遥感测旱的探路者

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2009年年初,众多新闻头版；

北京：100天无降水旱情创38年来纪录；

河北：1月份比常年偏少97％；

安徽：淮河北将有60％以上农作物受旱；

陕西：遭遇20年一遇大旱；

山西：近八成小麦受旱；

甘肃：受旱面积达1500万亩等

华夏大地拉响干旱警报,春苗的呼救一声紧似一声,瞬间传到了党、国务院,引起胡锦铸总书记和温家宝总理的高度重视,党和政府及时做出反应.这一刻,干旱不再是仅属于农民和农业系统的事情,而成为跨行业、越城乡的共同关注点；抗旱,也成为各大媒体的高频词.

天下粮仓,民生福祉.面对干旱中那一块块裂开的土地,面对在灾难中苦苦挣扎的苍凉背影,中华大地自上而下开展了高效而有力的抗旱举措,以解燃眉之急.在抗旱这一关乎国计民生的领域里,也应未雨绸缪,防患于未然.于是,干旱监测在农业抗旱中,就显得尤为重要.

干旱监测是农情监测的重要组成部分,而农情监测与粮食安全密切相关,监测的目的是及时、准确、全面地获得农情信息,为各级政府与农业生产部门提供决策依据.因此,利用遥感技术研究一个地理区域的干旱情况,对促进农业生产、保障粮食安全和区域可持续发展具有重要的现实意义.在国家自然科学基金、“863”计划和科技支撑计划等的支持下,中国农业大学信息与电气工程学院地理信息工程系主任、遥感与地理信息技术研究所所长王鹏新课题组对此展开了深入研究,并建立了干旱监测方法和预测预报模型.

遥望苍天,风调雨顺定可求

1965年2月,王鹏新出生于礼泉县,一个位于陕西省关中中段的泾河西侧、渭河以北的易干旱地段.这里区间河流少,过境客水虽有,但可利用量较少,加之礼泉县又属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候,更加重了这里的干旱频度.父辈们不辞辛劳、默默耕种,却又不得不靠天吃饭,一辈子辛苦却备受“老天爷”脾气的戏弄,也只能选择隐忍和坚强,因为土地就是他们生存的根本,粮食就是一家人活下去惟一的希望.

面对困顿的生活状况,倔强的父亲把希望寄托在孩子身上,那就是跳出农门,让下一代人不再受“老天爷”的气.面对父亲,面对故乡那千千万万的乡亲,王鹏新则选择了用现代技术去帮助乡亲,在高考的志愿表上,他毫不犹豫填写了西北农业大学土壤与农业化学专业.

1984年,王鹏新如愿以偿,来到自己志在必得的西北农业大学.西北农大有着悠久的历史,早在1934年,在“建设西北”、“开发西北”的时代呼声中,著名爱国人士于右任先生、杨虎城将军选址中国农耕文明的发祥地――杨陵,创办了国立西北农林专科学校,即西北农大的前身.在这所我国西部地区建立最早的高等农业院校里,王鹏新如鱼得水,汲取着母校那淳厚而丰富的农科知识.

七年苦读,他以优异的成绩毕业,取得了硕士学位.之后留校工作,开始了他监测大地温饱的研究生涯.为了进一步提高自己的科研能力,他从未停止自己的学习之路：1996年2月至1996年7月,他作为访问学者赴美国UniversityofGeia进修GIS和作物模型1998年9月至2001年6月,他在武汉大学(原武汉测绘科技大学)摄影测量与遥感专业获工学博士学位；2001年9月至2002年3月,获美国UniversityofCalifornia,SantaBarbara分校ComputationalEarthSystemScience研究所博士后2001年7月至2003年6月,北京师范大学资源与环境科学系博士后.

2003至7月至今,他先后出任中国农业大学信息与电气工程学院教授、博士生导师,地理信息工程系主任,信息与电气工程学院学位委员会委员,信息与电气工程学院工会主席此外,一心关系着农业农村的他还曾挂职河南省兰考县人民政府副县长并兼任县新农村建设领导小组办公室常务副主任.

回头遥望来时的路,清晰而明确.

他说,他无悔于当初的选择,也无愧于家乡的大地,跳出农门只能解救小家,而遥测研究,则能解救国之大家.所以,他一直在努力.

至今,不曾懈怠.

敢为人先,提出遥测新方法

干旱是一种缓慢的自然灾害,它发生于全球所有的气候带,但其在不同气候带的表现形式不同,因而导致了至今还没有一个适用于任何条件下的干旱的定义及监测方法.传统的干旱监测是用点上的数据来研究干旱的程度及范围,其中应用最多的是气象数据,此外还有水文、社会和经济等数据.

“通常的干旱分级是按气象标准来划分的,主要参考标准就是降水量.但一个地方降水多少并不能准确反映当地的真实旱情和农作物可能受到的损失情况.因为不同的地方土壤原来的墒情、土质、灌溉等因素都会影响作物的生长状况.”王鹏新说,“另外,应用遥感技术可以充分利用地物表面的光谱、时间、空间和方向信息,更方便准确地进行大面积监测.”

王鹏新说,从农业生产考虑,干旱是在水分胁迫下,作物及其生存环境相互作用构成的一种旱生生态环境.影响农业生产的因素很多,主要有气候、土壤、生产水平、天气和人类活动等,在这些因素中,对某一地区来说,在一定的连续时间内,可以认为气候、土壤和生产水平处于相对不变的状态,只有天气变化对作物生长有短期的效应.因此,植被指数可用于表示作物受旱程度.土地表面温度是控制地球表面大多数物理、化学和生物过程的重要参数,土地表面温度的反演是热红外遥感最重要的应用之一.植物冠层温度升高是植物受到水分胁迫和干旱发生的最初表征.因此,土地表面温度可用于干旱监测.

早在2001年,作为中国农业大学定量遥感研究方向学科带头人,王鹏新原创性地提出了“条件植被温度指数(VTCI)”这一遥感测旱方法.历经时间验证,得到了国内外同行的认可和应用.2007年,他的遥感测旱处女作《条件植被温度指数及其在干旱监测中的应用》论文入选“第一届中国百篇最具影响优秀国内学术论文”,这也是全国测绘学科入选的两篇论文之一.

遥感技术引入国内的时间很早,但是遥感测旱技术在国内应用的时间并不长.王鹏新介绍说,“十多年前,国内常规的监测方法还是用土钻取土,称重测量土壤水分,是用点上的数据来监测干旱的程度及范围,无法实现大面积,动态监测.”

认识差距才能真正超越.1996年,王鹏新在美国佐治亚大学访问学习期间,看到了美国同行们利用GIS和遥感技术监测农场不同区域的土壤水分,这给了他很大的触动：“遥感技术充分利用了地物表面的光谱、时间、空间和方向信息,能进行实时,动态大面积监测.”思想的萌芽之根在这一刻种下,祖国遥感测旱领域从此多了一个新的声音,生命力更为强大.

有了目标,他很快回国读博,师从测绘遥感领域著名学者龚健雅教授.三年的读博生涯中,王鹏新不仅得到导师的教诲,也得到了在国内遥感界享有盛誉的北京师范大学李小文院士的悉心指导.有老师的尽心和自己的尽力,很快王鹏新就提出了“条件植被温度指数”这一干旱监测新方法,它适用于监测某一特定年内某一时期(如旬)区域级的干旱程度.理论离不开实践的检验,王鹏新和陕西气象局合作监测了陕西省关中平原地区2000年3月下旬干旱情况,结果表明：条件植被温度指数能较好地监测该区域的相对干旱程度,对干旱的监测结果与用土壤热惯量模型反演的土壤表层含水量的结果基本吻合.

他说,科学的发展离不开创新的勇气,更离不开全身心地投入与付出.

为了遥感测旱,他一直如此.

干旱预测,全心全意服务路

一种全新测旱方法的提出还需要试验数据的验证和理论上的完善,对于自己的想法,他自信而坚定,从实践和理论等各方面不停地完善与加强.

2003年,王鹏新以“基于植被指数与地表温度的干旱监测方法”为题申请国家自然基金项目时,有专家认为,“条件植被温度指数”这一监测方法理论基础不强.再忆当年的状况,他仍清晰记得当时的想法：“我觉得自己提出的这一方法有很强的应用性,理论上的不足可以在实验中得到完善.后来,我们一直试验,反复验证,完善了理论上的不足.”

长年的实验不仅在理论上完善了“条件植被温度指数”这一干旱监测新方法,也证实了条件植被温度指数是一种近实时的干旱监测方法.更让他欣慰和满足的是“结合遥感信息提取和定量建模得到地表旱情的分布图可以为政府决策提供服务.”

2006年初,王鹏新开始着手北京市自然科学基金项目“作物生长模型与遥感数据的同化及其应用研究”.该基金项目以北京地区冬小麦叶面积指数(LAI)的同化方法及其应用为研究重点,以作物生长模型为动态模型,利用遥感可以周期性获取大面积地面目标信息的特点,将遥感对地观测与作物动态生长模型有机地结合起来,研究了作物生长模型与遥感定量反演模型耦合应用的方法研究了LAI的同化方法及其在精准农业生产中应用的途径.研究成果可为精准农业生产、区域农情监测和农业可持续发展提供科学依据.

应用2000年到2006年在北京地区采集的实验数据,项目组采取地面实测数据多元统计分析和数理推导相结合,作物生长模型动态模拟和遥感数据定量反演相结合,应用数据同化的方法研究了作物生长模型与遥感定量反演模型耦合应用的途径应用有关的内插和空间扩展方法研究了LAI的时空扩展方法,并对其进行了验证.利用已有的LAI反演方法,通过引入光谱响应函数,提高了通过冠层光谱反射率数据获取NDVI的精度,从而相应地提高了LAI反演模型的准确性.对比分析了NDVI与LAI之间建立的几种函数关系模型,并以地面观测的冬小麦冠层多角度光谱数据为主,应用光谱分析技术开发LAI的反演算法.

项目组应用多时相的LAI进行冬小麦长势监测和估产,并对估产精度进行评价.利用CERES-Wheat模型模拟冬小麦的目标产量,并与光谱数据相结合,初步构建了基于时间序列LAI进行冬小麦长势监测和估产的方法；证实了CERES-Wheat模型能较好地反映冬小麦的生长状况,能为基于遥感数据的面上的农情监测提供良好的数据和技术支持,以及在精准农业生产中有较为广阔的应用前景.

该研究进一步促进数据同化技术在区域精准农业生产中的应用,为区域农情监测提供科学依据.在LAI同化研究所取得的成果的基础上,2007年王鹏新及其课题组开始着手作物水分胁迫信息的同化研究,并得到了国家“863”计划的资助.

2007年,王鹏新在黑龙江做国家科技支撑项目“种植业生产过程信息化关键技术与产品研发”时,当地碰巧发生了至少50年一遇的干旱.“60厘米的土层全部是干土层,我们近实时监测的范围和我们对干旱级别的判断、地表旱情的分布都达到了预期效果.监测的结果为当地政府发布干旱预警提供了数据支持.”王鹏新说.

2009年年初,王鹏新和课题组成员协助

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生命在继续,遥感测旱的研究也在继续.

他说,这是我生命的使命,也是我必达的目标.

精益求精,惠农惠国惠天下

对于实现理想过程中遇到的各种辛苦和波折,他只是淡淡微笑：科学的路上,谁会没有困难呢这只是必经的过程,牙一咬就挺过去了.

只有科研中的难点,是他最为关注也一直致力于此的.王鹏新介绍,做遥感测旱最难的就是预测精度,而目前的成果主要是为政府决策提供服务,离农民直接应用还有很大的距离,也就是说,离他心中的目标还有很远的路要走.

王鹏新告诉记者,过去几年他和课题组都在做干旱预测的课题,受制于数据源和模型等因素,预测结果不太理想,预测精度达到30％～40％,尽管从专业的角度来说这个精度已经不算低了,但是王鹏新很不满意,他说：“干旱预测是一个很复杂的问题,希望近几年在陕西至少能做出两三个实验区,站在一个点上,就能知道这个田块的旱情,能够预测多少面积发生轻旱、多少面积发生中旱.”

而在刚结题的“近实时定量化遥感干旱监测方法的研究”项目中,王鹏新带领课题组,重点监测关中平原和渭北旱塬等经常在春季和夏初发生干旱的区域,利用遥感和Gls技术.以关中平原和渭北旱塬36个气象站39年逐月降水量为分析数据,结合模型系统地分析了“标准化降水指数”这一测旱方法在不同时间尺度(1、3、6、9和12个月)上的预测能力及其存在问题,为“条件植被温度指数”的预测研究奠定了基础.结果表明：对所选的5个时间尺度,该方法都有一定的预测能力,并且随着时间尺度的增加,预测正确率也相应提高.

近期他的在研项目包括国家自然科学基金面上项目“基于条件植被温度指数的干旱预测研究”、国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题“作物水分胁迫信息的遥感定量反演与同化技术研究”、“十一五”国家科技支撑计划重大项目“现代农村信息化关键技术研究与示范”课题“种植业生产过程信息化关键技术与产品研发”之子课题“大范围小尺度农作物遥感动态监测系统研究”等.

对于未来,王鹏新淡然而坚定：“一定会在遥感测旱领域继续探索,未来的目标重点放在遥感干旱监测的预测和影响评估研究上,比如干旱的程度及其潜在的影响.”说到所需时间,王鹏新笑了笑,“这个问题很难回答,10年以后或者更长一点,在区域尺度上知道这个区域上的旱情的等级分布,作物是否会减产,减产多少等这些量化指标.”

对于他来说,时间不是问题,目标才是根本.灯塔就在暗夜的远方,颠簸的行进是过程,也是必然.而他,一直在前行,从未歇息.

除了繁重的科研任务,王鹏新教授还承担着日常的教学任务.在生活上,他对学生一如亲人般地关心,在教学上,他又是一位严师,一丝不苟.在农大的讲台上,他以对于事业的高度热情,培养了一批批年青学子,“当年的我,幸运地遇上我的恩师,现在,有多少家长如同当年我的父亲,所以,不能辜负,惟有努力才能心安”.在中国的教育阵线上,正是有无数像他这样的师者,才赢来祖国教育事业的高速发展,科技进步的繁荣昌盛.

他爱好篮球,也酷爱旅游.是啊,除了为学为师,他还是一个凡人,一个对于生活有着追求和热情的年轻人.只是多年来为了理想,他把享受生活的时间一推再推,在他的生命中,事业永远是最重要的主线,其他的只能暂时退后了.这就是他,一个有着伟大理想的师者,一个永不言败的搏击手！

为学,他持之以恒,精益求精；为师,他如父如友；为人,他执着坚定,亘古未移.为了中华粮仓,他用青春作丝线,心细如发,把握大地的脉搏,知晓着大地冷暖.在遥感测旱领域里,他是一名勇敢的探路者,在中华大地上谱写着一曲壮美的青春之歌！