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1、定量遥感与环境定量遥感与环境主讲人 李小文 北师大遥感与地理信息系统研究中心1. 定量遥感对环境监测的意义 2. 遥感面临的问题和加强遥感基础研究的必要性 3. 国内外遥感基础研究的现状和我们的主要学术思想 3.1. 几何光学模型 3.2. 尺度效应 3.3. 病态反演21. 定量遥感对环境监测的意义3我们所指的遥感就是从卫星观测地球表面 ，是20世纪末发展最为迅速的科技领域之一，其优势在于能够频繁持久地提供地表的面状信息，具有宏观 、动态、精确地监测地表环境的变化的特点。由于人类的信息需求有80%与地理空间位置有关，而 我国正面临着日益严重的资源环境问题，遥感在国民经济、社会发展和国防安全中
2、起着越来 越重要的作用：4 为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据和科学决策依据 为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评估数据及图件 持续不断地开展再生资源的监测、预测和评估 地质矿产资源调查与大型工程评价 天气预报和气候预测 海洋监测和海洋开发 西部大开发的土地适用性评价、生态评价和工程评价例如：5全球 NDVI (植被指数)6全球昼夜温差798年长江洪水的遥感监测 （雷达与TM影象的复合）8北京地区4米遥感影象图 （美国SPACE IMAGE 公司的IKONOS卫星）9北京地区1米遥感影象图 （同时也发布了导弹基地的1米影象图）10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
3、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” 。11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。12望远镜的发明，
4、推动了一系列重 大的天文和物理发现，从而推动了工 业革命。但望远镜在明末传到中国以后，应 用则仅限于军事（徐光启集）甚至玩物 （李渔夏宜楼）。以至今天很多人 不相信明代我们已经有了这门信息获取 的高新技术。13二十年前，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。以加州大学圣 巴巴拉分校（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
5、感这一机遇的地理系，纷纷走向衰亡。 14但是AAG的那位前会长也有他一定 的道理，遥感不仅仅是高新技术的应 用，而是一门新兴的交叉学科，牵涉 到对地表的描述。15遥感科学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。对传统物理学来说，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。 162.遥感面临的问题和加强遥感基础研究的必要性1770年代以来，卫星遥感主要采取垂直 观测方式，以获得地表二维信息，对获取的数 据则基于地面目标漫反射的假定，作一些简单 校正后利用地面目
6、标的光谱特性作有监督或无 监督的最大似然率分类，或经验判读。这些在 遥感技术发展的初期是合理的，也取得了很大 的成功。随着遥感技术的发展及其面临的各种 新的要求，人们越来越迫切需要弄清楚地表 与光辐射之间相互作用的机理。18例如，尽管卫星云图已经很直观地显示了各种气 团的运动趋势，但中、长期的天气预报准确性 仍然很不令人满意。其主要原因之一就是在大气动力学模 型中，需要知道大气下垫面的反照率（影响地面和 大气温度）和粗糙度（影响气流运动）。而目前的遥感 手段只能提供个别方向上的反射率，把它当作半球反照率 ，对植被结构也只能提供非常有限的信息。这样，天 气中长期预报很难准确，气团的运动常常会突然
7、偏 离模型预计的运动方向和速度。2000年美国预报台风路径出错损失几十亿。所以 NASA 21世纪的规划中经济效益很大一块就 是气象预报精度提高。19中、长期的天气预报问题就更大。 例如：1999年，气象部门向中央预报夏 季洪水将在华北，所以防洪的资金、器 材和其他准备工作都集中在华北。密云 水库甚至降低了水位，但是，夏季洪水 再一次发生在长江流域。因此，怎么使遥感更好的服务于气 象、水文，是我们面临的迫切任务。202.1 遥感面临的问题需要实现从定性到定量的过渡 精度要求越来越高 数据量越来越大海量遥感数据 应用范围越来越广，对遥感本身提出了 更高的要求时空多变要素遥感基础研究严重不足 遥感
8、科学多学科交叉21“我们淹没在数据的海洋中，渴求着信息的淡水”EOS 2000G / 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22遥感数据的地学理解传统的地表蒸发量用蒸发池或蒸发器
9、，在孤零 零的点上测量供水充足条件下的蒸发量，再假定区域蒸 发量与区域供水充足的成单调递增关系，无限充足时趋 近于蒸发池测量值。这样，给定供水充足度，区域的 蒸发量与蒸发池的点测量值成正比。七十年代以来，新出一个“互补相关理论”，大 意是说，如果区域的空气湿度由区域的蒸发量决定，那 么区域蒸发量越小，蒸发池的蒸发量就越大，因此，区 域量与点测量值成反比。是耶非耶？离不开对数据的地学理解，包括 “区域”的大小、气候区划、供水充足度的变化，等等 。23知识决策数据有效信息24地球表面关键性时空多变要素对地反复观测的真正对象上述时空多变要素是这五大相关领域迫切需要的，也是 它们长期想要而不能得到的关
10、键输入参数和验证数据。获 取上述要素的时空定量分布，从而推动这些领域的发展。反照率 地表温度 叶面积指数 叶绿素含量 土壤水分含量 地表蒸发强烈需求干旱地区缺水状况区域生物碳循环数值天气预报全球变化作物受胁状况及估产有力推动25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26经过六五以来的发展，我们可以说已经是遥感应 用的大国，但应用主要是范围
11、外延，项目扩大， 遥感 技术突破不多，原因是基础研究薄弱，缺乏多 学科人才的共同努力。形成很多部门都搞遥感，基础 研究跟不上，应用水平难以再上台阶的状况。要在此基础上有所突破，使我们国家不但是遥感应用的大国，而且也迅速成为遥感科学的强国，我们就必 须通过加深对海量遥感数据的地学理解(地学消化)，通过多学科交叉和协同努力，把遥感基础研究搞 起来，在从定性遥感到定量遥感上有所突破， 打下进一步发展的坚实基础。273. 国内外定量遥感基础研究状况和我们的学术思想28293.1 几何光学模型30几何光学模型不久前遥感学报要我为我们的一辑专刊写前言，我写道：时届中秋佳节，“明月几时有？”我国古代地理学家
12、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。遥感学报在此时要我为增刊写前言，我愿祝读者中秋快乐， 愿故乡的明月能成为遥感机理研究中国几
13、何光学学派成功的见证。 31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楚的。不料好几位地理学的博 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。再深入问，为什么满月不 总有月食？这复杂一些，牵涉到地球的锥形阴影和满月的 “热点宽度”，但仍然是一个几何光学问题。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”，就是讲多样性的互补 与综合，或英语里的 synergic. 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
14、：“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。 几何光学模型32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
15、谱，放探空气球，但也不是办不到的。 几何光学模型33草色遥看近却无343.2 尺度效应35为什么我们跑那么大老远到卫星上观察地球表面，反 而比我们在地上“眼见为实”竟然还有优势呢？这里牵涉到一个尺度问题。不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度 ，并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。18世纪英 国斯威夫特用一个例子形象地说明这一点。他假定从非常 近的距离，用很高的分辨率来看一个美女。观察者在这位 美女的脸上从一个毛孔观察到另一个毛孔，辛苦观测的结 果和整体的“美”全不相干。我国古代学者更早几百年也认 识到了这个观察尺度和距离的问题。他们以庐山为例：在 山里实地积累的大量观察，“远近高低各不
16、同”，对认识庐 山的全貌却很少有所帮助。这并不是否定系统的高精度的 实地观测，而是说明需要适当的距离和比例尺，才能 有效、完整地观察。36横看成岭侧成峰 远近高低各不同 不识庐山真面目 只缘身在此山中- 苏东坡论尺度效应37尽管人们早就认识到这种最佳观测距离的必要性，甚至幻想从外层空间来取得大地与海洋的图像（“ 遥望齐州九点烟，一泓海水杯中泻”）。只是在遥感技术自本世纪60年代蓬勃崛起之后，人类才真 正实现了从微观到宏观、从静态到动态对大地进行观测 这一飞跃，实现了对很多大规模自然现象的预测和预报 ，开始了人类认识自己生存环境的新纪元。正因如此，在这里我们主要着重在航天遥感像元这一尺度上讨论定量遥感的机理。38对海岸线长度的测量问题是地学 描述中尺度效应最典型的例子。对这 一测量值尺度效应的研究，在70年代中 期启发形成了分形理论和分数维这样全 新的数学概念，并进而发展成为分形几 何。遥感科学中尺度效应的研究更为困 难，在陆地遥感中，不同地物光学性质
