近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（空天院）遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員曾江源課題組基于多種評(píng)估策略在全球尺度上對(duì)微波土壤水分產(chǎn)品進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)與誤差溯源研究。

　　土壤水分是儲(chǔ)存于土壤中的水分，作為土壤的重要組成部分以及植物吸水的最主要來源，影響全球水、碳、能量循環(huán)，在作物估產(chǎn)、干旱監(jiān)測(cè)、洪澇預(yù)警、天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

　　微波遙感具備全天時(shí)全天候觀測(cè)能力以及對(duì)土壤介電特性敏感的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是目前大尺度監(jiān)測(cè)土壤水分最有效的手段。中美歐日等現(xiàn)有國際主流的八種微波土壤水分產(chǎn)品，包括：SMAP（DCA、IB和MTDCA）、SMOS-IC、AMSR2（LPRM和JAXA）、FY-3C和ESA CCI，在全球尺度上存在巨大的差異（圖1）。因此，進(jìn)行衛(wèi)星土壤水分產(chǎn)品全面的可靠性檢驗(yàn)與誤差溯源，對(duì)產(chǎn)品的使用及改進(jìn)尤為重要。

　　

 圖1 現(xiàn)有主流八種微波土壤水分產(chǎn)品在2016-2019年的標(biāo)準(zhǔn)差STD(m³m^-3)全球分布圖

　　以往的土壤水分評(píng)估方法主要包括：基于空間無縫的模型產(chǎn)品的交叉驗(yàn)證、能夠有效緩解空間尺度不匹配的密集觀測(cè)網(wǎng)地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的直接驗(yàn)證，以及數(shù)學(xué)誤差度量方法如擴(kuò)展的三重配置（ETC）方法的“真值”驗(yàn)證。然而，尚未有研究從全球尺度全面對(duì)比現(xiàn)有三種土壤水分產(chǎn)品評(píng)估方法的差異和適用性；同時(shí)，以往評(píng)估工作大多僅聚焦于產(chǎn)品的精度指標(biāo)，缺乏產(chǎn)品系統(tǒng)性的誤差溯源，尤其鮮有揭示不同地表異質(zhì)性條件對(duì)土壤水分產(chǎn)品精度影響。

　　研究團(tuán)隊(duì)首次利用三種評(píng)估方法：ERA5產(chǎn)品（一種基于模型/再分析的交叉驗(yàn)證方法）、全球密集觀測(cè)網(wǎng)、ETC方法，在全球尺度上對(duì)八種主流微波土壤水分產(chǎn)品進(jìn)行了綜合評(píng)估，總結(jié)了三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，并給出了三種方法的使用建議（如表1所示）：

　?。?）基于模型/再分析的交叉驗(yàn)證，可以獲得全球的評(píng)估結(jié)果，但因模型產(chǎn)品本身存在誤差，需要在使用前進(jìn)行篩選；

　?。?）利用密集觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以獲得較高可靠度的驗(yàn)證結(jié)果，但地面觀測(cè)站點(diǎn)分布稀疏且不均勻，只能滿足小區(qū)域尺度的評(píng)估需求；

　?。?）ETC方法在滿足數(shù)據(jù)假設(shè)的前提下可以獲得大尺度范圍產(chǎn)品相對(duì)于“真值”的隨機(jī)誤差標(biāo)準(zhǔn)差（ESD）和相關(guān)系數(shù)（R），如圖2所示，展示了基于ETC方法的八種產(chǎn)品最優(yōu)相關(guān)系數(shù)R和ESD全球分布圖。但該類方法計(jì)算需要符合相關(guān)的假設(shè)條件（如用于ETC組合的數(shù)據(jù)間誤差不相關(guān)等），這些假設(shè)條件在某些情況下難以滿足，會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域計(jì)算結(jié)果存在空間缺失。

表1? 三種評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)及使用建議總結(jié)

　　

 

　　圖2?基于ETC方法的八種產(chǎn)品最優(yōu)R和ESD全球分布圖(a) R,? (b) ESD (m³m^-3)

　　研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)分析了不同地表異質(zhì)性條件下，包括：植被覆蓋度異質(zhì)性（SD-LAI）、地表類型異質(zhì)性（GSI-LC）、地形異質(zhì)性（SD-Elevation）和土壤質(zhì)地異質(zhì)性（GSI-ST），微波土壤水分產(chǎn)品的誤差表現(xiàn)（圖3）：

　?。?）土壤水分產(chǎn)品的精度受到不同地表異質(zhì)性的影響，其中植被覆蓋度異質(zhì)性和地表類型異質(zhì)性對(duì)精度的影響最大；

　　（2）隨著地形異質(zhì)性的增加，微波土壤水分產(chǎn)品的誤差也會(huì)相應(yīng)增大。相比之下，土壤質(zhì)地異質(zhì)性對(duì)土壤水分產(chǎn)品精度的影響并不顯著；

　?。?）相比于低頻的L波段土壤水分產(chǎn)品，高頻的C/X波段產(chǎn)品受地表異質(zhì)性的影響更加顯著。

　　研究表明，地表異質(zhì)性尤其是植被覆蓋度及地表類型異質(zhì)性對(duì)土壤水分產(chǎn)品精度有不可忽略的影響，而在目前國際主流的微波土壤水分反演算法中，均未考慮地表異質(zhì)性的影響。因此，后續(xù)的算法改進(jìn)中，應(yīng)該考慮對(duì)地表異質(zhì)性影響的校正，從而進(jìn)一步提高土壤水分算法的反演精度。

　　

 

　　圖3 微波土壤水分產(chǎn)品在不同地表異質(zhì)性條件下的ESD結(jié)果圖(a) SD-LAI, (b) GSI-LC, (c) SD-Elevation, (d) GSI-ST

　　研究成果“Global-Scale Assessment of Multiple Recently Developed/Reprocessed Remotely Sensed Soil Moisture Datasets”近期發(fā)表于遙感領(lǐng)域頂級(jí)期刊《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》。空天院在讀碩士生王攀山為第一作者，空天院副研究員曾江源為通訊作者。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(huì)優(yōu)秀會(huì)員等項(xiàng)目資助。