【ZiDongHua 之“智能自動(dòng)化”收錄關(guān)鍵詞：清華大學(xué)   水利水電    人工智能  地理信息系統(tǒng) 深度學(xué)習(xí)】

清華團(tuán)隊(duì)重要突破!Nature+1

湖泊是地球上

最重要的構(gòu)成要素和生態(tài)系統(tǒng)之一

“水光瀲滟晴方好，山色空蒙雨亦奇”

當(dāng)你身臨其境

感受湖泊的靈動(dòng)秀美

你是否好奇過(guò)

全球上百萬(wàn)個(gè)湖泊的“氣象萬(wàn)千”

是如何形成的?

它們的面積

是否會(huì)伴隨特定規(guī)律而發(fā)生變化?

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)觀測(cè)”邁入“高精度動(dòng)態(tài)解析”

相關(guān)研究成果以

《季節(jié)性主導(dǎo)全球湖泊水域面積動(dòng)態(tài)》

(Global dominance of seasonality in shaping lake-surface-extent dynamics)為題

在線發(fā)表于《自然》(Nature)

Nature 網(wǎng)站論文截圖

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突破全球技術(shù)瓶頸

實(shí)現(xiàn)“最高、最廣、最強(qiáng)”

湖泊不僅是全球水文循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，還深刻影響碳循環(huán)、溫室氣體排放和人類水資源安全。長(zhǎng)期以來(lái)，科研界在湖泊變化研究中更多地關(guān)注長(zhǎng)期趨勢(shì)和年際波動(dòng)，而對(duì)季節(jié)性動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)刻畫(huà)不足?，F(xiàn)有權(quán)威數(shù)據(jù)集如歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心2016年發(fā)布在《自然》上的Global Surface Water(GSW)數(shù)據(jù)集，為全球湖泊變化提供了重要參考，但在時(shí)空連續(xù)性與季節(jié)性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面存在不足。

面對(duì)這一全球性挑戰(zhàn)，清華研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來(lái)深耕高時(shí)空分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)融合理論與方法，結(jié)合人工智能和云計(jì)算等新一代信息技術(shù)開(kāi)展研究。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)曾多次深入青藏高原腹地開(kāi)展實(shí)地考察，基于實(shí)地觀測(cè)和遙感分析，揭示了該地區(qū)中大型湖泊在21世紀(jì)初的快速擴(kuò)張規(guī)律。長(zhǎng)期的深入研究和多次科考經(jīng)歷不僅使研究團(tuán)隊(duì)加深了對(duì)湖泊多尺度動(dòng)態(tài)的理解，也奠定了后續(xù)在全球尺度開(kāi)展工作的方法和技術(shù)基礎(chǔ)。

龍笛(右四)團(tuán)隊(duì)前往青藏高原開(kāi)展科學(xué)考察

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)創(chuàng)新性地構(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，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)。

Nature 編輯對(duì)這項(xiàng)研究工作如是評(píng)價(jià)：“(該研究)對(duì)湖泊水域面積這一經(jīng)典議題進(jìn)行了全新審視，發(fā)現(xiàn)季節(jié)性變化對(duì)湖泊面積的影響遠(yuǎn)超預(yù)期。”

基于深度學(xué)習(xí)的遙感大數(shù)據(jù)時(shí)空融合實(shí)現(xiàn)全球百萬(wàn)湖泊的高分辨率水域面積連續(xù)監(jiān)測(cè)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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)。

值得一提的是，該數(shù)據(jù)集的用戶精度可達(dá)93%，生產(chǎn)者精度高達(dá)96%，缺值面積占比從GSW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。

推動(dòng)全球湖泊遙感監(jiān)測(cè)

告別“靜態(tài)觀測(cè)”，迎來(lái)“高精度動(dòng)態(tài)解析”

基于該數(shù)據(jù)集，研究團(tuán)隊(duì)有了新發(fā)現(xiàn)：研究顯示，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。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，從全球尺度上揭示了人類活動(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的“變化”節(jié)奏。

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)。這一機(jī)制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)生境保護(hù)及極端水文事件響應(yīng)策略的制定提供了理論支撐。

季節(jié)性主導(dǎo)全球約140萬(wàn)湖泊的水域面積動(dòng)態(tài)

該研究不僅在科學(xué)認(rèn)識(shí)上取得關(guān)鍵突破，也在遙感大數(shù)據(jù)處理與人工智能方法論方面具有重要推動(dòng)作用，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)觀測(cè)”邁入“高精度動(dòng)態(tài)解析”。

團(tuán)隊(duì)參加國(guó)際會(huì)議合影

清華大學(xué)水利系博士生李洛祺為論文第一作者，龍笛為論文通訊作者。合作者包括清華大學(xué)水利系博士生王一鳴和英國(guó)班戈大學(xué)教授伊斯特恩·伍爾韋(R. Iestyn Woolway)。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金和第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究等項(xiàng)目資助。

來(lái)源 | 水利系

排版&編輯 | 陳韓梅

責(zé)編 | 苑潔

審核 | 劉蔚如

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