视频1 文章解读
被动微波遥感是大尺度、全天候监测土壤水分最有效的手段之一。然而，其空间分辨率较低，难以满足精细尺度应用的需求。本文通过系统梳理现有的空间降尺度技术，分析其局限性并提出未来发展方向，以期扩展土壤水分遥感产品的应用范围。
导 读
土壤水分信息在干旱监测、滑坡预警、作物估产等方面具有重要作用。尽管现有的被动微波遥感技术能够大范围、全天候地获取地表土壤水分信息，但其较低的空间分辨率，难以满足精准农业等领域对精细尺度土壤水分的需求。为应对这一挑战，本文梳理了当前的空间降尺度技术，总结了各类方法在提高被动微波遥感空间分辨率方面的优势与不足，并提出了未来的发展方向。研究旨在推动土壤水分遥感的精细化监测，为农业管理和生态环境监测等领域提供更强有力的数据支撑。
图1 被动微波遥感土壤水分降尺度:（A）主流降尺度方法，（B）面临的挑战及（C）未来发展方向
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降尺度方法
目前的降尺度方法主要归为三类：经验方法、半经验方法和物理方法。这些方法的核心是利用与土壤水分密切相关的高分辨率的辅助变量来提升土壤水分的空间分辨率。1）经验方法：基于统计相关性，利用历史观测数据建立土壤水分与辅助变量（如植被指数、地表温度等）之间的关系。这类方法包括多项式回归、地理加权回归和机器学习算法（如随机森林、神经网络等）。这类方法虽然操作简便，但缺乏明确的物理机制。2）半经验方法：以物理理论为基础，利用模拟或者实验数据经验性地简化物理模型参量，常用方法包括三角模型、蒸发分数法等。这些方法在减少物理模型复杂性的同时保留了一定的物理背景，但在参数选择和模型简化过程中可能引入不确定性。3）物理方法：使用地表过程模型将被动微波土壤水分数据与高分辨率的辅助变量结合，实现更高分辨率的土壤水分输出。然而，模型结构和输入参数的不确定性会限制这类方法的准确性。
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面临的挑战
尽管降尺度方法发展迅速，但实际应用中仍面临诸多挑战：1）数据的不确定性与缺失值：被动微波土壤水分数据及辅助变量的精度直接影响降尺度的最终效果。此外，基于光学遥感的辅助因子（如植被指数、地表温度）易受云层遮挡的影响，造成数据缺失。2）方法的区域依赖性：大部分降尺度方法适用于特定的地表和气候条件，缺乏全球适用性。此外，方法对辅助变量精度的敏感性也会导致在不同区域应用效果存在显著差异。3）尺度不变性假设的应用局限：目前的降尺度方法通常假设土壤水分与辅助变量的关系在低分辨率和高分辨率下保持不变。然而，由于空间异质性的影响，这一假设可能并不成立。此外，由于实测数据与卫星观测的空间尺度差异，验证降尺度土壤水分数据的可靠性仍具有挑战性。
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未来发展方向
为克服当前挑战，未来降尺度研究将致力于以下三方面的优化：1）采用多源数据融合：将被动微波、主动微波、光学和热红外等多源数据进行融合，能够更有效地提高土壤水分数据的精度和时空连续性。引入更为先进的数据同化方法（如集成卡尔曼滤波和四维变分同化）将为融合提供支持。2）开发物理引导的机器学习方法：引入物理约束的机器学习方法，能够增强模型的普适性，减少对区域数据的依赖。通过自动选择与优化相关的辅助变量，有望在不同环境中实现稳健的降尺度效果。3）进行尺度效应校正：通过多尺度数据融合和非线性尺度变换，开发能够表征空间异质性和非线性的跨尺度模型，有助于改善降尺度方法的适用性并提升方法精度。
总结与展望
本文系统梳理了被动微波遥感土壤水分降尺度研究的主要方法、所面临的挑战及未来发展方向。随着多源数据融合、物理引导的机器学习方法优化以及尺度效应校正方法的发展，土壤水分遥感产品的空间分辨率和精度将不断提升，为精准农业、气象监测和生态保护等多个领域提供更高分辨率的基础数据支持。
责任编辑
丁方宇 中国科学院地理科学与资源研究所
林永新 福建师范大学
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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2024.100105
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第2卷第4期以Commentary发表的“High-resolution soil moisture mapping through passive microwave remote sensing downscaling” (投稿: 2024-09-12；接收: 2024-11-16；在线刊出: 2024-11-27)。
DOI:10.59717/j.xinn-geo.2024.100105
引用格式：Meng X., Zeng J., Yang Y., et al. (2024). High-resolution soil moisture mapping through passive microwave remote sensing downscaling. The Innovation Geoscience 2:100105.
作者简介
曾江源，中国科学院空天信息创新研究院研究员。长期从事微波遥感土壤水分定量反演研究，主持国家自然科学基金委“优秀青年基金”项目、中国科学院青促会“优秀会员”项目等。目前担任Remote Sensing of Environment编委、IEEE JSTARS副主编、The Innovation Geoscience学术编辑、中国科学院空天院青促会理事长。获得了ISPRS最佳青年作者奖，URSI青年科学家奖，PIERS青年科学家奖，李小文遥感科学青年奖，中国科学院百篇优秀博士学位论文，北京市优秀毕业生等奖励。
孟祥金，中国科学院南京地理与湖泊研究所博士后。研究方向为微波遥感土壤温湿度反演与应用。
《土壤盐渍化的诊断、评估、减缓与适应技术指南》由联合国粮农组织 / 国际原子能机构粮食和农业核技术联合中心水土管理和作物营养科专家穆罕默德·扎曼、李恒所著。著者长期致力于改善土壤、水资源与肥料管理的生产实践，为促进国际社会农业积极适应气候变化做出了贡献。
该书回顾了全球土壤盐渍化的历史和治理成败经验，旨在制定盐度和钠化度的评估技术规程，完善盐渍化土壤的缓解和适应措施，创新和推进核技术和同位素技术等的应用，为可持续地利用盐碱地提供可行性方案。该书具有先进性、指导性和实用性，能够切实解决生物盐碱农业所遇到的实际问题。该书可为进行景观和农田土壤盐渍化评估和诊断，利用核技术和同位素技术制定边际土壤可持续利用战略的技术研究人员、一线管理人员提供参考和借鉴。
康绍忠院士序|《土壤盐渍化的诊断、评估、减缓与适应技术指南》出版发行
张佳宝院士序|《土壤盐渍化的诊断、评估、减缓与适应技术指南》出版发行
Rainer Horn 博士，德国基尔大学教授，世界著名土壤物理学家。现任中-欧土地和土壤合作专家组委员，曾任世界土壤联合会(IUSS)主席，IUSS土壤物理委员会、土壤技术委员会以及第三工作组主席、土壤耕作研究组织主席、德国土壤学会主席等土壤学术组织重要职位。Horn教授在不饱和土壤力学理论创新和应用、土壤物理多尺度过程、土壤力学与水力学、物理化学和生物学等多学科交叉研究等方面取得巨大成就，并成功应用于指导固废处理、地质工程安全以及电缆地下埋藏等社会经济多方面。发表100余篇期刊论文，数十部土壤学专著以及数百篇技术报告，荣获美国土壤学会、美国农学会会士，罗马尼亚、波兰、德国土壤学会以及国际土壤耕作研究组织等学术团体先后授予Horn教授荣誉会员称号。
该书由赵英博士和张斌博士组织，邀请了诸多从事土壤物理研究的中青年工作者共同翻译。他们花费很大精力把该教材引进国内，可使更多的科研人员系统了解土壤物理学，对推动我国土壤物理学的发展意义重大。
邵明安院士序|《土壤物理学精要——过程、功能、结构和力学导论》
《土壤物理学精要——过程、功能、结构和力学导论》出版—赵其国院士序
陈怀满研究员序——《健康土壤培育与实践指南——健康土壤的生态管理》（原著第四版）出版
《健康土壤培育与实践指南——健康土壤的生态管理》（原著第四版）出版——朱永官院士序
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