實(shí)驗室在主被動微波聯(lián)合反演全球高精度土壤水分方面取得新進(jìn)展
來源：發(fā)布時間：2024-09-02
近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室聯(lián)合法國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等科研人員，首次在全球尺度，利用SMAP衛(wèi)星被動輻射計L波段數(shù)據(jù)與目前唯一在軌運(yùn)行的大尺度觀測的ASCAT衛(wèi)星主動散射計C波段數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)表層土壤水分的高精度反演（圖1）。
圖1 基于被動SMAP和主動ASCAT的主被動微波聯(lián)合土壤水分反演流程圖
土壤水分作為影響全球水、碳、能量循環(huán)的重要參量，與植被含水量一起被認(rèn)為是能夠識別陸地生態(tài)系統(tǒng)主要變化的兩個核心變量。獲取高精度土壤水分信息對于糧食安全、水資源優(yōu)化與管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等至關(guān)重要。
全天時、全天候工作的主動和被動微波遙感被認(rèn)為是目前大尺度監(jiān)測土壤水分最有效的手段，但單一的主動或被動微波觀測反演的土壤水分在精度、時間或空間分辨率上均會受到不同程度的限制。而主被動微波聯(lián)合反演土壤水分的研究，尤其是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)研究，往往缺乏對微波輻射傳輸過程中影響土壤水分的誤差源的系統(tǒng)考慮。
另一方面，作為目前全球最新的L波段SMAP衛(wèi)星，設(shè)計初衷是進(jìn)行主被動聯(lián)合反演土壤水分，但SMAP衛(wèi)星的主動傳感器在發(fā)射后就停止工作。雖然后期采用C波段的Sentinel-1數(shù)據(jù)替代，依舊面臨不同衛(wèi)星觀測平臺時空覆蓋不一致、數(shù)據(jù)組織方式不一致、精度提升受限等一系列問題。
ASCAT衛(wèi)星作為目前和SMAP觀測尺度較接近的C波段主動微波散射計，能提供精度較高的后向散射數(shù)據(jù)，二者具有匹配能力，但目前聯(lián)合兩者進(jìn)行土壤水分反演的研究還相當(dāng)匱乏。
基于此，研究團(tuán)隊利用SMAP衛(wèi)星被動輻射計L波段數(shù)據(jù)與ASCAT衛(wèi)星主動散射計C波段數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)表層土壤水分的高精度反演。研究團(tuán)隊首先利用多種策略保證聯(lián)合反演的準(zhǔn)確性和可靠性：
其一，基于研究團(tuán)隊以往開展的土壤水分算法誤差溯源工作，在模型訓(xùn)練過程中充分考慮輻射傳輸過程中涉及的可能誤差源如地表粗糙度、土壤溫度、植被、土壤屬性及地表類型空間異質(zhì)性等變量，同時考慮了土壤水分的主要來源如降水等，以及衛(wèi)星信號的時空信息，引入多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，開展建模能力對比研究；
其二，基于國際土壤水分觀測網(wǎng)ISMN和美國農(nóng)業(yè)部CVS的全球地面密集觀測網(wǎng)對結(jié)果展開驗證和分析，最大程度緩解地面觀測和微波像元觀測的空間不匹配問題；同時針對數(shù)據(jù)驅(qū)動的驗證問題，分別設(shè)計時間和空間獨(dú)立的評估策略來保證建模和驗證的可信度；
其三，開展多產(chǎn)品多模式對比研究，充分挖掘研究設(shè)計的主被動聯(lián)合反演相對于數(shù)據(jù)驅(qū)動的主動、被動單獨(dú)反演，以及與已有的主動ASCAT、被動SMAP和主被動融合ESA CCI等國際官方產(chǎn)品的優(yōu)勢；
其四，深入分析建模過程中的參數(shù)敏感性以及主被動聯(lián)合對于土壤水分產(chǎn)品時間分辨率提高的優(yōu)勢。
之后，研究團(tuán)隊通過開展時間和空間獨(dú)立性驗證，證明主被動聯(lián)合反演算法可提供全球尺度更高精度的土壤水分遙感產(chǎn)品：
首先，根據(jù)時間獨(dú)立性驗證策略，基于全球地面密集網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，對比包括隨機(jī)森林（RF）、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）、支持向量機(jī)（SVM）和級聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）四種數(shù)據(jù)驅(qū)動模型對于開展主被動聯(lián)合反演的效果（圖2）。隨機(jī)森林RF獲得了更高的時間相關(guān)系數(shù)R和更小的ubRMSE，作為后續(xù)主被動聯(lián)合反演的主要工具。
圖2 四種數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進(jìn)行主被動聯(lián)合土壤水分反演效果對比
圖3 研究提出的主被動聯(lián)合反演的土壤水分（Integration）、被動SMAP、主動ASCAT以及主被動融合ESA CCI產(chǎn)品與地面實(shí)測土壤水分的時序?qū)Ρ?/div>
論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425724002153?via%3Dihub
圖4 四種土壤水分產(chǎn)品月均值的空間分布對比（以2018年6月為例）
圖5 主被動聯(lián)合反演的土壤水分與被動SMAP、主動ASCAT的時空覆蓋率對比（以2018年為例）
其次，基于空間獨(dú)立性驗證策略，利用地面實(shí)測數(shù)據(jù)，將主被動聯(lián)合反演的土壤水分產(chǎn)品與已有產(chǎn)品進(jìn)行對比（圖3）。結(jié)果表明：研究提出的主被動聯(lián)合算法反演的土壤水分精度優(yōu)于官方的被動SMAP、主動ASCAT和主被動融合的ESA CCI產(chǎn)品；主被動聯(lián)合反演結(jié)果可以獲得更為合理的土壤水分空間分布（圖4），且在時空覆蓋率上相比單一的被動SMAP和主動ASCAT產(chǎn)品有明顯提高（圖5）。
另外，基于相似的反演框架（即使用的輔助數(shù)據(jù)一致），通過對比單獨(dú)被動、單獨(dú)主動和主被動觀測同時使用的反演效果，也進(jìn)一步證實(shí)主被動聯(lián)合反演土壤水分相較于單一主、被動反演結(jié)果的優(yōu)勢。
研究成果近期發(fā)表于中國科學(xué)院一區(qū)Top期刊Remote Sensing of Environment。法國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后馬宏亮為第一作者，空天院副研究員曾江源為通訊作者。合作單位還包括中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），德國亥姆霍茲環(huán)境研究中心和美國農(nóng)業(yè)部等。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員等項目資助。
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