更精准地为地球测“体温”——记中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员李召良

本刊记者　王海涛

李召良

遥感科学本身就带有交叉学科的胎记，要做研究本非易事，而地表温度热红外遥感反演作为遥感地学分析的一个重要研究领域，其研究难度更是剧增。

地表温度可以形象地理解为地球的“皮肤”温度。要获知全球的地表温度，一般通过卫星获取地面的辐射能量进而用物理的方法反演。如果要更精准地为地球测“体温”，研究者就需要针对不同的气候条件、地表形态甚至观测时间、观测角度等展开系列研究，这些难题就像一道道关卡横在相关研究的前路。

雄关漫道真如铁，有志者从不会被困难打倒。而今迈步从头越，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员、中组部“千人计划”专家、欧洲科学院院士李召良凭着扎实的学术积淀和坚韧的斗志，长期致力于定量遥感基础理论和应用研究，突破了一道道难关，在地表温度遥感领域取得了举世公认的成就，为更精准地为地球测“体温”做出了卓越贡献。

闯过“天地关”，首创“局部分裂窗法”和“日夜法”

长期以来，科学家采用定点测量的办法来获得地表温度。据了解，传统的研究思路是：先测量大气廓线，然后通过辐射传输模型估算大气的影响，再从卫星测量的辐射能量里面去掉大气影响，得到地面辐射。

“这种方法首先比较麻烦，每次要测量地表温度时，必须在一个地点放一个探空气球，而探空气球只能代表方圆几公里或者几十公里情况，如果要想知道几十公里之外的情况，就又得放一个，非常不实用，只能做些实验性的工作。另外，地表有高低起伏，在平地放的探空气球得到的辐射能量，并不能代表山上的情况。”李召良介绍，受太阳辐射、地形地貌、地表覆盖、大气环流等因素的影响，地表温度动态变化性强，定点测量的地表温度区域代表性受到很大限制，无法精确表征区域或全球尺度地表温度的时空分布特征，严重制约了地球科学的深入研究与发展。

随着科学技术的进步，新兴的热红外遥感技术为高时效、高精度获取区域或全球尺度的地表温度带来了希望。然而，热红外卫星传感器测量的是经大气作用后到达其高度的地表辐射能。如何从这个辐射能中定量反演获得高精度地表温度是遥感科学界公认的难题。首先，由于大气对热红外辐射既有吸收和散射，又有自身发射，故大气辐射校正是一项十分复杂的工作。目前，各国在利用热红外遥感数据反演地表温度研究方面已取得可喜成果，建立了较为成熟的算法，但受制于问题本身的复杂性和观测通道数量的限制，目前的多光谱地表温度反演方法，都借助了一定的先验知识和假设条件，人为地将辐射方程组中的非确定性问题转化为确定性问题，没有真正剔除大气和地表比辐射率的影响，难以精确地实现地表温度的定量遥感反演。

“既然大气对电磁波有吸收的作用，而且不同波长的吸收是不一样的，那么，能不能用大气对不同波长吸收的不同，来改正大气的影响？”山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。基于这样的想法，李召良及其合作者在假定比辐射率已知的情况下，根据地表比辐射率、地表温度与空气温度之差的变化特点，基于相邻通道大气光谱吸收差异，通过合理假设和近似，从理论上提出了“局部分裂窗”概念和方法，消除了大气辐射效应影响，实现了大气与地表参数的分离以及地表温度的遥感反演。与传统的地表温度反演方法相比，该方法无需输入大气廓线数据即能实现地表温度的遥感反演，摆脱了大气廓线数据对地表温度遥感反演的束缚，“再也不需要放探空气球了”。同时，该方法使地表温度的遥感反演首次由有限区域扩展到全球范围，在比辐射率已知的情况下，使地表温度反演误差由3℃～4℃降低到1℃以内，达到国际领先水平。

“局部分裂窗法”的首创性得到了国内外同行的高度认可。美国宇航局NPP卫星地表温度反演算法官方文档指出：“局部分裂窗法”已成为现今广泛使用的双通道地表温度反演的基本方法，是现有大多数地表温度反演算法的原型。同时，“局部分裂窗法”的提出和发展，还为卫星热红外传感器设计成双通道提供了决策支持。目前全球约四分之三的热红外光学卫星搭载了双通道传感器，而且这些传感器的地表温度反演全部采用了“局部分裂窗法”。美国宇航局从2000年开始就将“局部分裂窗法”作为标准方法生产全球每日MODIS 1公里空间分辨率的地表温度官方产品。目前我国已将“局部分裂窗法”用于风云卫星的地表温度反演和全国农业墒情监测。

在此前的研究中，李召良及其合作者成功地去除了大气辐射的影响，但是还有一个更为复杂的因素困扰着研究者们，那就是：比辐射率。即使在大气辐射精确校正的情况下，对于某个像元的地表温度而言，N个通道（波长）观测值总是对应着N个地表比辐射率和1个地表温度。也就是说，在地表温度遥感反演建模过程中，方程的未知数个数总是比方程的个数多1个，而且在热红外波段内N个通道观测值之间高度相关，因而地表温度的遥感反演是一个典型的“病态问题”，难以对三者进行有效分离。

“如果能够降低方程组的相关性，并增加一定的信息量，是不是可以解决方程组欠定的问题呢？”李召良一下子就抓住了问题的关键所在。于是，在比辐射率未知的情况下，基于白天中红外数据既包含发射辐射又包含反射的太阳辐射的特点，李召良及其合作者通过引入中红外通道信息来降低热辐射方程间的相关性，同时利用白天和晚上数据来增加信息量，提出了中红外与热红外数据协同反演地表温度的“日夜法”，创建了多通道多时相地表温度和比辐射率同时反演模型，解决了热红外地表温度遥感反演的病态求解问题，实现了地表温度和比辐射率的同时反演。

该方法的提出，颠覆了中红外反演地表温度将太阳辐射作为干扰源的传统思维，在无需输入地表比辐射率的情况下，将温度反演误差降低到0.7℃以内，达到国际领先水平。随着热红外高光谱传感器的发展，“日夜法”也已成为地表温度反演的主要方法，与此前首创的“局部分裂窗法”一起，占据了目前国际现有地表温度反演方法的半壁江山。

穿透“云层关”，首创全天候高精度反演产品

热红外遥感探测波段一般在8～14微米之间。在晴空条件下，热红外遥感可较精确地反演地表温度和比辐射率，但当地表上空被云层覆盖时，热红外与其它光学遥感一样无法穿透云层捕捉地表信息，从而无法实现对地表温度的全天候监测。云层又给李召良及其团队的研究带来另一个难题。

“微波遥感则与热红外相反，它受大气干扰小，可穿透云层（甚至雨区）获取地表辐射信息，具有全天候、多极化等特点，在地表温度反演中具有独特的作用。”很快，李召良及其团队的目光被被动微波遥感吸引。

据介绍，被动微波地表温度反演方法研究始于20世纪90年代初期。被动微波地表温度物理反演算法以辐射传输理论为基础，反演思路非常明确，但辐射传输模型中考虑的各项辐射源都有其自身的物理机理，而目前人们对这些机理的认识尚不够明确。为了解决未知数个数总是大于独立测量值个数的问题，大部分物理模型都作了许多假设或者简化，并引入了一些经验关系，尚没有对地表温度反演作出真实的、完全物理意义的定量描述。因此，基于微波辐射传输理论，建立具有完全物理意义的被动微波地表温度反演模型是目前急需研究解决的问题，也是被动微波地表温度遥感反演研究的主导方向。

于是，李召良带领团队基于微波辐射传输理论，借鉴微波大气辐射传输模型、植被辐射传输模型和土壤辐射传输模型，构建了综合的土壤—植被—大气系统微波辐射传输模型，生成模拟数据库；以模拟数据库为基础数据源，建立了各频率、各极化比辐射率之间的关系模型；通过探索各通道、各极化微波亮温与地表温度之间的关系，建立了被动微波遥感地表温度反演物理模型。最后，使用Aqua卫星AMSR-E传感器观测的无云亮温数据和该卫星上的由MODIS数据反演的地表温度产品，对模型的有效性进行了验证。

经过紧张的攻关，李召良等成功发展了被动微波地表温度反演的物理模型，突破了云雨壁障，解决了现有遥感产品因气象因素造成的地表温度缺省问题，实现了地表温度的全天候遥感监测。

然而，被动微波虽可获取有云时的地表辐射数据，但却有明显的缺陷：空间分辨率较低（十公里级到数十公里级），且得到的是地球表皮以下具有一定深度的土壤温度。相反，热红外遥感虽然仅能获取晴天条件下的地表温度，但其空间分辨率较高（MODIS为1km， FY-2为5km）。能否将被动微波遥感与热红外遥感相融合，取长补短呢？目前，国际上遥感数据融合的方法研究主要集中在多源原始数据信息的融合，以提高遥感数据的时空分辨率和地表参数的反演精度，但针对地表温度产品本身的融合方法研究还未见报道。这是一个未知的领域，也是一个具有独创性的研究思路。

面对科学问题，先要大胆假设，然后才是小心求证。李召良带领团队根据辐射传输及能量守恒原理，结合数理统计和数据模拟，首先将被动微波遥感数据反演的地表一定深度的土壤温度，转换为地面表皮温度；然后结合地表分类等辅助数据，成功建立了像元内有云部分被动微波地面温度产品与无云部分热红外地表温度产品之间的融合模型，成功获取了全天候高空间分辨率的地表温度产品。这在国际上也是首创，为全天候、高空间分辨率地表温度产品的生成提供了必不可少的方法。

突破“验证关”，解决像元尺度地表温度验证难题

无论是热红外遥感数据，还是被动微波遥感数据，空间分辨率都在1km以上，尤其是在下垫面复杂、覆盖类型多样的情况下，如何开展地表温度的地面验证试验，获取地面验证所需要的数据，是李召良等需要解决的另一难题。这一难题能否有效解决，对模型的适用性以及地表温度反演精度的验证至关重要。

李召良和团队

“由于地表温度时空变化显著，公里级尺度地表温度的真值难以获取。传统的基于温度的验证法仅适合于温度均一地表，且只能在夜间开展。”李召良表示。为了解决这一难题，李召良及其合作者首创了“基于辐射能验证法”。运用这一方法，无需测量地表温度，只需测量大气廓线，通过比对卫星数据仿真值与实际观测值，就可实现公里级尺度地表温度的真实性检验，开辟了像元尺度地表温度验证的新途径。

“基于辐射能验证法”的提出与成功应用，使温度验证从传统的温度均一地表扩展到均质非同温地表，验证能力由传统的夜间拓展到全天。同时，该方法也受到了国内外的认可。国际卫星对地观测委员会认定地表温度产品验证共有4种标准方法，“基于辐射能验证法”是其中的一种。目前，该方法已被应用于中国、美国、欧盟等国家和地区发布的各种中、低空间分辨率卫星遥感反演地表温度产品的真实性检验。

不经历风雨，怎能见彩虹。20余年来的艰难跋涉，让李召良在定量遥感基础理论和应用研究领域取得了突出的成就，当选欧洲科学院院士，欧洲人文、艺术和科学院通讯院士，入选中组部“千人计划”和中科院“百人计划”，并受到国家基金委杰出青年科学基金的资助，还先后荣获国家科学技术进步奖二等奖1项、测绘科技进步奖一等奖1项、法国功勋与奉献金质奖章、法国棕榈学术骑士勋章等荣誉。掌声荣誉纷至沓来，但李召良丝毫未曾松懈，他又将目光投向了热红外超光谱地表温度、比辐射率与大气温湿廓线一体化物理反演等基础难题以及更广阔的应用研究上。