科研團隊突破土壤水分監測瓶頸，為衛星數據校驗打造 “精確度量衡”
導讀：中科院團隊創(chuàng )新性提出 “站點(diǎn)相似面積比” 概念，成功攻克衛星遙感土壤水分數據的驗證難題，為大區域地表參數監測提供了精確參照標準。在無(wú)垠的農田中，土壤水分含量對農作物的產(chǎn)量起著(zhù)決定性作用；在干旱預警體系里，土壤水分是災害預測的關(guān)鍵指標；于氣候變化研究而言，它更是解開(kāi)地球水循環(huán)奧秘的關(guān)鍵所在。然而，怎樣精準獲取大面積的土壤水分數據，始終是科學(xué)界面臨的一大挑戰。衛星遙感技術(shù)雖具備廣闊的監測視野，但其數據的準確性該如何驗證？地面監測站點(diǎn)雖能提供精確數據，可它真的能代表衛星像元內縱橫數十公里的復雜地表狀況嗎？
近期，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空天院）的曾江源研究團隊在《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》（國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì ) - 地球科學(xué)與遙感學(xué)報）上發(fā)表了最新研究成果。該成果在全球范圍內揭示了土壤水分監測站點(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，為衛星遙感數據的驗證提供了 “精確度量衡”。
衛星 “遠視” 遇上地面 “單點(diǎn)困境”
衛星遙感，特別是被動(dòng)微波遙感技術(shù)，宛如高懸于太空的 “超級濕度測量?jì)x”，每隔幾天就能繪制出一張全球土壤水分分布圖。不過(guò)，這些衛星圖像的每個(gè)像素覆蓋面積可達數十平方千米，而地面監測站獲取的數據范圍卻極為有限。
“這就好比用一張低像素圖片去和顯微鏡下的細胞作對比，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，使得衛星數據驗證長(cháng)期存在不確定性。比如，同一衛星像素范圍內可能同時(shí)存在農田、裸土、灌木叢等多種地表類(lèi)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)的數據究竟能在多大程度上代表整個(gè)區域。” 論文第一作者、空天院碩士生彭晨晨說(shuō)道。
為地表做 “CT”：創(chuàng )新指標化解異質(zhì)性難題
研究團隊耗時(shí)兩年，對全球 322 個(gè)土壤水分站點(diǎn)展開(kāi)了全面細致的排查。他們創(chuàng )新性地采用 “擴展三重匹配技術(shù)”，將衛星觀(guān)測數據、站點(diǎn)數據以及高分辨率地表特征相結合，如同給地表進(jìn)行了一次精細的 “CT 掃描”。
“我們首次系統地量化了土壤質(zhì)地、地表類(lèi)型、海拔和植被覆蓋度這四大因素對空間異質(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(lèi)型較為單一，其站點(diǎn)代表性可達 0.9；而在一些地表類(lèi)型復雜的區域，代表性可能會(huì )急劇下降至 0.4。”
研究團隊發(fā)現，相較于傳統認知中土壤質(zhì)地的差異，地表類(lèi)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)現徹底改變了衛星驗證的優(yōu)先級策略。
“這就像是給每個(gè)站點(diǎn)都配備了一張‘環(huán)境身份證’，我們能夠精準評估它在多大范圍內具有代表性。” 曾江源舉例稱(chēng)，如果某農田站點(diǎn)的相似面積比超過(guò) 82%，那就意味著(zhù)在驗證衛星數據時(shí)可重點(diǎn)參考該站點(diǎn)。
據悉，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估框架具有通用性，不僅適用于土壤水分觀(guān)測，對于地表溫度、植被參數、積雪深度等其他地表參數同樣適用，能夠為衛星產(chǎn)品的可靠性驗證與應用提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。