清華新聞網(wǎng)5月27日電 近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院黃儒麒團(tuán)隊(duì)與鄭博團(tuán)隊(duì)合作，在城市空氣污染高精度建圖領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。合作團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的三維隱式表示方法，能夠從稀疏、不完整甚至質(zhì)量較差的空氣污染觀測(cè)數(shù)據(jù)中自適應(yīng)生成高分辨率污染分布圖，為實(shí)現(xiàn)更靈活、更可靠的城市環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支撐。該成果有望推動(dòng)污染監(jiān)測(cè)從固定網(wǎng)格化、規(guī)則化向更加連續(xù)、精細(xì)和智能的空間表示發(fā)展，助力精準(zhǔn)治理與環(huán)境決策。
圖1.團(tuán)隊(duì)提出的HF-SDF框架的訓(xùn)練與推斷流程圖
該研究首次將隱式表示模型引入空氣污染濃度場(chǎng)的建模與重建任務(wù)中，通過幾何約束和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方式，提出了名為“HF-SDF（Height-Field Signed Distance Function，高程場(chǎng)符號(hào)距離函數(shù)）”的新穎框架（圖1）。不同于傳統(tǒng)遙感插值或多變量回歸類模型，HF-SDF不依賴于路網(wǎng)、土地利用等外部先驗(yàn)信息，而是將污染濃度場(chǎng)建模為一個(gè)連續(xù)可微的三維隱式函數(shù)，使得每一個(gè)二維空間位置都可以在任意分辨率下進(jìn)行查詢和建圖。
圖2.在觀測(cè)點(diǎn)稀疏或數(shù)據(jù)缺失的情況下，HF-SDF可對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)行高質(zhì)量重建
圖3.面對(duì)不同分辨率、不同來源的輸入，HF-SDF可輸出一致、可靠的超分辨結(jié)果
在多個(gè)城市與區(qū)域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)中，HF-SDF展現(xiàn)出卓越的泛化能力和精度表現(xiàn)。尤其在數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)稀疏或存在缺失的場(chǎng)景下，該方法仍能保持對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域的有效識(shí)別和連續(xù)建圖能力（圖2），相比傳統(tǒng)方法在污染峰值和邊緣區(qū)域估計(jì)中具有更優(yōu)表現(xiàn)。同時(shí)，該方法支持直接從衛(wèi)星反演結(jié)果中對(duì)污染分布實(shí)現(xiàn)超分辨（圖3），在面向衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航拍等新型數(shù)據(jù)源場(chǎng)景中具備廣泛應(yīng)用前景。
相關(guān)研究成果以“基于新型隱式三維表達(dá)的空氣污染自適應(yīng)高分辨率建圖方法”（Adaptive high-resolution mapping of air pollution with a novel implicit 3D representation approach）為題，于5月13日發(fā)表于《npj氣候與大氣科學(xué)》（npj Climate and Atmospheric Science）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)碩士生張婷為論文第一作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授黃儒麒和副教授鄭博為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目以及重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41612-025-01044-6
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
