【儀表網 研發快訊】青藏高原湖泊數量眾多且分布密集，是“亞洲水塔”的重要組成部分。受限于青藏高原環境惡劣，湖泊的水下地形測量數據較少被公開，對高原湖泊水儲量及其變化的準確估算有一定影響。盡管激光雷達的穿透特性已被廣泛應用于重建濱海水下地形等領域，但由于穿透深度淺、水下光子提取困難、湖泊水質復雜等難題，限制了激光雷達在重建湖泊水下地形的應用。
鑒于此，中國科學院青藏高原研究所環境變化與多圈層過程團隊張國慶研究員聯合美國、中國臺灣和英國科學家，提出一種基于ICESat-2激光雷達高度統計數據的湖泊水下地形重建方法，并應用于青藏高原的60個湖泊(圖1)。該方法在三維空間和二維空間使用格網聚類算法WaveCluster，較好地去除了激光雷達高度計ICESat-2由于陽光產生的噪聲光子(圖2)，增加了數據的可用性。通過提取穿透水下信號光子，結合數理統計模型，測深模擬ICESat-2軌跡，利用空間插值得到湖泊測深圖。在上述方法的基礎上，綜合運用公開發表的湖泊實測水下地形和本研究模擬的水下地形和基于自仿射理論建立的經驗方程，初步估算了青藏高原大于0.01平方公里湖泊的水儲量。據估算，青藏高原2022年大于0.01平方公里湖泊總水儲量為1043.69±341.31km3，約70%(~734.8km3)湖泊水儲量集中在內流區(羌塘高原)(圖4)。
該研究不僅解決了ICESat-2激光雷達高度計數據計算量大的問題，還解決了激光雷達穿透深度有限，無法重建大型湖泊水下地形。研究結果顯示，模擬與實測的湖泊體積具有良好的一致性(圖3)，最大水深的平均絕對百分比誤差為8.0%，湖泊體積的平均絕對百分比誤差為19.7%。該研究基于遙感手段初步估算了青藏高原湖泊水儲量，為湖泊未來水量變化預估、水量平衡分析和水資源管理提供了重要的數據支持。
上述研究成果以“Reconstructing Tibetan Plateau lake bathymetry using ICESat-2 photon-counting laser altimetry”為題，在國際學術期刊《Remote Sensing of Environment》發表。我所在讀碩士生韓瀟然為論文第一作者，張國慶研究員為通訊作者，該研究得到第二次青藏高原綜合科學考察研究和國家自然科學基金委青藏高原地球系統基礎科學中心等項目的支持。
圖1 收集和模擬的青藏高原測深湖泊分布及激光雷達數據時序
a)模擬測深湖泊和收集的實測測深湖泊空間分布；b)2019-2023年ICESat-2 ATLAS測高數據的時序分布
圖2 ICESat-2噪聲光子去除算法流程
a)在三維空間使用WaveCluster算法對空間中由于陽光產生的噪聲光子進行去除；b)在二維空間使用WaveCluster算法對空間中產生的隨機噪聲光子進行去除
圖3 本研究發展的方法在不同湖泊水下地形重建的精度
a)龍木錯，b)蓬錯，c)阿克賽欽湖，d)錯鄂(那曲)，e)昂拉仁錯，f)黑海湖，g)乃日平錯
圖4 青藏高原湖泊水儲量估算及空間分布(2022年)
a)基于10×10 km2單位面積的水儲量統計，b)以1o經度間隔的水儲量統計，c)以1o緯度間隔的水儲量統計，d)水儲量排名前五的湖泊統計，e)基于1o×1o格網的水儲量統計
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