我院申晓骥、张珂团队在《Remote Sensing of Environment》发表P波段微波遥感观测土壤湿度新成果

针对当前全球土壤湿度遥感产品在高植被覆盖地区精度不高的问题，我院申晓骥副教授、张珂教授等提出了使用更长波长的微波波段（P波段）同时观测土壤湿度和植被光学厚度的模拟模型及反演算法，为下一代基于P波段的土壤湿度遥感卫星提供了理论基础和模型支持，该成果于近期在遥感顶刊《Remote Sensing of Environment》上发表。该论文第一作者为申晓骥副教授，张珂教授为通讯作者。

L波段被动微波具备一定的穿透植被和土壤的能力，并对土壤水分高度敏感。基于此技术，欧洲空间局（ESA）和美国宇航局（NASA）分别发射了SMOS和SMAP卫星，实现了每2-3天一次的全球表层土壤水分的常态化观测。然而， SMAP和SMOS的L波段微波辐射计仅能观测到土壤表层几个厘米以内的水含量，较浅的观测深度严重限制了其数据的应用价值。针对这一问题，团队研究提出了使用更长波长（P波段）的微波辐射计观测亚表层土壤湿度的理论假设，并搭建了全球首个P、L波段辐射计同步观测实验平台验证了该假设，系列成果已发表于《Remote Sensing of Environment》、《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》等权威期刊。

另一方面，针对目前全球土壤湿度遥感产品在高植被覆盖地区精度严重下降的问题，团队提出了适用于P波段观测亚表层土壤湿度的前向模型和反演算法，对比了P、L波段在极高植被含水量（~20 kg/m²）条件下的反演表现。结果显示，P波段和L波段的植被含水量阈值分别为7.7 kg/m²和4.0 kg/m²，可以理解为P波段微波辐射在穿透植被的效果方面约为L波段的两倍。

图1. 两种反演策略的流程图：a) 使用辐射亮度温度（TB）观测数据和实测土壤水分进行植被光学厚度（VOD）反演，b) 使用TB观测数据同时反演土壤水分和VOD。

此外，研究发现在高植被含水量情况下，微波植被光学厚度与植被水含量之间的关系呈现对数关系，这挑战了长久以来的线性关系假设。同时，研究发现由于P波段双极化亮度温度观测中包含更多的独立信息，其反演结果较L波段更为稳健。研究将推动微波遥感技术在全球变化监测中的应用，为实现精确的土壤水分和植被光学厚度监测提供新方法。

图2. 当植被水含量（VWC）为6.0 kg/m²时计算的三种不同方案的代价函数（CF）。黄色圆圈表示反演迭代收敛的实际位置，即CF达到最小值的位置。绿色三角形表示反演目标，即实测土壤水分和基准VOD。

论文链接：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