全球土壤水分站點空間代表性及影響評估有新方法

近日，中國科學院空天信息創新研究院研究員曾江源團隊在全球土壤水分站點的空間代表性及其影響因素研究方面取得進展，提出評估站點下墊面空間異質性的新方法。這一方法可以更好地探討現有全球土壤水分站點在衛星數據產品驗證中的可用性，為衛星土壤水分產品的有效驗證以及未來土壤水分站點的合理布設與應用提供方法與依據。2月5日，相關研究成果以《全球土壤水分站點的空間代表性及其影響因素》（Spatial representativeness of soil moisture stations and its influential factors at a global scale）為題，發表在《國際電氣與電子工程師協會-地球科學與遙感學報》（IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing）上。

衛星微波遙感尤其是被動微波遙感是獲取大尺度土壤水分信息最有效的手段之一，但受衛星傳感器天線尺寸的限制，存在空間分辨率低的問題。通常，地面站點觀測可以提供真實的土壤水分信息，被用于微波遙感土壤水分產品的精度驗證。然而，由于“像元（面）尺度”衛星觀測與“點尺度”地面觀測存在巨大的空間尺度不匹配問題，致使驗證結果存在較大不確定性。這一不確定性主要歸結于衛星像素內的下墊面異質性導致的站點空間代表性問題。但是，地表下墊面情況復雜多樣且缺乏衛星像元尺度的土壤水分真值，使得有效量化全球土壤水分站點的空間代表性及其影響因素成為挑戰。

該團隊就全球尺度土壤水分站點空間代表性如何度量、地表下墊面的空間異質性如何表征、空間異質性如何影響站點空間代表性三方面展開了研究，采用擴展三重匹配技術實現對站點的空間代表性評估；利用空間異質性指標和空間標準偏差，在全球尺度上量化了土壤質地、地表類型、海拔和植被覆蓋度等四種地表下墊面影響因素的空間異質性。同時，該團隊提出了考慮站點位置信息的下墊面異質性度量新指標——站點相似面積比。這一新指標的優勢在于同時考慮了衛星像素內環境因素的空間異質性以及站點的下墊面情況。

進一步，該研究分析了全球322個站點的空間代表性與環境異質性之間的關系。結果表明，地表類型是影響土壤水分站點空間代表性的主要因素。

該研究提出的站點空間代表性及其影響因素的評估框架具有普適性，可用于土壤水分觀測，亦可用于地表溫度、植被參數、積雪深度等其他地表參數，能夠更好地服務于衛星產品的可靠性驗證與應用。

研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院青年創新促進會優秀會員項目等的支持。

論文鏈接

數據信息