地表土壤水分是陸表表層生態(tài)系統(tǒng)的重要參量，是控制地氣水分與熱量交換過程的關(guān)鍵要素，了解和掌握地表土壤水分時空動態(tài)變化，對理解地表水文過程在地球氣候、生態(tài)、和生物化學(xué)過程具有至關(guān)重要的作用。其中，衛(wèi)星遙感是實時、動態(tài)監(jiān)測區(qū)域地表土壤水分最為有效的手段之一。但是，當(dāng)前地表土壤水分的遙感估算方法，尤其是基于可見光、熱紅外的遙感觀測手段，在準(zhǔn)確表達(dá)地表土壤水分的時空方面還存在很大的不確定，而基于被動微波的土壤水分觀測手段，雖然觀測信號與地表土壤水分具有很高的相關(guān)性，但是由于其粗空間分辨率特征（網(wǎng)格尺度數(shù)十公里），很難滿足區(qū)域和局地尺度應(yīng)用需求。為了從土壤水分遙感估算模型和空間尺度方面解決上述問題，成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所趙偉副研究員等通過地面觀測數(shù)據(jù)與高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合以及多源遙感數(shù)據(jù)相耦合的方式，在遙感估算模型和空間尺度轉(zhuǎn)換方向取得系列研究進(jìn)展。 

　　研究團隊分別采用單一地表土壤水分觀測網(wǎng)絡(luò)及多個觀測網(wǎng)絡(luò)與美國Landsat-8高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，有效評估了傳統(tǒng)土壤水分估算模型及其改進(jìn)模型在不同植被指數(shù)配合下的地表土壤水分估算，成功解答了傳統(tǒng)模型估算的不確定及其誤差來源，并通過引入地表水體指數(shù)等水分脅迫因子對模型進(jìn)行了改進(jìn)，取得了非常好的效果。 

　　同時，研究團隊還在先期研究的基礎(chǔ)上，提出了采用隨機森林機器學(xué)習(xí)的方式，表達(dá)地表土壤水分隨地表關(guān)鍵參量之間的復(fù)雜關(guān)系式，參量包括地表溫度、植被指數(shù)、地表反照率、水體指數(shù)等，極大地提高了地表土壤水分的估算精度。在此基礎(chǔ)上，研究團隊提出了采用此機器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行被動微波的地表土壤水分降尺度研究，有效地將36-km分辨率的美國SMAP地表土壤水分產(chǎn)品空間尺度提升至1-km。通過與地面觀測站點的數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，該成果取得較好效果，不僅提升了估算精度，還顯著提高空間變化刻畫的準(zhǔn)確性。 

　　以上工作作為地表土壤水分遙感估算的基礎(chǔ)性工作，研究工作系統(tǒng)，結(jié)果可期，對未來開展面向山地地表土壤水分估算提供了較好的方法探索。 

　　以上研究得到了國家自然科學(xué)基金（41771409、41631180、41401425）、成都山地所青年百人團隊項目、中科院青促會項目的支持。系列成果發(fā)表在領(lǐng)域TOP期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、Journal of Hydrology上。 

　　原文鏈接：

　　https://ieeexplore.ieee.org/document/7847369 

　　https://ieeexplore.ieee.org/document/8003357/ 

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169418305031

　　傳統(tǒng)土壤水分估算模型反演結(jié)果（左列）與改進(jìn)模型估算結(jié)果（右列）

　　不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)組合下的地表土壤水分降尺度結(jié)果