青藏高原湖泊数量众多且分布密集，是“亚洲水塔”的重要组成部分。受限于青藏高原环境恶劣，湖泊的水下地形测量数据较少被公开，对高原湖泊水储量及其变化的准确估算有一定影响。尽管激光雷达的穿透特性已被广泛应用于重建滨海水下地形等领域，但由于穿透深度浅、水下光子提取困难、湖泊水质复杂等难题，限制了激光雷达在重建湖泊水下地形的应用。
鉴于此，中国科学院青藏高原研究所环境变化与多圈层过程团队张国庆研究员联合美国、中国台湾和英国科学家，提出一种基于ICESat-2激光雷达高度统计数据的湖泊水下地形重建方法，并应用于青藏高原的60个湖泊（图1）。该方法在三维空间和二维空间使用格网聚类算法WaveCluster，较好地去除了激光雷达高度计ICESat-2由于阳光产生的噪声光子（图2），增加了数据的可用性。通过提取穿透水下信号光子，结合数理统计模型，测深模拟ICESat-2轨迹，利用空间插值得到湖泊测深图。在上述方法的基础上，综合运用公开发表的湖泊实测水下地形和本研究模拟的水下地形和基于自仿射理论建立的经验方程，初步估算了青藏高原大于0.01平方公里湖泊的水储量。据估算，青藏高原2022年大于0.01平方公里湖泊总水储量为1043.69±341.31km3，约70%（~734.8km3）湖泊水储量集中在内流区（羌塘高原）（图4）。
该研究不仅解决了ICESat-2激光雷达高度计数据计算量大的问题，还解决了激光雷达穿透深度有限，无法重建大型湖泊水下地形。研究结果显示，模拟与实测的湖泊体积具有良好的一致性（图3），最大水深的平均绝对百分比误差为8.0%，湖泊体积的平均绝对百分比误差为19.7%。该研究基于遥感手段初步估算了青藏高原湖泊水储量，为湖泊未来水量变化预估、水量平衡分析和水资源管理提供了重要的数据支持。
上述研究成果以“Reconstructing Tibetan Plateau lake bathymetry using ICESat-2 photon-counting laser altimetry”为题，在国际学术期刊《Remote Sensing of Environment》发表。我所在读硕士生韩潇然为论文第一作者，张国庆研究员为通讯作者，该研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究和国家自然科学基金委青藏高原地球系统基础科学中心等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114458
图1 收集和模拟的青藏高原测深湖泊分布及激光雷达数据时序
a）模拟测深湖泊和收集的实测测深湖泊空间分布；b）2019-2023年ICESat-2 ATLAS测高数据的时序分布
图2 ICESat-2噪声光子去除算法流程
a）在三维空间使用WaveCluster算法对空间中由于阳光产生的噪声光子进行去除；b）在二维空间使用WaveCluster算法对空间中产生的随机噪声光子进行去除
图3 本研究发展的方法在不同湖泊水下地形重建的精度
a）龙木错，b）蓬错，c）阿克赛钦湖，d）错鄂（那曲），e）昂拉仁错，f）黑海湖，g）乃日平错
图4 青藏高原湖泊水储量估算及空间分布（2022年）
a）基于10×10 km2单位面积的水储量统计，b）以1o经度间隔的水储量统计，c）以1o纬度间隔的水储量统计，d）水储量排名前五的湖泊统计，e）基于1o×1o格网的水储量统计
