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谱写农业遥感新篇章记中国农业科学院农业资源和农业区划所毛克彪员
本刊记者 武光磊
路漫漫其修远兮,吾将上下而求索.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员毛克彪所求索的,是在农业遥感领域上的突破.多年来,他以精湛的学识,丰富而成熟的科研能力在农业遥感领域潜心研究,取得了重大成果,为许多专业学科建立了联系,指引了前行的道路与方向.
“遥感是从远外探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息,通过对信息的处理,揭示出目标物的特征、性质及其变化.”毛克彪解释道.在这样的定义下,意味着遥感可以实现信息收集和分析的定时、定量和定位,表现出客观性强、不易受人为干涉的特点,更方便决策.至于他所从事的农业遥感技术,则是多种学科交叉综合的结果,依托于空间科学、地球科学、信息科学和农学等,为人类从多方位、宏观的角度去认识农业提供了新方法和新手段.毛克彪就是运用卫星遥感技术快速准确地获取大面积、长时间序列的地表温度和土壤水分,具有重大的科学意义,同时也具有重要的社会经济价值,把农业科学化提升到一个新的水平.
潜心研究填补专业空白
毛克彪于1977年出生在湖南,现为中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员（优秀青年一级人才）,湖南科技大学教授,安徽农业大学客座教授.从儿时起,勤学苦练就成为一种良好特质渗透进了毛克彪的人生习惯中.走上工作岗位后,他依然保持着吃苦耐劳的好作风和坚韧不拔的性格,边工作边学习,踏出一串坚实的足迹,写下一串令人叹服的履历：他主持或作为核心成员参与各类国家重大、重点等科研项目近20项.在国内外期刊和国际会议发表论文100余篇,专著1部,获得国家发明专利6项,国际发明专利3项、为国家重大自然灾害监测做出突出贡献,2016年5月被授予“全国优秀科技工作者”称号.毛克彪是一位在学术界研究思维非常活跃的学者,在遥感和计算机等七个专业学习过,像他一样的科研人员大抵都思路开阔,不拘一格,不会因为岁月的逝去而消沉,也不因时代的更迭而泯灭,他们会用智慧的头脑与娴熟的能力在科研的道路上撑起一片天.
毛克彪的研究兴趣聚焦于农业大数据、气候变化、农业遥感、微波、热红外遥感、空间数据挖掘及G I S应用等方面的研究.他在每一项研究中都会发现问题,并运用所学知识和团队并肩解决问题.
“举一个例子”,毛克彪说.地表热辐射在通过大气到达卫星传感器的过程中,主要受地表类型和土壤水分,近地表空气温度和大气水汽含量的影响.氮磷钾溶解在土壤水分里面,土壤水分的变化会影响介电常数变化,从而改变发射率,发射率变化会影响地表的辐射效率,而地表温度变化又会决定土壤水分的蒸发速度,从而影响与近地表空气的能量交互,改变近地表空气温度；近地表空气温度的变化影响大气剖面,继而决定大气平均作用温度；在地表热辐射经过大气时,被大气水汽吸收,然后达到卫星传感器.“因此,我们可以看出在利用单波段热红外传感器准确计算地表温度过程中,必须满足三个条件：获取大气水汽含量计算大气透过率；获取近地表空气温度估算大气平均作用温度；已知地表类型和土壤水分准确估算地表发射率.”
以往大部分研究人员只集中在辐射传输方程中某一个部分的改进提高反演精度,毛克彪为了系统性提高地表温度反演精度,在三个关键参数以及空间气候变化方面都做了大量创新研究工作.在土壤水分反演精度方向上,他建立了标准极化微波指数模型,提高了土壤水分反演精度；还发明了一套利用G P S地面反射信号估算土壤水分的仪器和方法,要知道,在这以前,国内想要在地面高空估算大面积土壤水分还是万万不敢想的.
俗话说“万丈高楼平地起”,做任何事都是需要一点一点累积而成的,科学研究更是如此.在此后的工作与调研中,毛克彪潜心研究,寓教于学,开拓创新地提出观点并给予实施,填补了国内众多领域的空白.
积极创新再造新高度
2007年,当意气风发的毛克彪从中国科学院遥感应用研究所博士毕业后,就一头扎进农业遥感领域,凭的就是这一股奉献青春和智慧的勇气与决心.
2014～2015年,毛克彪设计完成了“基于遥感研究2013年夏季高温干旱对我国粮食生产影响”的课题,并获得了国家自然科学基金的资助；2016年,他主持基于遥感研究气候变化背景下农业旱灾时空变化对粮食生产影响的课题,申请了国家自然科学基金,目前项目也在如火如荼地进行,预计2019年完成.
土壤水分不但是干旱监测中非常重要的参数,而且其变化会影响热辐射和发射率变化,从而影响地表温度的反演精度.以往人们通过同一个频率不同极化建立微波指数与土壤水分建立统计关系计算土壤水分,毛克彪通过研究发现,不同频率V极化的微波指数能较好的消除粗糙度的影响,从而提出并建立了新的不同频率同极化标准化微波指数模型,在此基础上建立了被动微波土壤水分反演方法.该方法通过比值法克服了以往需要同步获得大尺度地表温度的困难,且利用这种方法反演误差降低了10%.为了进一步验证和提高土壤水分反演算法精度和实用性,毛克彪发明了一套利用G P S地面反射信号反演土壤水分的装置和方法,该方法填补了国内在地面一定高度获得大面积土壤水分参数仪器的空白,解决了星上土壤水分验证时地面点观测难以匹配且缺乏代表性的难题,被“草原植被及其水热生态条件遥感监测理论方法与应用”项目采纳,并在国家呼伦贝尔草原生态站得到了应用,为草原生态监测提供了强大的技术支持.
毛克彪始终把创新贯穿在地面温度遥感定量反演及农业应用项目的进程中,为了提高空气温度反演的精度和时效性,他首次提出利用先验知识和人工智能方法,直接从遥感数据大面积估算近地表空气温度反演的方法,使得直接从遥感数据大面积反演近地表空气温度的反演方法变得通用,误差大约1℃(同类国际刊物发表精度是2?3℃）,应用效果明显,并有了很多代表性成果.在此基础上,毛克彪进一步利用大气水汽含量作为先验知识提高近地表空气温度反演精度,还获得国家发明专利1项.
毛克彪还在晴空条件下,通过利用近红外波段估算大气水汽含量,克服了以往算法需要从气象站点获得水汽的困难,提出了地表温度和发射率分步反演的新劈窗算法,简化了反演过程,提高了反演精度；针对多个波段的热红外数据,克服方程不足的困难,通过建立邻近波段发射率之间的关系,继续提出了同时反演地表温度和发射率的多波段反演算法,并利用神经网络进行优化计算,大大提高了反演精度和算法适用性.
生命无止境,科研的脚步不会停止,毛克彪也一直都在前行.在热红外无法准确反演地表温度的问题上,他提出了全天候的被动微波数据的地表温度反演方法,解决了有云的情况下热红外无法准确反演地表温度的重大难题.全球平均每天有60?70%的地表受云影响,热红外在云覆盖地区很难获得地面信息,为了克服这一缺点,他在分析A q u a卫星多传感器特征的基础上,提出利用M O D I S温度产品和A M S R-E不同通道之间的亮度温度建立反演地表温度的反演模型.从而克服了以往需要同步测量地面温度数据的困难,并为不同传感器之间的参数反演的相互校正和综合利用多传感器的数据提供实际应用和理论依据,解决了有云情况下热红外无法准确反演地表温度的难题.在精确反演地表温度上,建立的统计方法的平均误差在2℃左右,国际相关研究精度为2～3℃.毛克彪在此基础上,利用多传感器的优势和人工智能方法,进一步提高精度和使得算法通用化,获得国家发明专利1项.
近年来,毛克彪研究当前气候变化预测模型存在的问题,提出了建立基于大数据和万有引力空间气候变化模型的思想.他认为地球每天的天气变化是由于各个星体轨道变化导致的,高速自转和公转的地球每时每刻都在做自我调整从而达到动态平衡,继而引起地球系统每天水循环（包括大气水汽、降雨和洋流）和地球内部（岩浆）等变化,形成了每天不一样的天气.毛克彪通过大量分析后认为地球能够自我调节温度,人类对地球温度变化影响不大,特别是二氧化碳的排放对地球温度的影响只是起到扰动或者微调作用.他对遥感数据分析表明：大气中的二氧化碳浓度增加,按照常理大气温度升高,大气水汽饱和度增加,温度继续升高,反复叠加,温度会持续增加；然而数据分析表明大气中的水汽含量下降,从而部分抵消了二氧化碳的影响,温度不是线性上升.毛克彪认为地球温度的变化是由地球在太阳系和银河系中的轨道位置所处的能级决定,气候周期变化是由于各个星体都在做周期运动,太阳和其它星体也是在运动的过程中由于各星体引力和磁场大小及方向变化做即时自我调整.毛克彪提出以大数据思维建立终极气候变化模型：以开普勒三定律和万有引力定律为基础,建立一个以太阳或者银河系为中心的引力和磁场变化模型,模拟在行星运动过程中,磁场和引力方向变化以及太阳辐射变化怎样驱动地球大气水汽（云）、洋流运动和岩浆运动等,从而更加准确地预报重大自然灾害,创造了科农业遥感领域内的新高度,引领了前进的脚步与方向.
为农业遥感添砖加瓦
孔夫子在几千年前就曾说过“学而不厌．诲人不倦”,在求知路上,我们应该孜孜以求,永不止歇.毛克彪在对待农业遥感技术上也始终秉持着严于律己、宽以待人的态度.
毛克彪在地面温度遥感定量反演及农业应用这个项目上付出很大的心血,他在研究中发现如何将被动微波遥感与热红外遥感相融合,取长补短,实现对地表温度的全天候、高空间分辨率遥感反演,在解决目前遥感温度产品在空间上不连续和分辨率不够高的问题上显得尤为重要.
毛克彪就在已有研究成果的基础上,打算进一步研究被动微波与热红外数据联合反演地表温度的容和算法,构建高空间分辨率且空间上连续的温度产品.并准备利用静止气象卫星和地面观测站点数据,建立温度变化函数,从而利用不同时段的卫星温度产品通过函数关系计算连续的小时温度产品.在这两方面的基础上,毛克彪还萌生了要研究如何选择多颗卫星建立归一化方法的想法,这样一来就可为我国农业提供长时间序列的高空间、高时间和高精度的温度产品,提高灾害监测和粮食估产精度.
在具体操作过程中,毛克彪提出首先应进行相关数据的前期收集和地面观测的准备工作,建立研究所需要的基础数据库.然后针对F Y-3和V I I R S数据的新特征,提出对数据适合的地表温度反演算法,以应对MO D I S数据不足的情况.并且可以利用被动微波数据对云覆盖的区域进行地表温度反演,进行精度校验,计算相对准确的区域平均温度.再者要充分利用插值和人工智能方法对热红外获得的地表温度和被动微波反演得到的表面温度进行更好的融合,以便获得高空间分辨率的温度数据.其次还要利用静止气象卫星和区域气象站点观测数据,对区域表面温度进行拟合,获得每天温度变化函数.最后利用不同卫星数据产品,提出归一化函数,构建长时间序列的温度产品数据,可以分析十多年高温干旱对粮食生产的影响,从而进一步找到相关解决方法,对保障粮食产量及安全问题至关重要.
毛克彪还在地面温度遥感定量反演及农业应用这个项目上提出了很多具有前瞻性与开拓性的观点,他针对F Y-3/VIIRS新数据特征,计划提出新的算法,利用热红外高空间分辨率优势和被动微波数据全天候各自的优势,提出融合算法获得高空间分辨率的温度数据；他还在这个项目上准备利用静止气象卫星和气象站点观测数据获得每天24小时温度变化的函数,利用不同时间段的遥感温度产品计算区域每个小时的温度产品数据,为气候变化模型提供更高时间分辨率的温度参数.这样一来,就可建立高空间分辨率的热红外与被动微波融合的反演算法,还可建立温度变化函数获得以小时分辨率的区域温度数据库,以帮助提高农业灾害监测和农作物估产精度,保障国家粮食安全.
正所谓：“国以民为本,民以食为天”.粮食既是关系国计民生和国家经济安全的重要战略物资,也是人民群众最基本的生活资料.粮食安全与社会的和谐、政治的稳定、经济的持续发展息息相关.毛克彪就是这样一步一个脚印实现着人生的积累也奉献着自身对农业遥感事业的无限热爱,用辛勤的汗水与智慧的浇灌为农业遥感事业添砖加瓦,熠熠生辉.相信他在享受身心磨砺之后,终会守得云开见月明,也将继续描绘更美的彩虹蓝图,用最朴素的岁月装点最灿烂的科研人生.
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