本刊記者　武光磊

譜寫農(nóng)業(yè)遙感新篇章
——記中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所毛克彪研究員

本刊記者武光磊

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員毛克彪所求索的，是在農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域上的突破。多年來，他以精湛的學(xué)識，豐富而成熟的科研能力在農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域潛心研究，取得了重大成果，為許多專業(yè)學(xué)科建立了聯(lián)系，指引了前行的道路與方向。

“遙感是從遠外探測儀器接收來自目標(biāo)地物的電磁波信息，通過對信息的處理，揭示出目標(biāo)物的特征、性質(zhì)及其變化?！泵吮虢忉尩馈Ｔ谶@樣的定義下，意味著遙感可以實現(xiàn)信息收集和分析的定時、定量和定位，表現(xiàn)出客觀性強、不易受人為干涉的特點，更方便決策。至于他所從事的農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)，則是多種學(xué)科交叉綜合的結(jié)果，依托于空間科學(xué)、地球科學(xué)、信息科學(xué)和農(nóng)學(xué)等，為人類從多方位、宏觀的角度去認識農(nóng)業(yè)提供了新方法和新手段。毛克彪就是運用衛(wèi)星遙感技術(shù)快速準(zhǔn)確地獲取大面積、長時間序列的地表溫度和土壤水分，具有重大的科學(xué)意義，同時也具有重要的社會經(jīng)濟價值，把農(nóng)業(yè)科學(xué)化提升到一個新的水平。

潛心研究填補專業(yè)空白

毛克彪于1977年出生在湖南，現(xiàn)為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員（優(yōu)秀青年一級人才），湖南科技大學(xué)兼職教授，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)客座教授。從兒時起，勤學(xué)苦練就成為一種良好特質(zhì)滲透進了毛克彪的人生習(xí)慣中。走上工作崗位后，他依然保持著吃苦耐勞的好作風(fēng)和堅韌不拔的性格，邊工作邊學(xué)習(xí)，踏出一串堅實的足跡，寫下一串令人嘆服的履歷：他主持或作為核心成員參與各類國家重大、重點等科研項目近20項。在國內(nèi)外期刊和國際會議發(fā)表論文100余篇，專著1部，獲得國家發(fā)明專利6項，國際發(fā)明專利3項、為國家重大自然災(zāi)害監(jiān)測做出突出貢獻，2016年5月被授予“全國優(yōu)秀科技工作者”稱號。毛克彪是一位在學(xué)術(shù)界研究思維非?；钴S的學(xué)者，在遙感和計算機等七個專業(yè)學(xué)習(xí)過，像他一樣的科研人員大抵都思路開闊，不拘一格，不會因為歲月的逝去而消沉，也不因時代的更迭而泯滅，他們會用智慧的頭腦與嫻熟的能力在科研的道路上撐起一片天。

毛克彪的研究興趣聚焦于農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、氣候變化、農(nóng)業(yè)遙感、微波、熱紅外遙感、空間數(shù)據(jù)挖掘及GIS應(yīng)用等方面的研究。他在每一項研究中都會發(fā)現(xiàn)問題，并運用所學(xué)知識和團隊并肩解決問題。

“舉一個例子”，毛克彪說。地表熱輻射在通過大氣到達衛(wèi)星傳感器的過程中，主要受地表類型和土壤水分，近地表空氣溫度和大氣水汽含量的影響。氮磷鉀溶解在土壤水分里面，土壤水分的變化會影響介電常數(shù)變化，從而改變發(fā)射率，發(fā)射率變化會影響地表的輻射效率，而地表溫度變化又會決定土壤水分的蒸發(fā)速度，從而影響與近地表空氣的能量交互，改變近地表空氣溫度；近地表空氣溫度的變化影響大氣剖面，繼而決定大氣平均作用溫度；在地表熱輻射經(jīng)過大氣時，被大氣水汽吸收，然后達到衛(wèi)星傳感器。“因此，我們可以看出在利用單波段熱紅外傳感器準(zhǔn)確計算地表溫度過程中，必須滿足三個條件：獲取大氣水汽含量計算大氣透過率；獲取近地表空氣溫度估算大氣平均作用溫度；已知地表類型和土壤水分準(zhǔn)確估算地表發(fā)射率?！?/p>

以往大部分研究人員只集中在輻射傳輸方程中某一個部分的改進提高反演精度，毛克彪為了系統(tǒng)性提高地表溫度反演精度，在三個關(guān)鍵參數(shù)以及空間氣候變化方面都做了大量創(chuàng)新研究工作。在土壤水分反演精度方向上，他建立了標(biāo)準(zhǔn)極化微波指數(shù)模型，提高了土壤水分反演精度；還發(fā)明了一套利用GPS地面反射信號估算土壤水分的儀器和方法，要知道，在這以前，國內(nèi)想要在地面高空估算大面積土壤水分還是萬萬不敢想的。

俗話說“萬丈高樓平地起”，做任何事都是需要一點一點累積而成的，科學(xué)研究更是如此。在此后的工作與調(diào)研中，毛克彪潛心研究，寓教于學(xué)，開拓創(chuàng)新地提出觀點并給予實施，填補了國內(nèi)眾多領(lǐng)域的空白。

積極創(chuàng)新再造新高度

2007年，當(dāng)意氣風(fēng)發(fā)的毛克彪從中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所博士畢業(yè)后，就一頭扎進農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域，憑的就是這一股奉獻青春和智慧的勇氣與決心。

2014～2015年，毛克彪設(shè)計完成了“基于遙感研究2013年夏季高溫干旱對我國糧食生產(chǎn)影響”的課題，并獲得了國家自然科學(xué)基金的資助；2016年，他主持基于遙感研究氣候變化背景下農(nóng)業(yè)旱災(zāi)時空變化對糧食生產(chǎn)影響的課題，申請了國家自然科學(xué)基金，目前項目也在如火如荼地進行，預(yù)計2019年完成。

土壤水分不但是干旱監(jiān)測中非常重要的參數(shù)，而且其變化會影響熱輻射和發(fā)射率變化，從而影響地表溫度的反演精度。以往人們通過同一個頻率不同極化建立微波指數(shù)與土壤水分建立統(tǒng)計關(guān)系計算土壤水分，毛克彪通過研究發(fā)現(xiàn)，不同頻率V極化的微波指數(shù)能較好的消除粗糙度的影響，從而提出并建立了新的不同頻率同極化標(biāo)準(zhǔn)化微波指數(shù)模型，在此基礎(chǔ)上建立了被動微波土壤水分反演方法。該方法通過比值法克服了以往需要同步獲得大尺度地表溫度的困難，且利用這種方法反演誤差降低了10%。為了進一步驗證和提高土壤水分反演算法精度和實用性，毛克彪發(fā)明了一套利用GPS地面反射信號反演土壤水分的裝置和方法，該方法填補了國內(nèi)在地面一定高度獲得大面積土壤水分參數(shù)儀器的空白，解決了星上土壤水分驗證時地面點觀測難以匹配且缺乏代表性的難題，被“草原植被及其水熱生態(tài)條件遙感監(jiān)測理論方法與應(yīng)用”項目采納，并在國家呼倫貝爾草原生態(tài)站得到了應(yīng)用，為草原生態(tài)監(jiān)測提供了強大的技術(shù)支持。

毛克彪（左）與中山大學(xué)地學(xué)院院長柳林教授（右）

毛克彪始終把創(chuàng)新貫穿在地面溫度遙感定量反演及農(nóng)業(yè)應(yīng)用項目的進程中，為了提高空氣溫度反演的精度和時效性，他首次提出利用先驗知識和人工智能方法，直接從遙感數(shù)據(jù)大面積估算近地表空氣溫度反演的方法，使得直接從遙感數(shù)據(jù)大面積反演近地表空氣溫度的反演方法變得通用，誤差大約1℃（同類國際刊物發(fā)表精度是2～3℃），應(yīng)用效果明顯，并有了很多代表性成果。在此基礎(chǔ)上，毛克彪進一步利用大氣水汽含量作為先驗知識提高近地表空氣溫度反演精度，還獲得國家發(fā)明專利1項。

毛克彪還在晴空條件下，通過利用近紅外波段估算大氣水汽含量，克服了以往算法需要從氣象站點獲得水汽的困難，提出了地表溫度和發(fā)射率分步反演的新劈窗算法，簡化了反演過程，提高了反演精度；針對多個波段的熱紅外數(shù)據(jù)，克服方程不足的困難，通過建立鄰近波段發(fā)射率之間的關(guān)系，繼續(xù)提出了同時反演地表溫度和發(fā)射率的多波段反演算法，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化計算，大大提高了反演精度和算法適用性。

生命無止境，科研的腳步不會停止，毛克彪也一直都在前行。在熱紅外無法準(zhǔn)確反演地表溫度的問題上，他提出了全天候的被動微波數(shù)據(jù)的地表溫度反演方法，解決了有云的情況下熱紅外無法準(zhǔn)確反演地表溫度的重大難題。全球平均每天有60～70%的地表受云影響，熱紅外在云覆蓋地區(qū)很難獲得地面信息，為了克服這一缺點，他在分析Aqua衛(wèi)星多傳感器特征的基礎(chǔ)上，提出利用MODIS溫度產(chǎn)品和AMSR-E不同通道之間的亮度溫度建立反演地表溫度的反演模型。從而克服了以往需要同步測量地面溫度數(shù)據(jù)的困難，并為不同傳感器之間的參數(shù)反演的相互校正和綜合利用多傳感器的數(shù)據(jù)提供實際應(yīng)用和理論依據(jù)，解決了有云情況下熱紅外無法準(zhǔn)確反演地表溫度的難題。在精確反演地表溫度上，建立的統(tǒng)計方法的平均誤差在2℃左右，國際相關(guān)研究精度為2～3℃。毛克彪在此基礎(chǔ)上，利用多傳感器的優(yōu)勢和人工智能方法，進一步提高精度和使得算法通用化，獲得國家發(fā)明專利1項。

近年來，毛克彪研究當(dāng)前氣候變化預(yù)測模型存在的問題，提出了建立基于大數(shù)據(jù)和萬有引力空間氣候變化模型的思想。他認為地球每天的天氣變化是由于各個星體軌道變化導(dǎo)致的，高速自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的地球每時每刻都在做自我調(diào)整從而達到動態(tài)平衡，繼而引起地球系統(tǒng)每天水循環(huán)（包括大氣水汽、降雨和洋流）和地球內(nèi)部（巖漿）等變化，形成了每天不一樣的天氣。毛克彪通過大量分析后認為地球能夠自我調(diào)節(jié)溫度，人類對地球溫度變化影響不大，特別是二氧化碳的排放對地球溫度的影響只是起到擾動或者微調(diào)作用。他對遙感數(shù)據(jù)分析表明：大氣中的二氧化碳濃度增加，按照常理大氣溫度升高，大氣水汽飽和度增加，溫度繼續(xù)升高，反復(fù)疊加，溫度會持續(xù)增加；然而數(shù)據(jù)分析表明大氣中的水汽含量下降，從而部分抵消了二氧化碳的影響，溫度不是線性上升。毛克彪認為地球溫度的變化是由地球在太陽系和銀河系中的軌道位置所處的能級決定，氣候周期變化是由于各個星體都在做周期運動，太陽和其它星體也是在運動的過程中由于各星體引力和磁場大小及方向變化做即時自我調(diào)整。毛克彪提出以大數(shù)據(jù)思維建立終極氣候變化模型：以開普勒三定律和萬有引力定律為基礎(chǔ)，建立一個以太陽或者銀河系為中心的引力和磁場變化模型，模擬在行星運動過程中，磁場和引力方向變化以及太陽輻射變化怎樣驅(qū)動地球大氣水汽（云）、洋流運動和巖漿運動等，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)報重大自然災(zāi)害，創(chuàng)造了農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域內(nèi)的新高度，引領(lǐng)了前進的腳步與方向。

為農(nóng)業(yè)遙感添磚加瓦

孔夫子在幾千年前就曾說過“學(xué)而不厭．誨人不倦”，在求知路上，我們應(yīng)該孜孜以求，永不止歇。毛克彪在對待農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)上也始終秉持著嚴于律己、寬以待人的態(tài)度。

毛克彪在地面溫度遙感定量反演及農(nóng)業(yè)應(yīng)用這個項目上付出很大的心血，他在研究中發(fā)現(xiàn)如何將被動微波遙感與熱紅外遙感相融合，取長補短，實現(xiàn)對地表溫度的全天候、高空間分辨率遙感反演，在解決目前遙感溫度產(chǎn)品在空間上不連續(xù)和分辨率不夠高的問題上顯得尤為重要。

毛克彪就在已有研究成果的基礎(chǔ)上，打算進一步研究被動微波與熱紅外數(shù)據(jù)聯(lián)合反演地表溫度的容和算法，構(gòu)建高空間分辨率且空間上連續(xù)的溫度產(chǎn)品。并準(zhǔn)備利用靜止氣象衛(wèi)星和地面觀測站點數(shù)據(jù)，建立溫度變化函數(shù)，從而利用不同時段的衛(wèi)星溫度產(chǎn)品通過函數(shù)關(guān)系計算連續(xù)的小時溫度產(chǎn)品。在這兩方面的基礎(chǔ)上，毛克彪還萌生了要研究如何選擇多顆衛(wèi)星建立歸一化方法的想法，這樣一來就可為我國農(nóng)業(yè)提供長時間序列的高空間、高時間和高精度的溫度產(chǎn)品，提高災(zāi)害監(jiān)測和糧食估產(chǎn)精度。

在具體操作過程中，毛克彪提出首先應(yīng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)的前期收集和地面觀測的準(zhǔn)備工作，建立研究所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。然后針對FY-3和VIIRS數(shù)據(jù)的新特征，提出對數(shù)據(jù)適合的地表溫度反演算法，以應(yīng)對MODIS數(shù)據(jù)不足的情況。并且可以利用被動微波數(shù)據(jù)對云覆蓋的區(qū)域進行地表溫度反演，進行精度校驗，計算相對準(zhǔn)確的區(qū)域平均溫度。再者要充分利用插值和人工智能方法對熱紅外獲得的地表溫度和被動微波反演得到的表面溫度進行更好的融合，以便獲得高空間分辨率的溫度數(shù)據(jù)。其次還要利用靜止氣象衛(wèi)星和區(qū)域氣象站點觀測數(shù)據(jù)，對區(qū)域表面溫度進行擬合，獲得每天溫度變化函數(shù)。最后利用不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，提出歸一化函數(shù)，構(gòu)建長時間序列的溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以分析十多年高溫干旱對糧食生產(chǎn)的影響，從而進一步找到相關(guān)解決方法，對保障糧食產(chǎn)量及安全問題至關(guān)重要。

毛克彪還在地面溫度遙感定量反演及農(nóng)業(yè)應(yīng)用這個項目上提出了很多具有前瞻性與開拓性的觀點，他針對FY-3/ VIIRS新數(shù)據(jù)特征，計劃提出新的算法，利用熱紅外高空間分辨率優(yōu)勢和被動微波數(shù)據(jù)全天候各自的優(yōu)勢，提出融合算法獲得高空間分辨率的溫度數(shù)據(jù)；他還在這個項目上準(zhǔn)備利用靜止氣象衛(wèi)星和氣象站點觀測數(shù)據(jù)獲得每天24小時溫度變化的函數(shù)，利用不同時間段的遙感溫度產(chǎn)品計算區(qū)域每個小時的溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為氣候變化模型提供更高時間分辨率的溫度參數(shù)。這樣一來，就可建立高空間分辨率的熱紅外與被動微波融合的反演算法，還可建立溫度變化函數(shù)獲得以小時分辨率的區(qū)域溫度數(shù)據(jù)庫，以幫助提高農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測和農(nóng)作物估產(chǎn)精度，保障國家糧食安全。

正所謂：“國以民為本，民以食為天”。糧食既是關(guān)系國計民生和國家經(jīng)濟安全的重要戰(zhàn)略物資，也是人民群眾最基本的生活資料。糧食安全與社會的和諧、政治的穩(wěn)定、經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。毛克彪就是這樣一步一個腳印實現(xiàn)著人生的積累也奉獻著自身對農(nóng)業(yè)遙感事業(yè)的無限熱愛，用辛勤的汗水與智慧的澆灌為農(nóng)業(yè)遙感事業(yè)添磚加瓦，熠熠生輝。相信他在享受身心磨礪之后，終會守得云開見月明，也將繼續(xù)描繪更美的彩虹藍圖，用最樸素的歲月裝點最燦爛的科研人生。