科研團(tuán)隊(duì)破解土壤水分監(jiān)測(cè)難題，為衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證提供“精準(zhǔn)標(biāo)尺” -行業(yè)動(dòng)態(tài)-儀器儀表資訊-阿儀網(wǎng)

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科研團(tuán)隊(duì)破解土壤水分監(jiān)測(cè)難題，為衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證提供“精準(zhǔn)標(biāo)尺”

發(fā)布時(shí)間：2025/2/7 10:16:49編輯：Ma Liang
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在廣袤的農(nóng)田里，土壤水分含量直接影響著作物收成；在干旱預(yù)警系統(tǒng)中，土壤水分是預(yù)測(cè)災(zāi)害的核心指標(biāo)；在氣候變化研究中，它更是解開地球水循環(huán)之謎的鑰匙。然而，如何準(zhǔn)確獲取大范圍土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，一直是科學(xué)界的難題。衛(wèi)星遙感技術(shù)雖能“一眼望千里”，但數(shù)據(jù)的真實(shí)性如何驗(yàn)證？地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)雖能“精準(zhǔn)把脈”，但其是否能真正代表衛(wèi)星像元內(nèi)方圓數(shù)十公里的復(fù)雜地表？

近日，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）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)）發(fā)表最新成果，在全球尺度上揭示了土壤水分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空間代表性，并創(chuàng)新提出“站點(diǎn)相似面積比”指標(biāo)，為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)驗(yàn)證提供了“精準(zhǔn)標(biāo)尺”。

衛(wèi)星“千里眼”遭遇地面“單點(diǎn)困局”

衛(wèi)星遙感，尤其是被動(dòng)微波遙感技術(shù)，如同懸于太空的“超級(jí)濕度計(jì)”，能每隔數(shù)日繪制一張全球土壤水分分布圖。然而，這些衛(wèi)星圖像的每個(gè)像素覆蓋范圍達(dá)數(shù)十平方公里，而地面監(jiān)測(cè)站僅能獲取“針尖大小”的數(shù)據(jù)。

“就像用一張低像素照片去比對(duì)顯微鏡下的細(xì)胞——二者尺度差異巨大，直接對(duì)比可能會(huì)產(chǎn)生誤差�！闭撐耐ㄓ嵶髡咴囱芯繂T解釋說(shuō)。

這種“面”與“點(diǎn)”的鴻溝，導(dǎo)致衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證長(zhǎng)期存在不確定性。例如，同一衛(wèi)星像素內(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)僅能反映其中一種環(huán)境。

“過(guò)去我們就像‘盲人摸象’，難以判斷一個(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�！闭撐牡谝蛔髡摺⒖仗煸捍T士生彭晨晨說(shuō)。

給地表做“CT掃描”：創(chuàng)新指標(biāo)破解異質(zhì)性難題

研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年，對(duì)全球322個(gè)土壤水分站點(diǎn)展開“地毯式排查”。他們創(chuàng)造性地引入“擴(kuò)展三重匹配技術(shù)”，將衛(wèi)星觀測(cè)、站點(diǎn)數(shù)據(jù)與高分辨率地表特征相結(jié)合，給地表做了一次精細(xì)的“CT掃描”。

“我們首次系統(tǒng)量化了土壤質(zhì)地、地表類型、海拔和植被覆蓋度四大因素的空間異質(zhì)性影響�！痹唇榻B說(shuō)，“比如有些站點(diǎn)所在下墊面的地表類型單一，站點(diǎn)代表性高達(dá)0.9；而在一些復(fù)雜地表類型區(qū)域，代表性可能驟降至0.4�！�

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)認(rèn)知中的土壤質(zhì)地差異，地表類型多樣性才是影響站點(diǎn)代表性的最關(guān)鍵因素——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。

“就像給每個(gè)站點(diǎn)配備‘環(huán)境身份證’，我們能精確評(píng)估它在多大范圍內(nèi)具有代表性�！痹磁e例說(shuō)，若某農(nóng)田站點(diǎn)的相似面積比達(dá)82%以上，意味著衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證時(shí)可重點(diǎn)參考該站點(diǎn)。

據(jù)介紹，該研究提出的站點(diǎn)空間代表性及其影響因素的評(píng)估框架具有普適性，不僅可用于土壤水分觀測(cè)，也可以用于地表溫度、植被參數(shù)、積雪深度等其他地表參數(shù)，能夠更好地服務(wù)于衛(wèi)星產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證與應(yīng)用。