《李小文-定量遥感》由会员分享，可在线阅读，更多相关《李小文-定量遥感（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 定量遥感面临的主要问题1 1。尺度问题。尺度问题 1) 1) 地学中的尺度问题；地学中的尺度问题； 2 2）尺度问题与遥感科学；）尺度问题与遥感科学； 3 3）定量遥感模型；定量遥感模型；4）GO模型描述模型描述2 2。病态反演问题。病态反演问题 1 1）为什么）为什么病态；病态； 2 2）地学知识的积累和表达；）地学知识的积累和表达； 3 3）先验知识如何用于）先验知识如何用于病态反演问题病态反演问题 3 3。先验知识的积累先验知识的积累李小文，李小文，2009.6.8，中科院研究生院，中科院研究生院1. 1. 定量遥感中的尺度问题定量遥感中的尺度问题1） 地学中的尺度问题 一例 全全球球
2、变变化化的的研研究究面面向向一一系系列列重重大大全全球球性性环环境境问问题题，提提出出了了大大量量的的关关系系到到地地球球可可居居住住性性的的重重要要科科学学问问题题，因因而而所所涉涉及及的的范范围围极极其其广广泛泛，具具有有高高度度综综合合和和交交叉叉学学科科研研究究的的特特点点。叶叶笃笃正正先先生生曾曾指指出出，“全全球球环环境境是是一一个个不不可可分分割割的的整整体体，任任何何区区域域的的环环境境变变化化都都要要受受到到整整体体环环境境变变化化的的制制约约，反反过过来来，整整体体环环境境的的变变化化又又是是各各区区域域相相互影响着的环境变化的综合体互影响着的环境变化的综合体.”.” 香山
3、科学会议第香山科学会议第187187次学术讨论会集中讨论了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，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，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。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叶笃正院士强调了陆面蒸发对大气环流的反馈
4、，他的模拟表明，如果北纬馈，他的模拟表明，如果北纬3030度全部灌溉，度全部灌溉，将严重影响气候的变化。他甚至认为更小尺度将严重影响气候的变化。他甚至认为更小尺度上的水的状态也能影响全球的气候模式。上的水的状态也能影响全球的气候模式。 但但是是气气象象、水水文文和和生生物物圈圈究究竟竟分分别别在在什什么么尺尺度度上上彼彼此此耦耦合合，则则没没有有定定论论。所所有有这这一一切切都都对对遥遥感感提提出出了了迫迫切切的需求。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
5、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，
6、才能找出最好的办法。 全全球球变变化化的的研研究究是是以以地地球球系系统统科科学学为为指指南南的的。遥遥感感作作为为获获取取地地球球表表面面时时空空多多变变要要素素信信息息的的先先进进方方法法，是是地地球球系系统统科科学学研研究究的的重重要要组组成成部部分分，是是对对全全球球变变化化进进行行动动态态监监测测的的不不可可替替代代的的手手段段。陈陈述述彭彭先先生生指指出出，没没有有遥遥感感，就就提提不不出出全全球球变变化化这这样样的的科科学学问问题题。所所以以遥遥感感的的多多尺尺度度观观测测对对地地学学本本身身有有巨巨大大的的推推动动作作用用，就就象象望望远远镜镜对对天天文文学和物理学的推动作用一
7、样。学和物理学的推动作用一样。 2）尺度问题与遥感科学 二二十十多多年年前前，美美国国地地学学界界爆爆发发了了一一场场“路路线线斗斗争争”。当当时时的的美美国国地地理理学学会会会会长长著著文文批批评评一一批批较较年年青青的的地地理理学学家家以以计计算算机机和和遥遥感感为为技技术术手手段段，打打着着科科学学的的旗旗号号，篡篡改改地地理理学学作作为为一一种种描描述述性性艺艺术术的的实实质质。以以加加洲洲大大学学圣圣巴巴巴巴拉拉分分校校（UCSB）为为首首的的一一批批地地理理学学家家，如如Simonett，Estes，Strahler，Dozier等等数数十十人人联联名著文反驳，一时非常热闹。名著文
8、反驳，一时非常热闹。 二二十十年年来来的的事事实实证证明明，凡凡是是没没有有抓抓住住遥感这一机遇的地理系遥感这一机遇的地理系，纷纷走向衰亡纷纷走向衰亡。 但但是是AAGAAG的的那那位位前前会会长长也也有有他他一一定定的的道道理理，遥遥感感不不应应该该仅仅仅仅是是高高新新技技术术的的应应用用，而而是是一一门门新新兴兴的的综综合交叉学科，牵涉到对地表的描述。合交叉学科，牵涉到对地表的描述。 遥遥感感科科学学是是在在地地球球科科学学与与传传统统物物理理学学、现现代代高高科科技技基基础础上上发发展展起起来来的的交交叉叉学学科科，其其独独特特的的科科学学问问题题在在于于：对对传传统统地地学学来来说说，
9、遥遥感感要要求求从从定定性性到到定定量量描描述述的的过过渡渡。对对传传统统理理科科来来说说，遥遥感感要要求求在在象象元元尺尺度度上上对对局局地地尺尺度度上上定定义义的的概概念念，总总结结、推推导导出出的的定定律律、定定理理的的适适用用性性进进行行检检验验和和纠纠正正，而而这这种种纠纠正正是是与与象象元元尺尺度度上上的的地地学学定定量量描描述述密密不不可可分分的的。正正因因为为如如此此，美美国国地地理理遥遥感感之之父父SimonettSimonett强强调调尺尺度度问问题题是是遥感科学的根本问题遥感科学的根本问题，推动，推动NASANASA设立了设立了RSSPRSSP。 “我们淹没在数据的海洋中
10、，渴求着信息的淡水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。从这里突破，我们有优势。遥感数据的遥感数据的地学理解、地学理解、定性到定量定性到定量多学科交叉多学科交叉基础科学、应用基
11、础科学定量地学描述遥感科学定量遥感 高新技术高新技术(传感器、遥感平台设计制传感器、遥感平台设计制造造)遥遥感感：高高新新技技术术驱驱动动的的对对地地观观测测的的一一场场革命革命观测时空尺度 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，国民经济持续发展，社会需求， 环境保护，全球变化，减灾防灾环境保护，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遥感科学：遥感科学：“一门综合性的科学，它借一门综合性的科学，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，解的手段，以及地学、生物
12、学的分析，解决对地遥感的科学理论和实际问题。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）定量遥感模型定量遥感模型 天天光光云云影影共共徘徘徊徊 诺贝尔诺贝尔奖获得者奖获得者Chandrasekhar创立于创立于50年代，成功应用于大年代，成功应用于大气；前苏联院士气；前苏联院士J.Ross60年代应用于植被；并年代应用于植被；并应用于土壤应用于土壤、冰雪、冰雪等。所以等。所以从从70年代以来曾在遥感机理研究中一统天下。但辐射传输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
13、质上是与象元大小无理论都是基于体积散射介质的水平均匀性，本质上是与象元大小无关的，尺不变的。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，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，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。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（偏微分虽然模型复杂一点（偏微分积分方程，无积分方程，无解析解），但迄今没有比解析解），但迄今没
14、有比RT更合适的模型。更合适的模型。对植被来说，对植被来说，Bigleaf(大叶近似大叶近似)作为大气作为大气的下垫面，或者把植被处理成绿色气体的下垫面，或者把植被处理成绿色气体（greengas）都证明丧失了逼真性，只剩下都证明丧失了逼真性，只剩下复杂性。复杂性。对复杂地形来说，表面散射占主导地位，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。体积散射元的假定更难成立。辐射传输学派及局限 比如说比如说Kimes的三维辐射传输模型，就是对水的三维辐射传输模型，就是对水平均匀平均匀RT模型的一种改造，以适用于森林。这需模型的一种改造，以适用于森林。这需要在像元尺度上把森林所占的三
15、维空间细分为体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，例如积散射元，例如SPOT像元像元10*10米，树最高米，树最高10米，米，体积元体积元0.1米见方，则共一百万个散射元。米见方，则共一百万个散射元。3DRT模模型需要指定哪些是树冠，哪些为空气，然后建立型需要指定哪些是树冠，哪些为空气，然后建立偏微分偏微分积分方程并求数值解。换言之，在积分方程并求数值解。换言之，在RT方方程的框架下，逼真性的改进靠的是复杂性的增加。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我曾在遥感学报遥感学报的一辑专刊的前言中写道：的一辑专刊的前言中写道： 时时届届中
16、中秋秋佳佳节节，“明明月月几几时时有有？”我我国国古古代代地地理理学学家家一一千千年年前前就就提提出出这这一一问问题题。二二向向性性反反射射的的几几何何光光学学学学派派的的回回答答是是，只只有有当当观观察察者者位位于于“热热点点”方方向向，即即背背对对太太阳阳时时，才才能能看看到到满满月月，而且看不到环形山的任何阴影，因而最明亮。而且看不到环形山的任何阴影，因而最明亮。这这个个回回答答也也许许太太简简单单，因因为为还还有有大大气气透透明明度度的的问问题题，日日地地距距离离，相相干干效效应应，等等等等，等等等等。但但不不可可否否认认，几几何何光光学学的的回回答答抓抓住住了了问问题题最最核核心心的
17、的本本质质。同同样样的的原原理理，我我们们已已成成功功地地应应用用于于可可见见光光、近近红红外外波波段段的的对对地地遥遥感感，在在攀攀登登项项目目中中又又成成功功地地推推广广到到热热红红外外，解解释释非非同同温温像像元元热热辐辐射射的的方方向向性性。本本期期增增刊刊的的几几篇篇文文章章用用实实测测或或模模拟拟数数据据证证实实了了我我们们温温差差面面积积的的投投影影加加同同温温多多次次散散射模型的合理性。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：
18、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
19、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
20、、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，由于没有解析解，宏观上只能近似满足能量守恒定律。这里我顺便讲一讲模型的简单性原则。
21、 模型的简单性原则： 我们这里所谓模型就是对真实世界（事物、过程。）的数学描述，英文原意就是模特儿（model）在其他领域，模型可能是模范的意思，这里排除不讲。在其他领域，模型可能是模范的意思，这里排除不讲。英国Kirk W. Junker教授有一次问他班上的大学生，“时装模特与碳分子模型有什么共时装模特与碳分子模型有什么共同之处同之处”？一位同学回答说：都像牙签。这样回答的原因是：时装模特瘦得像牙签，回答问题的这个学生上小学时见到的分子模型是用牙签和小球做成的。当然，Kirk教授所期望的“正确”答案的意思是：原来的科学模型意在“描述”（Describe）现存的世界；时装模特并非典型的普通人，
22、其时装的作用是“规范性的”，想领导服装新潮流的，是对我们的外貌、打扮应该什么样的一种“范例”（Prescribe）。由于用同一个词既可以表示“描述”，又可以表示“范例”，使得科学家可以去构造一些与过去的模型不同的模型，然后去寻找类似于这个模型的世界，而不是仅仅做一个类似现实世界的模型。从这个意义上说，时装模特与碳分子模型的作用是共同的。(Kirk W. Junker，Futures, 2002 34（910）：895905)） 引自http:/ 马虎 （逼真性）复杂 简单 （复杂性）真人模特塑料模特 稻草人 （例）推销时装 赶麻雀（用途）讨论模型的简单性，首先要明确建模的目的。用途不同，上面从
23、名模到稻草人都可能是合理的。要赶麻雀，用真人模特就极不合理。但不懂这个道理，我自己就还真干过，后果严重。五十年代除四害，就发动群众，人海战术赶麻雀，想让麻雀无落脚之地。据说真有麻雀累坏了，飞着飞着就掉下来的，但总体来说，后果严重。这个例子，主要是从成本来考虑的。不考虑成本，单从科学的角度，模型的简单性原则也要求： 模型的简单性原则（续）：同样逼真、同样普适的情况下，模型越简单越好。或者换一个表述，即著名的“奥卡姆剃刀”：如无必要，勿增实体。多余的东西、统统刮掉。对建模来讲，这里实体包括：假设，参数，运算的复杂性等等。600多年以来，从哥白尼的日心说，到牛顿的万有引力，到爱因斯坦的相对论，简单性
24、原则已经取得巨大成功，成为重要的科学理念。要解释昼夜，解释时差，地心说就够了。但是地心说解释五大行星的运动，就复杂到连张衡，诸葛亮都头疼。而日心说给了日月五大行星在天穹上的运动一个简单而准确的描述，从而推动了整个自然科学的发展。哥白尼的成功，我们往往过多强调了科学对神学革命的一面，忽略了简单性原则成功的一面。模型的简单性原则（续）：这有时会闹出笑话来。比如最近有人批判地质学，说它整个建立在地心说的错误基础上。又如我遇到过10来个地理学博士（生），要参加国际会议，算时差，脑袋自转来、自转去，想不清楚。我只好告诉他们，要解释时差，地心说实在就够了。这不算反革命，只是模型的简单性、实用性。要追求模型
25、的简单性，重要的手段是变换。往往很简单的变换，就把很复杂的问题搞得非常简单。最著名的例子，当然还是日心说，一个坐标系的平移变换，就搞定。复杂一些的例子，比如Fourier变换，把千变万化的波形，用基波和谐波来描述。注意这两种著名的例子，都开始于纯粹的数学简单化，而这种简单化的物理机制，是在数学模型简单化之后才逐步清晰起来的。人们在日常生活中，也常常用变换来简化问题。民间故事里讲： 模型的简单性原则（续）：一个小姑娘，后妈和她过不去。后妈出门去玩，要她留在家里数清楚家里的米，一共有多少粒。后妈回来时，小姑娘已经数清了。后妈不信，要打人。家族长辈来干预，看这小姑娘怎么数的。结果她先数一千粒，称重。
26、再称家里米的总重，算出来的。后妈还不服气，说你这样，误差多大？没有满足我要的“多少粒”的要求。长辈生气了，说，那你自己来数，看她的误差有多大。注意这里的变换，牵涉到自然数域到重量域的变换，以及反变换，也牵涉到后妈的误差分析的问题, 这是一个关键性的问题。行业就是遥感的后妈。我强调模型的简单性原则，有同学不服。说李老师你知识老化了。是的，现在复杂性科学很热门。所以有哲学家开始批判“简单性原则”。模型的简单性原则（续）：天下事，了亦未了，何妨不了了之。世外人，法无定法，乃知非法法也。这副对联，不少寺庙都有，版本略异。好像以武汉的最有名。对联本身是出世的，我特喜欢那种历尽苍桑的浩叹。年青人，不宜出世
27、，但搞科研，也许可以从中得到一些启发。比如去年一期科技导报卷首语中，朵英贤院士就用“法无定法、道法自然”八个字来勉励年青人在科研中锐意创新。前边希望同学们多学习一下“复杂性科学”，更好理解其与“简单性原则”之间的关系，这二者之间并不矛盾。模型的简单性原则（续）：哲学家们有一篇“简单性原则”批判，开宗明义，就指出：“在科学的美学准则中，最重要的一条是简单性原则。哥白尼、牛顿、爱因斯坦、海森堡等科学家就是应用简单性原则，创立了他们各自的理论，取得了卓越的成就， 从而也使得他们和其他很多科学家把简单性原则当作是正确的，并被广泛应用到对自然的认识中，当作构建、评价和选择科学理论的一个重要原则”。换言之
28、尽管哥白尼以来的科学实践证明了简单性原则是正确的，但是未经哲学家证明，只能是你们把它“当作是正确的”。接着，作者指出：“实际上，简单性原则是否正确取决于对下列一系列问题的回答。自然界的本质是简单的吗？” 科学技术的哲学反思, 作者：吴彤, 蒋劲松 - 2004 - Philosophy - 377 页 模型的简单性原则（续）：由于简单性原则并不假定自然界的本质是简单的，后边一大段就不引用了。作者接着指出：“自然界的本质并非是简单的，而是复杂的，具有复杂性的特征，具体体现在：多连通性、分形特征（自嵌套）、非集中控制性、不稳定性、涌现性、自组织性、分化、多样化和进化能力等。既然如此，在对自然的认识
29、过程中是否还能够遵循简单性原则呢？答案是 能够应用。其理由一是自然的复杂性是由自然的简单性演化而来的，自然界中存在简单性现象；二是在对复杂性现象的认识过程中也要用到简单性原则，这对于我们有效地认识复杂性的自然现象有很大帮助”。这应该算虚招吧。但总算亮出了“复杂性现象”的一系列宝贝。 模型的简单性原则（续）：“但是，可以用到简单性原则并不意味着我们在认识复杂性现象的过程中都能够用简单性原则”。这一招的命门在“可以用”和“都能够用”之间，漏掉“应该用” 这好像是原则之所以为原则。“经典科学的认识史表明，过去人们在对自然的认识过程中，把自然界中 的模糊性约化为了精确性，把非线性当成了线性、把非周期性
30、简化成了线性、把分形当作了整形。从而，在简化自然的过程中，获得了对自然的简单化的、不正确的 认识”。这一招直指“简化”。定义“简化”“简单化的、不正确的 认识”，隐含一个无穷高的精度要求。模型的简单性原则（续）：“复杂性科学的认识史表明，自然界中的复杂性是不可以还原为简单性的，复杂性不是简单性的线性组合，更不可能被简单性所覆盖。对于复杂性现象应该把它 当作复杂性来处理。在对自然界中的复杂现象进行研究时，应该从简单走向复杂，从线性走向非线性、用一种复杂性的思维代替简单性的思维，以获得对自然界的完 整准确的认识。尽管在这样的过程中，可以用到简单性原则，但是，简单性原则的应用应该以不损害科学认识的正
31、确性为原则。况且，有时用简单性科学方法建立的 模型去描述往往显得繁难而无效，用复杂性科学方法建立的模型去描述反而显得简单而有效”。这里有一系列的概念错位。但最后一句算到位了：复杂性科学方法，正是按照简单性原则，追求产生复杂现象的简单规律或规则。所以复杂性科学并不是哲学家们用来批判简单性原则的合适武器。但是，“对自然界的完整准确的认识”怎么办呢？那是哲学家们的事。天下事，了亦不了，何妨不了了之。 模型的简单性原则（续）：地理复杂性的几条“公理” http:/ 编译美国Stephen S. Birdsall教授在Journal of Science Education and Technology
32、 2003年第2期上发表文章，题目是，“有助于认识世界的几条公理：指导对地理复杂性的学习的简单规则”。作者列出了10条公理，它们听起来是简单得不能再简单了，但实际上，我们在分析事物时，往往忘记了这些最基本的东西。公理1：任何事件都只可能发生在某个地方。公理2：任何事物、任何人都与其他事物、其他人发生联系。公理3：资源是人们所欲求的。公理4：处所为人们提供了益处，也带来了负担。公理5：变革在发生着。公理6：不同事物以不同速率发生着变革。公理7：信念是必要的，然而被重视得过分了。公理8：类别之分是人为的、可变的。公理9：近看，事物就呈现出另一种面貌.公理10：前述公理的任一条都不能单独起作用。十条
33、公理太多，同学们可以试着凝练一下，看能不能减少到5条。模型的简单性原则（续）：公理1：任何事物都需要某个地方、某个时间来存在并不断变化。公理2：地表上任何事物的存在和变化，总和其它事物有关系。 定理1：人们的存在和发展，离不开所处时空的地理资源环境。公理3：事物的定义和分类对于人类的理解是必要的，但因为是人为的，因而是可变的。公理4：不同距离观察，事物就呈现出不同面貌。RTvs.GO模型（续）模型（续） 辐射传输（辐射传输（RTRT）模型在大气遥感中取得了巨大的成功。模型在大气遥感中取得了巨大的成功。19601960年代以年代以来用于陆表遥感，成为主流学派，但遇到较大的困难。原因：陆表不是来用
34、于陆表遥感，成为主流学派，但遇到较大的困难。原因：陆表不是气体，其三维结构投射阴影。二十多年来气体，其三维结构投射阴影。二十多年来LiLiStrahlerStrahler几何光学模型逐几何光学模型逐步发展，已成系列：步发展，已成系列： Li-Strahler模型系列模型系列SCI引用引用次数次数 经检索，经检索，1991-20071991-2007年间，陆表遥感模型年间，陆表遥感模型SCISCI引用次数最高三篇论文为：引用次数最高三篇论文为：(1) (1) MyneniMyneni，9393：193193次；次；(2) (2) RoujeanRoujean，9292：162162次；次；(3)
35、 Li(3) Li，9292：155155次。分别为次。分别为RTRT、GOGORTRT混合混合（GORTGORT）、和）、和GOGO模型。分析最高三十篇，基本也是三分天下的格局。模型。分析最高三十篇，基本也是三分天下的格局。 至此我们可以认为至此我们可以认为GO模型已成功进入了陆表遥感的主流。模型已成功进入了陆表遥感的主流。 发表年检索年19851986198819921995199920012000107772479380200211379279650702007-155802017GO模型能简单、方便地解释复杂地表反射的方向性，因而是多角度遥感的理论基础，也是多角度与其它遥感手段协同的理
36、论基础。这里简单介绍一下地表反射的方向性 古人早就注意到了初春的草地，越远越绿，例如：青青河畔草，绵绵思远道。（古诗十九首）草色遥看近却无。（韩愈）离恨恰如春草，更行更远还生。（李后主）大家知道，作科研的第一步，就是观察。第二步是解释。这三位诗人都观察到了同样的现象，作了优美的描述。但他们的下一步各不相同：青青河畔草，女诗人马上跑题，开始想她出远门的老公去了。韩愈老师观察就更科学，不但远观，而且锁定目标，跑近了再仔细观察，作出了多角度遥感发展史上的第一个对比记录。李后主，缺了韩老师这一步，就给出“LAI越远越大”的解释，显然没有说服力。我们今天，当然很容易用GO模型来解释韩老师观察到的现象，并
37、且有普适性。草色遥看近却无近近看看遥看遥看 Li-Li-StrahlerStrahler创立的几何光学模型系列，主要考创立的几何光学模型系列，主要考虑地物的虑地物的宏观几何结构宏观几何结构，在解释复杂地表的反射在解释复杂地表的反射特征时有其简单、明晰的优势特征时有其简单、明晰的优势。 也有人试图改造辐射传输理论，也有人试图改造辐射传输理论，去描述象元尺度上三维空间的宏去描述象元尺度上三维空间的宏观结构，这就象用一把小螺丝刀观结构，这就象用一把小螺丝刀横过来拧一个大的螺钉。不同的横过来拧一个大的螺钉。不同的遥感理论（辐射传输、矢量辐射遥感理论（辐射传输、矢量辐射传输、波解析、几何光学等）就传输、
38、波解析、几何光学等）就象一个工具箱，里面有大小不同象一个工具箱，里面有大小不同的螺丝刀，关键就是如何选出一的螺丝刀，关键就是如何选出一把合适的来，把合适的来，几何光学模型就是解释象元尺度上复杂地表的合适工具。 4 4）几何光学模型描述定量遥感尺度效应）几何光学模型描述定量遥感尺度效应 为为什什么么我我们们跑跑那那么么大大老老远远到到卫卫星星上上观观察察地地球球表表面面，反反而而比比我我们们在在地地上上“眼眼见见为为实实”竟竟然然还还有有优优势势呢呢？这这里牵涉到一个里牵涉到一个尺度问题尺度问题。 不不同同的的自自然然现现象象有有不不同同的的最最佳佳观观测测距距离离和和尺尺度度，并并不不一一定定
39、是是距距离离越越近近越越好好，观观测测越越细细微微越越好好。18世世纪纪英英国国斯斯威威夫夫特特用用一一个个例例子子形形象象地地说说明明这这一一点点。他他假假定定从从非非常常近近的的距距离离，用用很很高高的的分分辨辨率率来来看看一一个个美美女女。观观察察者者在在这这位位美美女女的的脸脸上上从从一一个个毛毛孔孔观观察察到到另另一一个个毛毛孔孔，辛辛苦苦观观测测的的结结果果和和整整体体的的“美美”全全不不相相干干。我我国国古古代代学学者者更更早早几几百百年年也也认认识识到到了了这这个个观观察察尺尺度度和和距距离离的的问问题题。他他们们以以庐庐山山为为例例：在在山山里里实实地地积积累累的的大大量量观
40、观察察，“远远近近高高低低各各不不同同”，对对认认识识庐庐山山的的全全貌貌却却很很少少有有所所帮帮助助。这这并并不不是是否否定定系系统统的的高高精精度度的的实实地地观观测测，而而是是说说明明需需要要适适当当的的距距离离和和比比例例尺尺，才才能能有有效效、完完整整地地观察。观察。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 - 苏东坡论尺度效应苏东坡论尺度效应 尽尽管管人人们们早早就就认认识识到到这这种种最最佳佳观观测测距距离离的的必必要要性性，甚甚至至幻幻想想从从外外层层空空间间来来取取得得大大地地与与海海洋洋的的图图像像（“遥遥望望齐齐州州九九点点烟烟，一一泓泓海海水水杯杯中中泻
41、泻”）。只只是是在在遥遥感感技技术术自自本本世世纪纪6060年年代代蓬蓬勃勃崛崛起起之之后后，人人类类才才真真正正实实现现了了从从微微观观到到宏宏观观、从从静静态态到到动动态态对对大大地地进进行行观观测测这这一一飞飞跃跃，实实现现了了对对很很多多大大规规模模自自然然现现象象的的预预测测和和预预报报，开开始始了人类认识自己生存环境的新纪元。了人类认识自己生存环境的新纪元。 对对海海岸岸线线长长度度的的测测量量问问题题是是地地学学描描述述中中尺尺度度效效应应最最典典型型的的例例子子。对对这这一一测测量量值值尺尺度度效效应应的的研研究究，在在7070年年代代中中期期启启发发形形成成了了分分形形理理论
42、论和和分分数数维维这这样样全全新新的的数数学学概概念念，并并进进而而发发展展成成为为分分形形几几何何。遥遥感感科科学学中中尺尺度度效效应应的的研研究究更更为为困困难难，在在陆陆地地遥遥感感中中，不不同同地地物物光光学学性性质质的的尺尺度度效效应应很很少少得得到到研研究究，分分形形几几何何的的应应用用几几乎乎没没有有超超出出计算机模拟的范围。计算机模拟的范围。尺度效应：不同分辨率遥感图像之间关系：观点1：简单平均，没什么好研究的观点2：不是简单平均。取决于地表状况，目标（地学）参数 的 性质我们的观点。 尺度效应不是一个新的概念，但定量地学描述是地学与其它学科交叉的基础，是遥感科学的关键。 国外
43、的尺度效应研究基本上仍停留在不同尺度上同一种量的线性或非线性关系的经验研究水平上，我们用几何光学模型来解释不同尺度上量的内涵的变化，量的性质的改变，以及物理定律的适用性。 二十年前，普遍流行一个误解，就是：如果象元内所有元素二十年前，普遍流行一个误解，就是：如果象元内所有元素都是各向同性的漫反射表面，则象元一定也是漫反射表面。由于都是各向同性的漫反射表面，则象元一定也是漫反射表面。由于已经观察到大量地表象元的非漫反射特性，所以大量研究都致力已经观察到大量地表象元的非漫反射特性，所以大量研究都致力于表面元素的非漫反射特性。于表面元素的非漫反射特性。尺度效应(例1)象元的漫反射性Aa1(qv)qv
44、a2(qv)=1-a1(qv)A为谷顶部，一个象元大小我我们们用用一一个个简简单单的的几几何何光光学学模模型型说说明明了了象象元元的的非非漫漫反反射射特特性性主主要要是是象象元元尺尺度度上上地地表表的的三三维维结结构构决决定定的的，从从而而奠奠定定了了李李小小文文Strahler几几何何光光学学模型系列模型系列的基础的基础。互互易易原原理理是是电电磁磁学学、光光学学的的基基本本假假设设之之一一，是是辐辐射射传传输输理理论论的的基基石石，曾曾被被当当作作检检验验遥遥感感数数据据质质量量的的标标准准，受受到到测测量量界界的的强强烈烈反反对对，争争论论长长达达2020年年。我我们们给给出出了了象象元
45、元尺尺度度上上互互易易原原理理失失效效的的条条件件：在在象象元元尺尺度度上上，空空间间均均匀匀的的入入照照产产生生空空间间不不均均匀匀的的反反射射，且且明明暗暗两两区区之之间串线不对称，则互易原理在象元尺度上失效。间串线不对称，则互易原理在象元尺度上失效。凹面镜黑体表面凸面镜A我我们们用用一一个个简简单单几几何何光光学学模模型型说说明明上上述述条条件件，在在IGARSSIGARSS会会议议上上发发表表后后引引起起轰轰动动，普普遍遍认认为为解解决决了了这这二二十十年年的的争争论。论。像像元元互互易易原原理理适适用用性性的的争争论论主主要要是是在在地地学学测测量量界界和和物物理理学学家家之之间间壁
46、壁垒垒分分明明进进行行。前前者者如如Kimes,Kriebel,早早就就观观察察到到互互易易原原理理的的“视视在在失失效效”，后后者者如如Snyder,Wanner等等则则坚坚持持互互易易原原理理是是物物理理学学的的基基本本假假设之一，可以用来衡量数据质量。设之一，可以用来衡量数据质量。作作为为电电讯讯工工程程本本科科生生，我我早早在在85年年使使用用Kimes的的经经典典数数据据时时就就发发现现其其不不满满足足互互易易原原理理。Kimes坚坚持持不不是是由由于于测测量量误误差差引引起起的的。我我当当时时存存疑疑，直直到到十十二二年年以以后后才才发现了沟通二者的桥梁。发现了沟通二者的桥梁。这这
47、说说明明，两两大大学学科科的的冲冲突突和和挑挑战战同同时时也也给我们带来新发现的给我们带来新发现的机遇机遇。u在在99年年IGARSS论文发表之后，论文发表之后，Snyder仍坚持像元尺度上仍坚持像元尺度上互易性原理是无条件适用的互易性原理是无条件适用的William C. Snyder, APPLIED OPTICS, 2002, 41(21), 4307-4313, Fig. 3凹面镜凸面镜 Fig.2S f2Df1The telescope structure equivalent to Fig. 2.From WilliamC.Snyder,APPLIEDOPTICS,2002,41(
48、21),4307-4313,Fig.3 Blackbody baffleCollimation lensAThe optics system equivalent to Fig. 1.FromH.ZhaoandJ.Wang,Prog.Nat.Sci.,2004,14(3),287-288,Fig.4. 顺便回到模型的简单性。我在Lix谷里，加上黑体，就是要简化问题，避免左边坡的反射把问题复杂化。但Snyder为了引进他的微分方程，把问题复杂化，不惜冒“学术不端”的风险，强行给我取掉。这种在争论中把问题复杂化来闪避失败的方法，英文里就叫：Ifyoucantconvince,trytoconfus
49、e. 同样，在我自己30年的学术生涯中，我注意到很多垃圾论文的一个共同特点，就是在保持结果合理的情况下，把问题复杂化，让评委或老师没有时间或耐心细看求解的过程，只好让其过关。普朗克定律适用条件：普朗克定律适用条件：T, e 0同温, 只有e 空间变化：尺度不变尺度效应(例3)普朗克定律 4040年年来来普普朗朗克克定定律律一一直直未未经经修修正正直直接接应应用用到到对对地地遥遥感感，这这是是地地温温遥遥感感精精度度上上不不去去的的根根本本原原因因之之一一，现现我我们们将它修正到遥感象元的尺度。将它修正到遥感象元的尺度。 普普朗朗克克定定律律是是人人类类科科学学史史上上最最伟伟大大的的成成果果之
50、之一一，是是现现代代物物理理学学的的基基石石，但但它它也也不不是是“放放之之四四海海而而皆皆准准”的的绝绝对对真真理理，在在对对地地遥遥感感中中的的直直接接应应用用，要要求求一一定定的的条件：条件： 但但目目前前的的修修正正，受受制制于于缺缺乏乏理理想想的的地地学学描描述述手手段段，需需要要象象元元平均材料发射率、二向反射比、平均温度、组份温度方差、组份温度与组份材料发射率的协方差等统统计计量量。复复杂杂性性减减低低实实用用性性，我们正继续努力寻找更简练的我们正继续努力寻找更简练的景观特征参数化景观特征参数化手段。手段。两步近似为自相似a1a2T1T2e 1e 2自然陆地表面：自然陆地表面：
51、Ll = e Bl (T )e e0 + D em + D e (DT )象元内多次散射引起的尺度效应：象元内多次散射引起的尺度效应：自相似T, e 0+Dem 我们通过修正我们通过修正“象元平均有效发射率象元平均有效发射率” ” e e 的内涵，的内涵，使普朗克定律能直接应用于象元尺度地温遥感的。使普朗克定律能直接应用于象元尺度地温遥感的。时间尺度效应一例 （例4） 在我们前一个973，我们着重瞬间遥感定量反演。但光搞瞬间、搞二维还不行。例如，通量观测经常不闭合，即地表系统能量输入（Rn)不等于系统能量输出（HLEG）。为什么呢？可能的原因很多，其中之一是忽略了系统的热容和炭汇。 Rn是瞬间
52、通量输入，地表被加热以后，热空气（H）、水蒸汽（LE），比较快（分钟级）就带走一部分热量。但土壤通量G一般是在地下若干厘米测的，时间响应比Rn迟小时级。其间有植被和土壤表层的升温和传导的过程。土壤还比较好纠正，有植被就麻烦了。其热传导，储存与释放的过程很难建模。炭汇更是长时间过程。所以世界先进水平闭合率也就80左右。时间尺度效应一例 （例4,续） 如果我们有大面积、长时间序列、昼夜连续的长、短波遥感观测，有主、被动协同反演的三维植被结构和温度梯度遥感观测，有地面站的土壤的升、降温和传导过程知识，我们应该能让植被的通量遥感闭合率接近世界地面通量观测的领先水平，使我们的通量遥感的结果令人信服。尺度
53、效应小结 尺尺度度效效应应不不是是一一个个新新的的概概念念，但但定定量量地地学学描描述述是是地地学学与与其其它它学学科科交交叉叉的的基基础础，是是遥遥感感科科学学的的关键。关键。 国国外外的的尺尺度度效效应应研研究究基基本本上上仍仍停停留留在在不不同同尺尺度度上上同同一一种种量量的的线线性性或或非非线线性性关关系系的的经经验验研研究究水水平平上上，我我们们用用几几何何光光学学模模型型来来解解释释不不同同尺尺度度上上量量的的内内涵涵的的变变化化，量的性质的改变，以及物理定律的适用性。量的性质的改变，以及物理定律的适用性。中中科科院院外外籍籍院院士士、美美国国两两院院院院士士Dickinson（2
54、005）指指出出“李李小小文文等等给给出出了了一一些些遥遥感感中中有有关关尺尺度度效效应应的的示示例例直直到到近近来来我我才才意意识识到到尺尺度度效效应应对对于于这这个个领领域域(气气候候模模拟拟)内内的的成成功功（或或它它的不足）是极其重要的。的不足）是极其重要的。”2。 病态反演问题 1） 为什么“病态”？定定量量遥遥感感的的反反演演问问题题，简简言言之之，就就是是根根据据观观测测信信息息和和前前向向物物理理模模型型，求求解解或或推推算算描描述地面实况的应用参数述地面实况的应用参数(或目标参数或目标参数)。 而而定定量量遥遥感感反反演演的的困困难难，在在于于应应用用参参数数往往往往不不是是
55、控控制制遥遥感感信信息息的的主主导导因因子子，或或者者说是非敏感参数，只能为遥感信息提供弱信号。说是非敏感参数，只能为遥感信息提供弱信号。例子：大大西西部部草草原原遥遥感感，常常遇遇到到过过放放牧牧的的草草地地和和少少量量优优质质草草地地，定定性性分分类类非非常常容容易易，但但要要估估算算其其生生物物量量(如叶面积指数如叶面积指数)，就非常困难。，就非常困难。LAI（叶面积指数）NDVI背景草?弱信号强信号弱信号饱和遥感直接获取的参数(NDVI)与应用参数(LAI)的非线性提供NDVI 前前边边讲讲的的是是最最简简单单的的病病态态反反演演的的例例子子。在在真真实实的的对对地地遥遥感感中中，问问
56、题题远远为为严严重重。遥遥感感系系统统从从垂垂直直方方向向来来说说，光光线线（电电磁磁波波）穿穿越越大大气气、植植被被，到到达达土土壤壤，再再反反射射穿穿越越植植被被、穿穿越越大大气气，达达到到卫卫星星传传感感器器。影影响响这这一一过过程程的的因因素素，数数不不胜胜数数。我我们们可可以以用用明明代代一一位位诗诗人人观观察察到到的的现现象象来来作作一一个个简单的说明：简单的说明：夕阳方照桃花坞 柳絮飞来片片红 大大家家一一般般的的先先验验知知识识认认为为柳柳絮絮是是白白的的，为什么诗人观察到柳絮是红的呢？为什么诗人观察到柳絮是红的呢？诗人作了解释：诗人作了解释： 1、夕夕阳阳 光光穿穿越越大大气
57、气的的光光学学路路径径较较长长，短短波波段段散散射射严严重重，直直射射光光偏偏红红，所所以以“夕夕阳阳红红”，“残残阳阳如如血血”。 2、下下垫垫面面桃桃花花坞坞，“灼灼灼灼桃桃花花”盛盛开开，不不是是一一个个大大叶叶模模型型的的下下垫垫面面，而而是是一一个个红红色色的的下下垫垫面面，反射光偏红反射光偏红。 3、气气溶溶胶胶柳柳絮絮本本身身是是全全波波谱谱反反射射，此此时时反射夕阳红反射夕阳红，反射桃花红反射桃花红，柳絮成了柳絮成了片片红片片红。 当当然然这这只只是是一一个个简简单单的的定定性性模模型型，但但我我们们可可以以看看出出影响遥感信息产生过程的主要因素之多影响遥感信息产生过程的主要因
58、素之多。 从从水水平平方方向向上上来来说说，陆陆地地表表面面在在遥遥感感像像元元尺尺度度上上几几乎乎总总是是混混合合像像元元。大大家家也也许许认认为为大大戈戈壁壁或或沙沙漠漠可可以以认认为为是是“纯纯”像像元元，但但其其实实也也包包含含砾砾石石的的阴阴影影。我我在在沙沙漠漠上上实实测测砾砾石石的的承承照照面面和和背背阴阴面面，温温差差大大约约10摄氏度以上。摄氏度以上。 对对1公公里里像像元元尺尺度度来来说说，地地形形的的起起伏伏常常常不可忽略。常不可忽略。所所有有这这些些，使使遥遥感感定定量量反反演演命命中中注注定定是一个病态反演。是一个病态反演。又又如如水水质质（溶溶解解成成分分）遥遥感感
59、，需需要要的的信信息息主主要要来来自自水水体体散散射射的的离离水水出出射射部部分分。但但是是遥遥感感器器接接收收到到的的信信号号主主要要是是水水面面的的镜镜面面反反射射，水水底底或或水水中中悬悬浮浮物物的的反反射射。真真正正有有用用的的信信息，弱得可怜。息，弱得可怜。天天光光云云影影共共徘徘徊徊 刘吉平老师贴了一张照片http:/ 在照相者本人的阴影中，水面的镜面反射奇怪地消失了，以致水底的石子清晰可见。刘教授有如下解释：“我也觉得这张照片中有光学遥感中的一些科学现象存在，本来当时也也想谈谈看法的，一个懒字便作罢了。现在李老师考问，就说点我的理解。云在水面有较强的反射，使得来自水底的景物的较弱
60、的反射光被干扰(两种反射光的叠加)。而在人影里，由于人遮挡了“天光云影共徘徊”（这里天光指太阳直射光），水底的反射光不被水面对云的反射光影响，故而水底景物的信息大大增强了。”这有些道理。但是不足以解释直射阴影中云影的消失和水底景物信息的增强。希望感兴趣的网友（尤其是摄影发烧友）指教。 为什么我用为什么我用“病态反演病态反演”这个词？这个词？很多弟兄们不喜欢这个词，以为是我杜撰的，又不吉利。所以得介绍一下我怎么学到这个词的。在中学的时候，大家都知道，线性方程组解的存在与否，有三种情况：无解（超定，overdetermined），唯一解，多解（欠定，underdetermined）。通过大量的作业
61、，一般容易形成一个误会，就是有N个方程的线性方程组，就能解出N个未知数。我当年刚到美国的时候，上Glen Wade教授的课，讲多角度断层成像。讲义中用来说明这个概念的例子是这样的：假定A11，A12，A21，A22，4个像元排成两行两列，水平投影过去，能得到A1A11A12；A2A21A22。换一个角度，垂直投影下来，能得到B1A11A21 和B2A12A22。这样，用4个观测量A1、A2、B1、B2，就能解出A11等4个未知量。Wade是权威老教授，4个方程解4个未知数，讲了几年，没人怀疑这个说法。我嘴快，说：A1A2B1B2；第四个观测不是独立的。三个独立方程解不出4个未知数。此话一出，满
62、座俱惊。Wade教授毕竟一派宗师，略一沉吟，连曰：ill-posed, ill-posed。看我听不懂这个单词，换个说法underdetermined。Wade教授后来修改了他的讲义，到处致谢，跨系聘我作了他的RA. 我毕业离校时，还专门设宴欢送。宴会上Wade教授致辞说，这次破例欢送李先生，是因为两件事他感触特深：一件就是那个欠定方程组，我不惧权威，能独立思考。另一件事就是我表现出对弱者的关怀。这件事大概是这样的，一位台湾公费生，研究做得不够好，到公费期满，论文还出不来，Wade教授以研究生经费已经花光了为由，拒绝给他资助，因此他无法在暑期继续完成论文。我觉得部分原因是我跨系抢了别人的机会，
63、差几个月拿不到学位也够惨的。所以我找Wade教授开后门，把我的暑期全奖分一半给那位台湾同学。Wade教授指出，“不惧权威”和“同情弱者”同为形成一个好的科研团队的必要条件，希望课题组所有的同学都学习李先生，所以才破例欢送，请大家搓一顿。好汉不提当年勇，我一般避免自吹自擂。这次破例不避嫌，一是Wade教授的大师风范，始终是我学习的榜样，我讲错了，从来欢迎同学指出；二是说明“病态”（illposed，illconditioned）这个词我怎么学会的，不是我的创新。病态反演，指因种种原因观测信息量不足时的反演。如果大家实在不喜欢这个词，欢迎建议个更好的。定定量量遥遥感感本本质质上上是是病病态态反反演
64、演，这这是是由由于于地地表表太太复复杂杂，而而遥遥感感信信息息总总是是有有限限的的，不不认认识识这这一一点点就就好好比比瞎瞎子子摸摸象象。病病态态反反演演理理论论用用于于定定量量遥遥感感，则则要要求求信信息息的的融融合合、积积累累和和综综合合。如如果果用用于于瞎瞎子子摸摸象象，最最后后可可以以得得到到“像像柱柱子子的的大大概概是是象象腿腿，像像蟒蟒蛇蛇的的大概是鼻子。大概是鼻子。，象真大！，象真大！”这样一个最大似然的估计。这样一个最大似然的估计。那么怎么办呢？首先是算法。那么怎么办呢？首先是算法。 国国际际上上对对地地遥遥感感反反演演的的常常沿沿用用高高斯斯的的最最小小二二乘乘法法，坚坚持持
65、“定定量量遥遥感感反反演演的的必必要要条条件件是是独独立立观观测测的的个数大于未知数的个数个数大于未知数的个数”(简称简称“第三公设第三公设”)。 地地表表是是一一个个复复杂杂的的开开放放的的巨巨系系统统，未未知知的的参参数数几几乎乎是是无无穷穷的的，而而遥遥感感数数据据总总是是有有限限的的，接接受受第第三三公公设设，采采用用最最小小二二乘乘法法，其其结结果果是是只只能能估估计计最最敏敏感感的的少少量量几几个个参参数数，而而这这几几个个参参数数往往往往不不包包括括应应用用所所需需的的时时空空多多变变要要素素，导导致致了了定定量量遥遥感感与与应应用用需需求求之间之间巨大的缺口巨大的缺口，和普遍的
66、悲观情绪。，和普遍的悲观情绪。线性方程组解的三状态：无解、唯一解、和多解（欠定），中学里边，咱们只管唯一解。但实际工作中常常遇到观测数目多于未知数目的情况。这时信息量常有富余，反而“无解”，显然很傻很天真。所以高斯大侠自创一招“无中生有满天星”剑法，充分利用数据信息冗余（满天星），硬找出一个抗噪声的最优解（无中生有）。高大侠这一招风行天下二百余年,国内最早翻成“最小二乘法”，其实 “最小平方误法”，更容易理解，就是在满天星斗的数据点集中，拟合出模型有最小平方误的一套参数，作为最优解。总之，总之，“超定超定”问题的求解，算是高大侠解决了。恼火的是欠定。欠定有明、问题的求解，算是高大侠解决了。恼火
67、的是欠定。欠定有明、有暗。明欠定比如说有三个方程，解有暗。明欠定比如说有三个方程，解4个未知参数，这一眼就可看出。暗欠个未知参数，这一眼就可看出。暗欠定，就是说，看起来方程数等于或大于未知参数，但彼此不独立、或观测之定，就是说，看起来方程数等于或大于未知参数，但彼此不独立、或观测之间有相关，导致最小平方误法中的间有相关，导致最小平方误法中的AA的不满秩。应用又需要我们定量遥感的不满秩。应用又需要我们定量遥感解出这些参数。这时怎么办呢？解出这些参数。这时怎么办呢？办法办法1。既然既没有唯一解，又没有高大侠的最优解。这就是。既然既没有唯一解，又没有高大侠的最优解。这就是“死反演死反演”，想想治病，
68、就是骗国家的钱，咱们别干了。治病，就是骗国家的钱，咱们别干了。办法办法2。加观测数据，加成数据海洋都不怕，反正计算机快。加观测数据，加成数据海洋都不怕，反正计算机快。办法办法3。加限制条件，（加方程）：比如端元丰度均为正且和为。加限制条件，（加方程）：比如端元丰度均为正且和为1，又如加最，又如加最大熵，。注意这实际上已经在用先验知识注入来大熵，。注意这实际上已经在用先验知识注入来“治病治病”了，但没有从了，但没有从理论上强调先验知识的重要性和规范其用法。理论上强调先验知识的重要性和规范其用法。做到这一点的是贝叶斯。顺便说一句，贝叶斯方法是科学简单性原则的另一做到这一点的是贝叶斯。顺便说一句，贝
69、叶斯方法是科学简单性原则的另一光辉例证。他只是把全概率公式光辉例证。他只是把全概率公式ABCD，改成，改成ACD/B,但赋予但赋予“先验知先验知识识”，新的观测，新的观测，“后验知识后验知识”的含义，描述了知识积累与更新的过程。这的含义，描述了知识积累与更新的过程。这样每一次新的遥感观测，就都能对待求参数的理解作新的贡献，而不管待求样每一次新的遥感观测，就都能对待求参数的理解作新的贡献，而不管待求参数有多少个，只是新观测的信息分配的问题。这对于要求（参数有多少个，只是新观测的信息分配的问题。这对于要求（AA）必须满）必须满秩，是革命性的。秩，是革命性的。2 2）解决病态反演问题的主要思路：）解
70、决病态反演问题的主要思路：1 1分阶段目标决策分阶段目标决策 数据空间和参数据空间和参数空间的多次分割。数空间的多次分割。2 2先验知识的积累和在反演中的表达先验知识的积累和在反演中的表达和利用和利用 为什么要分阶段，每一阶段要不同分为什么要分阶段，每一阶段要不同分割数据空间和参数空间？我曾用个例子让割数据空间和参数空间？我曾用个例子让大家自己动脑筋，从中体会。大家自己动脑筋，从中体会。例子：例子：1212个小球问题个小球问题有有1212个大小、形状、颜色完全相同个大小、形状、颜色完全相同的小球，但其中一个重量与其它的小球，但其中一个重量与其它1111个好个好球不同，要求用天平最多称三次，找出
71、球不同，要求用天平最多称三次，找出这个坏球。这个坏球。关键：抽丝剥茧，数据挖掘关键：抽丝剥茧，数据挖掘 v.s.v.s.一锅一锅煮煮 我我们们明明确确提提出出“对对地地定定量量遥遥感感本本质质上上是是欠欠定定问问题题”的的观观点点，强强调调必必须须综综合合考考虑虑未未知知参参数数的的敏敏感感性性与与不不确确定定性性，尽尽量量把把遥遥感感获获取取的的宝宝贵贵信信息息分分配配给给时时空空多多变变要要素素，而而不不是是反反复复反反演演相相对对稳稳定、相对已知的敏感因素、在低水平上重复。定、相对已知的敏感因素、在低水平上重复。最最小小二二乘乘法法是是解解决决超超定定问问题题的的基基本本方方法法，遥遥感
72、感获获取取信信息息的的瞬瞬时时性性、有有限限性性和和地地表表遥遥感感模模型型的的复复杂杂性性，使使我我们们不不能能把把解解决决超超定定问问题题的的成成熟熟办办法法当当作作教教条条。所所以以我我们们对对传传统统的的遥遥感感反反演演理理论论的的第第三三公公设设提提出了挑战，并且已有一些创造性的解法。出了挑战，并且已有一些创造性的解法。数据有效信息知识更新与积累决策帮助提取多阶段目标决策反演流程图多阶段目标决策反演流程图先验知识库观测数据X模型参数Y其它定性知识最敏感数据X1最不确定参数Y1 合理+ 参数值Y1 先验知识库 更 新最敏感数据X2 最不确定参数Y2 合理 参数值Y2 观测数据X 模型参
73、数Y，其它定性知识 继续 地学先验知识的描述 从从建建立立数数学学模模型型、从从遥遥感感观观测测来来解解未未知知数数的的研研究究内内容容来来看看，定定量量遥遥感感似似乎乎理理所所当当然然是是纯纯科科学学的的问问题题，但但那那位位前前地地理理学学会会的的会会长长所所述述还还是是有有他他一一定定的的道道理理。李李政政道道先先生生的的文文章章中中曾曾强强调调科科学学与与艺艺术术的的交交叉叉，陈陈述述彭彭先先生生在在一一篇篇采采访访报报道道中中也也强强调调了了科科学学与与艺艺术术的的交交叉叉，从从而而促促进进了了我我们们从从这这样样一一个个大大交交叉叉来来思思考考定定量量遥感中的地学描述问题遥感中的地
74、学描述问题。 地球是一个复杂的巨系统，遥感数据量总是有限地球是一个复杂的巨系统，遥感数据量总是有限的。因此只有合理表达和充分利用一切先验知识，的。因此只有合理表达和充分利用一切先验知识，才能从有限的遥感数据中才能从有限的遥感数据中挖掘挖掘出应用需要的时空多出应用需要的时空多变要素的信息。如何简洁有效的定量描述我们对地变要素的信息。如何简洁有效的定量描述我们对地表的先验知识，象尺度效应的研究一样，也是定量表的先验知识，象尺度效应的研究一样，也是定量遥感成功的关键。遥感成功的关键。病病态态反反演演就就要要求求知知识识库库的的支支撑撑，所所以以我我们们提提出出建建立立中中国国典典型型地地物物结结构构
75、波波谱谱知知识识库库的的构构想想。这这是是反反演演知知识识库库里里很很重重要要的的一一部部分分，但但远远非非全全部部。比比如如说说，数数字字地地形形模模型型（DTM）和和地地表表覆覆盖盖类类型型（LULC），就是知识库里很重要的一部分。就是知识库里很重要的一部分。 很很多多人人以以为为有有了了高高分分辨辨率率的的DTMDTM和和LULCLULC图图件件，就就有有了了一一切切，再再也也用用不不着着描描述述性性的的艺艺术术了了，这这恐恐怕怕是是不不对对的的。比比如如说说，有有了了1 1米米空空间间分分辨辨率率的的DTMDTM，但但如如果果定定量量遥遥感感是是在在1 1公公里里像像元元尺尺度度上上进
76、进行行的的，需需要要的的知知识识是是1 1公公里里尺尺度度上上对对地地形形地地物物非非常常简简洁洁的的描描述述。这这时时，给给我我一一百百万万个个高高程程点点，不不如如告告诉诉我我此此像像元元“横横看看成成岭岭侧侧成成峰峰”，更更有有益益于于反反演演。究究竟竟怎怎么么才才能能最最简简洁洁地地用用最最少少的的参参数数描描述述这这一一公公里里像像元元内内的的地地形形特特征征呢呢？这这要要求求概括和抽象。概括和抽象。 在在没没有有更更好好的的方方法法以以前前，也也许许我我们们可可以以用用平平均均高高程程和和高高程程差差，平平均均坡坡度度和和坡坡度度方方差差这这样样一一些些统统计计量量来来描描述述问问
77、题题？但但这这些些统统计计量量很很难难概概括括高高程程之之间间的的空空间间关关系系。因因此此，很很多多人人倾倾向向于于用用变变差差图图（Variogram）来来描描述述这这种种空空间间关关系系。变变差差图图可可以以描描述述地地形形的的空空间间相相关关性性，然然而而却却很很难难理理解解。就就是是说说，给给定定它它的的形形状状（一一般般可可用用三三个个参参数数描描述述），究究竟竟它它描描述述大大致致什什么么样样的的地地形形，说说不不太太清清楚楚。Jupp等等（19881988）的的模模型型，只只能能较较好好解解释释原原空空间间函函数数为为二二值值（黑黑或或白白）时时变变差差图图三三参参数数与与地地
78、物物大大小小及及出出现现频频度度的的关关系系，但但实实际际地地形形很很难难用用二二值值模模型型描述。描述。 我我们们研研究究了了直直方方图图的的尺尺度度效效应应，并并建建议议用用直直方方变变差差图图来来描描述述DEMDEM或或数数字字图图像像的的空空间间特特征征。直直方方图图是是最最常常用用的的简简单单工工具具，直直观观描描述述不不同同灰灰度度（高高度度）在在图图像像中中出出现现的的频频度度，本本身身并并不不带带有有这这些些灰灰度度（高高度度）空空间间分分布布的的信信息息。随随着着分分辨辨率率的的降降低低，直直方方图图将将怎怎样样变变化化呢呢？通通过过对对这这一一尺尺度度效效应应的的研研究究，
79、我我们们发发现现这这很很有有希希望望是是比比变变差差图图更更好好的的地地学学描描述述工工具具。仍仍以以DEMDEM为为例例，给给定定1 1米米的的DEMDEM，要要简简洁洁描描述述1 1公公里里像像元元的的地地形特征。我们是这样作的：形特征。我们是这样作的： 1.1.作出作出1 1米分辨率尺度上该像元的直方图米分辨率尺度上该像元的直方图H(z, 1m)H(z, 1m)， 2.2.作出作出2 2米分辨率尺度上该像元的直方图米分辨率尺度上该像元的直方图H(z, 2m)H(z, 2m)， 3.3.将将H(z, 2m)H(z, 2m)分解为驻点直方图和边界直方图。分解为驻点直方图和边界直方图。其其中中
80、：“驻驻点点”定定义义为为在在2 2米米尺尺度度上上的的“纯纯像像元元”即即所所有有1 1米米亚亚像像元元的的高高度度值值均均同同。“边边界界”定定义义为为在在2 2米米尺尺度度上上的的混混合合像像元元。一一旦旦为为边边界界像像元元，在在进进一一步步降降低低分辨率之后，将永为边界像元。分辨率之后，将永为边界像元。很很明明显显，随随着着分分辨辨率率的的降降低低，驻驻点点像像元元的的比比例例将将逐逐步步减减小小，减减小小的的速速率率反反映映这这一一像像元元内内：是是否否有有明明显显的的“台台地地”（指指均均一一地地表表像像元元，包包括括顶顶和和底底），“台地台地”破碎的程度，破碎的程度，“台地台地
81、”的方向性。的方向性。 另另一一方方面面，随随着着分分辨辨率率的的降降低低，边边界界像像元元的的比比例例将将逐逐步步增增加加。但但在在多多台台阶阶的的情情况况下下，其其变变化化规规律律较较复复杂杂，反反映映了了不不同同台台阶阶之之间间的的相相互互混混合合或或多多台台阶阶混混合合。但但不不管管怎怎么么混混合合，边边界界直直方方图图反反映映的的是是给给定定灰灰度度（高高度度），给给定定尺尺度度上上等等高高线线的的长长度度。由由于于这这种种直直方方图图的的尺尺度度效效应应表表达达兼兼具具直直方方图图和和变变差差图图的的优优点点，我我们们建建议议称之为直方变差图。称之为直方变差图。 问问题题在在于于要
82、要多多少少参参数数才才能能描描述述直直方方变变差差图图？这这似似乎乎是是直直方方变变差差图图的的另另一一优优点点，根根据据需需要要和和情情况况描描述述相相当当灵灵活活。首首先先，台台阶阶的的数数量量，可可以以根根据据是是否否有有明明显显的的顶顶、底底和和明明显显的的台台地地来来定定，也也可可以以根根据据需需要要，降降低低高高度度（灰灰度度）即即直直方方图图的的分分辨辨率率，以以减减少少参参数数量量。对对每每一一台台地地面面积积，每每一一等等高高线线长长度度随随尺尺度度的的变变化化，是是经经典典的分形分维问题，所需参数应该很少。的分形分维问题，所需参数应该很少。 3 3）先验知识如何用于定量遥感
83、反演）先验知识如何用于定量遥感反演最近一位网友贴了陈寅恪先生的最近一位网友贴了陈寅恪先生的“清华大学王观堂先生纪念碑清华大学王观堂先生纪念碑铭铭”。开门见山，。开门见山，“海甯王靜安先生自沉後二年，清華研究院海甯王靜安先生自沉後二年，清華研究院同仁鹹懷思不能已同仁鹹懷思不能已”。我跟贴，建议。我跟贴，建议“鹹应为咸鹹应为咸”。理由为：。理由为：鹹鹹, , 咸均为繁体，意义不同。鹹简化为咸后，再翻回繁体，就咸均为繁体，意义不同。鹹简化为咸后，再翻回繁体，就容易出错。注意这里简化的过程是容易出错。注意这里简化的过程是“多一变换多一变换”，要再从简体，要再从简体的咸翻回繁体，立刻就有问题，原文究竟是
84、鹹、还是咸？没有的咸翻回繁体，立刻就有问题，原文究竟是鹹、还是咸？没有上下文，是无法确定的，这就是说，多一变换的反演问题，是上下文，是无法确定的，这就是说，多一变换的反演问题，是病态的。但根据上下文，这里简体的咸只能讲成病态的。但根据上下文，这里简体的咸只能讲成“都都”的意思，的意思，那么繁体只能是咸。那么繁体只能是咸。更常见类似错误如：后、後均为繁体，意义不同。後更常见类似错误如：后、後均为繁体，意义不同。後简化为后后，也出了不少乱子。比如简化为后后，也出了不少乱子。比如“奚我后？后来奚我后？后来其苏其苏”，这句话，很多主张繁体字的歌星多半闹不清，这句话，很多主张繁体字的歌星多半闹不清楚。我
85、曾经遇到一位台湾老先生，看不懂这句话，怪楚。我曾经遇到一位台湾老先生，看不懂这句话，怪大陆简化字搞乱了中华文化。我说，这里刚好大陆简化字搞乱了中华文化。我说，这里刚好“后后”字没简化呀？他说，那不可能，没简化，这句话的意字没简化呀？他说，那不可能，没简化，这句话的意思成了思成了“谁是我的爱啊，她来了我就酥了谁是我的爱啊，她来了我就酥了”，上古之，上古之人，会说这样新潮的话吗？我才告诉他，上古之人，人，会说这样新潮的话吗？我才告诉他，上古之人，王、后同义。把王、后同义。把“后后”当作当作“王王”的爱人，是后来的的爱人，是后来的事。这句话的意思是：事。这句话的意思是：“谁是我们称职的王啊，他来谁是
86、我们称职的王啊，他来了，我们日子才能好过些了，我们日子才能好过些”。所以要读懂这句话，不。所以要读懂这句话，不但要有但要有“後、后後、后”知识，而且需要知识，而且需要“后后”古义的知识。古义的知识。这里这里陈寅恪老先生的名字，我念陈寅恪老先生的名字，我念陈寅克，陈寅克，是不是念错是不是念错了？了？这本身也是病态反演的例子之一。这本身也是病态反演的例子之一。恪是双音字。文科的人普遍念恪是双音字。文科的人普遍念Qi，因为字典上说，恪，因为字典上说，恪在用作人名时常念在用作人名时常念我们搞定量遥感，病态反演是不可避免的问题，我们搞定量遥感，病态反演是不可避免的问题，因为从复杂地表到我们遥感到的信号是
87、一个多因为从复杂地表到我们遥感到的信号是一个多一变换。同物异谱，混合像元，。所以我一变换。同物异谱，混合像元，。所以我们必须充分运用我们的先验知识，有关空间格们必须充分运用我们的先验知识，有关空间格局、时空过程、。局、时空过程、。所有的先验知识都得用所有的先验知识都得用上。上。3 3）先验知识如何用于定量遥感反演）先验知识如何用于定量遥感反演 （续）（续）Bayes推理的重要性正比于其简单性推理的重要性正比于其简单性我不知道同学们是否觉得我不知道同学们是否觉得Bayes推理简单得很美。推理简单得很美。3 3）先验知识如何用于定量遥感反演）先验知识如何用于定量遥感反演 （续）（续）最近有篇文章最
88、近有篇文章：Zhu,Liqi,GerdGigerenzer,ChildrenCanSolveBayesianProblems:TheRoleofRepresentationinComputation.Cognition，98(2006)287-308 引引起起了了轰轰动动。这这篇篇文文章章主主要要内内容容：1 1。背背景景：动动物物实实验验证证明明动动物物（蜜蜜蜂蜂、鸟鸟儿儿、等等等等）能能按按BayesBayes 推推理理行行动动，但但StanfordStanford的的大大学学生生不不行行。2 2。实实验验：对对照照组组：(4-6(4-6年年级级）小小学学生生vs.(vs.(北北航航）大大
89、学学生生/ /研研究究生生。小小学学生胜出生胜出。3 3）先验知识如何用于定量遥感反演）先验知识如何用于定量遥感反演 （续）（续）所以所以BayesBayes推理可以说是简单到近于本能，近于公理推理可以说是简单到近于本能，近于公理我们在推出我们病态反演理论的时候，引用了一句：我们在推出我们病态反演理论的时候，引用了一句：Our Our knowledge knowledge consists consists of of two two parts: parts: what what we we know; and what we know we dont know.know; and wha
90、t we know we dont know.哪位同学能猜出来中文原文吗？哪位同学能猜出来中文原文吗？这篇文章发表在这篇文章发表在JGRJGR，20012001。 最近研究在这个方向上取最近研究在这个方向上取得重要进展（得重要进展（Li等等2001） 本文继续本文继续Li等等(2001)建设建设BRDF知识库的创新工作知识库的创新工作 关于过程的先验知识与同化关于过程的先验知识与同化我们每天电视上都能看到卫星云图，亲眼看见风云变幻的时空我们每天电视上都能看到卫星云图，亲眼看见风云变幻的时空过程，极大增强了我们对天气预报的信心。但是，今年初的雪过程，极大增强了我们对天气预报的信心。但是，今年初的
91、雪灾，网上批评气象预报工作很厉害。比如有的网友质问：中央灾，网上批评气象预报工作很厉害。比如有的网友质问：中央气象台的气象专家为什么不能借助气象卫星开阔的视野，根据气象台的气象专家为什么不能借助气象卫星开阔的视野，根据传回来的丰富资料和其他的气象资料对几天后的天气走势作一传回来的丰富资料和其他的气象资料对几天后的天气走势作一个基本准确的预测呢？个基本准确的预测呢？其实天气预报远远比看卫星云图难得多。我们在云图上看到的其实天气预报远远比看卫星云图难得多。我们在云图上看到的是已经发生的变幻。人们往往习惯于线性思维，直观地猜想它是已经发生的变幻。人们往往习惯于线性思维，直观地猜想它会继续这样变下去。
92、可惜天气系统不是这样的线性系统。经常会继续这样变下去。可惜天气系统不是这样的线性系统。经常会发生突然的变化，多少有些像股市，非常难以预测。尽管我会发生突然的变化，多少有些像股市，非常难以预测。尽管我们有了高性能计算机，有了卫星云图，地面气象台站等各种观们有了高性能计算机，有了卫星云图，地面气象台站等各种观测资料，我们还需要：测资料，我们还需要：关于过程的先验知识与同化（续）关于过程的先验知识与同化（续）1)1) 很好描写天气演变过程的动力学模型，并且很好描写天气演变过程的动力学模型，并且2)2) 能够把各种星、空、地数据等转换成一致的，能够把各种星、空、地数据等转换成一致的，适合模型运行或应用
93、需求的参数。适合模型运行或应用需求的参数。动力学模型，主要是大气科学的事。一般说，包含四维时空中动力学模型，主要是大气科学的事。一般说，包含四维时空中7 7个未知量个未知量( (预报量：速度沿空间预报量：速度沿空间3 3个方向的分量、气温、气压，个方向的分量、气温、气压，空气密度、以及比湿）的空气密度、以及比湿）的7 7个方程。当然，要解这个复杂的的个方程。当然，要解这个复杂的的流体力学和热力学方程组，还需要已知参数、给定初值和边界流体力学和热力学方程组，还需要已知参数、给定初值和边界条件，这就形成了定量遥感为天气预报服务最直观的切入点。条件，这就形成了定量遥感为天气预报服务最直观的切入点。
94、关于过程的先验知识与同化（续关于过程的先验知识与同化（续2 2）然而，这首先牵涉到空间分辩率的问题。遥感数据与传统天气然而，这首先牵涉到空间分辩率的问题。遥感数据与传统天气预报依赖的通常稀疏的地面观测、探空数据等相比，虽然有大预报依赖的通常稀疏的地面观测、探空数据等相比，虽然有大面积覆盖，高空间分辨率的优势，但在像元尺度上获取的物理面积覆盖，高空间分辨率的优势，但在像元尺度上获取的物理量，既不同于传统的点测量值，又不同于数值天气预报模型要量，既不同于传统的点测量值，又不同于数值天气预报模型要求的格网参数值。所以这就要求按需要对遥感数据提取的信息求的格网参数值。所以这就要求按需要对遥感数据提取的
95、信息作空间尺度转换，以满足天气预报的需求。作空间尺度转换，以满足天气预报的需求。说起非线性系统、动力学模型，非常复杂。我们这里举一个极说起非线性系统、动力学模型，非常复杂。我们这里举一个极端简化的例子端简化的例子11，让大家思考一下，想想这个复杂性：主人，让大家思考一下，想想这个复杂性：主人A A要带爱犬出发去看朋友要带爱犬出发去看朋友B B。A A家和家和B B家相距家相距1 1公里。出发前公里。出发前A A打电打电话给话给B B，让，让B B也同时出门，在中间会合。也同时出门，在中间会合。A A和和B B走路的时速均为走路的时速均为2 2公里。于是公里。于是A A，B B同时出发了。同时出
96、发了。A A的爱犬也喜欢的爱犬也喜欢B B，所以它急着就，所以它急着就往往B B的方向跑去，遇到的方向跑去，遇到B B后，又立即掉头往后，又立即掉头往A A的方向跑去，的方向跑去，如此来回跑个不停。注：狗的时速如此来回跑个不停。注：狗的时速8 8公里；调头时间假定为零。公里；调头时间假定为零。关于过程的先验知识与同化（续关于过程的先验知识与同化（续3 3）问题问题1 1：到：到A A和和B B在中点相遇时，狗的运动方程？在中点相遇时，狗的运动方程？提示：先分别建立提示：先分别建立A A和和B B的运动方程，这是两个线性方程，在时间距离平面上构成一个三角形。狗的运动的运动方程，这是两个线性方程，
97、在时间距离平面上构成一个三角形。狗的运动方程在三角形内形成一条多折线，用解析几何表达相对容易。方程在三角形内形成一条多折线，用解析几何表达相对容易。问题问题2 2：当：当A A和和B B相遇时，狗是向着相遇时，狗是向着A A还是向着还是向着B B？提示：测不准原理。非线性。极限的定义。这个问题稍微难点。可以不管。提示：测不准原理。非线性。极限的定义。这个问题稍微难点。可以不管。问题问题3 3：现在：现在A A和和B B在会合点聊完天后（狗一直乖乖的蹲在他们在会合点聊完天后（狗一直乖乖的蹲在他们身旁），要回各自的家了。狗还是跟刚才一样，但反过方向，身旁），要回各自的家了。狗还是跟刚才一样，但反过
98、方向，在在A A和和B B之间来回跑。请预测：当之间来回跑。请预测：当A A和和B B都到家的时刻，狗在哪里都到家的时刻，狗在哪里？ 关于过程的先验知识与同化（续关于过程的先验知识与同化（续4 4）大家也许会想，按时间反演对称，狗应该在大家也许会想，按时间反演对称，狗应该在A A的家门口？错！的家门口？错！大错！正确的答案是：大错！正确的答案是：“狗可能在狗可能在A A，B B两家之间的任何一点两家之间的任何一点”！不相信您可以算算，前向问题又是一个多一变换。反问题大家不相信您可以算算，前向问题又是一个多一变换。反问题大家可以联想大气系统的可以联想大气系统的“蝴蝶效应蝴蝶效应”22 指在一个指
99、在一个动力系统动力系统中，中，初始条件下微小的变化能带动整个初始条件下微小的变化能带动整个系统系统的长期的巨大的的长期的巨大的连锁反连锁反应应。这是一种。这是一种混沌现象混沌现象，是气象学家洛伦兹，是气象学家洛伦兹19631963年提出来的。年提出来的。其大意为：一只南美热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，其大意为：一只南美热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可能在两周后引起美国德克萨斯的一场龙卷风。其原因在于很可能在两周后引起美国德克萨斯的一场龙卷风。其原因在于很多复杂非线性系统方程，对初始条件具有极为敏感的依赖性，多复杂非线性系统方程，对初始条件具有极为敏感的依赖性，在问题在问题3 3中的
100、计算中，可以把量化误差（尺度效应）看作初始中的计算中，可以把量化误差（尺度效应）看作初始条件。条件。水土光、人生气水土光、人生气-遥感科学的定位遥感科学的定位 最近两天，开了两个会，也许是凑巧，都谈到遥感在地球表层最近两天，开了两个会，也许是凑巧，都谈到遥感在地球表层资源环境科学中的定位问题。资源环境科学中的定位问题。地球表层资源环境，一般用五个字来表述：水、土、气、地球表层资源环境，一般用五个字来表述：水、土、气、生、生、人。前四个字，代表最传统的四个地表圈层：水资源与水环境；人。前四个字，代表最传统的四个地表圈层：水资源与水环境；土壤与土地利用；气候环境与气候资源；生物资源与生态。人土壤与
101、土地利用；气候环境与气候资源；生物资源与生态。人类近类近200年来，借助自己的智力和生殖能年来，借助自己的智力和生殖能力，越来越多，对地力，越来越多，对地球表层的影响越来越大，所以从生物圈独立出来，也算一个圈球表层的影响越来越大，所以从生物圈独立出来，也算一个圈层了，学科也增加了可持续发展与环境修复。层了，学科也增加了可持续发展与环境修复。但是，我们搞遥感的总觉得这还漏了点什么特别重要的东西。但是，我们搞遥感的总觉得这还漏了点什么特别重要的东西。漏了光！对不对？查文献，漏了光！对不对？查文献，创世记创世记一开始：一开始：“上帝说，要上帝说，要有光。于是，便有了光有光。于是，便有了光”。不是我们
102、原创。不是我们原创。但是，正因为光太重要而又常见，反而常常被忽略掉。刚上科但是，正因为光太重要而又常见，反而常常被忽略掉。刚上科学网，看到一位环保大牛的博文，说，没有沙漠，就没有大气学网，看到一位环保大牛的博文，说，没有沙漠，就没有大气环流。我哓哓置辩说，赤道附近受光照多，只要有大气，就会环流。我哓哓置辩说，赤道附近受光照多，只要有大气，就会有热空气上升，不管你下垫面是什么。沙漠是大气环流的果，有热空气上升，不管你下垫面是什么。沙漠是大气环流的果，不是因。不是因。不管地球表层资源环境科学界别的专家怎么定义，我们团队反不管地球表层资源环境科学界别的专家怎么定义，我们团队反正近年来自己把光加进去，
103、就讲正近年来自己把光加进去，就讲“水土光，人生气水土光，人生气”。排序倒。排序倒不是按重要性来定的，主要是图好记：咱们这一代把水土资源不是按重要性来定的，主要是图好记：咱们这一代把水土资源糟蹋光了，我们不生气，下一代也会糟蹋光了，我们不生气，下一代也会生气。所以同时也表达一生气。所以同时也表达一种必须科学利用和保护资源环境的理念。讲了几年，没怎么引种必须科学利用和保护资源环境的理念。讲了几年，没怎么引起重视。这两天会上，地球表层资源环境科学界的几位老院士起重视。这两天会上，地球表层资源环境科学界的几位老院士倒好像对这一新表述感兴趣。希望今后大家能接受。但怎么整倒好像对这一新表述感兴趣。希望今后
104、大家能接受。但怎么整成英文，还没有想好成英文，还没有想好-也许同学们可以帮忙？也许同学们可以帮忙？但但作作为为搞搞遥遥感感的的，光光（广广义义的的）同同时时也也是是地地球球表表层层各各圈圈层层各各种种信信息息（参参数数）的的载载体体。比比增增加加一一个个字字更更重重要要的的是是，我我们们要要理理顺顺光光是是怎怎么么和和其其它它五五大大圈圈层层相相互互作作用用，承承载载其其参参数数信信息息的的？我我们们怎怎样样才才能能从从接接收收到到的的光光学学数数据据里里剥剥离离出出其其它它五五大大圈圈层层科科学学研研究究和和应应用用所所需需要要的的参参数数信信息息？这这中中间间究究竟竟有有些些什什么么重重要
105、要科科学学问问题题，它它们们相相互互怎怎么么关关联联，形形成成体体系系？这这些些，我我想想，就就是是遥遥感感科科学学在在地地球球表表层层资资源源环环境境科科学学中中的的定定位位。但但是是具具体体到到什什么么圈圈层层的的研研究究和和应应用用最最需需要要什什么么参参数数，我我们们遥遥感感能能做做到到什什么么程程度度，得得好好好好理理一理，也特别需要其它五大圈层科学研究和应用的反馈。一理，也特别需要其它五大圈层科学研究和应用的反馈。希希望望同同学学们们也也多多想想想想，你你们们比比较较熟熟悉悉的的圈圈层层，是是怎怎么么和和光光相相互互作作用用的的，这这个个圈圈层层什什么么重重要要参参数数的的信信息息能能加加载载到到光光上上去去？有有什什么好的想法，欢迎交流。么好的想法，欢迎交流。 谢谢！谢谢！
