深圳訊    近日，南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院講席教授、歐洲科學(xué)院院士劉俊國團(tuán)隊(duì)博士生王子豐發(fā)表于Remote Sensing of Environment的一項(xiàng)研究顯示，光學(xué)遙感可大幅提升匯流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的時(shí)空精度，并能解決構(gòu)建中常見的“河網(wǎng)間斷”問題。這為水文模擬和地貌研究等提供了新的方法。

水從哪里來？水往哪里去？這是水文學(xué)要解決的基本問題。水文學(xué)可通過構(gòu)建匯流網(wǎng)絡(luò)，指示流域中每一處的地表產(chǎn)流匯往流域出口的匯流路徑來回答上述問題。當(dāng)前常用的匯流網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集空間誤差可達(dá)數(shù)百米（基于HydroSHEDS數(shù)據(jù)在湄公河流域估算），且在流域下游洪泛區(qū)平原尤甚。洪泛區(qū)平原往往又是人口密集、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度大的區(qū)域，因而匯流網(wǎng)絡(luò)的空間誤差為洪水預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)帶來了很大的不確定性。受限于方法、數(shù)據(jù)和計(jì)算，大規(guī)模匯流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的時(shí)空分辨率、時(shí)空精度很難進(jìn)一步提升。匯流網(wǎng)絡(luò)的制約極大限制了流域水循環(huán)及其伴生的物質(zhì)循環(huán)（如河流碳排放）的整體估算、細(xì)節(jié)認(rèn)知和過程模擬。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，光學(xué)遙感可準(zhǔn)確、及時(shí)、高效地探測河流位置，可用于匯流網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，從而突破當(dāng)前大規(guī)模、高分辨率構(gòu)建中的瓶頸。受到芯片生產(chǎn)中“光刻蝕刻”過程的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了名為“遙感蝕刻”的方法來解決大規(guī)模匯流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建問題。芯片一般通過特殊波段激光，將光掩模（mask）上的幾何圖形結(jié)構(gòu)，刻蝕到晶片襯底（wafer）上，從而構(gòu)建大規(guī)模集成電路。類似的，“遙感蝕刻”方法將水體掩模（water mask）“刻蝕”到地球表面（即數(shù)字地形模型，DEM），從而構(gòu)建大規(guī)模匯流網(wǎng)絡(luò)。因該方法主要涉及利用“遙感”手段制作水體掩模，所以被命名為“遙感蝕刻”方法。“遙感蝕刻”所使用的水體掩模制作方法，來源于團(tuán)隊(duì)前期在“哨兵2號”（Sentinel-2）衛(wèi)星影像上開展的多光譜水體指數(shù)MuWI的研究。

研究結(jié)果顯示，“遙感蝕刻”方法充分利用了光學(xué)遙感數(shù)據(jù)易獲取、更新及時(shí)、空間分辨率高的特點(diǎn)，可大范圍高效探測河流動(dòng)態(tài)，并據(jù)此構(gòu)建全流域尺度的匯流網(wǎng)絡(luò)。在以瀾滄江-湄公河流域?yàn)檠芯繀^(qū)的實(shí)驗(yàn)中，“遙感蝕刻”方法在空間精度、時(shí)空分辨率、易用性等方面均表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)未融合光學(xué)遙感的匯流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，“遙感蝕刻”方法可降低約50%的河道徑向誤差。同時(shí)，“遙感蝕刻” 方法還可將匯流網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空分辨率提升至與遙感影像相同的級別。例如，在當(dāng)前研究的實(shí)驗(yàn)中，匯流網(wǎng)絡(luò)空間分辨率提升至了“哨兵2號”最高的10米。利用多時(shí)相光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，“遙感蝕刻”方法還實(shí)現(xiàn)了多時(shí)相的匯流網(wǎng)絡(luò)提取，可用于全流域尺度河網(wǎng)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。

此外，傳統(tǒng)方法在構(gòu)建大規(guī)模匯流網(wǎng)絡(luò)時(shí)往往需要進(jìn)行“后處理”以修復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性；“遙感蝕刻”方法可直接生成連通網(wǎng)絡(luò)，避免了耗時(shí)費(fèi)力的“后處理”過程。該研究的部分?jǐn)?shù)值實(shí)驗(yàn)運(yùn)行于環(huán)境學(xué)院計(jì)算集群和香港大學(xué)HPC2015超級計(jì)算機(jī)，相關(guān)算法加速比接近線性，表現(xiàn)出良好的并行性能。                                             

遙感蝕刻方法

利用日漸豐富的對地觀測數(shù)據(jù)，本研究為大尺度基礎(chǔ)水文地理數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供了新思路。作為遙感監(jiān)測手段，本研究可為及時(shí)了解和掌握相關(guān)地區(qū)環(huán)境變化情況提供技術(shù)支撐。

該研究依托于中科院A類戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)“泛第三極環(huán)境變化與綠色絲綢之路建設(shè)”課題 “東南亞-南亞大河區(qū)氣候與水資源變化”。南科大為該論文第一單位，劉俊國課題組2017級南科大-港大聯(lián)培博士生王子豐為論文第一作者，劉俊國為論文通訊作者，合作作者包括香港大學(xué)副教授李金豹、助理教授張鴻生，南科大2017級博士生孟瑩，密歇根州立大學(xué)副教授Yadu Pokhrel。刊登該研究的Remote Sensing of Environment是遙感領(lǐng)域的旗艦期刊，主要發(fā)表利用遙感手段開展的重要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果。（晏梓添）