科研團(tuán)隊(duì)突破土壤水分監(jiān)測(cè)瓶頸，為衛(wèi)星數(shù)據(jù)校驗(yàn)打造 “精確度量衡”
導(dǎo)讀：中科院團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出 “站點(diǎn)相似面積比” 概念，成功攻克衛(wèi)星遙感土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的驗(yàn)證難題，為大區(qū)域地表參數(shù)監(jiān)測(cè)提供了精確參照標(biāo)準(zhǔn)。在無垠的農(nóng)田中，土壤水分含量對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量起著決定性作用；在干旱預(yù)警體系里，土壤水分是災(zāi)害預(yù)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)；于氣候變化研究而言，它更是解開地球水循環(huán)奧秘的關(guān)鍵所在。然而，怎樣精準(zhǔn)獲取大面積的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，始終是科學(xué)界面臨的一大挑戰(zhàn)。衛(wèi)星遙感技術(shù)雖具備廣闊的監(jiān)測(cè)視野，但其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性該如何驗(yàn)證？地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)雖能提供精確數(shù)據(jù)，可它真的能代表衛(wèi)星像元內(nèi)縱橫數(shù)十公里的復(fù)雜地表狀況嗎？
近期，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（以下簡(jiǎn)稱空天院）的曾江源研究團(tuán)隊(duì)在《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》（國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì) - 地球科學(xué)與遙感學(xué)報(bào)）上發(fā)表了最新研究成果。該成果在全球范圍內(nèi)揭示了土壤水分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空間代表性，并創(chuàng)新性地提出 “站點(diǎn)相似面積比” 指標(biāo)，為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的驗(yàn)證提供了 “精確度量衡”。
衛(wèi)星 “遠(yuǎn)視” 遇上地面 “單點(diǎn)困境”
衛(wèi)星遙感，特別是被動(dòng)微波遙感技術(shù)，宛如高懸于太空的 “超級(jí)濕度測(cè)量?jī)x”，每隔幾天就能繪制出一張全球土壤水分分布圖。不過，這些衛(wèi)星圖像的每個(gè)像素覆蓋面積可達(dá)數(shù)十平方千米，而地面監(jiān)測(cè)站獲取的數(shù)據(jù)范圍卻極為有限。
“這就好比用一張低像素圖片去和顯微鏡下的細(xì)胞作對(duì)比，兩者尺度差異懸殊，直接比較極易產(chǎn)生誤差。” 論文通訊作者曾江源研究員如此解釋。
這種 “面” 與 “點(diǎn)” 之間的巨大差距，使得衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證長(zhǎng)期存在不確定性。比如，同一衛(wèi)星像素范圍內(nèi)可能同時(shí)存在農(nóng)田、裸土、灌木叢等多種地表類型，而地面站點(diǎn)只能反映其中一種環(huán)境的情況。
“以往我們就如同‘盲人摸象’，很難判斷一個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)究竟能在多大程度上代表整個(gè)區(qū)域。” 論文第一作者、空天院碩士生彭晨晨說道。
為地表做 “CT”：創(chuàng)新指標(biāo)化解異質(zhì)性難題
研究團(tuán)隊(duì)耗時(shí)兩年，對(duì)全球 322 個(gè)土壤水分站點(diǎn)展開了全面細(xì)致的排查。他們創(chuàng)新性地采用 “擴(kuò)展三重匹配技術(shù)”，將衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)、站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及高分辨率地表特征相結(jié)合，如同給地表進(jìn)行了一次精細(xì)的 “CT 掃描”。
“我們首次系統(tǒng)地量化了土壤質(zhì)地、地表類型、海拔和植被覆蓋度這四大因素對(duì)空間異質(zhì)性的影響。” 曾江源介紹，“例如，部分站點(diǎn)所處下墊面的地表類型較為單一，其站點(diǎn)代表性可達(dá) 0.9；而在一些地表類型復(fù)雜的區(qū)域，代表性可能會(huì)急劇下降至 0.4。”
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)認(rèn)知中土壤質(zhì)地的差異，地表類型的多樣性才是影響站點(diǎn)代表性的最核心因素 —— 這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了衛(wèi)星驗(yàn)證的優(yōu)先級(jí)策略。
“這就像是給每個(gè)站點(diǎn)都配備了一張‘環(huán)境身份證’，我們能夠精準(zhǔn)評(píng)估它在多大范圍內(nèi)具有代表性。” 曾江源舉例稱，如果某農(nóng)田站點(diǎn)的相似面積比超過 82%，那就意味著在驗(yàn)證衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)可重點(diǎn)參考該站點(diǎn)。
據(jù)悉，該研究提出的關(guān)于站點(diǎn)空間代表性及其影響因素的評(píng)估框架具有通用性，不僅適用于土壤水分觀測(cè)，對(duì)于地表溫度、植被參數(shù)、積雪深度等其他地表參數(shù)同樣適用，能夠?yàn)樾l(wèi)星產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證與應(yīng)用提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。