近日，中國科學院空天信息創新研究院遙感科學國家重點實驗室副研究員曾江源等基於最新的L波段SMAP輻射計亮溫數據，發展了一種全新的微波土壤水分指數（SMI）用來捕捉土壤水分的動態變化趨勢。該研究成果發表在國際期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上。
土壤水分是連接陸地水、能量和碳循環的關鍵水文變量，獲取準確的土壤水分動態變化信息對於許多水文氣象應用至關重要。在全球大尺度的土壤水分監測上，能夠全天時、全天候工作的被動微波遙感被認為是目前最有效的手段。
然而，由於植被、地表粗糙度及其耦合作用的影響，使得利用被動微波亮溫反演土壤水分仍面臨很大的挑戰。以往的土壤水分反演算法或者指數對於植被和地表粗糙度影響的校正上主要存在兩個問題：1）在植被影響的校正上，往往需要引入光學輔助參數如NDVI、LAI等，一方面光學植被指數存在容易信號飽和的問題，另一方面光學觀測容易受雲霧的影響，降低了算法的實用性；2）在地表粗糙度影響的校正上，通常將其假設為不隨時間變化的固定值，這與實際自然情況明顯不符，因此會不可避免地帶來誤差。
微波土壤水分指數（如圖1所示）的提出基於以下兩個明確的物理機理：1）植被和地表粗糙度對微波輻射具有「去極化效應」（隨著這兩個參量的增加，微波極化差異變小），而土壤水分則增強了微波極化差異；2）植被、地表粗糙度與地表發射率呈正相關（兩者值越大，地表發射率越大），而土壤水分與地表發射率為負相關關係，發射率隨著土壤水分的增加而減少。基於這兩個物理機理，可以在不依賴植被類型和地表粗糙度條件下，在二維空間中將土壤水分與植被及地表粗糙度的影響進行分離。
為了檢驗新發展的微波土壤水分指數在捕捉土壤水分動態變化上的準確性，研究採用了在全球覆蓋不同地表及氣候條件的五個土壤水分密集觀測網的實測數據對該指數進行了驗證，並在粗尺度解析度(~36 km)及中等尺度解析度(~9 km)下與國際主流的土壤水分產品進行了對比，包括粗尺度下的NASA SMAP被動與ESA CCI產品，以及中等尺度下的NASA SMAP增強被動及JAXA AMSR2產品。
結果表明，新發展的微波土壤水分指數能夠很好地同時捕捉粗尺度及中等尺度解析度下地表土壤水分的動態變化趨勢，其與地表土壤水分的平均相關係數分別為0.87和0.84，優於SMAP被動(0.80)、SMAP增強被動(0.77)、ESA CCI (0.69)和JAXA AMSR2 (0.53)。進一步利用CDF匹配技術進行偏差校正後，SMI在36 km與9 km下整個觀測期內的RMSE分別為0.028 m3m-3 與0.032 m3m-3，優於其他衛星產品（圖2）。
新發展的微波土壤水分指數具有以下三個方面的獨特優勢：1）SMI是一個基於物理、無量綱的簡單的指數，計算時不需要任何的經驗係數；2）除了地表溫度以外（可由模型獲取），SMI不需要其他輔助參數如光學的NDVI或者LAI等；3）SMI中考慮了植被和地表粗糙度的動態變化特性而不需要假設其不隨時間變化。因此，新發展的微波土壤水分指數在全球尺度上具有非常好的應用潛力。
該項研究受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及中科院青年創新促進會項目等資助。
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圖1. 新的微波土壤水分指數SMI的概念示意圖
圖2. 經過CDF匹配技術偏差校正後的SMI與實測土壤水分在五個密集觀測網的時序對比結果（36 km）。圖中藍色線代表實測土壤水分，黃褐色散點代表SMI，灰色陰影表示土壤凍結時期