近日，絲路環境專項“東南亞國家氣候與水資源變化”課題“水資源時空演變特征與生態效應及未來情景預估”子課題劉俊國研究團隊發表于Remote Sensing of Environment的一項研究顯示，光學遙感可大幅提升匯流網絡構建的時空精度，并能解決構建中常見的“河網間斷”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？這是水文學要解決的基本問題。水文學可通過構建匯流網絡，指示流域中每一處的地表產流匯往流域出口的匯流路徑來回答上述問題。當前常用的匯流網絡數據集空間誤差可達數百米（基于HydroSHEDS數據在湄公河流域估算），且在流域下游洪泛區平原尤甚。洪泛區平原往往又是人口密集、經濟活動強度大的區域，因而匯流網絡的空間誤差為洪水預報、防災減災帶來了很大的不確定性。受限于方法、數據和計算，大規模匯流網絡構建的時空分辨率、時空精度很難進一步提升。匯流網絡的制約極大限制了流域水循環及其伴生的物質循環（如河流碳排放）的整體估算、細節認知和過程模擬。

研究團隊認識到，光學遙感可準確、及時、高效地探測河流位置，可用于匯流網絡的構建，從而突破當前大規模、高分辨率構建中的瓶頸。受到芯片生產中“光刻蝕刻”過程的啟發，團隊發展了名為“遙感蝕刻”的方法來解決大規模匯流網絡構建問題。芯片一般通過特殊波段激光，將光掩模（mask）上的幾何圖形結構，刻蝕到晶片襯底（wafer）上，從而構建大規模集成電路。類似的，“遙感蝕刻”方法將水體掩模（water mask）“刻蝕”到地球表面（即數字地形模型，DEM），從而構建大規模匯流網絡。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?！斑b感蝕刻”所使用的水體掩模制作方法，來源于團隊前期在“哨兵2號”（Sentinel-2）衛星影像上開展的多光譜水體指數MuWI的研究。

研究結果顯示，“遙感蝕刻”方法充分利用了光學遙感數據易獲取、更新及時、空間分辨率高的特點，可大范圍高效探測河流動態，并據此構建全流域尺度的匯流網絡。在以瀾滄江-湄公河流域為研究區的實驗中，“遙感蝕刻”方法在空間精度、時空分辨率、易用性等方面均表現出顯著的優勢。相較于傳統未融合光學遙感的匯流網絡構建方法，“遙感蝕刻”方法可降低約50%的河道徑向誤差。同時，“遙感蝕刻” 方法還可將匯流網絡的時空分辨率提升至與遙感影像相同的級別。例如，在當前研究的實驗中，匯流網絡空間分辨率提升至了“哨兵2號”最高的10米。利用多時相光學遙感數據，“遙感蝕刻”方法還實現了多時相的匯流網絡提取，可用于全流域尺度河網動態的監測。

此外，傳統方法在構建大規模匯流網絡時往往需要進行“后處理”以修復網絡連通性；“遙感蝕刻”方法可直接生成連通網絡，避免了耗時費力的“后處理”過程。該研究的部分數值實驗運行于環境學院計算集群和香港大學HPC2015超級計算機，相關算法加速比接近線性，表現出良好的并行性能。

利用日漸豐富的對地觀測數據，本研究為大尺度基礎水文地理數據生產提供了新思路。作為遙感監測手段，本研究可為及時了解和掌握相關地區環境變化情況提供技術支撐。

以上研究成果近日以“Basin-scale high-resolution extraction of drainage networks using 10-m Sentinel-2 imagery”為題，在國際學術期刊《Remote Sensing of Environment》發表。該研究獲得中科院戰略性先導科技專項（XDA20060402 ）等資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.112281

（“水資源時空演變特征與生態效應及未來情景預估”子課題供稿）