南科大刘俊国团队博士生在遥感水文方向取得研究成果

2021年04月28日科研新闻

近日，我校环境科学与工程学院讲席教授、欧洲科学院院士刘俊国团队博士生王子丰发表于Remote Sensing of Environment的一项研究显示，光学遥感可大幅提升汇流网络构建的时空精度，并能解决构建中常见的“河网间断”问题。这为水文模拟和地貌研究等提供了新的方法。

水从哪里来？水往哪里去？这是水文学要解决的基本问题。水文学可通过构建汇流网络，指示流域中每一处的地表产流汇往流域出口的汇流路径来回答上述问题。当前常用的汇流网络数据集空间误差可达数百米（基于HydroSHEDS数据在湄公河流域估算），且在流域下游洪泛区平原尤甚。洪泛区平原往往又是人口密集、经济活动强度大的区域，因而汇流网络的空间误差为洪水预报、防灾减灾带来了很大的不确定性。受限于方法、数据和计算，大规模汇流网络构建的时空分辨率、时空精度很难进一步提升。汇流网络的制约极大限制了流域水循环及其伴生的物质循环（如河流碳排放）的整体估算、细节认知和过程模拟。

研究团队认识到，光学遥感可准确、及时、高效地探测河流位置，可用于汇流网络的构建，从而突破当前大规模、高分辨率构建中的瓶颈。受到芯片生产中“光刻蚀刻”过程的启发，团队发展了名为“遥感蚀刻”的方法来解决大规模汇流网络构建问题。芯片一般通过特殊波段激光，将光掩模（mask）上的几何图形结构，刻蚀到晶片衬底（wafer）上，从而构建大规模集成电路。类似的，“遥感蚀刻”方法将水体掩模（water mask）“刻蚀”到地球表面（即数字地形模型，DEM），从而构建大规模汇流网络。因该方法主要涉及利用“遥感”手段制作水体掩模，所以被命名为“遥感蚀刻”方法。“遥感蚀刻”所使用的水体掩模制作方法，来源于团队前期在“哨兵2号”（Sentinel-2）卫星影像上开展的多光谱水体指数MuWI的研究。

研究结果显示，“遥感蚀刻”方法充分利用了光学遥感数据易获取、更新及时、空间分辨率高的特点，可大范围高效探测河流动态，并据此构建全流域尺度的汇流网络。在以澜沧江-湄公河流域为研究区的实验中，“遥感蚀刻”方法在空间精度、时空分辨率、易用性等方面均表现出显著的优势。相较于传统未融合光学遥感的汇流网络构建方法，“遥感蚀刻”方法可降低约50%的河道径向误差。同时，“遥感蚀刻” 方法还可将汇流网络的时空分辨率提升至与遥感影像相同的级别。例如，在当前研究的实验中，汇流网络空间分辨率提升至了“哨兵2号”最高的10米。利用多时相光学遥感数据，“遥感蚀刻”方法还实现了多时相的汇流网络提取，可用于全流域尺度河网动态的监测。

此外，传统方法在构建大规模汇流网络时往往需要进行“后处理”以修复网络连通性；“遥感蚀刻”方法可直接生成连通网络，避免了耗时费力的“后处理”过程。该研究的部分数值实验运行于环境学院计算集群和香港大学HPC2015超级计算机，相关算法加速比接近线性，表现出良好的并行性能。

遥感蚀刻方法

利用日渐丰富的对地观测数据，本研究为大尺度基础水文地理数据生产提供了新思路。作为遥感监测手段，本研究可为及时了解和掌握相关地区环境变化情况提供技术支撑。

该研究依托于中科院A类战略先导专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”课题 “东南亚-南亚大河区气候与水资源变化”。南科大为该论文第一单位，刘俊国课题组2017级南科大-港大联培博士生王子丰为论文第一作者，刘俊国为论文通讯作者，合作作者包括香港大学副教授李金豹、助理教授张鸿生，南科大2017级博士生孟莹，密歇根州立大学副教授Yadu Pokhrel。刊登该研究的Remote Sensing of Environment是遥感领域的旗舰期刊，主要发表利用遥感手段开展的重要创新性研究成果。