我院申曉驥、張珂團(tuán)隊(duì)在《Remote Sensing of Environment》發(fā)表P波段微波遙感觀測土壤濕度新成果

針對當(dāng)前全球土壤濕度遙感產(chǎn)品在高植被覆蓋地區(qū)精度不高的問題，我院申曉驥副教授、張珂教授等提出了使用更長波長的微波波段（P波段）同時觀測土壤濕度和植被光學(xué)厚度的模擬模型及反演算法,，為下一代基于P波段的土壤濕度遙感衛(wèi)星提供了理論基礎(chǔ)和模型支持，該成果于近期在遙感頂刊《Remote Sensing of Environment》上發(fā)表。該論文第一作者為申曉驥副教授,，張珂教授為通訊作者。

L波段被動微波具備一定的穿透植被和土壤的能力,，并對土壤水分高度敏感,。基于此技術(shù),，歐洲空間局（ESA）和美國宇航局（NASA）分別發(fā)射了SMOS和SMAP衛(wèi)星,，實(shí)現(xiàn)了每2-3天一次的全球表層土壤水分的常態(tài)化觀測。然而,， SMAP和SMOS的L波段微波輻射計(jì)僅能觀測到土壤表層幾個厘米以內(nèi)的水含量,，較淺的觀測深度嚴(yán)重限制了其數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值。針對這一問題,，團(tuán)隊(duì)研究提出了使用更長波長（P波段）的微波輻射計(jì)觀測亞表層土壤濕度的理論假設(shè),，并搭建了全球首個P、L波段輻射計(jì)同步觀測實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了該假設(shè)，系列成果已發(fā)表于《Remote Sensing of Environment》,、《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》等權(quán)威期刊,。

另一方面，針對目前全球土壤濕度遙感產(chǎn)品在高植被覆蓋地區(qū)精度嚴(yán)重下降的問題,，團(tuán)隊(duì)提出了適用于P波段觀測亞表層土壤濕度的前向模型和反演算法,，對比了P、L波段在極高植被含水量（~20 kg/m2）條件下的反演表現(xiàn),。結(jié)果顯示,，P波段和L波段的植被含水量閾值分別為7.7 kg/m2和4.0 kg/m2，可以理解為P波段微波輻射在穿透植被的效果方面約為L波段的兩倍,。

圖1.?兩種反演策略的流程圖：a) 使用輻射亮度溫度（TB）觀測數(shù)據(jù)和實(shí)測土壤水分進(jìn)行植被光學(xué)厚度（VOD）反演,，b) 使用TB觀測數(shù)據(jù)同時反演土壤水分和VOD。

此外,，研究發(fā)現(xiàn)在高植被含水量情況下,，微波植被光學(xué)厚度與植被水含量之間的關(guān)系呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系，這挑戰(zhàn)了長久以來的線性關(guān)系假設(shè),。同時,，研究發(fā)現(xiàn)由于P波段雙極化亮度溫度觀測中包含更多的獨(dú)立信息，其反演結(jié)果較L波段更為穩(wěn)健,。研究將推動微波遙感技術(shù)在全球變化監(jiān)測中的應(yīng)用,，為實(shí)現(xiàn)精確的土壤水分和植被光學(xué)厚度監(jiān)測提供新方法。

圖2.?當(dāng)植被水含量（VWC）為6.0 kg/m2時計(jì)算的三種不同方案的代價函數(shù)（CF）,。黃色圓圈表示反演迭代收斂的實(shí)際位置,，即CF達(dá)到最小值的位置。綠色三角形表示反演目標(biāo),，即實(shí)測土壤水分和基準(zhǔn)VOD,。

論文鏈接：Shen, X., Fan, L., Zuo, T., Cui, T., Wu, J., Ye, N., Brakhasi, F., Wu, X., Zhu, L., Wigneron, J.-P., Walker, J.P., Zhang, K.*, 2024. P-band radiometry for enhanced vegetation optical depth (VOD) and soil moisture retrieval in dense crop canopies. Remote Sensing of Environment 313, 114353.

https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114353