農業遙感關鍵氣象參數反演演算法研究
隨著空天一體化監測技術的進步，它也逐漸應用於各個領域。今天小慧為大家介紹的就是空天一體化監測技術服務於三農的一項科研成果——農業遙感關鍵氣象參數反演演算法研究。這一成果在2017年獲得過中國農業科學院青年科技創新一等獎、中國農業科學院建院60周年卓越奉獻獎兩項榮譽 。下面我們就來深入了解一下吧！
農業遙感關鍵氣象參數反演演算法研究
成果名稱：農業遙感關鍵氣象參數反演演算法研究
主要完成單位：中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所
主要完成人員：毛克彪等
起止時間：2000年01月—2016年01月
獲獎情況：中國農業科學院青年科技創新一等獎，中國農業科學院建院60周年卓越奉獻獎
內容提要：
毛克彪研究團隊面向國家對農業氣象災害和農情監測信息高效獲取的迫切需求，創建了基於高-中-低解析度遙感數據的地表溫度、近地表空氣溫度、土壤水分、大氣水汽含量和地表發射率等關鍵氣象參數的反演技術，每個參數反演演算法都具有原創性，均發表在國內外本領域最權威的刊物上，具有全球遙感監測業務應用能力。
溫度和土壤水分是表徵地球各圈層（岩石圈、水圈、大氣圈和生物圈）之間能量傳輸的一個重要的物理量，地面溫度（包括地表和近地表）是研究地表和大氣之間物質和能量交換、全球海洋環流、氣候變化異常等方面不可或缺的重要參數，涉及眾多基礎學科和重大應用領域。運用衛星遙感技術快速準確地獲取大面積、長時間序列的地表溫度，是順應當前科學技術發展趨勢，是應對多種自然災害等諸多問題迫切需要開展的研究課題，其研究成果既具有重大的科學意義，同時也具有重要的社會經濟價值。
地表熱輻射在通過大氣達到衛星感測器的過程中，主要受地表類型和土壤水分，近地表空氣溫度和大氣水汽含量的影響。地表溫度反演演算法推導是基於地表熱輻射傳導及其通過大氣到達感測器的傳送過程，其反演方程通常表達為式1所示，式中左邊為衛星接收的星上輻射，右邊第一項為大氣輻射影響，右邊第二項為地表輻射。其中為衛星上接收到的星上輻射（已知數），為大氣透過率（未知數），為地表溫度（未知數），為近地表空氣溫度（未知數），為地表發射率（未知數），即一個方程4個未知數，其關係如圖1所示。
圖1 地表溫度反演過程影響因素（土壤水分，地表溫度，近地表空氣溫度和大氣水汽含量影響整個輻射傳輸過程）
從圖1中可以看出，氮磷鉀溶解在土壤水分裡面，土壤水分的變化影響介電常數變化，從而改變發射率，發射率變化影響地表的輻射效率，而地表溫度變化決定土壤水分的蒸發速度，從而影響與近地表空氣的能量交互，改變近地表空氣溫度；近地表空氣溫度的變化影響大氣剖面，從而決定大氣平均作用溫度；在地表熱輻射經過大氣時，被大氣水汽吸收，然後達到衛星感測器。因此，在利用單波段熱紅外感測器準確計算地表溫度過程中，必須滿足三個條件：獲取大氣水汽含量計算大氣透過率；獲取近地表空氣溫度估算大氣平均作用溫度；已知地表類型和土壤水分準確估算地表發射率。
潛心研究新方法
以往大部分研究人員只集中在輻射傳輸方程中某一個部分的改進提高反演精度，毛克彪研究團隊為了系統性提高地表溫度、近地表空氣、大氣水汽和土壤水分等相關參數反演精度，在幾個關鍵參數獲取方面都做了大量創新研究工作。簡單介紹如下：
一是提出新的微波極化指數構建土壤水分方法，提高了土壤水分估算精度和實用性：可見光、近紅外和熱紅外由於受雲的影響比較大，而且不能穿透地面，只能通過地表反射信號獲取目標物信息，在土壤水分監測精度方面受到比較大的限制。我們針對被動微波數據AMSR-E/AMSR提出了利用同頻率和不同極化建立微波指數閾值判斷不同的地表類型，利用AIEM模型模擬不同頻率和同極化（V）建立與土壤水分變化的關係，並推導建立土壤水分反演模型和演算法。由於不同地面土壤質地和植被類型差異比較大，進一步提出利用地面觀測站點數據進行修正。通過反演分析表明，我們提出的演算法能很好反演土壤水分變化，為草地生態模型和土壤墒情監測提供準確的土壤水分數據。
圖2 全國土壤水分反演結果圖
二是發明了一套利用GPS地面反射信號估算土壤水分的儀器和方法，填補了國內陸地高空利用GPS地面反射信號大面積估算土壤水分儀器的空白。GPS 系統是20世紀90年代發展起來的衛星導航系統，在導航領域取得了巨大的社會和經濟效益。歐空局(ESA)）提出GPS L波段信號可以作為海洋散射計，Hall and Cordey 1988年在國際地理與遙感學會上第一次強調了這點，後來人們把基於GPS反射信號的遙感技術簡稱為GNSS-R（global navigation satellite system-reflection）技術。現在GPS海面反射信號在海洋上的應用究已經取得了很大的進展。GPS衛星廣播頻率中民用導航信號L1（1.58GHz）對土壤水分非常敏感，因此非常適合用來監測土壤水分的變化。目前，基於GNSS-R信號反演土壤水分反演仍然是當前的一個研究熱點和難點，至今還沒有一種實用的土壤水分監測方法發表，現今這個領域的大部分工作都是實驗性的或研究性的，特別是植被覆蓋地區需要進一步加強研究。我們利用GPS地面反射信號對土壤水分變化監測進行了研究，設計了一套裝置和提出了新的監測方法，並獲得了發明專利。通過GNSS-R信號監測土壤水分時空變化規律，將大大提高和完善草原水熱參數反演精度，並為生態和氣候變化模型提供準確的數據。
圖3 GPS土壤水分反演儀器草原實驗與應用
三是在晴空條件下，通過利用近紅外波段估算大氣水汽含量，克服了以往演算法需要從氣象站點獲得水汽的困難，提出了地表溫度和發射率分步反演的新劈窗演算法，簡化了反演過程，提高了反演精度；針對多熱紅外波段數據，通過建立鄰近波段發射率之間的關係，克服方程不足的困難，提出了同時反演地表溫度和發射率的多波段反演演算法，並利用神經網路進行優化計算，大大提高了反演精度和演算法適用性。針對兩個波段的熱紅外數據，從熱輻射傳輸方程出發，通過理論推導，提出了地表溫度和發射率分步反演的新方法。第一步：在對不同熱紅外波段建立輻射傳輸方程組的基礎上，對Planck函數進行線性簡化，簡化輻射方程組；第二步：利用可見光波段PV指數計算不同熱紅外地表發射率；第三步：利用近紅外波段估算大氣水汽含量，並計算熱紅外波段大氣透過率；第四步：估算地表溫度。針對多個波段的熱紅外數據，繼續提出了同時反演地表溫度和發射率的多波段方法。利用不同熱紅外波段發射率之間的關係建立鄰近波段發射率之間的函數關係，從而得到與未知數相同的方程組數，解決了熱紅外地表溫度和發射率同時反演方程不足的病態問題。該方法進一步利用大氣輻射傳輸模型模擬保證了地球物理參數之間的物理關係，和動態學習神經網路內含分類信息和優化計算的能力，從而提高了地表溫度和發射率同時反演精度。大氣輻射傳輸模型與神經網路複合來反演地球物理參數是當前反演技術一個很大進步。
四是提出利用卡曼濾波迭代優化方法提高大氣水汽含量估算精度，首次提出利用先驗知識和人工智慧方法使得直接大面積地從遙感數據反演近地表空氣溫度成為可能，提高了演算法普適性，在晴天條件下針對中高解析度熱紅外遙感數據分別提出了新的地表溫度反演方法，提高了反演精度與實用性，簡化了反演過程。為了克服熱紅外遙感的地表溫度反演的缺陷，還提出了全天候的被動微波數據地表溫度反演方法，克服熱紅外遙感受雲影響的缺陷。2008年春節前夕，一場突如其來的雨雪冰凍災害席捲溫暖如春的我國南方，一時間，城鄉交通、電力、通信等設施遭受重創，百姓生活受到嚴重影響，經濟損失巨大。監測災情發展迫在眉睫。由於南方雪情複雜，常規監測演算法失效，使得國內各個國家自然災害監測中心無法獲得地面雪災信息。毛克彪應中國遙感地理學家李小文院士的邀請參加冰雪災害監測。毛克彪綜合利用自己提出的演算法用兩天兩夜的時間將雪災情況分布圖製作出來，經過李小文修正後提交到了國務院和農業部等相關部門，得到了國家遙感中心領導和李小文的高度讚揚。為遙感界爭得了榮譽，為救災提供了有力的支撐信息，凸顯了遙感在大尺度災害監測中的作用。近年來，毛克彪等對近10年的全球溫度等相關參數分析指出，在北美洲西部，特別是西北部，溫度變化異常，這個地區未來幾年將會有大地震等相關災害相繼發生，在澳大利亞東部也存在類似的問題，但北美洲西部和西北部更加嚴重。研究成果為全球災害監測和預測提供技術和理論支持。
圖4 近10年全球溫度空間分布變化率圖
提出新理論
近年來，毛克彪等研究當前氣候變化預測模型存在的問題，首次提出了建立基於大數據和萬有引力空間（星體軌道變化）氣候變化和大生態系統模型的理論思想。他通過對太陽系星體運行軌道（如下圖所示）和全球遙感等數據證明：地球溫度變化主要是由地球在太陽系和銀河系中的軌道位置所處能級決定，地球內部能夠自我調節溫度，人類對地球溫度變化影響不大，特別是二氧化碳的排放對地球溫度的影響只是起到擾動或微調作用。他舉了一個簡單證明就是地球一天二十四小時溫度變化是由地球自轉決定的，每年春夏秋冬溫度和植被四季變化是地球繞太陽公轉決定的，更長周期的溫度和植被時空變化是由太陽和其它星體公轉決定，二氧化碳對地球溫度變化影響非常小。
圖5 天體周期運動引起地球氣候變化
大氣中的二氧化碳濃度增加，按照常理大氣溫度升高，大氣水汽飽和度增加，溫度繼續升高，反覆疊加，溫度會持續增加；然而數據分析表明大氣中的水汽含量下降，從而部分抵消了二氧化碳的影響，溫度不是線性上升（如下圖所示）。
圖6 全球二氧化碳、全球平均水汽和全球平均溫度變化圖
毛克彪提出地球溫度和生態系統時空變化是由地球在太陽系和銀河系中的軌道位置所處的能級決定，當人類釋放大量的二氧化碳導致溫度升高時，地球為了維持自身的穩定，就會通過調節大氣水汽和其它氣體成分變化或者火山噴發釋放氣溶膠到大氣中或者調節海洋地下火山噴發的大小改變海水溫度，從而使調節溫度變化。另外，毛克彪通過分析全球植被遙感數據研究發現全球的植被也隨「星體軌道變化-氣候變化-溫度變化-二氧化碳變化-水汽變化」而變化，赤道地區的植被每年以0.11%速度在減少（水汽在此也減少），北高緯植被每年以0.17%的速度在增加（水汽在此相應增加）。植被大規模時空變化人為因素影響很小，不同地區增加或減少主要是由於星體周期變化，磁場引力變化等引起的。他同時提出地球上的每個物種的出現、遷移和消失在某種程度也是由星體引力和磁場變化及周期等因素決定，引力場和磁場的變化直接影響到各物種在自然界的生存能力，主要原因是各種物種都是由分子原子構成，都受到引力和磁場的作用。通過對天體運行軌道分析，首次提出地球溫度變化主要由地球在太陽系中的軌道能級位置決定，氣象（天氣）和生態系統的時空變化是地球內部系統為適應天體運行（太陽系和銀河系）軌道位置變化的主要內在調節形式的理論。
通過建立太陽系圍繞銀河系的運行簡單模型圖，提出地球磁場逆轉或者大的變化主要是由於太陽和其它星體運行軌道位置臨界點轉換而形成（類似地球的春分、夏至、秋分和冬至），地球等星體運行軌道呈橢圓形主要是由於太陽同時也在運動造成。地球各板塊運動、地球上不同時期各種生物的出現、遷移和消失是由天體運行軌道位置決定。在此基礎上，毛克彪繼續提出建立以大數據思維建立綜合氣候變化和大生態系統模型理論：以開普勒三定律和萬有引力定律為基礎，建立一個以太陽或者銀河係為中心的引力和磁場變化模型，模擬在行星運動過程中，磁場和引力方向變化以及太陽輻射變化怎樣驅動地球大氣水汽（雲）、洋流運動和岩漿運動等、從而引起每天不同的天氣和生態系統變化，特別是模擬引力場和磁場方向突變引起地震和火山噴發，從而更加準確地預報重大自然災害。由於星體運行周期長，人類缺乏觀測數據和觀測技術，可以利用地球極端氣候周期變化反推天體運動規律和發現新的天體，用大數據思維建立複雜氣候變化模型和生態物種演化模型是未來地學等領域研究的趨勢。此理論的提出為空間氣候變化和生態系統模型研究開闢了新的研究途徑和新的學科研究方向，對空間氣候變化變化和災害預測以及生態物種演化等研究具有重大意義。
編輯/郭梅 審核/韓磊
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