近日，中国科学院空天信息创新研究院（空天院）联合中国科学院国家空间科学中心（空间中心）、国家林业和草原局林草调查规划院等单位在河北省塞罕坝机械林场、御道口牧场等地组织实施“植被与土壤的水分遥感试验”，这是国际上首次基于航空平台开展土壤—植被—大气连续体水分透视遥感试验。该试验是由空间中心牵头组织的“滦河流域天空地多尺度遥感联合试验”的重要组成部分。
航空遥感系统国家重大科技基础设施与试验人员
滦河作为海河流域的重要河流，是京津冀地区的“水龙头”，对京津冀地区的生态支撑和水源涵养至关重要。滦河流域是由山地、河流、森林、农田、湖泊、草地、沙地等诸多要素构成的复杂生态系统，是探索多要素遥感机理、创新多源遥感方法、验证先进遥感技术的理想场所。
空天院遥感与数字地球重点实验室主任、研究员胡斯勒图指出：“植被在陆—气间的水分传输中扮演着重要角色，不仅是陆地水资源的蓄水池，也是大自然的抽水机。传统上，土壤—植被—大气的水分传输研究局限于微观的点尺度，这限制了我们对整个生态系统水分平衡的理解，迫切需要发展能够在更大空间尺度上进行观测的现代技术手段。”
本次透视遥感试验主要是利用微波技术，微波的波长比可见光和热红外波长更长，具有很强的穿透能力，可以穿过云层和植被，即使在夜间和阴雨天也能正常工作。此外，不同波段的微波与植被的不同部位有着不同的相互作用机制，比如长波段更能深入观测到植被的茎干部分，而短波段则更适合观测植被的冠层和叶片。
空天院遥感与数字地球重点实验室研究员赵天杰介绍说：“此次遥感试验采用了从L波段至Ka波段的多通道微波协同观测，这是一种透视观测的技术，就像医生通过使用CT扫描诊断人体内部病情一样。研究人员可以深入观察植物内部的水分状态和分布，详细解析从土壤到植被茎干再到冠层和大气的整个水分传输过程。这不仅有助于我们从植物生理过程深入理解植被的生长与死亡机制，还能揭示生态系统如何应对水分胁迫的变化。”
土壤—植被—大气连续体水分透视遥感原理
科研团队利用由中国科学院航空遥感中心建设和运行的国家重大科技基础设施——航空遥感系统搭载的三频段（L/S/C）多角度成像微波辐射计、三频段（Ku/K/Ka）全极化扫描微波辐射计、机载激光扫描仪系统以及全谱段高光谱成像仪4种航空载荷，对塞罕坝、御道口等地的森林、农田和草地等实施了精准观测。
中国科学院航空遥感中心主任、研究员潘洁介绍说：“航空遥感系统是以国产中型飞行平台——新舟60飞机为基础、综合集成六种对地观测窗口的国家级航空遥感系统，是我国目前综合能力最强的航空遥感平台。本次试验搭载的机载三频段多角度成像微波辐射计，为空天院和空间中心最新联合自主研制的一维综合孔径微波辐射计，这台新型微波辐射计摒弃了传统真实孔径微波辐射计的机械扫描成像方式，相比传统微波辐射计具有更高的空间分辨率，能够精准捕捉植被和土壤内部的含水量。这也标志着我国的航空遥感系统同时具备了不同成像体制的多波段、全极化被动微波观测能力。”
与有人机遥感同步，科研人员还使用无人机搭载微波辐射计、热红外成像仪、多光谱相机等设备，进行了更精细尺度的协同观测。同时，在地面关键样区开展了长时序的地基微波辐射观测试验、土壤温湿度加密观测试验、叶片等效水厚度同步测量试验、植物茎叶水势测定试验等工作。通过这些多层次的观测手段，形成了卫星遥感、有人机遥感、无人机遥感和地面遥感的多尺度观测体系。
无人机、地基微波辐射计协同观测
本次试验获取的天空地一体化数据，将用于发展和检验时空多尺度的土壤水分、植被水分、植被水势、大气水汽和蒸散发等陆地水循环关键参量的智慧化遥感方法，进而通过空天技术手段捕捉植物内部的水分状态变化，理解土壤水分供应和大气水分需求之间的复杂相互作用关系。这项工作将为陆地水资源卫星、海洋盐度探测卫星等国产卫星的新型载荷观测数据处理和创新应用提供技术支撑，为评估“森林是水库”的生态服务功能，进一步提升森林的土壤储水量和水分生产力，增加水资源的涵养和调蓄能力提供科学依据。
本次试验受到国家自然科学基金重大项目“陆地水循环关键参量时空多尺度智慧化遥感”课题和国家重点研发计划“面向国产卫星的土壤—植被—冰雪三维遥感机理建模与定量反演技术”项目共同资助。参加试验的单位包括武汉大学、北京师范大学、中国矿业大学（北京）、西北农林科技大学、清华大学、山东农业大学、江汉大学、西安交通大学、中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所、中国科学院东北地理与农业生态研究所、中国科学院南京土壤研究所、浙江大学、中南大学、中山大学、河南省乡村产业发展服务中心、北京数字绿土股份有限公司、北京捷翔天地信息技术有限公司等高校、科研院所和企业。
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