【GIS前沿】科学家绘制全球140多万个湖泊和水库的水下地形图

湖泊和水库对生态系统功能、当地的水流水平以及水在地貌上的流动有着深远的影响。但是，当涉及到地下地形时，水资源管理者往往一无所知，因为地下地形会影响水体的生态、水量、温度和蒸发率，以及流入和流出。现在，一个科学家团队已经开发了人工智能技术，以创建一个公开可用的数据集，其中包括世界各地140多万个内陆湖泊和水库的水下地形，或水深测量学。

淡水对社会非常的重要，但实际上我们对淡水资源的了解知之甚少，例如给定淡水源中的水量等。一些较大的淡水体是我们所熟知的，然而中小型的水系统却很少被测量到，并且对可能会改变或影响淡水的因素大多也是未知的。如今，由 NASA 和国家空间研究中心 (CNES) 领导的工作正在寻求一种方法，通过利用新的雷达系统创建新的卫星平台来改变这种状况，这将能够测量全球淡水体的情况。

利用卫星测量世界上 90% 的湖泊、河流和水库

一项名为地表水和海洋地形 (SWOT) 的新卫星任务将测量地球上 95% 以上的湖泊、河流和淡水水库。这将是一次前所未有的尝试，旨在更好地了解尽可能多的淡水水体情况。

卫星将用于测量世界淡水体的面积和体积（图片：美国地质勘探局俄勒冈州赫普纳附近的柳溪水库）

SWOT 将涉及到利用卫星进行测量，可用于评估淡水和地球水循环如何受到人类活动、气候变化和更广泛自然变化的影响。在开发卫星的同时，计划于 2022 年 11 月从加利福尼亚的范登堡太空部队基地发射。据相关研究显示，SWOT 将测量水体的高度和面积，因此能够了解在水文循环中移动了多少水量，并测量大于 15 英亩或 6 公顷的湖泊。

总体而言，这颗卫星大约能够测量全球 2-6 百万个湖泊，它还能够测量直径超过 100 m 的河流。通过更好地了解水资源预算，科学家们希望更好地了解和预测洪水或干旱对淡水体的影响。虽然重点将放在淡水区域，但卫星应该能够测量海洋中的涡流。这也包括直径小于 60 英里/100 公里的涡流。科学家们希望 SWOT 也能更好地预测和了解海洋流动，有关 SWOT 的更多信息，请参阅：https ://www.nasa.gov/feature/jpl/us-european-satellite-will-make-world-s-first-global-freshwater-survey。

利用雷达测量水资源

喷气推进实验室在设计新卫星方面发挥了关键作用，其中使用的主要仪器是一种称为 Ka 波段雷达干涉仪的雷达工具。雷达信号将从水面反弹脉冲；两个天线将同时接收信号。雷达系统将在给定时间测量地球表面 75 英里宽的区域（120 公里）。

SWOT 将在 75 英里（120 公里）宽的条带上收集数据，中间有一个间隙用于测高轨道

目标是每 21 天测量一次淡水水体。通过每 21 天至少对地球的湖泊、河流、水库和海洋进行两次勘测，该卫星将覆盖地球至少 90% 的面积，从而增强全球海洋环流模型、天气预报和淡水管理工作。

水量测量工具的改进

总体而言，世界各地的水量管理人员将得到这个新工具的极大帮助，通过此工具可以更好地预测水量和水预算。此外，该卫星将解决 2007 年国家研究委员会十年调查中概述的一个关键目标，即创建一个能够更好地测量淡水资源和水循环的卫星系统。

虽然现有仪器可以测量高度，但新工具将能够随着时间的推移进行体积测量。研究人员也能够随着时间和天数变化的高度和面积测量值，从而更好地了解水量和水预算的变化情况。2021年的一篇相关研究论文利用 ICESat-2 卫星进行了全球淡水调查。然而，新 SWOT 工具令测量结果变得更加准确和有启发性。SWOT 有一个由 NASA 创建的官方网站，这将提供有关卫星的最新信息，并提供在新平台进入太空后可以访问数据的方式。

虽然 SWOT 尚未启动，但许多科学家已经忙于创建更好地应用数据的方法。例如，最近开展的研究旨在更好地测量河流系统的流量数据，因卫星将能够捕捉到给定河流在 21 天内的变化，世界上许多关键资源在很大程度上缺少淡水系统水量的基本数据。在依赖潜在脆弱的淡水资源时，许多主要城市和国家都处于不稳定状态。新的 SWOT 工具能够让水资源管理者更好地平衡可能易受气候变化影响的人群，以及他们对淡水资源的需求。

为了验证该数据集，科学家们参考了已经测量过最大深度的湖泊数据集，以及不同地区和具有广泛物理特征的水体的地面测深观测。结果显示，GLOBathy成功地估计了水深，并“相当好地”再现了深度变化的模式。

GLOBathy还提供了从其测深图中得出的水头-面积-体积关系的估计。这些关系表明了不同水体深度的水的可用性和表面积，提供了重要的信息，可用于改进水预算分析和更好地理解地方、区域和全球范围内的水文循环。GLOBathy还为地球物理科学家提供了水生系统建模的更多灵活性，因为它补充了现有的几个内陆水体的数据集。

Khazaei说：“这是第一次，我们拥有全世界所有这些水体的详细深度和测深信息。这并不能取代地面测量，但它让我们对众多湖泊和水库有了关键的了解，这些湖泊和水库的水下地形从未被测绘到如此程度。”