科學探究的金鑰匙

余凡　韓顏順　顧海燕

土壤水分是陸面-大氣相互過程中調控地-氣能量交換的最重要參數之一，直接控制著地表與大氣之間水、熱量的輸送和平衡。土壤水分的估算也是其他學科，比如氣象學、水文學、生態學和農業等關注的重點研究對象。傳統土壤水分監測方法很難在大范圍、高效率和實時進行常規測量，而遙感技術由于其自身特點及潛力，已在地表土壤水分研究中蓬勃開展。目前，遙感技術已經進入一個能動態、快速、高效地提供多源對地觀測數據的新階段。多源遙感數據的協同觀測能一定程度上克服各種單一遙感手段獲取的圖像數據在幾何、光譜、時間和空間分辨率的局限性，對觀測目標有一個更加全面、清晰、準確的理解與認識。

光學與雷達遙感是兩種不同的土壤水分獲取手段，能從不同的角度反映地表的土壤水分情況。若能將兩者結合起來協同反演土壤水分，取長補短，提高土壤水分反演精度，對于土壤水分的定量遙感反演研究是極具意義的。中國測繪科學研究院項目組針對我國中、西部地區日趨嚴重的干旱缺水問題，綜合考慮光學和雷達影像數據在土壤水分表達上的各自優勢，首先對光學和雷達影像的協同分類算法展開研究，然后在研究雷達模型反演裸露地表土壤水分算法的基礎上，采取‘數據融合、‘模型耦合和‘優化算法三種形式對光學與雷達協同反演土壤水分的算法展開研究，以提高土壤水分反演的精度；另一方面，針對遙感反演土壤水分時間上不連續的問題，利用集合卡爾曼濾波將遙感反演結果同化到DHSVM模型中，獲取大范圍內時間連續的土壤水分結果。

本項研究是定量遙感反演土壤水分前沿的探索性研究，突破了光學與雷達遙感協同分類，兩者協同反演土壤水分，遙感數據與水文模型的同化一系列技術難題，在關鍵技術上實現了3項領先，主要技術指標達到國際同類領先水平。

經過課題組共同努力，該項目取得突破性成就：1.他們首次提出了光學與雷達遙感協同分類的理論與實現方法，實現了多源遙感數據的協同分類，有效提高了地物的分類精度。傳統分類算法主要基于光學數據，雷達數據由于斑點噪聲的影響，一般用于特定地物的提取。利用光學數據分類主要是利用了地物的光譜信息，不可避免地存在“同物異譜，異物同譜”的問題，尤其對于中等分辨率的光學影像，難以獲得滿意的分類精度。雷達影像能反映地物的質地、形狀、結構等信息，是光學影像的有利補充，但是兩者物理意義相差較大，如何協同是本項目的難點。研發團隊提出了一種基于貝葉斯理論和馬爾科夫隨機場MRF的多源遙感數據協同分類方法。該方法依據光學與微波遙感數據在地物提取中的各自優勢，首先對ASAR后向散射系數進行入射角歸一化，然后構建一種基于貝葉斯理論和MRF的分類器，以歸一化后的ASAR雙極化數據與TM7個波段共同參與分類。分別對ASAR入射角歸一化的有效性和主被動協同的必要性進行驗證，結果表明，采用本文方法的分類精度達到89.4%，較未進行角度校正的主被動數據協同分類的精度提高了4.1%，較單獨TM分類的精度提高了11.5%，體現出主被動遙感數據協同在分類上的潛力。2.首次提出一種針對雙極化的雷達數據的地表土壤水分反演模型，該模型同時考慮了兩個粗糙度參數：均方根高度和相關長度，并將兩者合二為一，提出一種新的粗糙度參數，使模型的未知參數減少為2個，因此僅利用兩個極化的雷達后向散射系數即可反演得到土壤水分。實測數據驗證表明，該經驗模型無需地面點數據支持，僅需兩個極化通道雷達數據即可實現裸地土壤水分反演，適用于地表情況復雜，粗糙度參數難以精確獲取的地區。3.在國際上首次提出光學與雷達遙感協同提取土壤水分的方法，依據光學與雷達數據在土壤水分表達上的各自優勢，分別從數據融合層面、模型耦合層面和模型優化層面對主被動遙感協同反演地表土壤水分的算法進行了研究，主要創新如下：（1）提出一種基于主被動遙感數據融合的土壤水分信息提取方法，實現了數據融合層面的光學雷達遙感數據協同反演土壤水分，（2）提出了基于光學雷達模型耦合的協同反演土壤水分模型，實現了模型耦合層面的光學雷達協同反演土壤水分；（3）提出一種基于優化算法的光學雷達協同反演地表土壤水分方法，實現了模型優化層面的光學雷達協同反演土壤水分。 4.率先實現遙感反演土壤水分觀測數據用于黑河流域的土壤水分同化，以提高土壤水分的估計精度。本項目的一維同化系統由集合凱爾曼濾波、前向的輻射傳輸模型（農作物模型）和分布式水文模型DHSVM組成。其中農作物模型是一個半經驗模型，主要用來消除地表植被的散射影響。DHSVM模型用來描述地形和植被對水熱通量的影響。本項目經驗證結果表明集合凱爾曼濾波能有效的將主動微波遙感數據同化到水文模型中，與模擬結果相比，同化的表層和根層土壤水分精度都有明顯的提高，而在深層變化不大。

該項研究成果具有很高的經濟和社會價值，在國民經濟發展中有廣泛應用，目前已應用于“單點土壤水分同化方法研究”、“全極化SAR遙感反演地表土壤水分”等項目，湖北省氣象局“地表土壤墑情遙感反演系統”、長江水利委員會長江科學院“長江流域沿線地表干旱監測”，浙江河口水利研究院“浙江省地面干旱監測業務系統”等方面，較大程度提高地表土壤水分的獲取精度，有力推動了遙感反演地表土壤水分產品在災害、農業等方面的應用。

項目團隊主要成員

余凡：項目負責人，男，博士，1982年生，副研究員，從事定量遙感研究與遙感圖像處理相關研究10余年。先后承擔或參與國家基礎研究發展計劃（973計劃），國家科技支撐計劃，國家自然科學基金面上項目，國家重大測繪專項，國家基礎測繪項目等國家項目10余項，獲測繪科技進步二等獎2項；已發表文章20多篇（SCI 5篇），申請發明專利3項，軟件著作權2項，出版專著1部。今年來主要從事定量遙感的基礎研究，對主被動遙感影像反演地表土壤水分機理與方法、地表土壤水分與水文模型的遙感同化機理與方法有深入的研究。

韓顏順：項目骨干，男，碩士，1980年生，助理研究員，先后參加多項國家863、973科研課題、國土資源部項目、西部測圖、地理國情監測重大工程等國家科研和基礎測繪課題，攻克了遙感影像處理、高性能集群計算、遙感影像智能解譯、網絡協同作業等多項關鍵技術，先后獲得國家科技進步二等獎一項、測繪科技進步一等獎三項，發表科技論文多篇。在科研成果產業化方面，將FeatureStation科研成果轉化，成功應用于測繪地理信息數據生產加工，取得良好的效果。

顧海燕，研發骨干，女，碩士，1982年2月生，從事光學遙感影像自動解譯與高性能處理方面的研究。先后承擔或參加國家重大測繪專項、國家科技計劃項目、國家基礎測繪項目等10余項。獲測繪科技進步二等獎1項（2014年），獲發明專利1項、軟件著作權登記4項，發表論文20余篇，被SCI收錄4篇、EI收錄3篇，參與出版專著2部。近年來，主要從事遙感影像面向對象分析、遙感影像高性能處理、信息化測繪技術體系建設、國家標準制定等科研工作。 責編/萬海濱