本研究由法国国家农业食品与环境研究院（INRAE）的 Isadora Rezende 主导，联合 Collecte Localisation Satellites（CLS）、法国国家空间研究中心（CNES）以及意大利博洛尼亚大学的研究人员共同完成。论文于 2025 年 3 月 14 日发表在期刊《Remote Sensing》上，标题为“Reconstruction of Effective Cross-Sections from DEMs and Water Surface Elevation”。该研究聚焦于河流测深（river bathymetry）这一核心问题，旨在利用全球尺度的遥感数据产品，在最小人为干预的条件下重建有效的一维河流断面（cross-section），从而为缺乏实测数据的流域提供可靠的水力模拟基础。
河流测深是准确模拟河道流量和洪泛区淹没的关键参数。然而，传统的水下地形测量依赖声学多普勒流速剖面仪（ADCP）等实地调查，成本高、耗时长，难以在全球范围内推广。卫星遥感虽能提供水面高程（Water Surface Elevation, WSE）和河流宽度等信息，但无法直接穿透水体获取河床高程。全球数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）作为地形基础数据，在水体区域通常存在较大误差，尤其是无法反映水下地形，这导致高分辨率遥感流量反演在中小洪水事件中的精度受限。
针对这一瓶颈，已有研究提出了多种方法，包括坡度折点法（Slope-break, SB）、河道满岸法（Channel Bankfull, CB）、质量守恒反演法（Mass Conservation Flow Inversion, MCFLI）以及数据同化技术等。然而，现有方法多局限于单一 DEM 产品，缺乏对不同 DEM 与 WSE 数据源的系统比较，且在断面沿河连续性和多源 WSE 误差处理方面存在不足。本研究的目标是发展一套可扩展的、自动化程度较高的有效断面重建方法，重点解决三个问题：其一，评估九种全球 DEM 对干河床（dry bathymetry）表征能力的影响；其二，提出并比较三种断面“烧制”（cross-section burning）预处理方法，以融合 WSE 信息；其三，对比实测站与卫星虚拟站两种 WSE 数据源对流量估算精度的作用，并最终确定最优的 DEM 与预处理策略组合。
研究的方法体系分为干河床提取、断面预处理和流量估计三大模块，整体流程具有明确的层级递进关系。
1. 断面定义与 DEM 高程提取
首先，研究利用 SWOT 河流数据库（SWORD）提供的河道中心线和节点（约 200 米间隔），以及全球地表水出现频率数据集（GSWO）中的 1%频率水掩膜，自动定义垂直于河道中心线的断面基本段。随后，从九种全球或准全球 DEM 中提取断面沿线的高程，这些 DEM 包括 SRTM、ASTER、TanDEM-X、AW3D30、MERIT、MERIT-Hydro、Copernicus DEM、NASADEM 和 FABDEM。提取过程采用 3×3 像素加权平均，并对断面进行对称化处理和基于改进 Ramer–Douglas 算法的简化。这一阶段生成的是仅依赖 DEM 的初始对称断面，代表干河床的第一次重建。
2. 断面烧制预处理
由于初始对称断面的底部高程（zb0）往往高于实际最低观测水面高程（hmin），因此需要引入“断面烧制”步骤，通过定义底部宽度（bottom width, wb）将断面向下延伸至 hmin，形成矩形通道。本研究提出了三种烧制方法。第一种为“折点法”（breakpoint method），属于坡度折点法的一种实现，通过计算断面轮廓上距离两端点连线最远的点来确定几何折点，并以其宽度作为底部宽度。第二种为“连续法”（continuity method），基于质量守恒原理，通过迭代调整矩形断面宽度，使计算流量逼近目标流量，同时控制流量在河段内的连续性。第三种为“BP-Cont 法”，该方法首先应用折点法获得初步底部宽度，然后引入连续法对宽度序列进行平滑和进一步优化，从而兼顾几何特征与水力连续性。此外，研究还设置了不进行任何预处理的“保留”（keep）组作为对照。
3. 流量估算与湿河床推断
在完成干河床重构后，研究采用改进的 Gauckler–Manning–Strickler（GMS）积分模型进行流量估算。该模型将流量表达为水面高程、断面形状、摩擦坡降和粗糙度系数的函数。由于湿河床（hmin 以下部分）无观测信息，研究采用概率方法，在粗糙度系数（10–60 s/m¹/³）和底部高程的候选范围内，结合先验平均流量分布，通过加权积分得到最优流量时间序列。同时，该步骤也输出最优粗糙度系数和湿河床深度，从而完成从 DEM 到完整有效断面的全流程重建。
4. 研究区域与数据
研究选取了两个具有完整实测参考数据的河段：法国的加龙河（Garonne River）中游和意大利的波河（Po River）中下游。加龙河研究段包含六个 SWORD 河段，平均宽度 150–190 米，验证流量范围为 60–6000 m³/s。波河研究段包含七个 SWORD 河段，平均宽度 280–480 米，验证流量范围为 160–6000 m³/s。WSE 数据分别来自地面实测站（加龙河 3 个，波河 4 个）和 Hydroweb.next 数据库中的卫星虚拟站（包括 Jason-2、Jason-3、Sentinel-3A/B 和 Sentinel-6A 的任务数据）。验证断面由机载激光雷达（LiDAR）和多波束声呐联合测深数据构成，加龙河有 27 个实测断面，波河有 80 个。
1. DEM 对干河床表征的影响
通过将九种 DEM 提取的断面与 LiDAR 参考断面在共同高程范围内进行比较，研究发现 Copernicus DEM 和 FABDEM 在干河床深度表征和面积误差方面均显著优于其他产品。在加龙河，两种 DEM 与参考断面的共同深度中位数分别达到 91.08%和 90.47%，面积相对误差中位数分别为 3.40%和 −0.25%；而在波河，两者的共同深度中位数约为 57%–59%，面积误差中位数在 −4%左右。相比之下，TanDEM-X 和 AW3D30 的面积低估最为严重，中位数误差超过 −20%，且 TanDEM-X 的断面宽度变异极大，这源于其缺乏有效的水体后处理。MERIT 和 MERIT-Hydro 由于 90 米分辨率较粗，在狭窄河流上容易混入陆地像元，导致底部高程偏高，共同深度百分比在加龙河仅为 23%–29%。SRTM、ASTER 和 NASADEM 虽经过水体高程阶梯化修正，但在某些河段（如加龙河上游的 ASTER）会出现水位高于邻近地形的不合理现象。
2. 断面烧制方法对流量估算的影响
在保证（keep）组中，由于初始断面底部高程普遍高于实测低水位，大量低流量时段因观测水位落在断面之外而无法计算流量，导致整体性能较差。应用任何烧制方法后，Kling–Gupta 效率系数（KGE）均显著提升，这验证了断面预处理的必要性。在加龙河，折点法对 Copernicus 和 FABDEM 效果极佳，KGE 超过 0.85，但 MERIT-Hydro 和 ASTER 因构建出过深且窄的矩形通道，严重限制了中高流量模拟能力，KGE 低于 0.1。连续法对于波河的 AW3D30、MERIT 和 MERIT-Hydro 反而使 KGE 降低至少 0.25，因为这些 DEM 的原始断面过于浅窄，连续法在可用观测不足时会将误差沿河段传播。相比之下，BP-Cont 方法表现最为稳健：在全部 18 种 DEM 与河流组合中，有 15 种组合的 KGE 最高，相关系数始终超过 0.99，绝对偏差保持在 15%以内，KGE 最低也在 0.62 以上。该方法通过折点法获得初始宽度，再利用连续法对宽度序列进行平滑，有效避免了突变，同时保留了对低流量和高流量的双重适应性。
3. WSE 数据源对流量估算的影响
当从实测站 WSE 切换到卫星虚拟站 WSE 后，整体性能出现下降。相关系数在加龙河下降约 0.14，波河下降约 0.12；偏差指标在加龙河出现系统性翻转，从低估约 15%变为高估约 30%，而在波河这种翻转不明显。以 Copernicus DEM 和折点法为例，加龙河的 KGE 从 0.88 骤降至 0.51。进一步分析表明，流量误差与平均 WSE 误差的相关性（>0.8）远高于与坡降误差的相关性（约 0.4），说明卫星 WSE 的绝对精度是影响最终流量估算的关键因素。分流量等级来看，最小流量类别的相对均方根误差（RRMSE）在卫星 WSE 下可高达 228%以上，而中高流量类别的误差相对较小，这反映了低水位时段受湿河床推断误差与 WSE 观测误差叠加影响更为显著。
4. DEM 与烧制方法的综合性能
综合来看，Copernicus DEM 和 FABDEM 在两种 WSE 数据源和三种烧制方法下均表现出一致的高性能，这与其优越的干河床表征能力和较大的共同深度密切相关。在波河，BP-Cont 方法与这两种 DEM 结合时，KGE 均超过 0.86；在加龙河，使用卫星 WSE 时，ASTER、AW3D30、NASADEM 和 FABDEM 的 BP-Cont 方法 KGE 介于 0.63 至 0.72 之间，而其他 DEM 的 KGE 则下降至 0.38–0.46。连续法在加龙河使用卫星 WSE 时对 SRTM、MERIT 和 MERIT-Hydro 完全失效，原因是原始断面过浅且有效观测不足。
本研究提出了一套基于全球 DEM 与多源 WSE 观测的有效河流断面重建方法体系，证明了通过几何预处理和质量守恒原理的结合，能够在无实测断面的条件下获得具有物理一致性的有效断面，并实现较高精度的流量估算。研究的科学价值在于：首次系统比较了九种全球 DEM 在干河床表征中的适用性，明确了 Copernicus DEM 和 FABDEM 的突出优势；提出并验证了 BP-Cont 组合方法，该方法在保持断面沿河连续性的同时，兼顾了几何特征与水力条件；揭示了 WSE 数据质量，尤其是其绝对精度，对低流量估算的显著影响。应用价值体现在：该方法仅需公开可得的全球数据产品，计算效率高，可扩展至全球尺度，对资料稀缺地区的水文模拟、洪水预报和水资源管理具有重要支撑作用。
本研究的亮点主要体现在三个方面。第一，方法学创新：将坡度折点法与质量守恒反演法有机结合，提出 BP-Cont 方法，显著提升了断面重建的鲁棒性和流量估算精度。第二，数据广度：首次在断面重建框架下同时纳入九种全球 DEM 和两类 WSE 数据源，并通过两个具有完整 LiDAR 实测参考的研究区进行交叉验证。第三，全球适用性：整个流程仅依赖公开数据，且对断面定义和提取过程给出了可自动化的实现路径，为全球尺度河流有效测深的快速构建提供了可行方案。此外，研究还系统分析了 DEM 后处理方式（如水体阶梯化、水文校正）对断面形态的深层影响，为未来 DEM 产品改进提供了方向性建议。