(四) 实验遥感

1.高塔遥感平台构建

        地理所老所长左大康先生的学术思想活跃，当时研究引入苏联卫星气候，实质上是早期的遥感。后来在地理所分出遥感所的前身--地理所二部，并当他担任地理所所长后，积极支持我开展实验遥感。根据当时学术动态和地理所的需要，左大康所长果断决策，唐银站长积极支持。将传统的地表蒸散的气象学与遥感方法结合起来。决定在禹城试验站同时建立60米通量观测塔和30米高塔遥感平台。显然，运用遥感思路获取蒸发的区城分布是一项吸引国际地理、气候和水文科学家的新技术、新方法。然而遥感蒸发在80年代初期还是前沿课题，有一系列的基础研究需要踏实开展。在遥感试验场能够同时获取地学信息和遥感信息的条件下，开展由遥感信息(电磁波信息)转换为地学应用信息的基础研究的学术思想在当时是共识的。在特殊的国情下，运用投入少量资金，建造节约型的高塔遥感平台，长期连续开展多时相、多角度、多光谱观测。在开展的地物波谱研究的同时，根据禹城综合试验站的水循环研究方向，在禹城站遥感试验场的30米高塔遥感平台上获取卫星相同波段的多光谱模拟遥感信息，在高塔四周构建8种不同土壤水分和作物长势，获取应用目标信息。从而能够有效开展节约型的土壤水分、地表蒸散、作物缺水和作物估产遥感建模试验。事实证明这种具有中国特色的遥感试验场，在建立遥感作物估产模型，遥感土壤水分模型，遥感地表散模型等方面起到了重要作用。

图9在高塔遥感平台建造之前为扩大红外测温仪的视场的高台观测架

图10高塔遥感平台和遥感试验场

图11从高塔遥感平台上俯视试验场，可见高塔阴影

图12中科院禹城综合试验站的高塔遥感试验场和高塔通量试验场

图13-1，光学图像处理设备

图13-2，光学仪器定标设备

      值得提及，中科院栾城试验站在项月琴当站长的时候也建立起了高塔试验场，他们在遥感、生态、气候等方面做出了丰硕成果。

2.作物产量与作物缺水指数的遥感建模

      在上世纪80年代初，遥感作物估产是遥感一项成功的实践。它之所以成功并非偶尔的机遇，而是具有坚实的理论基础。

地球的生物圈中作物是一重要成员。它对水分循环，碳循环以及环境的形成起着重要的作物。作物的电磁波信号蕴含着它自身与环境的能量与物质交换的信息。作物在光合作用下吸收了二氧化碳，吐出氧气。积累的碳水化合物用于生长叶子、茎、根和种子，形成作物产量。它吸收碳的机制与水的蒸腾过程有机耦连，而水的交换通过作物叶子的气孔体现在热红外辐射的强度上。这种热红外辐射与环境的互相作用以及不断产生的正负反馈，形成一个复杂的土壤-作物-大气系统。作物产量形成，严格循着能量守衡与物质不灭定律遥感小麦估产在美国取得了成功，这是因为他们估算的小麦地块大，长势均匀。对于中国的具体情况，远不能说遥感小麦估产已不须研究。更不能说棉花估产、水稻估产已经彻底成功。中国的作物地块小，长势不均匀，需要高分辨的卫星影象图。而高分辨图的收时率低,不同时相的可比性也是一个重要课题。低空间分辨的气象卫星可以有足够的时相影像图，紧接着遇到的是混合象元的分解与解译

      由此可见，遥感作物估产并没有达到顶点，还需一段艰苦的最后攀登，只有更加踏实研

      究才能到达目的。上述是我初到禹城站的展开作物估产模型和植物缺水模型实验研究的立论依据1984年美国水保所教授、以热红外辐射为主体信息的作物缺水指数提出者之一Reginato教授，访问地理所和禹城站，对高塔热红外遥感很感兴趣。这应该说中美两地，异在以后的数年，中美双方进行了学术交流。Reginato教授多次来华访问，他退休曲同工。后10多年的2007年还来北京访问了我们。

图14 1984年美国水保研究所Reginato教授(右2)与张仁华(左1)、丘宝剑(左2)、谢贤群(右1)合影于中科院禹城试验站

图15美国Reginato教授和美国堪萨斯大学Knamasue教授来禹城试验场学术交流

图16Regennato在实验室参观红外测温仪的黑体定标

      当时与美国水保研究所进行学术交流的主要有两方面的内容:基于热红外温度信息的作物产量估算模型以及作物缺水模型。

      遥感作物估产模型的特色在于充分利用了作物热红外信息，当时美国水保所S.B.Idiso提出植被温度与空气温度的差值的每日积分(SDD)作为作物产量模型。在他的模型基础上将以反射率作为积分上下限改为绿度，并将不同类型的作物绿度进行归一化，改进的遥感估产模型，不仅精度提高，而且适用各种不同类型作物。另外，提出“复合估产模型”:以绿度的归一化积分值作为潜在产量,以绿度峰值以后的作物受胁迫指数的积分作为实际产量与潜在产量的差异。改进的模型既有坚实的物理基础，又提高了作物产量预报精度。详见科学通报发表的论文。

      当时美国水保所R.D.Jackson的作物缺水指数模型CWSI，是基于作物活动面上水汽饱和热源面和水汽源面重合的情况推导出来的，而实际上，该面的水汽并不一定饱和，在他的推导中虽作了补偿，但仍存在物理意义上的不确定性。为了明确物理概念，我从作物的热源面和水汽源面不一定重合，作物活动面并不一定饱和的普遍的情况出发，提出作物缺水状况估算模型，模型不仅物理机理扎实而且精度提高。详见中国科学发表的论文“遥感作物缺水新模型”。

      这段实践中，体会到红外辐射温度信息与土壤和植被的能量物质输送的紧密联系1985年，国家对基础研究和应用基础研究给予高度关注。在中国科学院率先成立自然科学基金委员会。当时的基金委主任黄坚，他是地理所原业务处长。在我国首批被批准自然科学基金中，有我的申请“基于热红外信息的估产估水模型研究”，资助金额仅4万元。当时没有重点、重大基金。资助对实验遥感的基础研究是雪中送炭，大大加速了实验遥感的发展

      禹城试验站于1988年批准为中国科学重点试验站。实验遥感研究与禹城试验站的旱涝碱综合治理，农田蒸散与水量平衡研究列为中国科学院禹城综合试验站的五大方向，地理所的实验遥感研究先后在中国科学与中国科学通报上发表了10篇以上的遥感基础研究的SCI科学论文。陈述彭先生评价，地理研究所的实验遥感在全国遥感界独树一帜。

图17 1988年国务院和中科院领导参观中科院禹城试验站合影国务院总理李鹏(前排左5)、中科院院长周光召(前排左4)、地理所所长左大康(第三排左4)禹城站站长唐登银(第二排左7)、张仁华(第二排右5)

      中科院禹城综合试验站(包括“一片三洼试验地”)的试验成绩在当地的影响力越来越大，试验站有两位同事曾经先后担任了禹城县的科技副县长。1988年当时的国务院李鹏总理视察了中科院综合试验站。

3.几何光学BRDF的试验

      我认识李小文院士(那时还不是院士)是在1988年，在地理所917大楼前的小平房的遥感所早期的宿舍里。他的生活很简朴，坐在小马扎上，正在喝白酒，下酒菜仅是一包花生米。旁边坐着朱启疆教授，他们正在商谈事情。我之前就已经知道，李小文在1985年发表了具有里程碑意义的几何光模型的论文，我对他的创新能力很佩服。中科院长春光机所根据李小文的思路构建了室内几何光学双向反射实验室。

      我1994年访问了美国波士顿大学地理系，对李小文就进一步熟悉。北师大教授朱启疆在80年代初访问美国圣芭芭拉大学时，与李小文已相识相知。1996年我参加了由李小文和朱启疆主持的重点基金，与他们愈来愈熟悉了。正好禹城站有对外开放的课题申请，在我的建议下，朱启疆申请到了一个小课题，计划在遥感高塔平台开展几何光学双向反射试验。于是朱启疆从北京开车运来了一车小松树，按照泊松分布设计小松树的二维几何位置种植位置。(见图18)。传感器是多光谱相机，二向反射中观测角的改变由不同观测高度实现。在年时间中，朱启疆频繁来到禹城试验站，很辛苦。积累了一批宝贵的观测数据。这数据与长春光机所的室内试验不同，太阳光和观测地物的实际的。对李小文以及他的继承人的研究有价值。

图18在中科院禹城站开展的几何光学BRDF的试验(一个观测角的可见光照片)

4.植被CO,通量的区域遥感反演

      1991年我所生态网络中心水分分中心成立，主任由陈发祖担任。1993年12月唐登银接任主任，1997年孙晓敏担任。我在地理所开展的实验遥感加入了水分分中心，将最先进的涡度相关系统的地表通量测定与遥感地表通量反演融合一起,加速了地表通量区域估算这世界难题的研究进展。孙晓敏研究员精通复杂的观测技术，与陈发祖一起是地理所涡度相关技术最早的引进者，他们在全国也是有名的权威。我与孙晓敏的长期紧密合作从此开始。我的编制虽然在水分中心，但实验基地仍在禹城试验站。

二氧化碳是光合作用积累干物质的原料,为了能以遥感信息反演区域范围内植被冠层的二氧化碳通量，必须找到可以用遥感信息与二氧化碳通量之间的“信息携带者”。水分中心已经具有能够测量二氧化碳同化通量的涡度相关系统,而且孙晓敏对二氧化碳同化通量的区域尺度扩展思路很感兴趣。因此我们1997年在禹城试验站开展了植被二氧化碳同化通量的定量遥感试验。

      通过代表性天气的水汽通量与二氧化碳通量的比值,与空气饱和差与叶面积指数的比值日变化之间的高度相关的事实,可以揭示,与二氧化碳通量信息相关的不仅是一个水汽通量还存在其他信息携带因子。因为水汽阻力网路和二氧化碳阻力网络存在差异，在水汽通量扩散方程里不存在叶肉阻力，而在二氧化碳通量方程中存在叶肉阻力。所以二氧化碳通量和叶面积之间的关系将与水汽通量和叶面积指数之间的关系有所不同。试验结果表明，不同生长期的叶面积指数的差异以及空气饱和差的差异是影响二氧化碳同化通量的另外两个因子。根据上述试验结果构建了植被二氧化碳同化通量模型，其反演结果与观测结果完全一致由构建的模型和遥感数据及气象数据,做出以遥感信息为主体的我国华北植被二氧化碳同化通量区域(二维空间)分布图。碳源与碳汇在图上一目了然。这个成果获得生态界和遥感界的关注与好评。详见中国科学:(Zhang Renhua,Sun Xiaomin,Zu Zhulin, Su Hongbo, Chengan,1999, A Remote Sensing Modol for Wheat and Sudying of Regional DistributionSCIENCE IN CHINA, Vol.42 No.3 )

图19在中科院禹城站开展试验的涡度相关系统

图20以上述遥感模型反演的华北地区CO2同化通量二维分布图

图21 Sobrino教授(左1)、他的学生(左2)、李召良(左4)和我在一起讨论CO2同化通量遥感模型论文机理

      在2003年西班牙召开的第一届国际定量遥感学术讨论会休息期间,Sobrino教授对我的CO2同化通量遥感模型论文机理很感兴趣、可能要他的学生在这方面做毕业论文。找我和李召良一起讨论，见图21。

      遥感二氧化碳同化通量成果在大气所吕达仁主持的重大基金项目在得到应用。这项目是“内蒙古半干旱草原的土壤一植被-大气相互作用试验(IMGRASS)”。研究时间1997年1月-2000年12月。我们承担了一个专题，主要研究内容:1，以遥感数据及地面数据相结合的方法,开展IMGRASS试验区的草地的叶面积指数的定量遥感研究。2，以遥感数据及地面数据相结合的方法.开展获取IMGRASS试验区的草地的地表温度、净辐射通量、显热通量、潜热通量二维分布影像图的方法研究。

      我、孙晓敏、苏红波和唐新斋在1998年赴内蒙进行了野外观测。其中涡度相关系统的是主要仪器。见图22.

      结题时我们超额完成了专题中的任务,增加了内蒙草原二氧化碳同化通量的二维空间分布图。我们在IGARSS’2000发表了EI引录论文，吕达仁也是文章的作者之一。项目负责人吕达仁曾经对我用英语讲“creative!”表达文章有创新。在吕达仁申请院士的时候，他派人到地理所找我拷贝这篇论文。表明草原遥感二氧化碳通量的空间二维分布的成果在他心目中的地位。(Renhua Zhang, Xiaomin Sun, Hongbo Su, Xinzhai Tang, Daren Lu , 2000,To RetrieveRegional Distribution for CO, Assimilation of Grass Land In Inner Mongolia of China Using TwoTime-Phase NOAA-AVHHR and Surface Data.IGARSS’2000)

      这项成果使我感受到，先进观测技术和仪器是加速研究进展的关键之一

图22 1998年在内蒙草原IMGRANSS项目中观测的涡度相关系统

5.沙坡头试验与微分热惯量

      沙漠的地表热量平衡方程中，往往水分蒸发的潜热消耗非常小。热惯量也非常小，地表温度的日较差非常大，有“早穿皮袄午穿纱”的谚语。

      在2000年6月下旬，我们在西北腾格里沙漠的沙坡头站进行一次野外试验，6月20日我们等到了一场在腾格里沙漠十分罕见的大雨，第二天是大晴天。透明的大气和强的净辐射通量，沙漠的强蒸发使得土壤表层的水分迅速干化。为寻找土壤水分随热力驱动的变化规律，获得了意外理想的条件。

      对土壤总体热惯量进行时间微分后(称微分热量或差分热量)，再进行t到b的积分，其结果等于土壤中水分两个时相的热惯量差值。由此可见，由两个时相的简化热惯量差值是我们建立模型的主要切入点,其中最值得提出的，我们发现这差值已经与干土热惯量和土壤中空气的热惯量无关，可以用于所有不同土壤类型、不同土壤孔隙率。这个发现的价值是，两个时相的差分热惯量所构建的模型将具有普适性。

      为了从两个时相的热红外遥感影像图中提炼出波文比信息(显热通量与潜热通量的比值)，显然应该到热惯量的日变化十分明显的地方，而且要有比较单一均匀的下垫面。满足这种条件的地方是下过大雨后的沙漠。试验相当成功，获得了两项成果:1，提出了微分热惯量模型。这成果的价值是由微分热惯量可以获得不受土壤质地和土壤孔隙率的影响的实际土壤水分含量(或土壤供水量)的定量关系。2，由于微分热量与裸土波文比的定量关系发展了基于微分热惯量遥感的裸土(包括沙)全遥感信息的地表蒸散模型。

图23孙晓敏在沙坡头试验中安装观测仪器

      这项成果的获取使我感受到，抓住合适的观测目标和合适的观测时间，对加速研究进展至关重要。

      1996年，张仁华撰写的“实验遥感模型及地面基础”专著出版，该书总结了1978-1995年的实验遥感研究成果。1997年,“实验遥感模型及地面基础”专著和中国北方主要农作物双向反射光谱数据集获中国科学院自然科学二等奖。获奖人有张仁华、孙晓敏、唐登银、陈发祖、覃文汉。在1997年获奖后，实验遥感和热红外遥感在国内外遥感界也有了一定影响。然而，事业时间段的错位，使我面临休闲与奋斗的抉择。虽然年龄已经离退休不远，白内障严又重影响视力，但是精力尚充沛。客观上有不少课题需要我去完成。杜甫的“细推物理须行乐”这一诗句的也在鼓励着我，在研究学问中得到快乐。因此，夕阳之前我选择了继续努力搞学问的生活。

      写诗一首:

学识疑如日中天，岁月惊示夕阳前。

物理细推能行乐，努力探索天地间。