, or insufficiently gauged basins. Emphasis is, thus, placed on the integration of remote sensing products, assessing the capabilities and limitations of different kinds of SAR-based data and techniques, to enhance the accuracy and reliability of hydrodynamic modeling. According to the above, the present thesis is organized around three primary objectives, which are: (a) to assess the overall applicability and inherent limitations of different remote sensing techniques and data in supporting flood modeling applications small- to medium-sized riverine systems, which are representative of the hydro-morphological characteristics of the Greek territory; (b) to conduct a thorough investigation into the factors contributing to uncertainty in hydrodynamic modeling outcomes, seeking to establish a practical guide for assisting modelers in making informed decisions and addressing common challenges, among which the selection of the appropriate modeling approach; and (c) to establish and implement a holistic framework for the calibration and validation of 2D hydraulic-hydrodynamic models, in complex and ungauged or insufficiently gauged basins, leveraging as benchmarks diverse satellite-derived products alongside efficient optimization techniques. To meet the above-described objectives, this research explores the freely available Sentinel-1 SAR products and evaluate their potential—in terms of accuracy, spatial and temporal resolution—for supporting flood modeling, in two distinct river catchments in Central Greece, namely the Spercheios and Peneios River Basins. In addition to the data itself, the influence of the selected SAR processing technique on the resulting outcomes is explored. To this end, two flood delineation approaches, namely a simplified single-image thresholding method and the Flood Mapping Python toolbox (FLOMPY), an automated approach based on SAR statistical temporal analysis, are used and comparatively tested to obtain insights on their relative appropriateness for supporting flood modeling applications. Finally, the comparative effectiveness of different satellite-derived end products, namely the flood inundation extent and the indirectly retrieved flood water depth, is evaluated within the scope of model calibration and validation. Uncertainty in hydrodynamic modeling was investigated in both Peneios and Spercheios River cases, offering, in this way, important insights into the applicability of the proposed framework, and allowing the identification of similarities or potential inconsistencies in the derived conclusions, due to varying flood conditions, complexity of the modeled systems and topographic characteristics. This phase of the research, thus, initiated with a Local Sensitivity Analysis (LSA), conducted for a certain river reach and flood event, occurred in late February 2018 in Peneios River, and aimed at providing preliminary insights on how different uncertainty sources impact on the predictive performance of a relatively simple 1D hydrodynamic model. A limited set of uncertain factors and configurations were investigated, compared to the analysis undertaken in the Spercheios River, including: (a) inflow discharge; (b) the variation in roughness coefficient; and (c) the spatial resolution of the terrain data. Model reliability in replicating the flood extent for the reconstructed event was assessed leveraging as a benchmark the flood extent extracted through SAR image processing, while model performance was quantified using a variety of widely accepted area-based measures of fit, i.e., the Critical Success Index (CSI), Success Index (SI), Hit Rate (H), False Alarm ratio (F), Accuracy (Acc) and Error Bias (E). Subsequently, the analysis was extended to the Spercheios River, where a comprehensive investigation of: (a) structural; (b) parametric; and (c) performance criteria-induced uncertainties was conducted, placing emphasis on interactions among the above uncertain components, as well. Within this context, three distinct hydrodynamic models, namely a coupled 1D/2D, a fully 2D and a coarse-resolution 2D model, were developed and their comparative response was assessed under the variation in five model variables, namely the: (a) roughness coefficient within the main channel and (b) across the two dominant land cover types in the floodplains; and (c) the variation in upstream discharge. Overall, the uncertainty investigation undertaken in Spercheios River was aimed at addressing the following issues: (a) investigate the impact of model structure -represented through the model dimensionality and simplifications in modeled system geometry- in the model output for identical input data and boundary conditions; (b) identify the most influential model variables and explore whether this is altered depending on the dimensional approach and performance metric; (c) examine the sensitivity of the individual performance metrics, with respect to the dimensional approach; (d) identify the optimum/worst dimensional approach according to each index; and (e) attempt to classify the utilized performance metrics in terms of how they rank the different modeling approaches. The overall framework implemented in the specific phase of the research was based upon a coupled hydrologic-hydrodynamic approach and involved the following five distinct parts: (a) the generation of the hydrologic forcing for use in the hydrodynamic simulation, coupling hydrologic modeling with a Monte Carlo Uncertainty Analysis; (b) the development of the three individual hydrodynamic model geometries, each representing a distinct dimensional approach; (c) the implementation of a LSA to test the influence of selected model parameters and upstream inflow, on the response of all three models, investigating each time exactly the same parameter combinations for all geometries tested; (d) the quantification of model response with respect to the derived flood extent for each model configuration scenario, considering a variety of performance metrics and using as benchmark the satellite-derived flood map; and (e) the sensitivity quantification and final evaluation. The final stage of the present dissertation, being also the overarching goal of the research, concerns the integration of the insights and lessons learned from the two preceding phases with the view to formulate a comprehensive strategy for the efficient calibration and validation of 2D hydraulic-hydrodynamic models, in complex and ungauged or insufficiently gauged basins, leveraging different satellite-derived data alongside efficient optimization techniques. The proposed framework is developed and tested in Spercheios River Basin, while also demonstrating the potential for adaptation to other regions. This stage is based on a coupled hydrological-hydrodynamic approach, and comprises three distinct components, namely: (a) the pre-processing or pre-calibration phase, (b) the calibration phase and (c) the validation phase. The pre-processing phase is further subdivided into two separate steps. The first step focuses on eliminating uncertainties in the hydrodynamic model results induced by factors unrelated to the parameters intended for calibration. Such factors were deemed to be the inflow boundary conditions, the accuracy of the terrain data, the absence of critical flow control structures and other modifications necessary for improving the fidelity of the modeled system. Within this context, a calibration of the upstream catchment runoff was undertaken, whereas a refined version of the 2D hydrodynamic model was built. This refined model incorporated an update of the underlying topography at key locations, the inclusion of key structural elements such as culverts, bridges etc., and additional adjustments aimed at increasing detail in model representation, with the purpose to address the so-called “leaking effect” and, consequently, enhance the reliability of the simulated outputs. The second step of the pre-calibration phase relates to the selection of the calibration parameters. To address the high computational demands typically associated with the screening procedure in complex models, a hybrid approach is proposed herein, which integrates a “manual” pre-screening phase, dedicated to perform a prior evaluation and exclusion of parameters anticipated to have negligible impact on model outcomes, with a Global Sensitivity Analysis (GSA) to prioritize the most influential among the parameters which passed the pre-screening phase. The suggested framework is complemented with the calibration-validation phase, which involves the use of a brute-force grid-search optimization technique tailored to the high computational demands of the detailed hydrodynamic models. The latter is a simple and cost-effective technique, which considers interactions between model parameters, yet being easily adjustable to the available computational budget, by properly tailoring the extent and step size of the parametric space. Therefore, the overall framework adheres to the principles of model parsimony and parametric abstraction, in order to reduce computational cost and mitigate equifinality issues. Two independent real-world flood events and the respective hydrological and Sentinel-1 SAR data were employed for calibrating and validating the refined 2D hydrodynamic model. During both the GSA and calibration stages, a variety of performance measures were exploited to gain a comprehensive insight on model response at several levels, while also assessing the comparative suitability of the examined metrics for supporting the calibration procedure. Model calibration was initially performed considering as benchmark the flood inundation extent, as derived from the FLOMPY algorithm. Subsequently, the Floodwater Depth Estimation Tool (FwDET) version 2.1 was employed to derive the spatial distribution of flood water depths across the model domain and explore the potential for better constraining the hydrodynamic model with respect to water depth prediction, as well. The latter served both testing the validity of the indirectly retrieved water depth product and evaluating its comparative utility for supporting calibration in relation to the use of flood extent data. Overall, the outcomes of this research revealed considerable inter-dependencies among the components contributing to uncertainty in hydrodynamic modeling, highlighting the complexities inherent in real-world modeling applications. With regard especially to the analysis implemented in the Spercheios River, the results revealed a tight nexus between the selected modeling approach, the performance criteria considered and the derived outcomes, in a way that impeded a unique demonstration of the most influential variables. In that sense, the demonstration of the most sensitive parameters was found to be influenced by both the selected modeling approach and performance metric considered, implying that the above factors should be accounted for by the modelers when a sensitivity analysis is to be performed. Moreover, model structure was found to substantially affect the simulation outcomes and the associated performance, even for identical input data and boundary conditions, whereas the optimum set of model parameter values proved to differ depending on both the adopted modeling approach and metric considered, thus emphasizing the importance of context-specific calibration. According to the results, the coarse-resolution or “simplified” 2D model consistently underperformed, while showing, in parallel, markedly lower sensitivity to the variation in model variables. This finding showcased the low potential of over-simplistic approaches for achieving an optimal model, particularly in cases of small rivers with complex topography, as the variation in parameter values and boundary conditions cannot fully compensate for the severe structural limitations. Effective modeling should be, thus, oriented towards an accurate representation of the area’s micro-topography, while preserving an optimal balance between model complexity, accuracy and computational cost. Furthermore, the incorporated metrics were found to differently rank the investigated modeling approaches as for their average performance. Hence, the analysis led to the formulation of two distinct groups of performance criteria; according to the 1st group which encompasses the CSI, H and SI, the fully 2D hydrodynamic model is ranked as ‘best’ outperforming the coupled 1D/2D approach, whereas according to the 2nd group (F, E and Acc) exactly the opposite occurs. The coarse-resolution 2D model emerges as the ‘worst’ approach in all cases. The above ranking also enabled the quantification of the anticipated percent improvement when passing from a ‘worse’ to a ‘better’ modeling approach, offering valuable implications for guiding model selection based upon accuracy requirements and computational sources. The LSA implemented in the Peneios River interestingly demonstrated certain inconsistencies with regard to the response of the different performance metrics, overall indicating a decrease in interdependencies among the various model components as the complexity of the modeled system decreases. Hence, in the above analysis, the selection of the performance metric was not found to affect the demonstration of the influential variables, whereas it proved to exert a less radical influence on the identification of the optimum parameter set. In addition, the comparative consideration of the results revealed apparent weaknesses of the investigated performance metrics, emphasizing that metrics encompassing areas correctly predicted as non-flooded by the model, may introduce substantial bias in performance evaluation results, particularly for model domains disproportionally large relative to the actual flood extent. The overarching goal of the present thesis has been the derivation of a robust framework for the efficient calibration and validation of complex hydrodynamic models, leveraging satellite data and efficient optimization techniques. In this regard, the proposed strategy for calibrating the parameters of a 2D hydrodynamic model using a brute-force grid search optimization technique was found to be effective, enabling the identification of a near-optimal solution with reduced computational demands. In addition, the hybrid screening procedure adopted, which comprised a manual combined with a GSA-based phase, demonstrated sufficiency in accordance with the principles of model parsimony and parametric abstraction, effectively reducing the computational cost and equifinality issues. The calibration results indicated substantial disagreements among the various performance metrics stressing that particular caution should be exercised in the selection of the objective function. CSI and SI indices proved to be more effective in the calibration context, being capable of reflecting the optimum model response and offering a comprehensive view of the overall performance, balancing all aspects. Conversely, Error Bias and Accuracy indices were found to be heavily biased towards avoiding overprediction, thus failing to reliably demonstrate optimum model performance. Although the RMSE is considered a rather detailed metric offering a cell-by-cell flood depth evaluation, the identification of its relative efficiency was hampered by the limitations of FwDET in accurately estimating water depths. Specifically, the algorithm’s reliability was found to decrease as the extent of inundated areas increased, while being heavily affected by the micro-topography of the area. Overall, the calibration results indicated equifinality issues stemming from the complex and non-linear nature of the model and the spatial interrelationships among the model variables, whereas GSA results were found to be particularly valuable in identifying potential equifinality challenges early in the process. With respect to the remote sensing techniques used in this thesis, although the manual flood delineation approach offered quick and decent insights, it proved to clearly underestimate flood extent due to the loss of spatial detail resulting from spatial filtering. In contrast, the FLOMPY approach, leveraging multi-temporal data, produced rather coherent inundation extent outcomes, more aligned with hydrodynamic simulations, thus, emphasizing the valuable role of multitemporal information for surmounting classification errors. As a whole, despite the overall valuable role of SAR data in enhancing model reliability and guiding modeling procedure, Sentinel-1 C-band data were found to pose serious challenges in dense vegetation and narrow river channels due to resolution and revisit frequency constraints.

Οι πλημμύρες συγκαταλέγονται μεταξύ των καταστροφικότερων φυσικών κινδύνων παγκοσμίως, επιφέροντας σημαντικές κοινωνικές και οικονομικές επιπτώσεις. Μάλιστα, παράγοντες όπως η κλιματική αλλαγή, η αύξηση της πληθυσμιακής πυκνότητας, η τροποποίηση των χρήσεων γης (π.χ. αστικοποίηση) και η περαιτέρω ανάπτυξη των ανθρωπίνων δραστηριοτήτων σε περιοχές υψηλού κινδύνου αναμένεται να οδηγήσουν σε περαιτέρω αύξηση τόσο των πλημμυρικών φαινομένων στο μέλλον, όσο και των επιπτώσεων που αυτά συνεπάγονται. Η έκταση του προβλήματος έχει οδηγήσει τα τελευταία χρόνια στην κατάρτιση, τόσο σε ευρωπαϊκό όσο και σε εθνικό επίπεδο, του σχετικού νομοθετικού πλαισίου για την αντιμετώπιση του πλημμυρικού κινδύνου. Σύμφωνα με την Οδηγία 2007/60 της Ε.Ε., τα Κράτη Μέλη καλούνται να προβούν σε προκαταρκτική αξιολόγηση των περιοχών, οι οποίες κινδυνεύουν από πλημμυρικά γεγονότα σε κάθε περιοχή λεκάνης απορροής ποταμού, καθώς και να καταρτίσουν χάρτες πλημμυρικού κινδύνου και πλημμυρικής επικινδυνότητας, προσδιορίζοντας παραμέτρους όπως είναι η έκταση της πλημμύρας, το βάθος και η ταχύτητα ροής για διάφορα σενάρια πιθανότητας (Οδηγία 2007/60/ΕΚ). Στην κατεύθυνση της εκτίμησης του πλημμυρικού κινδύνου, εφαρμόζονται διάφορες προσεγγίσεις κατά περίπτωση, λαμβάνοντας υπόψιν τη διαθεσιμότητα των δεδομένων, τις τοπικές συνθήκες, τον τύπο της πλημμύρας κ.λπ., ενώ συχνά συνδυάζονται διαφορετικές μεθοδολογίες για την επίτευξη μίας πιο ολοκληρωμένης προσέγγισης. Μεταξύ των πλέον ενδεδειγμένων μεθοδολογιών εκτίμησης του πλημμυρικού κινδύνου είναι η χρήση αριθμητικών υδρολογικών και υδραυλικών μοντέλων προσομοίωσης της πλημμυρικής ροής. Εν τούτοις, η βαθμονόμηση και ο έλεγχος των ανωτέρω μοντέλων προσομοίωσης είναι συνήθως ελλιπής εξαιτίας της δυσκολίας πραγματοποίησης των απαιτούμενων μετρήσεων βαθών και ταχυτήτων ροής κατά τη διάρκεια της πλημμύρας. Παράλληλα, τα υφιστάμενα υδρομετρικά δίκτυα χαρακτηρίζονται ως ανεπαρκή στην κατεύθυνση αυτοτελούς υποστήριξης των διαδικασιών βαθμονόμησης. Το γεγονός αυτό οφείλεται σε παράγοντες όπως είναι η εγγενής δυσκολία και το κόστος συντήρησής τους, αλλά και η συχνά περιορισμένη ή/και άνιση χωρική κατανομή των σταθμών, ιδίως σε περιπτώσεις εκτεταμένων λεκανών απορροής. Επιπρόσθετα, η αξιοποίηση σημειακών παρατηρήσεων στάθμης ή/και ταχυτήτων ροής ενδείκνυται περισσότερο για χρήση σε μονοδιάστατες προσεγγίσεις, και λιγότερο για περιπτώσεις δισδιάστατων υδροδυναμικών μοντέλων, όπου οι υπολογισθείσες τιμές βαθών και ταχυτήτων προσδιορίζονται κατανεμημένες στο χώρο. Στο πλαίσιο αυτό, το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει στραφεί κατά τα τελευταία χρόνια στην αξιοποίηση προϊόντων δορυφορικής τηλεπισκόπησης, καθώς αυτά δύνανται να παρέχουν υψηλής ανάλυσης και ελεύθερης πρόσβασης πληροφορία, αναφορικά με τις πληγείσες περιοχές για δεδομένο πλημμυρικό συμβάν. Η πληροφορία αυτή, μάλιστα, διατίθεται σε κατανεμημένη μορφή, διευκολύνοντας, έτσι, την ενσωμάτωση και την άμεση αξιοποίησή της στα δισδιάστατα μοντέλα προσομοίωσης. Ειδικότερα, το πεδίο της πρόγνωσης πλημμυρών μπορεί να ωφεληθεί επίσης σημαντικά, μέσω της ενσωμάτωσης κατανεμημένης πληροφορίας υπό τη μορφή χαρτών κατάκλυσης, ως εναλλακτική ή/και ως συμπληρωματική προς τα επιτόπια δεδομένα πηγή, για τις ανάγκες βαθμονόμησης και επικύρωσης των υδροδυναμικών μοντέλων. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, επιχειρείται η διαμόρφωση ενός ολοκληρωμένου πλαισίου, το οποίο θα στοχεύει στην ενσωμάτωση τηλεπισκοπικών δεδομένων και μεθόδων για την υποστήριξη των διαδικασιών μοντελοποίησης της πλημμυρικής ροής. Στο πλαίσιο αυτό, οι κύριοι στόχοι της διατριβής είναι: (α) να συντάξει μια γενική εικόνα της τρέχουσας βιβλιογραφίας σχετικά με τις δυνατότητες που απορρέουν από την αξιοποίηση της τηλεπισκόπησης στην προσομοίωση πλημμυρών, καθώς και τις διαθέσιμες πρακτικές, (β) να αναγνωρίσει τις κυριότερες προκλήσεις αλλά και προοπτικές που απορρέουν από τη συνεργασία των επιμέρους επιστημονικών πεδίων, ιδιαίτερα στο πλαίσιο των ιδιαίτερων φυσιογραφικών και υδρολογικών συνθηκών που χαρακτηρίζουν τις λεκάνες απορροής του ελληνικού χώρου, (γ) να πραγματοποιήσει μία εις βάθος ανάλυση των προκλήσεων, περιορισμών αλλά και της συνολικής αβεβαιότητας που διέπουν τις διαδικασίες της μοντελοποίησης των πλημμυρών και (δ) να προτείνει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο ενσωμάτωσης των διαθέσιμων τηλεπισκοπικών δεδομένων και τεχνικών για την αποτελεσματική βαθμονόμηση και επαλήθευση των δισδιάστατων μοντέλων προσομοίωσης της πλημμυρικής ροής. Υπό το πρίσμα αυτό, η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην αξιολόγηση της συνολικής εφαρμοσιμότητας και των εγγενών περιορισμών που απορρέουν από την αξιοποίηση διαφορετικών τεχνικών τηλεπισκόπησης και τύπων τηλεπισκοπικών προϊόντων, στο πλαίσιο υποστήριξης των μοντέλων προσομοίωσης της πλημμυρικής ροής. Ειδικότερα, διερευνώνται τα δεδομένα SAR του δορυφόρου Sentinel-1, με στόχο την αξιολόγηση της ακρίβειας και της επάρκειας αυτών ως προς τη χωρική και χρονική τους ανάλυση, λαμβάνοντας υπόψη τα ιδιαίτερα φυσιογραφικά και υδρολογικά χαρακτηριστικά των λεκανών απορροής του ελληνικού χώρου. Στο πλαίσιο αυτό, ως περιοχές μελέτης για την ανάπτυξη και εφαρμογή του προτεινομένου πλαισίου ορίστηκαν οι λεκάνες απορροής του Πηνειού και Σπερχειού, οι οποίες και εμφανίζουν διαφορετικά υδρομορφολογικά χαρακτηριστικά. Πέραν της αξιολόγησης των δορυφορικών δεδομένων καθαυτών, διερευνήθηκε η επίδραση της επιλεχθείσας τηλεπισκοπικής μεθόδου χαρτογράφησης πλημμύρας στα παραγόμενα αποτελέσματα. Για τον σκοπό αυτό εξετάστηκαν δύο επιμέρους μέθοδοι: (α) μία απλοποιημένη «χειροκίνητη» προσέγγιση η οποία βασίζεται σε εφαρμογή της τεχνικής του κατωφλίου, και (β) ο αλγόριθμος FLOMPY (Karamvasis and Karathanassi 2021), μία αυτοματοποιημένη μεθοδολογία η οποία βασίζεται στη πολύ-χρονική στατιστική ανάλυση χρονοσειράς απεικονίσεων SAR πριν και μετά από το μελετώμενο γεγονός. Παράλληλα, η παρούσα διατριβή επιδιώκει να αξιολογήσει τη συγκριτική καταλληλότητα διαφορετικών προϊόντων, προερχόμενων από δεδομένα SAR, ήτοι της πλημμυρικής έκτασης και του εμμέσως εκτιμώμενου πλημμυρικού βάθους, στο πλαίσιο βαθμονόμησης των αριθμητικών μοντέλων προσομοίωσης της πλημμυρικής ροής, καθώς και να διερευνήσει τη δυνατότητα συνδυαστικής αξιοποίησης αυτών. Στο πλαίσιο διερεύνησης της αβεβαιότητας και των εγγενών προκλήσεων οι οποίες διέπουν τη μοντελοποίηση πλημμυρών, στην παρούσα διατριβή επιχειρείται μία εις βάθος ανάλυση των παραγόντων που συνεισφέρουν στην αβεβαιότητα των αποτελεσμάτων της υδροδυναμικής μοντελοποίησης, με στόχο την θέσπιση ενός πρακτικού οδηγού υποστήριξης των ερευνητών του κλάδου στο πλαίσιο λήψης αποφάσεων και αντιμετώπισης συνήθων προκλήσεων, μεταξύ των οποίων και η επιλογή της κατάλληλης προσέγγισης μοντελοποίησης. Στο πλαίσιο αυτό, επιχειρείται σε πρώτη φάση μία σχετικά περιορισμένη ανάλυση στη λεκάνη απορροής του Πηνειού, η οποία και επιδιώκει να παρέχει προκαταρκτικά συμπεράσματα αναφορικά με τον τρόπο με τον οποίο επιλεγμένες πηγές αβεβαιότητας επιδρούν στην επίδοση ενός 1D υδροδυναμικού μοντέλου ως προς την προκύπτουσα έκταση πλημμύρας. Στο πλαίσιο αυτό, οι παράμετροι οι οποίες εξετάζονται είναι: (α) η ανάντη εισροή, (β) ο συντελεστής τραχύτητας, και (γ) η χωρική ανάλυση του ΨΜΕ. Ακολούθως, η ανάλυση επεκτείνεται στον ποταμό Σπερχειό, όπου και εξετάζεται διεξοδικά η αβεβαιότητα η οποία υπεισέρχεται στα αποτελέσματα ως αποτέλεσμα της προσέγγισης μοντελοποίησης, των παραμέτρων και οριακών συνθηκών και των θεωρούμενων μέτρων επίδοσης, αποδίδοντας, παράλληλα ιδιαίτερη έμφαση στις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύσσονται τρεις επιμέρους γεωμετρίες: μία συζευγμένη 1D/2D, μία πλήρως 2D, και μία αδρομερής 2D, η οποία χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερο και ενιαίο μέγεθος κελιού στο σύνολο της υπολογιστικής περιοχής. Η συγκριτική απόκριση των τριών επιμέρους προσεγγίσεων διερευνάται υπό τη μεταβολή τεσσάρων παραμέτρων, ήτοι της ανάντη εισροής και του συντελεστή τραχύτητας στο ποτάμι και στις δύο κυρίαρχες χρήσεις γης της παρόχθιας περιοχής. Τόσο στην περίπτωση εφαρμογής στη λεκάνη του Πηνειού όσο και σε εκείνη του Σπερχειού, η αξιολόγηση της επίδοσης ανά διαμορφούμενο σενάριο πραγματοποιείται κάνοντας χρήση ενός συνόλου ευρέως διαδεδομένων χωρικών δεικτών, με στόχο την κατανόηση του βαθμού επιρροής του επιλεγέντος δείκτη στην συνολική αβεβαιότητα. Σε όλες τις περιπτώσεις, η επίδοση της προσομοίωσης αξιολογείται ως προς την προκύπτουσα πλημμυρική έκταση, λαμβάνοντας ως βάση αναφοράς πλημμυρικό χάρτη όπως αυτός προέκυψε από την τηλεπισκοπική επεξεργασία. Στο πλαίσιο υλοποίησης του τελευταίο ερευνητικού στόχου, ο οποίος αφορά στην κατάρτιση ολοκληρωμένου πλαισίου βαθμονόμησης και επικύρωσης σύνθετων 2D υδροδυναμικών μοντέλων μέσω της συν-αξιοποίησης δορυφορικών προϊόντων και αποδοτικών τεχνικών βελτιστοποίησης, αξιοποιούνται τα ευρήματα των προηγούμενων φάσεων προκειμένου να καθοδηγήσουν τη λήψη αποφάσεων. Το προτεινόμενο πλαίσιο αναπτύσσεται και εφαρμόζεται στη λεκάνη απορροής του Σπερχειού, ενώ παρέχει παράλληλα τη δυνατότητα προσαρμογής και σε άλλες περιοχές. Βασίζεται σε μία συζευγμένη προσέγγιση υδρολογικής–υδροδυναμικής μοντελοποίησης και διαρθρώνεται σε τρία διακριτά μέρη: (α) τη φάση προ-επεξεργασίας ή προ-βαθμονόμησης, (β) τη φάση βαθμονόμησης, και (γ) τη φάση επαλήθευσης. Η φάση προ-επεξεργασίας αποσκοπεί: (α) στην κατά το δυνατόν ελαχιστοποίηση της αβεβαιότητας η οποία εισάγεται στα αποτελέσματα της προσομοίωσης ως αποτέλεσμα παραγόντων πέραν του συντελεστή τραχύτητας, ο οποίος και προβλέπεται να βαθμονομηθεί και (β) στην επιλογή των παραμέτρων βαθμονόμησης. Η επιλογή των παραμέτρων βαθμονόμησης επιτυγχάνεται μέσω ενός συνδυασμού «χειροκίνητης» προκαταρκτικής αξιολόγησης (για τον αποκλεισμό παραμέτρων με αμελητέα επίδραση) και Καθολικής Ανάλυσης Ευαισθησίας (GSA) με τη μέθοδο Morris, προκειμένου να προσδιοριστούν οι πλέον επιδραστικές. Το προτεινόμενο πλαίσιο ολοκληρώνεται με τη χρήση της προσέγγισης βελτιστοποίησης αναζήτηση σε πλέγμα (grid search), προσαρμοσμένης στις αυξημένες υπολογιστικές απαιτήσεις του λεπτομερούς δισδιάστατου υδροδυναμικού μοντέλου. Η συγκεκριμένη μέθοδος χαρακτηρίζεται από απλότητα στην εφαρμογή, ενώ μπορεί να καταστεί υπολογιστικά αποδοτική, μέσω της κατάλληλης προσαρμογής του εύρους τιμών και του βήματος μεταβολής εντός του χώρου τιμών των παραμέτρων, σύμφωνα με τους διαθέσιμους πόρους. Δύο ανεξάρτητα πλημμυρικά γεγονότα, καθώς και τα αντίστοιχα υδρο-μετεωρολογικά και SAR δεδομένα, λήφθηκαν υπόψη για τη βαθμονόμηση και επικύρωση του υδροδυναμικού μοντέλου, αντίστοιχα. Κατά τη διάρκεια τόσο της Καθολικής Ανάλυσης Ευαισθησίας όσο και της βαθμονόμησης εφαρμόστηκε πλήθος δεικτών επίδοσης με στόχο την επίτευξη μίας πολύπλευρης αξιολόγησης της απόκρισης του μοντέλου, αλλά και την εξαγωγή συμπερασμάτων αναφορικά με τη συγκριτική καταλληλότητα των επιμέρους δεικτών στο πλαίσιο βαθμονόμησης. Η βαθμονόμηση πραγματοποιήθηκε σε πρώτη φάση βάσει της πλημμυρικής έκτασης, όπως αυτή εξήχθη από τον αλγόριθμο FLOMPY, ενώ, ακολούθως, έγινε χρήση του αλγορίθμου FwDET για την εκτίμηση του βάθους πλημμύρας, επιτρέποντας την αξιολόγηση της απόκρισης του μοντέλου και ως προς τη μεταβλητή αυτή. Το τελευταίο αυτό στάδιο καθιστά εφικτή την αξιολόγηση τόσο της αξιοπιστίας του έμμεσα παραχθέντος χάρτη βαθών, όσο και της συγκριτικής καταλληλότητας αυτού στο πλαίσιο της βαθμονόμησης. Συνολικά, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής ανέδειξαν σημαντικές αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των επιμέρους συνιστωσών οι οποίες συνεισφέρουν στην αβεβαιότητα που διέπει την υδροδυναμική μοντελοποίηση. Ειδικότερα και αναφορικά με την ανάλυση η οποία πραγματοποιήθηκε στον ποταμό Σπερχειό, διαπιστώθηκε ότι η κατάδειξη των περισσότερο ευαίσθητων παραμέτρων είναι συνάρτηση τόσο της προσέγγισης μοντελοποίησης όσο και του επιλεγέντος δείκτη επίδοσης, ενώ, παράλληλα, παρατηρήθηκε ότι η προσέγγιση μοντελοποίησης επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, καθώς και την προκύπτουσα βαθμολογία επίδοσης, ακόμη και για όμοια δεδομένα εισόδου και οι οριακές συνθήκες. Ο βέλτιστος συνδυασμός τιμών των παραμέτρων βρέθηκε να διαφοροποιείται αναλόγως τόσο της θεωρούμενης προσέγγισης όσο και του επιλεγέντος δείκτη, γεγονός το οποίο υπογραμμίζει την ανάγκη διενέργειας προσαρμοσμένης βαθμονόμησης εντός του εκάστοτε πλαισίου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, το αδρομερές δισδιάστατο (2D) μοντέλο εμφάνισε σταθερά τη χαμηλότερη μέση επίδοση, ενώ ταυτόχρονα παρουσίασε αισθητά μειωμένη ευαισθησία στη μεταβολή των παραμέτρων του μοντέλου. Το εύρημα αυτό καταδεικνύει πως υπεραπλουστευμένες προσεγγίσεις παρουσιάζουν περιορισμένες δυνατότητες βελτιστοποίησης, καθώς η μεταβολή των τιμών των παραμέτρων και των οριακών συνθηκών αδυνατεί να αντισταθμίσει πλήρως τις σοβαρές δομικές αδυναμίες οι οποίες προκύπτουν ως αποτέλεσμα της ελλιπούς αναπαράστασης της υποκείμενης τοπογραφίας. Κατά συνέπεια, στο πλαίσιο αποτελεσματικής μοντελοποίησης κρίνεται επιτακτική η διασφάλιση της ακριβούς αναπαράστασης της μικρο-τοπογραφίας της περιοχής, με ταυτόχρονη διατήρηση της βέλτιστης δυνατής ισορροπίας μεταξύ πολυπλοκότητας, αξιοπιστίας και υπολογιστικού κόστους. Αναφορικά με την κατάταξη των επιμέρους προσεγγίσεων μοντελοποίησης που εξετάστηκαν, ως προς τη μέση επίδοσή τους, διαπιστώθηκε ότι διαμορφώνονται δύο διακριτές ομάδες δεικτών επίδοσης: (α) οι δείκτες Critical Success Index (CSI), Hit rate και Success Index (SI), σύμφωνα με τους οποίους το πλήρως 2D μοντέλο κατατάσσεται ως εκείνο με την υψηλότερη μέση επίδοση, και (β) οι δείκτες False alarm, Error bias και Accuracy, σύμφωνα με τους οποίους η συζευγμένη προσέγγιση προκύπτει ως η επαρκέστερη. Το αδρομερές 2D μοντέλο αναδείχθηκε ως εκείνο με τη χαμηλότερη μέση επίδοση ανεξαρτήτως του θεωρούμενου δείκτη. Αναφορικά με την κατάρτιση του πλαισίου βαθμονόμησης - επαλήθευσης σύνθετων 2D υδροδυναμικών μοντέλων, με τη χρήση δεδομένων SAR και αποδοτικών τεχνικών βελτιστοποίησης, η προτεινόμενη στρατηγική η οποία βασίζεται στην τεχνική βελτιστοποίησης grid search κρίθηκε συνολικά επαρκής, επιτρέποντας τον εντοπισμό μιας σχεδόν βέλτιστης λύσης με μειωμένες υπολογιστικές απαιτήσεις. Επιπλέον, η προτεινόμενη προσέγγιση, η οποία συνδυάζει μία χειροκίνητη φάση προεπιλογής των επιδραστικών παραμέτρων με εφαρμογή Καθολικής Ανάλυσης Ευαισθησίας με τη μέθοδο Morris, αποδείχθηκε επαρκής, καθώς ευθυγραμμίζεται με τις αρχές της απλότητας και παραμετρικής αφαιρετικότητας, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση του υπολογιστικού κόστους αλλά και του φαινομένου της ισοδυναμίας (equifinality). Τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης ανέδειξαν σημαντικές αποκλίσεις μεταξύ των επιμέρους δεικτών, υπογραμμίζοντας τον καθοριστικό ρόλο της επιλογής της αντικειμενικής συνάρτησης για το σύνολο της διαδικασίας. Οι δείκτες CSI και SI αναδείχθηκαν συνολικά ως περισσότερο κατάλληλοι στο πλαίσιο αποτύπωσης της βέλτιστης απόκρισης του μοντέλου, παρέχοντας μία ολοκληρωμένη εικόνα της επίδοσης σε πολλαπλά επίπεδα. Αντίθετα, οι δείκτες Error Bias και Accuracy παρουσίασαν ισχυρή προκατάληψη υπέρ της αποφυγής υπερεκτίμησης, με αποτέλεσμα να αποτυγχάνουν να αναδείξουν αξιόπιστα τη βέλτιστη συμπεριφορά του μοντέλου. Παρότι ο δείκτης RMSE θεωρείται εν γένει περισσότερο λεπτομερής, καθώς η αξιολόγηση του βάθους πλημμύρας διενεργείται σε επίπεδο κελιού, η συγκριτική του αποτελεσματικότητα βρέθηκε να επηρεάζεται από τις αδυναμίες του αλγορίθμου FwDET ως προς την ακριβή εκτίμηση του βάθους πλημμύρας. Συγκεκριμένα, η αξιοπιστία του εν λόγω αλγορίθμου διαπιστώθηκε ότι επηρεάζεται από την έκταση των πλημμυρισμένων περιοχών και τη μικρο-τοπογραφία της περιοχής. Συνολικά, τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης ανέδειξαν ότι το μοντέλο επηρεάζεται από το φαινόμενο της ισοδυναμίας, εξαιτίας της πολύπλοκης και μη γραμμικής του φύσης, αλλά και των χωρικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των επιμέρους παραμέτρων, ενώ διαπιστώθηκε ακόμη ότι τα αποτελέσματα της ανάλυσης Morris δύνανται να αξιοποιηθούν αποτελεσματικά ως εργαλείο για τον έγκαιρο εντοπισμό πιθανών ζητημάτων ισοδυναμίας. Αναφορικά με την αξιολόγηση της συνολικής εφαρμοσιμότητας των επιμέρους τηλεπισκοπικών τεχνικών που εξετάστηκαν στην παρούσα διατριβή, η χειροκίνητη προσέγγιση χαρτογράφησης κρίθηκε συνολικά επαρκής, παρέχοντας μία γρήγορη και σχετικά αξιόπιστη εικόνα της πλημμυρισμένης περιοχής. Παρ’ όλα αυτά, διαπιστώθηκε ότι οδηγεί σε σημαντική υποεκτίμηση της επίδοσης του μοντέλου και εισαγωγή σφάλματος κατά την αξιολόγηση. Κύρια αδυναμία αυτής υπήρξε η απώλεια χωρικής πληροφορίας, εξαιτίας της εφαρμογής «συμβατικών» τεχνικών φιλτραρίσματος. Αντίθετα, ο αλγόριθμος FLOMPY κρίθηκε ως καταλληλότερος, αποδίδοντας συστηματικά μία «συνεκτικότερη» περιοχή κατάκλυσης, πλησιέστερα στα αποτελέσματα της υδροδυναμικής προσομοίωσης, αναδεικνύοντας, έτσι, τον πολύτιμο ρόλο της πολυ-χρονικής ανάλυσης στην αποτελεσματική αντιμετώπιση των σφαλμάτων ταξινόμησης αλλά και του φαινομένου της κηλίδωσης, χωρίς παράλληλη υποβάθμιση της χωρικής ανάλυσης της απεικόνισης. Συνολικά, παρά τον αδιαμφισβήτητα καθοριστικό ρόλο των δεδομένων SAR στην ενίσχυση της αξιοπιστίας των μοντέλων προσομοίωσης, διαπιστώθηκε ότι η περιορισμένη ικανότητα διείσδυσης της ακτινοβολίας του δέκτη SAR του Sentinel-1 σε συνδυασμό με τη χωρική ανάλυση της απεικόνισης (~10 m) αποτελούν σημαντική πρόκληση, καθιστώντας δυσχερή την αξιόπιστη ανίχνευση του νερού σε ποτάμια συστήματα μικρού πλάτους με πυκνή βλάστηση.