第1章 黑河生态水文遥感试验的背景
李新
大型观测试验是理解水文、生态等陆地表层系统过程，发展水文、生态等模型的前提。流域是自然界的基本单元，流域科学（watershed science）是地球系统科学在流域尺度上的实践。正如没有地球观测系统就不会有地球系统科学，发展流域观测系统，开展综合观测试验，也是发展流域科学的重要前提之一。本章回顾了开展黑河生态水文遥感试验的背景，包括遥感试验在地球系统科学中的重要角色，以及流域集成研究对综合遥感观测试验的需求；介绍了黑河流域作为一个试验流域，过去几十年来在观测系统建设和综合试验方面的积累；回顾了黑河遥感试验的历程，以及与国家自然科学基金委“黑河流域生态-水文过程集成研究”重大研究计划的关系。
1.1 遥感试验与地球系统科学
随着全球观测手段的出现和日趋成熟，以能量循环、水循环和生物化学循环为研究对象的表层地球系统科学已逐渐发展成为实验特征明显的科学。遥感对地观测系统的建立和应用，大大提高了表层地球系统科学研究的效率，各种物质和能量定量测试的新技术，也为这一学科的发展带来了新的契机（郑度，2001）。科学工作者第一次可以从宏观到微观，从全球到区域，利用前所未有的先进手段观察地球表面的各种过程，并通过可重复的实验深入理解过程，进而发展定量描述这些过程的计算机模型。表层地球系统科学已成为实验科学！在表层地球系统科学从经验科学走向实验科学的进程中，一系列针对地表过程的大型观测试验扮演了重要的角色（Sellers et al.，1995，1988），正是这些观测试验对地理学、水文学、生态学、大气科学和整个地球系统科学的快速发展起到了举足轻重的作用，许多试验甚至成为一个阶段科学认识和研究方法进步的里程碑。
大型观测试验是理解水文、生态等陆面过程，发展定量模型的前提。据不完全统计，在世界气候研究计划（WCRP）和国际地圈-生物圈计划（IGBP）的协调组织下，各类陆面过程试验已经超过50个。从1980年代开始实施的第一批陆面过程试验中，就把遥感作为主要的观测手段之一，例如，第一次国际卫星陆面过程气候计划野外试验（FIFE）是由美国国家航空航天局（NASA）主导的影响深远的一次重大陆面过程试验。FIFE以陆气相互作用为科学目标，强调：①同步获取卫星、大气和地表观测数据；②多尺度的生物物理参数和过程观测；③集成分析和公共数据信息平台。在3年试验期内，FIFE动用了8架飞机和大量地面观测设备，提供了可供科学家在各个尺度上发展模型和卫星遥感反演算法并开展尺度推绎研究的完整数据集，它至今仍产生着重要的影响，为各类试验提供了成功的范例（Sellers et al.，1988）。
北方生态系统-大气研究（BOREAS）是继FIFE之后另一次更大尺度的、以陆气相互作用为科学目标的科学试验。BOREAS特别强调一个嵌套的多尺度观测，因而建立了不同尺度上的观测系统，地面以涡动相关仪测量为主要观测手段，辅之以大量的生物物理、水文和生物化学观测。在遥感试验方面，BOREAS共成立了18个科学小组，动用11架飞机，飞行350架次，获得了不同分辨率的大量光学和微波观测资料①（Sellers et al.，1995）。其科学成果为发展和验证各种能量、水分和生物化学循环模型做出了重要贡献。
1993年，全球能量与水循环试验（GEWEX）开始实施，其宗旨是观测、理解和模拟大气内部、陆地表面土壤-水文-生态和上层海洋的水文循环和能量通量，并*终预测全球和区域气候变化及生态环境变化。GEWEX成立了世界各大区的相应子计划，如在干旱区开展的典型试验：撒哈拉沙漠南缘地区萨赫勒水文大气引导试验（HAPEX Sahel）。在4年试验期和1992年8个星期的加强观测期中，来自7个国家的170位科学家在西非荒漠草原上开展了水文、地表通量、植被、大气、遥感等方面的密集观测。其中，遥感观测动用4架飞机，获取了多角度的可见光、近红外和热红外资料，以及5个频率的双极化微波辐射计资料（Goutorbe et al.， 1994），并系统收集了9种卫星遥感传感器的资料。HAPEX试验对于理解干旱区的陆面过程、陆气相互作用以及萨赫勒地区的极端气候变化都做出了重要贡献。亚马孙流域大尺度生物圈-大气圈试验（LBA）是在GEWEX协调下由巴西发起的国际研究计划，旨在通过试验揭示亚马孙流域气候、生态、生物地球化学和水文等因子的特性、土地利用变化对上述要素的影响以及亚马孙流域与地球系统的相互作用，其研究内容分气候、碳循环、生物地球化学、大气化学、水文、土地覆盖和利用等专题，试验项目包括风场和云的探测、痕量气体、气溶胶、温室气体等的监测及地气之间物质和能量交换等（Avissar and Nobre， 2002）。GEWEX亚洲季风试验（GAME）分别在青藏高原、淮河流域、西伯利亚和东南亚热带地区开展研究②，其中，我国科学家在GAME青藏高原试验中发挥了重要作用（王介民，2000），试验中的观测按高原尺度和重点试验区尺度分别展开，运用大量的通量观测设备、自动气象站、土壤温湿度廓线观测、地面双偏振多普勒雷达、激光雷达、边界层探空、卫星遥感等手段，取得了以往高原观测从未有过的大量极其珍贵的资料，将青藏高原陆面过程研究大大推动了一步。
寒区试验以寒区陆面过程试验（CLPX）为代表，其目标是提高对陆地冰冻圈的水文、气象和生态过程的理解。在遥感方面，CLPX的特点是使用了大量机载主动和被动微波传感器，包括合成孔径雷达（SAR）、波段极化扫描辐射计（PSR）、GPS（全球定位系统）双基雷达、极化 Ku波段散射计，同时也使用了新型的可见光/红外光谱仪、激光雷达、伽马射线等传感器，并配合多种卫星数据、地面遥感传感器以及同步的地面常规观测，构成了一套适用于寒区陆面过程模拟的综合数据集（Cline et al.， 1999）。
在国际上陆面过程试验大潮和全球观测的推动下，国内自 1980年代末期以来也开展了有关陆面过程实验，如国家自然科学基金和中国科学院重大项目“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究”（HEIFE）和国家自然科学基金重大项目“内蒙古半干旱草原土壤－植被－大气相互作用”（IMGRASS）等陆面试验（胡隐樵等，1994；吕达仁等，1997）。HEIFE的一个重要成果是发现了临近绿洲沙漠中的逆湿现象，并进一步证实了绿洲中的逆位温现象，从而准确地阐述了绿洲与沙漠相互作用的机理。IMGRASS的特点是强调生态方面的观测以及人类活动对草原生态的影响。这两次试验均产生了重要的国际影响，但限于当时的条件，观测项目与国际上的同类试验相比较少，也均未涉及航空遥感，所使用的卫星遥感资料的类型和数量也不多，但在利用可见光 /近红外和热红外资料估算异质性地表的能量平衡方面取得了重要的进展（ Wang et al.， 1995）。
在航空遥感试验方面，我国在20世纪80年代、90年代先后组织了腾冲航空遥感试验（资源遥感）、津渤环境遥感试验（环境遥感）和雅砻江二滩水力开发航空遥感试验（能源遥感）。进入21世纪，我国又陆续组织了几次大型的综合遥感试验，其中航空-卫星-地面结合的代表性定量遥感试验有 2001年3～5月在973计划“地球表面时空多变要素的定量遥感理论及应用”支持下的顺义遥感综合试验，以及2005年4～5月在863计划信息获取技术领域支持下的山东济宁遥感综合试验。顺义遥感综合试验围绕农田生态系统中的7个主要时空多变要素（地表反照率、地表温度、叶面积指数、叶绿素含量、土壤水分含量、地表蒸发与植被蒸腾等）的遥感定量反演研究这一中心，获取以冬小麦为主的典型地物的多光谱、多角度、多时相、多比例尺的遥感数据（地面、航空和卫星）以及地表通量、农田基本参数、光合有效辐射、气象与大气观测数据。其中，航空遥感试验获取了我国自行研制的机载多角度多光谱成像仪系统（AMTIS）数据和实用型模块化成像光谱仪（OMIS）数据。山东济宁遥感综合试验针对农业、林业、环境、土地利用、城市规划等专业领域，开展了全方位的、立体的综合遥感科学与应用试验。在航空遥感方面，使用了电荷耦合器件（CCD）高分辨率数字相机、PHI成像光谱仪和激光雷达，对面积为8000余平方千米的试验区进行了观测；在地面测量方面，分应用领域对地物光谱、土壤水分、土地利用、作物分布、作物生理与生化指标、水体污染等进行同步或准同步测量。这些试验对推动我国遥感技术发展、提高我国遥感理论研究水平、促进我国遥感应用都具有积极的意义。
大型观测试验的重要产出是综合模型和多尺度的数据集。如生物圈-大气圈传输方案模型（BATS）、简单生物圈模型（SiB）和第二代简单生物圈模型（SiB2）等被国际科学界所广为承认和普遍使用的陆面过程模型都诞生于试验（Dickinson et al.， 1993; Sellers et al.， 1996）。它们和试验相伴相生，观测事实为模型的发展、改进和验证提供了依据；而模型反过来又可提供*有效的观测试验方案。综合数据集则是观测试验成果汇总的重要方式，它们不仅是试验本身集大成的资料总结，也是科学事业薪火相传的媒介，是科学家们不断完善和发展各类陆面过程模型，开展综合集成研究所不可或缺的重要基础。
1.2 流域科学与流域试验
随着陆地表层系统科学研究的深入，突破“水-土-气-生-人”各个要素的集成方法需要寻找一个具有一定边界、相对可控的基本单元。这种需求使传统的陆地表层系统研究向流域为基本单元的精细研究过渡，催生出一门新的科学——流域科学（程国栋和李新，2015）。
流域科学是地球系统科学在流域尺度上的实践，兼备地球系统科学基础研究和区域可持续发展应用研究的特性。从陆地表层系统科学基础研究的角度看，流域科学的目标是理解和预测流域复杂系统的行为，其研究方法可以被看作是陆地表层系统科学的研究方法在流域尺度上的具体体现；而从流域综合管理的应用角度看，流域科学关注流域尺度上人和自然环境的相互作用，因此它也是通过对自然资源和人类活动的优化配置而为可持续发展服务的应用科学。
正如地球系统科学研究离不开地球观测系统，发展流域科学的重要前提之一也是建立流域观测系统。卫星和地面观测技术的快速进步，极大地推进了流域科学的各个分支的发展，重塑了这些学科的面貌。卫星遥感已经能够观测到主要的水文、生态变量和通量（NRC， 2008），并且展现出多尺度、更加专门（如全球降水计划）、空间和时间分辨率越来越精细的趋势。就地面观测而言，新技术层出不穷，*大的特点是大量使用传感器网络以及各种足迹尺度观测技术（如宇宙射线土壤水分观测系统、闪烁仪等）。这些新技术为流域观测带来了前所未有的机遇，并且迅速地演进为流域观测的主流手段，使得建立分布式、多尺度、实时控制的流域观测系统成为可能（李新等，2010a）。
过去10年来，以流域为单元建立分布式的观测系统蔚然成风。国际上较为成熟的流域观测系统包括美国国家科学基金会支持的关键带观测平台（CZO）、德国陆地环境观测平台（TERENO）（Zacharias et al.， 2011; Bogena et al.，2015）、丹麦水文观测系统（HOBE）（Jensen and Illangasekare， 2011）、加拿大的变化中的寒区观测网络（CCRN）（Debeer et al.，2015）等（图1-1）。此外，美国国家生态观测站网络（NEON）也把流域作为其重要观测单元。这些观测系统的共同特征是：①多变量、多尺度观测；②大量使用传感器网络技术；③新的观测技术的试验场；④航空遥感作为获取流域精细数字高程模型（DEM）等甚高分辨率数据的重要手段；⑤监测和控制试验并重；⑥与模型建模目标密切配合；⑦与信息系统高度集成。图1-2给出了流域观测系统的愿景。
图1-1 国际上主要的流域观测系统
图1-2 流域观测系统示意图（李新和程国栋，2008）
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