定量遥感面临的主要问题

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1、定量遥感面临的主要问题1。尺度问题1) 地学中的尺度问题；2）尺度问题与遥感科学；3） 定量遥感模型；4） GO模型描述2。病态反演问题 1）为什么 病态；2）地学知识的积累和表达；3）先验知识如何用于 病态反演问题 3。 先验知识的积累李小文， 2009.6.8，中科院研究生院1. 定量遥感中的尺度问题1） 地学中的尺度问题 一例全球 变 化的研究面向一系列重大全球性 环 境 问题，提出了大量的关系到地球可居住性的重要科学 问题 ，因而所涉及的范 围 极其广泛，具有高度 综 合和交叉学科研究的特点。叶 笃 正先生曾指出， “全球环 境是一个不可分割的整体，任何区域的 环 境 变 化都要受到整

2、体 环 境 变 化的制约 ，反 过 来，整体 环 境的 变 化又是各区域相互影响着的 环 境 变 化的 综 合体 .” 香山科学会 议 第 187次学 术讨论 会集中 讨论了大气圈、水圈和生物圈之 间 的耦合。会上 谈到水循 环 的状 态 目前能 测 得准的只有水文站的径流量，降水 总 量只能依靠少数的点 测 量外推，蒸 发 散就更惨。所以整个水循 环现 况不清。丑 纪 范院士指出：要重蒸 发 、重垂直、重枯水，所有 这 些都需要遥感。叶 笃 正院士 强 调 了 陆 面蒸 发对 大气 环 流的反馈 ，他的模 拟 表明，如果北 纬 30度全部灌 溉 ，将 严 重影响气候的 变 化。他甚至 认为

3、更小尺度上的水的状 态 也能影响全球的气候模式。 但是气象、水文和生物圈究竟分 别在什么尺度上彼此耦合， 则 没有定 论。所有 这 一切都 对 遥感提出了迫切的需求。 二十年前，关于是否 应该 建 设 “三北防 护 林系 统 ”，曾 经有 过 一 场 学 术 争 论 ，至今余波 荡 漾。反方： “抽水机 ”理 论正方： “人 类 有序活 动 可以影响大气 环 流 ”理 论注意 “抽水机 ”理 论 是在点（小）尺度上 绝对 真 实 的。“蝴蝶效 应 ”在非 线 性的 GCM尺度上又是完全可能的。具体的可能性依 赖 于人 类 有序活 动 的 设计 与 规 模（尺度）。谁 是 谁 非？ 现 在只能看

4、效果了。但学 术 争 论 仍在 继续 ，并有 扩 大化到 “主 义 ”之争的 趋势 。 为 荀子平反 人们常把荀子的 “人定胜天 ”解释成 “人一定能胜天 ”，搞成一个 “主义 ”，胡作非为，给国家、民族带来了灾难。现在风向又变，把敬畏自然，搞成一个 “主义 ”,狠批荀子。其实荀子说的是：人定胜天，天定胜人。人定胜天是 “大天而思之，制天命而用之。 ”是要观察、思考、掌握自然规律，按自然规律办事，利用自然资源的意思。归根到底，老天爷还是最狠的。在两大 “主义 ”的恶斗中，只有靠科学数据， 科学方法， 才能找出最好的办法。 全球 变 化的研究是以地球系 统 科学 为 指南的。遥感作 为获 取地球

5、表面 时 空多 变 要素信息的先进 方法，是地球系 统 科学研究的重要 组 成部分，是 对 全球 变 化 进 行 动态监测 的不可替代的手段。陈 述彭先生指出 ， 没有遥感，就提不出全球 变 化 这样 的科学 问题 。 所以遥感的多尺度 观测对 地学本身有巨大的推 动 作用，就象望远镜对 天文学和物理学的推 动 作用一 样 。2）尺度问题与遥感科学二十多年前，美国地学界爆 发 了一 场 “路 线斗争 ”。当 时 的 美国地理学会会 长 著文批 评一批 较 年青的地理学家以 计 算机和遥感 为技 术 手段 ， 打着科学的旗号 ， 篡 改地理学作 为 一种描述性 艺术 的 实质 。 以加洲大学圣巴

6、巴拉分校（ UCSB） 为 首的一批地理学家，如Simonett， Estes， Strahler， Dozier等数十人 联 名著文反 驳 ，一 时 非常 热闹 。 二十年来的事 实证 明 ， 凡是没有抓住遥感 这 一机遇的地理系 ， 纷纷 走向衰亡 。 但是 AAG的那位前会 长 也有他一定的道理，遥感不 应该仅仅 是高新技 术 的 应 用，而是一 门 新 兴 的综 合交叉学科， 牵 涉到 对 地表的描述。遥感科学 是在地球科学与 传统 物理学、 现 代高科技基 础 上 发 展起来的 交叉学科， 其独特的科学 问题 在于： 对传统 地学来 说 ，遥感要求从定性到定量描述的 过 渡。 对传统

7、 理科来 说 ，遥感要求在象元尺度上 对 局地尺度上定 义 的概念， 总结 、推 导 出的定律、定理的适用性 进 行 检验 和 纠 正，而 这 种 纠 正是与象元尺度上的地学定量描述密不可分的。正因 为如此，美国地理遥感之父 Simonett强 调 尺度 问题 是遥感科学的根本 问题 ，推 动 NASA设 立了 RSSP。 “我 们 淹没在数据的海洋中，渴求着信息的淡水 ”EOS2000G/天(21012Bytes/天 )办 法 1： 多 发卫 星提高分辨率 (1m)，2nm 高光 谱 、 600波段海量遥感数据？新 应 用需要的有效信息 匮 乏供需矛盾目前遥感的基 础 理 论 很不成熟，缺乏

8、 对 遥感数据的地学理解办 法 2：美国议会对 NASA的指责 :“迄今积累的遥感数据 ,有 95%从来没有人看过。 ”这 个 办 法，我 们暂时没有 优势 ： (卫 星、星载传 感器、数据 处 理 ， 牵 涉到大量的 经费 和相当的工作 积 累。从 这 里突破，我 们 有 优势 。遥感数据的地学理解、定性到定量多学科交叉基础科学、应用基础科学定量地学描述遥感科学定量遥感高新技术 (传 感器、遥感平台 设计 制造 )遥感： 高新技 术驱动 的 对 地 观测 的一场 革命观测时空尺度物理学定律、定理 数学生态学化学 计算机科学国民 经济 持 续发 展，社会需求，环 境保 护 ，全球 变 化，减灾

9、防灾尺度效应分形、分维 .反演、优化 .遥感在多学科交叉中的定位遥感科学： “一门综合性的科学，它借助物理学的基础，数学的方法，计算机的手段，以及地学、生物学的分析，解决对地遥感的科学理论和实际问题。 ” 陈述彭 所以遥感科学是一个很大的交叉，而 定量 地学 描述 ，从某种意义上， 是科学和艺术的交叉 。3） 定量遥感模型天光云影共徘徊 诺贝尔 奖获得者 Chandrasekhar创立于 50年代，成功应用于大气；前苏联院士 J.Ross60年代应用于植被；并 应用于土壤 、冰雪 等。所以 从 70年代以来曾在遥感机理研究中一统天下。但辐射传输理论都是基于体积散射介质的水平均匀性，本质上是与象

10、元大小无关的，尺不变的。在遥感象元尺度上，陆地表面大量呈现非均匀的复杂结构，且以表面散射为主， 辐射传输理论难以给出合理解释 。 辐射传输模型微分体散射元水平均匀体散射介 质垂直方向允许介质的密度、性质有变化固体地球表面 下垫面边界条件对大气来说，体积散射元的近似是逼真的。虽然模型复杂一点（偏微分 积分方程，无解析解），但迄今没有比 RT更合适的模型。对植被来说， Bigleaf(大叶近似 )作为大气的下垫面，或者把植被处理成绿色气体（greengas） 都证明丧失了逼真性，只剩下复杂性。对复杂地形来说，表面散射占主导地位，体积散射元的假定更难成立。辐射传输学派及局限比如说 Kimes的三维辐

11、射传输模型，就是对水平均匀 RT模型的一种改造，以适用于森林。这需要在像元尺度上把森林所占的三维空间细分为体积散射元，例如 SPOT像元 10*10米，树最高 10米，体积元 0.1米见方，则共一百万个散射元。 3DRT模型需要指定哪些是树冠，哪些为空气，然后建立偏微分 积分方程并求数值解。换言之，在 RT方程的框架下，逼真性的改进靠的是复杂性的增加。辐射传输学派及局限几何光学模型我曾在 遥感学 报 的一 辑专 刊的前言中写道：时 届中秋佳 节 ， “明月几 时 有？ ”我国古代地理学家一千年前就提出 这 一 问题 。二向性反射的几何光学学派的回答是，只有当 观 察者位于 “热 点 ”方向，即

12、背 对 太阳 时 ，才能看到 满 月，而且看不到 环 形山的任何阴影，因而最明亮。这 个回答也 许 太 简单 ，因 为还 有大气透明度的 问题 ，日地距离，相干效 应 ，等等，等等。但不可否 认 ，几何光学的回答抓住了 问题 最核心的本 质 。同 样 的原理，我 们 已成功地 应 用于可 见 光、近 红 外波段的 对 地遥感，在攀登 项 目中又成功地推广到 热红 外，解 释 非同温像元 热辐 射的方向性。本期增刊的几篇文章用 实测 或模 拟 数据 证实 了我 们 温差面 积 的投影加同温多次散射模型的合理性。当我写 这 番 话时 ，我以 为 月亮的朔望，上弦下弦， 这 些几何光学关系是大家都清

13、楚的。不料好几位博士、教授 怀 疑我 满 月即 热 点的提法。 经过热烈 讨论 ，我才弄清楚他 们 把新月当作月食了。不久前 作者：刘茜 来源：科学时报 发布时间： 2007-9-14。在一年四季之中，中秋之夜月亮是最圆、最明、最亮的。这是什么原因呢？据科学家分析，。同时，中秋正值秋分前后，太阳几乎垂直照射到月球上，月球接受的阳光最多，反射光也最强，因而中秋的月亮格外明。 看来 GO模型 虽 然 简单 ，科普 还 是需要的。这 里 虽 然以介 绍 几何光学模型 为 主，但并不排斥其他的模型或学派，古话说 ， “珠 联 璧合 ”， “相得益彰 ”， “君子和而不同、小人同而不和 ”，就是讲多 样

14、 性的互 补 与 综 合，或英 语 里的 synergy.说 到珠 联 璧合， 时 髦的 读 者也许 会想到珍珠 项链 什么的， 92年版 “常用成 语词 典 ”解 释为 ： “指珍珠串在一起，美玉合在一 块 儿，比 喻 ”这 是望文生 义 ，也不算 错 。但其 实语 出 汉书 ： “日月如合璧，五星如 连 珠 ,”讲 的是两种罕 见 的天文地理 现 象。 日月同 辉 不稀罕，在上弦月、下弦月 时 ，太阳 地球 月亮成直角，我 们 常常可以看到。但日月合璧就 难 得一 见 了。日月合璧指的是太阳和月亮重叠在一起，而又不是日食 它 们一道放射光 华 。有人也 许认为这 种罕 见现 象是 对 几何

15、光学模型的挑 战 。但其 实 我相信只有几何光学模型（加上大气分 层 模型）才能解 释这 种目前据 说 只能在 东 南沿海十月朔日、天朗气清 时 才能看到的日月同升 现 象。不 过 要 验证这 种解 释 就比 较 困 难 ，需要在指定 时 刻，指定地点， 测 太阳 /月亮的直射光 谱 ，放探空气球，但也不是 办 不到的。 几何光学（ GO）模型明 显 的 优势 就是解 释 阴影、表面反射， 简单 、直截了当。辐 射 传输 （ RT）模型明 显 的 优势则 在液体和气体的体散射，出 发 点就在微分体 积 元的能量守恒。RT模型的 问题 在于太复 杂 ，出 发 点就左微右 积 。RT学派腹 诽 GO模型主要有两条： 1）太 简单 ，不 像学 问 高深的 样 子； 2）不 满 足能量守恒定律。既然是腹 诽 ，你怎么知道？因 为 有学 GO的学生 转 学 RT的；也有学 RT的学生 论文让 我 审 的。 说 GO模型不 满 足能量守恒定律， 纯 属 误 解；它在微 观 和宏 观 两个层次上均 满 足能量守恒定律，只是没有必要在方程里表示出来。就像我 们 吃 饭 ，饿 了就吃，没有必要先宣布 为 了能量守恒， 现 在开始吃 饭 一个道理。相反 RT模型，