更精準(zhǔn)地為地球測“體溫”
——記中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員李召良

本刊記者　王海濤

李召良

遙感科學(xué)本身就帶有交叉學(xué)科的胎記，要做研究本非易事，而地表溫度熱紅外遙感反演作為遙感地學(xué)分析的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，其研究難度更是劇增。

地表溫度可以形象地理解為地球的“皮膚”溫度。要獲知全球的地表溫度，一般通過衛(wèi)星獲取地面的輻射能量進(jìn)而用物理的方法反演。如果要更精準(zhǔn)地為地球測“體溫”，研究者就需要針對不同的氣候條件、地表形態(tài)甚至觀測時(shí)間、觀測角度等展開系列研究，這些難題就像一道道關(guān)卡橫在相關(guān)研究的前路。

雄關(guān)漫道真如鐵，有志者從不會被困難打倒。而今邁步從頭越，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員、中組部“千人計(jì)劃”專家、歐洲科學(xué)院院士李召良憑著扎實(shí)的學(xué)術(shù)積淀和堅(jiān)韌的斗志，長期致力于定量遙感基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究，突破了一道道難關(guān)，在地表溫度遙感領(lǐng)域取得了舉世公認(rèn)的成就，為更精準(zhǔn)地為地球測“體溫”做出了卓越貢獻(xiàn)。

闖過“天地關(guān)”，首創(chuàng)“局部分裂窗法”和“日夜法”

長期以來，科學(xué)家采用定點(diǎn)測量的辦法來獲得地表溫度。據(jù)了解，傳統(tǒng)的研究思路是：先測量大氣廓線，然后通過輻射傳輸模型估算大氣的影響，再從衛(wèi)星測量的輻射能量里面去掉大氣影響，得到地面輻射。

“這種方法首先比較麻煩，每次要測量地表溫度時(shí)，必須在一個(gè)地點(diǎn)放一個(gè)探空氣球，而探空氣球只能代表方圓幾公里或者幾十公里情況，如果要想知道幾十公里之外的情況，就又得放一個(gè)，非常不實(shí)用，只能做些實(shí)驗(yàn)性的工作。另外，地表有高低起伏，在平地放的探空氣球得到的輻射能量，并不能代表山上的情況?！崩钫倭冀榻B，受太陽輻射、地形地貌、地表覆蓋、大氣環(huán)流等因素的影響，地表溫度動(dòng)態(tài)變化性強(qiáng)，定點(diǎn)測量的地表溫度區(qū)域代表性受到很大限制，無法精確表征區(qū)域或全球尺度地表溫度的時(shí)空分布特征，嚴(yán)重制約了地球科學(xué)的深入研究與發(fā)展。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新興的熱紅外遙感技術(shù)為高時(shí)效、高精度獲取區(qū)域或全球尺度的地表溫度帶來了希望。然而，熱紅外衛(wèi)星傳感器測量的是經(jīng)大氣作用后到達(dá)其高度的地表輻射能。如何從這個(gè)輻射能中定量反演獲得高精度地表溫度是遙感科學(xué)界公認(rèn)的難題。首先，由于大氣對熱紅外輻射既有吸收和散射，又有自身發(fā)射，故大氣輻射校正是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。目前，各國在利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度研究方面已取得可喜成果，建立了較為成熟的算法，但受制于問題本身的復(fù)雜性和觀測通道數(shù)量的限制，目前的多光譜地表溫度反演方法，都借助了一定的先驗(yàn)知識和假設(shè)條件，人為地將輻射方程組中的非確定性問題轉(zhuǎn)化為確定性問題，沒有真正剔除大氣和地表比輻射率的影響，難以精確地實(shí)現(xiàn)地表溫度的定量遙感反演。

“既然大氣對電磁波有吸收的作用，而且不同波長的吸收是不一樣的，那么，能不能用大氣對不同波長吸收的不同，來改正大氣的影響？”山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村?；谶@樣的想法，李召良及其合作者在假定比輻射率已知的情況下，根據(jù)地表比輻射率、地表溫度與空氣溫度之差的變化特點(diǎn)，基于相鄰?fù)ǖ来髿夤庾V吸收差異，通過合理假設(shè)和近似，從理論上提出了“局部分裂窗”概念和方法，消除了大氣輻射效應(yīng)影響，實(shí)現(xiàn)了大氣與地表參數(shù)的分離以及地表溫度的遙感反演。與傳統(tǒng)的地表溫度反演方法相比，該方法無需輸入大氣廓線數(shù)據(jù)即能實(shí)現(xiàn)地表溫度的遙感反演，擺脫了大氣廓線數(shù)據(jù)對地表溫度遙感反演的束縛，“再也不需要放探空氣球了”。同時(shí)，該方法使地表溫度的遙感反演首次由有限區(qū)域擴(kuò)展到全球范圍，在比輻射率已知的情況下，使地表溫度反演誤差由3℃～4℃降低到1℃以內(nèi)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

“局部分裂窗法”的首創(chuàng)性得到了國內(nèi)外同行的高度認(rèn)可。美國宇航局NPP衛(wèi)星地表溫度反演算法官方文檔指出：“局部分裂窗法”已成為現(xiàn)今廣泛使用的雙通道地表溫度反演的基本方法，是現(xiàn)有大多數(shù)地表溫度反演算法的原型。同時(shí)，“局部分裂窗法”的提出和發(fā)展，還為衛(wèi)星熱紅外傳感器設(shè)計(jì)成雙通道提供了決策支持。目前全球約四分之三的熱紅外光學(xué)衛(wèi)星搭載了雙通道傳感器，而且這些傳感器的地表溫度反演全部采用了“局部分裂窗法”。美國宇航局從2000年開始就將“局部分裂窗法”作為標(biāo)準(zhǔn)方法生產(chǎn)全球每日MODIS 1公里空間分辨率的地表溫度官方產(chǎn)品。目前我國已將“局部分裂窗法”用于風(fēng)云衛(wèi)星的地表溫度反演和全國農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測。

在此前的研究中，李召良及其合作者成功地去除了大氣輻射的影響，但是還有一個(gè)更為復(fù)雜的因素困擾著研究者們，那就是：比輻射率。即使在大氣輻射精確校正的情況下，對于某個(gè)像元的地表溫度而言，N個(gè)通道（波長）觀測值總是對應(yīng)著N個(gè)地表比輻射率和1個(gè)地表溫度。也就是說，在地表溫度遙感反演建模過程中，方程的未知數(shù)個(gè)數(shù)總是比方程的個(gè)數(shù)多1個(gè)，而且在熱紅外波段內(nèi)N個(gè)通道觀測值之間高度相關(guān)，因而地表溫度的遙感反演是一個(gè)典型的“病態(tài)問題”，難以對三者進(jìn)行有效分離。

“如果能夠降低方程組的相關(guān)性，并增加一定的信息量，是不是可以解決方程組欠定的問題呢？”李召良一下子就抓住了問題的關(guān)鍵所在。于是，在比輻射率未知的情況下，基于白天中紅外數(shù)據(jù)既包含發(fā)射輻射又包含反射的太陽輻射的特點(diǎn)，李召良及其合作者通過引入中紅外通道信息來降低熱輻射方程間的相關(guān)性，同時(shí)利用白天和晚上數(shù)據(jù)來增加信息量，提出了中紅外與熱紅外數(shù)據(jù)協(xié)同反演地表溫度的“日夜法”，創(chuàng)建了多通道多時(shí)相地表溫度和比輻射率同時(shí)反演模型，解決了熱紅外地表溫度遙感反演的病態(tài)求解問題，實(shí)現(xiàn)了地表溫度和比輻射率的同時(shí)反演。

該方法的提出，顛覆了中紅外反演地表溫度將太陽輻射作為干擾源的傳統(tǒng)思維，在無需輸入地表比輻射率的情況下，將溫度反演誤差降低到0.7℃以內(nèi)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。隨著熱紅外高光譜傳感器的發(fā)展，“日夜法”也已成為地表溫度反演的主要方法，與此前首創(chuàng)的“局部分裂窗法”一起，占據(jù)了目前國際現(xiàn)有地表溫度反演方法的半壁江山。

穿透“云層關(guān)”，首創(chuàng)全天候高精度反演產(chǎn)品

熱紅外遙感探測波段一般在8～14微米之間。在晴空條件下，熱紅外遙感可較精確地反演地表溫度和比輻射率，但當(dāng)?shù)乇砩峡毡辉茖痈采w時(shí)，熱紅外與其它光學(xué)遙感一樣無法穿透云層捕捉地表信息，從而無法實(shí)現(xiàn)對地表溫度的全天候監(jiān)測。云層又給李召良及其團(tuán)隊(duì)的研究帶來另一個(gè)難題。

“微波遙感則與熱紅外相反，它受大氣干擾小，可穿透云層（甚至雨區(qū)）獲取地表輻射信息，具有全天候、多極化等特點(diǎn)，在地表溫度反演中具有獨(dú)特的作用?！焙芸欤钫倭技捌鋱F(tuán)隊(duì)的目光被被動(dòng)微波遙感吸引。

據(jù)介紹，被動(dòng)微波地表溫度反演方法研究始于20世紀(jì)90年代初期。被動(dòng)微波地表溫度物理反演算法以輻射傳輸理論為基礎(chǔ)，反演思路非常明確，但輻射傳輸模型中考慮的各項(xiàng)輻射源都有其自身的物理機(jī)理，而目前人們對這些機(jī)理的認(rèn)識尚不夠明確。為了解決未知數(shù)個(gè)數(shù)總是大于獨(dú)立測量值個(gè)數(shù)的問題，大部分物理模型都作了許多假設(shè)或者簡化，并引入了一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，尚沒有對地表溫度反演作出真實(shí)的、完全物理意義的定量描述。因此，基于微波輻射傳輸理論，建立具有完全物理意義的被動(dòng)微波地表溫度反演模型是目前急需研究解決的問題，也是被動(dòng)微波地表溫度遙感反演研究的主導(dǎo)方向。

于是，李召良帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)基于微波輻射傳輸理論，借鑒微波大氣輻射傳輸模型、植被輻射傳輸模型和土壤輻射傳輸模型，構(gòu)建了綜合的土壤—植被—大氣系統(tǒng)微波輻射傳輸模型，生成模擬數(shù)據(jù)庫；以模擬數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，建立了各頻率、各極化比輻射率之間的關(guān)系模型；通過探索各通道、各極化微波亮溫與地表溫度之間的關(guān)系，建立了被動(dòng)微波遙感地表溫度反演物理模型。最后，使用Aqua衛(wèi)星AMSR-E傳感器觀測的無云亮溫?cái)?shù)據(jù)和該衛(wèi)星上的由MODIS數(shù)據(jù)反演的地表溫度產(chǎn)品，對模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

經(jīng)過緊張的攻關(guān)，李召良等成功發(fā)展了被動(dòng)微波地表溫度反演的物理模型，突破了云雨壁障，解決了現(xiàn)有遙感產(chǎn)品因氣象因素造成的地表溫度缺省問題，實(shí)現(xiàn)了地表溫度的全天候遙感監(jiān)測。

然而，被動(dòng)微波雖可獲取有云時(shí)的地表輻射數(shù)據(jù)，但卻有明顯的缺陷：空間分辨率較低（十公里級到數(shù)十公里級），且得到的是地球表皮以下具有一定深度的土壤溫度。相反，熱紅外遙感雖然僅能獲取晴天條件下的地表溫度，但其空間分辨率較高（MODIS為1km， FY-2為5km）。能否將被動(dòng)微波遙感與熱紅外遙感相融合，取長補(bǔ)短呢？目前，國際上遙感數(shù)據(jù)融合的方法研究主要集中在多源原始數(shù)據(jù)信息的融合，以提高遙感數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率和地表參數(shù)的反演精度，但針對地表溫度產(chǎn)品本身的融合方法研究還未見報(bào)道。這是一個(gè)未知的領(lǐng)域，也是一個(gè)具有獨(dú)創(chuàng)性的研究思路。

面對科學(xué)問題，先要大膽假設(shè)，然后才是小心求證。李召良帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)根據(jù)輻射傳輸及能量守恒原理，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)模擬，首先將被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)反演的地表一定深度的土壤溫度，轉(zhuǎn)換為地面表皮溫度；然后結(jié)合地表分類等輔助數(shù)據(jù)，成功建立了像元內(nèi)有云部分被動(dòng)微波地面溫度產(chǎn)品與無云部分熱紅外地表溫度產(chǎn)品之間的融合模型，成功獲取了全天候高空間分辨率的地表溫度產(chǎn)品。這在國際上也是首創(chuàng)，為全天候、高空間分辨率地表溫度產(chǎn)品的生成提供了必不可少的方法。

突破“驗(yàn)證關(guān)”，解決像元尺度地表溫度驗(yàn)證難題

無論是熱紅外遙感數(shù)據(jù)，還是被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率都在1km以上，尤其是在下墊面復(fù)雜、覆蓋類型多樣的情況下，如何開展地表溫度的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，獲取地面驗(yàn)證所需要的數(shù)據(jù)，是李召良等需要解決的另一難題。這一難題能否有效解決，對模型的適用性以及地表溫度反演精度的驗(yàn)證至關(guān)重要。

李召良和團(tuán)隊(duì)

“由于地表溫度時(shí)空變化顯著，公里級尺度地表溫度的真值難以獲取。傳統(tǒng)的基于溫度的驗(yàn)證法僅適合于溫度均一地表，且只能在夜間開展。”李召良表示。為了解決這一難題，李召良及其合作者首創(chuàng)了“基于輻射能驗(yàn)證法”。運(yùn)用這一方法，無需測量地表溫度，只需測量大氣廓線，通過比對衛(wèi)星數(shù)據(jù)仿真值與實(shí)際觀測值，就可實(shí)現(xiàn)公里級尺度地表溫度的真實(shí)性檢驗(yàn)，開辟了像元尺度地表溫度驗(yàn)證的新途徑。

“基于輻射能驗(yàn)證法”的提出與成功應(yīng)用，使溫度驗(yàn)證從傳統(tǒng)的溫度均一地表擴(kuò)展到均質(zhì)非同溫地表，驗(yàn)證能力由傳統(tǒng)的夜間拓展到全天。同時(shí)，該方法也受到了國內(nèi)外的認(rèn)可。國際衛(wèi)星對地觀測委員會認(rèn)定地表溫度產(chǎn)品驗(yàn)證共有4種標(biāo)準(zhǔn)方法，“基于輻射能驗(yàn)證法”是其中的一種。目前，該方法已被應(yīng)用于中國、美國、歐盟等國家和地區(qū)發(fā)布的各種中、低空間分辨率衛(wèi)星遙感反演地表溫度產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)。

不經(jīng)歷風(fēng)雨，怎能見彩虹。20余年來的艱難跋涉，讓李召良在定量遙感基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究領(lǐng)域取得了突出的成就，當(dāng)選歐洲科學(xué)院院士，歐洲人文、藝術(shù)和科學(xué)院通訊院士，入選中組部“千人計(jì)劃”和中科院“百人計(jì)劃”，并受到國家基金委杰出青年科學(xué)基金的資助，還先后榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、測繪科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、法國功勛與奉獻(xiàn)金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?、法國棕櫚學(xué)術(shù)騎士勛章等榮譽(yù)。掌聲榮譽(yù)紛至沓來，但李召良絲毫未曾松懈，他又將目光投向了熱紅外超光譜地表溫度、比輻射率與大氣溫濕廓線一體化物理反演等基礎(chǔ)難題以及更廣闊的應(yīng)用研究上。