湖泊是地球上最重要的構(gòu)成要素和生態(tài)系統(tǒng)之一，深刻影響著碳循環(huán)、溫室氣體排放和人類(lèi)水資源安全。近日，清華大學(xué)水利水電工程系龍笛教授團(tuán)隊(duì)在全球地表水體遙感監(jiān)測(cè)研究中取得重要進(jìn)展——揭示全球百萬(wàn)湖泊水域面積的多尺度動(dòng)態(tài)與季節(jié)性主導(dǎo)機(jī)制，在世界范圍內(nèi)打破了長(zhǎng)期困擾遙感水文界的“時(shí)間-空間”權(quán)衡瓶頸，推動(dòng)全球湖泊遙感監(jiān)測(cè)從“靜態(tài)觀(guān)測(cè)”邁入“高精度動(dòng)態(tài)解析”。相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際期刊《自然》。
在全球尺度上，為解決湖泊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不足的關(guān)鍵瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套融合MODIS衛(wèi)星傳感器時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)與GSW空間分辨率優(yōu)勢(shì)的深度學(xué)習(xí)遙感大數(shù)據(jù)融合框架，借助清華大學(xué)高性能計(jì)算集群“探索1000”（配備超5萬(wàn)個(gè)CPU處理器核）及云計(jì)算平臺(tái)，累計(jì)消耗計(jì)算資源超8萬(wàn)個(gè)機(jī)時(shí)，高效完成了遙感大數(shù)據(jù)處理與深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練，進(jìn)而構(gòu)建了迄今為止時(shí)空分辨率最高、覆蓋范圍最廣、連續(xù)性最強(qiáng)的全球湖泊水域面積時(shí)序數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球約140萬(wàn)個(gè)湖泊在月尺度、30米空間分辨率下的水域面積連續(xù)監(jiān)測(cè)。
“如果將衛(wèi)星遙感比作拍攝地球的‘太空相機(jī)’，以往拍出的照片不是分辨率不足，就是連續(xù)性不夠?，F(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種基于人工智能的數(shù)據(jù)時(shí)空融合‘導(dǎo)演’，將不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合成高清流暢、無(wú)斷檔的地球湖泊‘連續(xù)劇’，首次實(shí)現(xiàn)了全球百萬(wàn)湖泊的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)?！眻F(tuán)隊(duì)成員介紹，該數(shù)據(jù)集的用戶(hù)精度可達(dá)93%，生產(chǎn)者精度高達(dá)96%，缺值面積占比從此前國(guó)際通用數(shù)據(jù)集的34%下降至1.2%，顯著提升了湖泊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的可用性與科學(xué)性。
基于該數(shù)據(jù)集，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，全球66%的湖泊總面積和60%的湖泊數(shù)量，其水域面積動(dòng)態(tài)都以季節(jié)性變化為主導(dǎo)。更為重要的是，這一季節(jié)性主導(dǎo)的分布格局與全球人口分布之間存在高度耦合關(guān)系——全球90%以上的人口，都居住在以季節(jié)性主導(dǎo)湖泊為主的流域。
“這從全球尺度上揭示了人類(lèi)活動(dòng)區(qū)域與水文季節(jié)性變化之間的深層聯(lián)系。它預(yù)示著，湖泊水文過(guò)程正日益受到季節(jié)性極端事件和人為調(diào)控的雙重驅(qū)動(dòng)。比如，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和生活用水的季節(jié)性需求變化，都可能直接影響到湖泊‘變化’節(jié)奏?！眻F(tuán)隊(duì)成員介紹。
此外，研究還發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性極端事件可以在短期內(nèi)顯著放大或抵消湖泊幾十年來(lái)的長(zhǎng)期趨勢(shì)。這為理解極端氣候事件對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)和水資源安全的沖擊提供了科學(xué)依據(jù)，也為未來(lái)湖泊溫室氣體通量估算、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及極端水文事件響應(yīng)策略的制定提供了理論支撐。
編輯：李華山
