遥感科学与技术中的一些前沿问题

1、遥感科学与技术中的一些前沿问题宫鹏(中国科学院遥感应用研究所 /北京师范大学遥感科学国家重点实验室 , 北京 100101 )摘 要 : 将人不可及的观测统称为遥感 , 使地面传感器成为遥感的一部分 。提出遥感科学与技术的基本内容 , 包括传感器研制 、遥感数据获取 、数据处理 、信息提取和应用 5 个部分 。其理论基础是辐射传输过程模拟与反演 , 贯 穿于各个组成部分 。数据的可视化及传输发布存在于从数据获取到应用的各个环节 。遥感科学与技术正处于快 速发展时期 , 各个方面都有前沿问题 。辐射传输理论中的尺度和多角度问题 , 地形对辐射和图像几何影响及相应 的多源多时相数据的匹配问题 ,

2、遥感信息提取中自动化和目视解译的结合以及信息提取新策略问题 , 遥感与基于 过程模拟的气候 水文 生态模式相结合的四维数据同化技术等是当前遥感科学与技术发展中的重要学科前沿 。 四维数据同化技术是突破遥感瞬时信息获取 、实现图像与机理模型有机结合 、改善自身数据产品质量和促进地学 大范围模拟准确性的重要发展方向 , 能增强遥感对全球变化科学的贡献 。关键词 : 遥感新定义 , 地面传感器 , 几何 /辐射校正 , 信息提取 , 数据同化中图分类号 : TP79文献标识码 : A人们在远距离观察目标 ,还能通过成像保存永久记录 。由于它是帮助人们观察宏观世界的 ,因此与放 大镜和显微镜正好相反

3、,它是把大范围的真实世界缩小 。随着摄像机 、电视 、电子扫描仪 ,数字相机以 及对不同能量敏感的各种成像仪器的发展 ,我们对世界观测的手段越来越多 。应用的领域也 越来 越 广 ,甚至发展到对生物成像的生物学领域和对人体成像的医学领域 ,并形成新的学科如生物成像与感知 学 和 ( Fu rukawa, 2004 ) , 生 物 信 息 学 ( X iong,2006 ) 。把成像设备搬到飞机和安装到卫星 上 , 使 我们大大扩展了对地球表面的观测 、制 图 、预测 的能力 。这也是今天遥感做为一门地学学科的由来 。 事实上 ,遥感做为一门技术是对人类感知的延 伸 。人有视觉 、听觉 、嗅 觉

4、 、味觉 和 触觉 , 尽 管目 前 教科书里一般指那些记录电磁能量并能成图 (谱线 图和图像 ) 的探测技术 。实际上 , 它不仅包括对人 类视觉的延伸 , 还有触觉 、听 觉 和嗅 觉 。触 觉的 低级阶段也在遥感中得到一定的实现 ,如热红外遥感是对人类通过触摸才能实现的对冷热的感知的延 伸 。此外 ,现代技术早已延伸了我们听觉和嗅觉这两种感觉 。“声感 ”起源于录音机 ,以及后期的声纳1 遥感科学技术的发展趋势传统遥感是不接触目标而 获 得其 相关 数据 的技术 。目标可大到恒星 、小到细胞 。根据上述传统 定义 ,通过仪器接触测量的数据不是遥感数据 。本 文针对地球观测 ,对遥感重新定

5、义 。它包括远离人 但能通过遥控仪器与目标接触而获取的 数 据 。例 如机器人获取的测量数据是遥感数据 。新 定义 的 遥感是关于地球观测的科学与技术 ,它既包括空中 和太空对地观测也包括野外监测技术 。其 核心 科 学内容是理解不同尺度地球观测值的形成及不同尺度观测值之间的关系 。其技术包括各种 对地 球的量测和成像技术以及观测数据处理和信息提取 技术 。从成像角度 遥 感起 源于 照 相 机 ( L ille sand 等 ,2003 ) 。而从测谱的角度遥感起源于用质谱学研究 物质结构 和 组 成 的 物 理 和 化 学 ( Skoog 等 , 1998 ) 。 基于照相机的遥感技术 ,

6、早期被天文 、气象 、海洋和陆地科学家们广泛应用 。把瞬息万变的真 实世 界 记录下来 。它的作用主要像望远镜一样 ,用来帮助收稿日期 : 2008 204 217;修订日期 : 2008 207 202基金项目 :国家自然科 学基 金 (编 号 : 30590370 ) , 国 家 863 高 技术计 划项 目 (编 号 : 2006AA12 Z112 ) 和 国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 (编 号 :2006BAJ01B02 ) 。第一作者简介 :宫 鹏 ( 1965 ) , 男 , 研究员 , 滑铁卢大学博士学位 。研究兴趣为土地覆盖 /利用制图与变化监测 、遥感 生态测 量学

7、( Pho to2ecom e tric s) 、全球环境变化与健康及科技与社会发展 。发表论文 300 余篇 ,专著 5 部 。遥感学报2009, 13 ( 1 )14J ou rna l of R em o te S ens ing技术 。“嗅感 ”起源于各种化学探测器的发明 。但是声感和嗅感至今没有进入到主流的遥感教科书 中 ,因为仅凭探测技术本身探测“声 ”和“气味 ”还无 法从很远的位置实现 。这种局面很快被迅 速发 展 起来的无线传感器网络技术所改变 ( Cu lle r & Hong,2004; 宫鹏 , 2007 ) 。在国际上 , 遥 感发 展的 主 要特 征是 需求 牵 引

8、 、 技术推动 ,而以有效应用为其最终目的 。一颗载有传感器卫星的成功发射背后有长期的需求分析和 充分应 用 可 行 性 研 究 的 支 持 。因 此 , 一 旦 成 功 发 射 ,所获数据立即产生较好的国防 、经济 、科学及社 会效益 。然而 , 在相当长的一 段时 间内 , 中 国的 遥 感发展是仪器研制挂帅 ,以模仿 、跟踪国际潮流 ,以发射卫星或航空传感器能够运行为目的 ,往往忽视需求 分 析 、应 用 可 行 性 科 学 验 证 以 及 应 用 示 范 研 究 。因此 ,卫星发射 , 获取数据 后 没有 相应 的应 用队伍 。结果在经济和科学中的效益发挥不够充分 。这种技术发展和应用

9、脱钩的局面十分严峻 。 近年来遥感科学与技术的发展 ,进入一个新的发展 时 期 , 可 以 从 下 面 几 个 方 面 考 察 不 同 程 度 的 进步 :( 1 )理论上 ,从定性发展到定量 。从简单解释辐射测量值与地表现象间的关系到用辐射传输模 型定量描述他们之间二向性反射 /辐射关系 。并且 从正向辐射传输模型 ,发展到对辐射传输模型的定 量反演 (李 小 文 & 王 锦 地 , 1995; Chen & L eb lanc,1997; L iang, 2004 ) 。从分散 (如局限于光学或热红 外或微波 )发展到集成多个波谱区间 。( 2 )技 术 上 , 从 单 一 波 段 发 展

10、 到 多 波 段 、多 角度 、多极化 (偏振 ) 、多时相 、多模式 ,从单一遥感器 到多遥感器的结合 ,近些年出现多角度遥感辐射测 量 (摄影测量是早期典型的多角度遥感 , 但是注重 对几何形态的测量 )技术 、激光雷达技术 (B achm an,1979; N e lson et a l. , 1984;李树楷 &薛永祺 , 2000 )和 无线传感器网络技术 ( Szewczyk et a l. 2004 ) ;( 3 )传感平台由过去注重卫星和航空发展到地 面传感器网络连续观测技术 ; 地面传感器网络的出现对遥感和地学研究有重要意义 。对于遥 感科 学 技术的发 展具 有 支持 真正

11、 的 地 空 天一 体 化 地球观测的潜力 ,并且提供在空 天遥感应用中无法 替代的高时间采样频率 (分 、秒尺度 )的地面验证数 据 。这种观测尺度和频度对地球科学理论 的验 证 和地学现象的认识有重要作用 (宫鹏 , 2007 ) 。( 4 )分析方法方面 ,从目视解译发展到半自动 、自动以及结合专家经验和计算机自动处理的信息提取 ;但是 ,与遥感传感器技术发展的速度相比 ,自 动提取信息算法研制的速度相对缓慢得 多 。分 析 技术也从分类等通用算法设计发展到为特定目标 设计 检 测 和 识 别 算 法 设 计 (宫 鹏 等 , 2006 a; W eng et a l. , 2008;

12、H u i et a l. , 2008; W ang et a l. , in p re ss) 。( 5 )应用上 ,已从实验走向实用 ,从区域应用到 全球范围的应用 ,并正在向产业化方向发展 。从小范围实验阶段走向大范围实用化 ,标志着遥感的成 熟 ,同时还有许多难于攻克的前沿问题 。特别是近年来 ,遥感与现场实测数据的融合 、渗透 和统一 ,以及多源遥感数据与陆表过程模型的同化( Zhou et a l., , 2004;Cro sson et a l. , 2002; Lu & Shuttlewo rth, 2002; O lio so et a l. , 2005; 宫鹏等 , 2

13、006b) , 为地球科学 、环境科学 、生命科学等研究提 供了 新 的科学方法和技术手段 , 导致了地学的 研究 范 围 、 性质和方法发生重大变化 ,推动了以全球观和系统 观为特点 ,以全球变化多学科交叉研究为重点的地 球系统科学的发展 ,为解决全球变化问题提供了有 效途径 。随着遥感科学与技术的不断发展 ,新的研究机 构也不断涌现 。在中国不论是专业设置还 是研 究 生和博士后教育与培养有增加的趋势 。面 临遥 感 科学与技术受到空前重视的新形势 ,不少遥感新人 需要尽快了解领域前沿 ,尽快进入科研轨道 。本文 试图就部分遥感前沿方向的背景及问题谈点看法 , 以供参考 。2 遥感科学技术

14、的基本内容遥感可按数据 获取 、处 理 、分析 和 应用 的整 个过程中的主要内容分类 。如图 1 第 2 层 ,遥感科学 技术包括 5个方面的内容 : 传感器研制 、数据获取 、 数据处理 、信息提取和遥感应用 。从这几方面的内 容可见 ,遥感是一个多学科交叉的产物 。传感器研 制涉及光学 、电磁学和光电仪器制作 ; 数据 获取 包 含数据储存与传输 ,它涉及航空 、航天 、计算机和通 讯 ;数据处理是数据获取和信息提取的 中间 环 节 , 有时可以合并在任意一项当中 。它涉及计 算机 和 电子工程等自动化行业 ; 信息提取涉及各种应用行 业和自动化行业 ;遥感应用主要是指对遥感数据和 信息

15、的科学 、生产和国防 应 用 。同 时 , 我们 不能 将 这些内容孤立起来 ,它们是紧密相联的 。图 1的大背景是遥感 辐射 传输 理 论以 及相 应宫 鹏 : 遥感科学与技术中的一些前沿问题15的模型模拟与反演 。它是支持遥感发展的 基础 理论 ,是遥感做为一门科学的标志 。目前遥感辐射传 输理论需要不断完善 ,在所有波谱区间面临着一个 基本问题 ,即如何更好地在实验室和野外波谱特性 测量与空中遥感观测之间建立尺度放大和尺度转 换 ? 还有一系列相关问题 : 如何定量刻化地表形态 结构对地物波谱的影响 ,从而更准确地提取地物信 息 ? 这涉及辐射传输理论及反演 、数据处理中的数 据校正 、

16、信息提取中的新方法研究等方面 。 ( Chen,和传输发布 ,在遥感科学与技术的发展和有效应用中也扮演着重要角色 。好的数据可视化方 案能 够 帮助人们更好地处理遥感数据 ,并能提高在大量遥 感数据中发现潜在模式的机会 。如何高效 地表 达 遥感数据以便于更容易地挖掘有用信息 ? 如何 改 善遥感数据的发布方式使更多的用户更大程度地使用遥 感 数 据 ? Google Ea rth 提 供 了 很 好 的 开 端 。 但是 , Google Ea rth使用的技术并不先进 ,其设计者 对地理学 、制图学的理解很有限 , 盲目效法它已经 做成的东西 ,不能达到科学前沿 。它只是人们科学 研究的基

17、础 ,不是终极目标 。1999;2007;Chen et a l. , 2002; L iang 2004; Q in et a l. ,2008 )图 1下面的遥感数据可视化Yao et a l. ,图 1 遥感科学技术的基本内容传感器研制发展很快 。新型传感器不断涌现 。仅中国近来以及未来几年就有气象 (风云卫星 FY 系列 ) 、海洋 ( H Y系列 ) 、环境与减灾 、高分辨率卫星 等发射计划 ,将携带大量的传感器 。美国 、法国 、日 本 、印度等发射的地球观测系统卫星已经对全球形 成了逐日连续观测的能力 ,为大范围探测提供了大 量数据 。法国多角度 POLD ER、NA SA 多角

18、度 M ISR 等传感器的研制与数据获取拓展了地面二向反射 理论的应用 。各国高空间分辨率和微波雷 达以 及激光雷达系统的研制与应用 ,对数据处理和信息提 取提出了新要求 。目前数据融合 、信息融合的研究 做得较多 ,一般对全色和多光谱光学波段的数据融 合处理 取 得 的 进 展 比 较 令 人 满 意 ( Gong, 2006 a;2007 ) 。但是 如何 更Zhang, 1999; Hong & Zhang,好地融合可见光 ,近红外和短波红外的图像与热红外和雷 达 图 像 数 据 , 还 需 要 深 入 探 讨 。至 于 特 征(如线性结 构 ) 和 信息 (如 地表 类别 、以 及 温

19、 度 、亮 度 、酸碱度 、蒸发 、土壤湿度等某种地表物理或化学参数 )层面的融合 ,研究得还相对较少 ,更是需要做 大量的研究工作 。近几年在遥感领域开展 的多 源遥感数据 同 化 , 是 一 个 重 要 方 向 ( B ach & M au se r,2003; L iang, 2004 ) 。在信息获取方面 ,利用计算机进行信息提取可 以分为六大策略 : 遥感分类 、统 计回 归 、变化 探 测 、 三维提取 、形态提取和辐射传输模型反 演等 方 法 。 ( Gong, 2006 b) 。其中前 3 类方法是遥感信息提取遥感学报2009, 13 ( 1 )16J ou rna l of

20、R em o te S ens ing中较传统的方法 ,而后 3 类相对较难 、技术较新 ,特别是辐射传输模型的建立及其反演很有挑战性 。 遥感应用虽然广泛 ,但是随着新的遥感科学技术的发展 , 新的应用领域不断成为可能 , 传统应用 领域也不断深化 ,所以要不断拓展新的遥感应用领 域 。如由于遥感空间分辨率和辐射传输模 型反 演能力的提高 , 农业应用向精准农业发展 , 即不但有 可能识别作物类型 ,还能探测土壤水分 、蒸发量 、肥 力 、作物生物量等 , 为合理农 情 管理 服务 。这些 在 过 去 遥 感 图 像 获 取 技 术 落 后 的 情 况 下 很 难 做 到 。 又如利用遥感技

21、术进行遥感考古 ,是遥感的文化应用前沿 ,它既需要可见光 、近红外 、热红外和微波雷 达等技术的综合应用 ,又需要深厚的历史和文化素 养 ,需要多学科科学家交叉 联合 。再如 , 遥 感在 环 境污染 、公众健康方面做得也不多 。遥感环境污染 以前局限于小范围水域热污染 、水体泥沙混 浊 度 、水色恶化 、大气尘埃 (气溶胶 ) 浓度等的研究 ,但是 对水化学 、大气化学的贡献进步不多 。遥感对于公 众健康的贡献 ,研究的人还不多 。实际上遥感通过 对环境监测的改进会对公众健康研究起到越来越 大的作用 ( Fang et a l. , 2008 ) 。首先 ,环境遥感得到的定量水体 、大气参数

22、可以直接用于健康研究 。其 次 ,针对特定流行病中间传 播媒 介 蚊 、螨 、鼠 、蜱 等 的栖息环境的定量化研究 ,可以直接作为模型变量 用于流行病传播和扩散的模拟过程中 ,为疾病防控 策略的制 定提 供 其他 方法 无 法获 得 的 数 据 (宫 鹏等 , 2006 ) 。遥感信息获取后的可视化 表达 对 更好 地运 用 遥感信息有重要作用 。可视化表达是介入 遥感 科 学技术与其他科学 , 特别是制图学 、地理信 息科 学 等之间的技术 。它包括遥感数据的模型 、与其他地 理数 据 库 接 口 、遥 感 信 息 表 达 及 显 示 与 制 图 等 内容 。因此 ,我们也可以把遥 感划 分

23、 成六 大模 块 : 传 感器研制 、数据获取 、数据 处理 、信 息提 取 、可视 化 和遥感应用 。其核心还可以归结为遥感数 据获 取 (需要传感器 ) 、信息提取 (需要 处理 ) 和遥 感应 用 (需要可视化 ) 。遥感中有些 需 要不 断攻 克 的基 本难 题 。这 些 问题非常基本 ,不是一两篇科学论文或几篇博士论 文就可以解决的 。除了电磁波 ,声纳传感器使用超 声波 。其他地面传感器使用 更 多的 探测 方 式 。他 们的传输原理也需要充分了解 。3 遥感科学发展中的尺度和角度问题景物目标的光谱特性和空 间结 构 决定 各种 不同分辨率从不同角度以及在不同光谱区间所能获 取的图

24、像的辐射量及其空间分布特性 。用 不同 空间分辨率获取的图像间没有简单的平均或平分对应关系 。图像辐射测量值随观测尺度即传 感器 分 辨率的变化常常呈非线性变化 。图 2 给出 一个 热 红外遥感中提取地表温度信息的例子 。图 2 非同温地表遥感温度反演不能直接应用普朗克定律从热红外传感器测得的辐射亮温无法反演出像元平均温度 290 K。而且即使在各波长比辐射率 均为 0. 98 ,也无法得到各波长同样的温度 。假设遥感像元的比辐射率为 0. 98 ,且不随波长 变化 ,但像元由 2 个不同的温度部分组成 , 温度分 别为 280 K和 300 K。通过 遥感 得 到的 辐射 亮度 来反演地表

25、温度时 , 由于像元的比辐射率是已 知 的 , 直接用式 ( 1 ) 中普朗克定律来反演像元温度时 ,可 以发现 ,用不同波段的红外辐射亮度来反演像元温度 ,会得到地表温度随波长变化的结果 , 这 在地 学模型应用中是一个矛盾 。L ( v, T0 ) = 0 ( v) B ( T0 )( 1 )式中 , L是辐射亮度 ,是波长 , v是地表覆盖类型 , T0是地表温度 , B 是黑体辐射亮度 。 问题在于非同温像元条件下 ,如何在遥感像元尺度上应用普朗克定律 ? 什么尺度条件下 ,遥感像元是 同温的或非同温的 ? 这类问题的解答显然需要解决 尺度问题 。李小文等提出了在不同尺度应用普朗克宫

26、鹏 : 遥感科学与技术中的一些前沿问题17定律的方法 ,对热辐射在像元尺度上的方向性和波谱特征建立了概念模型 。并进一步扩展到对三维结构 非黑体表面的尺度纠正 (L i et a l., 2000 ) 。他们不再 需要使用亚像元尺度上的参数而是用像元尺度上的 统计参数结合应用普朗克定律反演非同温地表温度 。 这种基于景物统计特性的方法虽应用方便 ,但是并不 能从根本上解决热辐射传输的问题 。因此 ,还需要针 对不同的景物类型根据热辐射传输的特点建立新的模型 。此外 ,在可见光 、近红外和微波领域在地表参 数反演方面尚存在许多尺度问题没有解决 。例如在 北方针叶林叶面积指数估算中 ,为了使用野外

27、实测的 小范围叶面积指数数据验证从 30m 30m 甚至 1km1km 尺度的遥感数据反演出来的叶面积指数 ,由于 森林结构的空间复杂性 ,陈镜明不得不修改 、建立 、使用森林光学辐射传输模型 ( Chen & L eb lanc, 1997 ) 。这类模型在其他地表覆盖类型中的应用适用性还需 要研究 。因此 , 遥 感 定 量 研 究 必 须 重 视 尺 度 问 题 。其 实 ,早 在 20 多 年 前 , 已 故 美 国 地 理 学 遥 感 之 父 D avid Simone tt就坚持认为遥感不仅是一门应用技 术 ,还是一门科学 。它的多分辨率或多尺度是现代 技术无法解决的科学问题 。尺

28、度问题事实 上也 是许多学科面临的重要瓶颈问题 。例如与遥 感密 切 相关的景观生态学和气候学问题 ,十分重视尺度问 题的研究 (邬建国 , 2000 ) 。面对高分辨率遥感数据不易获取较大空间范围的数据 ,而较低分辨率数据空间结构信息不够详细的这对矛盾 ,在遥感科学中 必须深入研究利用不同尺度遥感数据获取地表信 息时的时空对应关系和不同尺度数据间的转换关系及互补关系 。 遥感中的尺度问题就是空 间 分辨 率变 化时 辐(反 )射特性的变化及其对地表信息反演精度的影 响问题 。在研究尺度的同时 ,必须面对遥感观测中 的角度问题 。因为除人造材料外 ,多数有垂直结构 的自然地表的反射不服从朗伯体

29、漫反射的特性 ,即 在不同观测方向上反射强度存在明显的 差 异 。我 们不可能也不必要在航空和卫星遥感平台从每个观测角测量地表反射 ,如何抓住地表反射的主要角 度特征 ? 目前世界上建立的多角度遥感器 ,一般采用沿轨道飞行方向在垂直向下方向之外前后向增 加 6 个或 8个固定观测角度的方法 。是否可以采用 一些其他的方法进一步减少观测角 ? 是否 可以 根 据需要灵活调整观测角 ? 地表的角度特征 也随 传 感器的空间分辨率变化而变化 。在建立辐 射传 输模型 ,特别是模型反演时如何考虑角度特性对不同空间分辨率观测的影响 ,从而达到提高地表参数反 演的精度 ? 这些问题的解决不但将对遥感 传感

30、 器 设计 、平台设计及信息提取与地学应用提供不可或 缺的理论支撑 ,而且也能提升遥感的科学性 。4 地形对辐射的影响及多源多 时相数据几何配准问题在图像中对地形进行归一化处理 ,目的是消除图像辐射值受到不同地形坡度和坡面的影响使到 达每个像元的入射能量达到同样的强度 。问题 是 地形起伏大的情况下会有直射光和漫射光 2 种不 同的光照条件 。消除地形引起的照明变化 只是 一 种理想并不一定能够实现 。但是 ,人们还是做了不 少尝试 (M eye r et a l. , 1993; J en sen 2004; H uang等 ,2008 ) 。例如 ,人们常常通过回归分析在光 谱反 射 和照

31、明方面建立线性关系 。需要照明方向 和地 表 法线夹角 i。这里的问题就很多 。首先 ,夹角 i会因 地表法线难以确定而有误差 。因为计算地 面法 线 需要的 D EM 与相应像元的辐射在空间位置难于匹 配准 ,而且尺度也不一致 。另一个问题是这类线性模型并不能将漫射光照射的像元改变成直射光的 光照条件的像元 。彻底解决这个问题需要 完善 的 数据 和 对 像 元 辐 射 传 输 的 准 确 模 拟 ( V e rhoef & B ach, 2003 ) 。因此 ,第一难点的解决是解决地形辐 射影响的先决条件之一 。此外 ,还必须解决地面高 程数据与图像数据的精确配准问题 。应用摄影测量技术提

32、取地 表高 程 并对 图像 辐射特征进行纠正 ,可以消除由于图像匹配引起的误 差 ( Gong et a l. , 1999 , 2002; Sheng et a l. , 2001 ,2003 ) 。使用 像 A STER 这 类能 够同 时 获取 地 面 立 体相对和辐射值的传感器系统有助于解决地形影 响问题 (如 Xu 等 , 2004 ) 。使用激光雷达和成像传 感器系统一体化的数据系统也有助于问题的解决 。 但是 ,目前这类系统毕竟是少数 。所以还需要研究多源多时相数据的几何配准问题 。 同种传感器不同时期获取 的图 像 会存 在由 于视角不同引起的图像形变 。当多幅图像被 镶嵌 在

33、 一起时 ,困难更为突出 。一般最困难的情况是图像 来自地形 起伏 的 山区 , 数 据 在 不 同 季 节 获 得 。L iu et a l. ( 2006 )对地形起伏区多年相同季节航空数字 相机影像镶嵌图像尝试用局部图像自动匹配的方 法进行图像匹配 (图 3 ) 。得到比全局图像匹配更好遥感学报2009, 13 ( 1 )18J ou rna l of R em o te S ens ing的效果 (图 4 ) 。图像匹配后的结果用于支持多年变化检测和基于时空特征的上下文分类 。模型计算在 S中的位置并在 S中进行辐射值重采样 ,产生新的 S图像 ( Gong, 2006 a) 。这个过

34、程称作 全局匹配或全局校准 。在第一步可以通过 图像 自 动匹配生成大量控制点 ,使控制点选择自动化 。将 整幅图像划分为一定数量的小块 ,将图 3M 中的每 个小块图像与 S中的较大块的图像进行移动窗口 相似性计算 , 相似性最大的位置为匹配 的对 应 点 。 将此自动选出的对应点做为控制点 ,全部参与图像几何转换模型的系数计算就得到全局图像匹配的 结果 。如果只用对几何匹配像元局部小范 围的 相 邻控制点构建几何变换模型 ,这种方法称为局部匹 配模型 。对于局部变形或局部几何差异在 整幅 图 像上呈无规律分布的情况 ,局部匹配模型可以得到 更高的全局图像匹配精度 (图 4 ) 。上面介绍的

35、多时相图像配准的方法在下列任何一种情况下会失灵 : ( 1)当需要配准的图像上没有多 少纹理特征时 。 ( 2 )当两幅需要配准的图像间发生 很大变化时 ,如在城市边缘 ,一景在城市化之前 ,一景 在大量城市建设之后 。或城市在两幅图像获取期间 进行了大规模城市改建 。 ( 3 )当图像三维结构太复 杂时 ,将从不同观测视角得到截然不同的图像内容 , 如城市建筑物和针叶树的不同侧面被记录下来 ,这种 情况在高分辨率图像上常常发生 。 ( 4 )当图像空间 分辨率差异很大时 。 ( 5 )当图像来源不同 ,成像几何 模式差异很大 ,且景物三维结构复杂时 。所以在遥感研究中虽然可以人工选择控制点

36、,或 到野外使用全球定位系统采集控制点 ,或利用定位与 定向系统实时进行像点几何定位 ,由于图像采集时间 、 获取方式等不同 ,多源图像匹配仍然存在诸多问题 ,需要不断开展研究 。只有在了解图像匹配精度的前提 下 ,才能很好地应用多源多时相图像进行信息提取 。 例如 ,图 4中两幅图像的平均配准精度为 1. 5个像元 。 这时 ,如果采用逐像元的变化探测方法比较不同时间 同一位置上发生的变化 ,就会得到许多假的变化结果( Gong et a l. , 1992) 。因此 ,不仅需要进一步研究如何提 高多源多时相图像配准精度的方法 ,还要充分了解不同配准精度对后续图像分析的影响 。图 3加州中国

37、营地州立公园多年航空影像镶嵌图的几何匹配图 4 用自动控制点搜索方法获得的控制点数量与不同几何变换得到的图像匹配结果5 自动信息提取问题将图 3中的小格网图像 (兰框 ) 与下图中更大范围的图像 (红框 )做相似性分析 ,获得最佳匹配位 置 ,用于局部匹配 。一般图像匹配方法包括 3 步 : ( 1 ) 人工选择控制点 ; ( 2 )建立被纠正图像 S到参考图像 M 的唯一 几何转换模型 ; ( 3 )对 M 图像逐像元应用几何转换长期以来 , 从 遥 感 图 像 上 自 动 提 取 信 息 一 直是遥感应 用 研 究 学 者 们 的 一 个 愿 望 。经 过 40 余 年的努力 ,遥感信息提

38、取的自动化程度依然不高 。 可见 ,从遥感 数 据 进 行 信 息 自 动 提 取 是 一 个 长 期宫 鹏 : 遥感科学与技术中的一些前沿问题19的 遥 感 科 学 难 题 (宫 鹏 等 , 1996 ) , 在 宫 鹏 等( 1996 ) 、Gong 等 , ( 1999 ) , 史 培 军 等 ( 2000 ) 和 Gong ( 2006 b)给出了 6 种 信 息 提 取 策 略 的 方 法 举 例 。随着高空间 分 辨 率 遥 感 数 据 越 来 越 多 , 宫 鹏 等 ( 2006 )曾针对这类数据提出一些值得关注并开 展研究的科学 问 题 。由 于 遥 感 信 息 提 取 范 围

39、 广 , 下面仅就遥 感 图 像 分 类 、变 化 探 测 和 图 像 分 割 有关的问题进行讨论 。近年来 ,机器学习 (m ach ine lea rn ing) 算法对遥 感分类领域影响很大 。为我们提供了许多 分类 算 法 。例如在单像元分类时 ,开发出来的几种分类回归 树 非 参 数 模 式 分 析 算 法 ( c la ssifica tion and力 (周伟达等 , 2001 ) 。 SVM 是在统计学习理论的基础上发展起来的 (V ap n ik, 1999 ) ,是特别为类边界 提供高度灵活性设计的 ,也能避免过度学习 (过度 拟合样本使算法失去概括能力 ) 。但是如何全面

40、比 较分析这些分类算法各自的特点 ? 至今没 有验 证 分类效果的标准 。此外 ,单像元 、单时相 、单景图像分类已经远远不能满足分类制图的需要 。科学 和 用户需求常常是针对某个流域或行政边界 ,甚至是 整个一个国家或全球范围的 。因此 , 研 究多 时 相 、 大范围图像分类算法势在必行 。利用空间 上下 文 信息进行分类已经研究了 30 余年 , Gong和 Howa rth( 1992 )在比较了许多当时利用空间信息进行分类 的算法后 , ( Gong et a l. , 1992 ) 提出基于图像压缩和 直方图特征的上下文分类算法 。近几年人 们开 始 研究基于 时 空 上 下 文

41、信 息 的 分 类 算 法 (M e lgan i & Se rp ico, 2003; L iu et a l. , 2006 b) 。基于时 (一维 ) 空 (两维 ) 三维数据目标特征分 析的目标识别算法可以以逐景图像中像元为最小 分类单元也可以以图像分割单元为分类单元来考 虑时间维特征在三维空间内寻找目标识别的依据 。 L iu等 ( 2006 b)提出一个对多时间图像通过单时相分类 、时空信息循环利用从而达到分类和变化信息 同时提取的新算法 。对两景不同年份航空 图像 的 该算法示意如图 5:regre ssiontree,CAR T;reducede rro rp run ingr

42、egre ssion tree s; R EPT) (B re im an 等 , 1984; W itten &F rank, 2005 ) 以 及 支 持 向 量 机 ( suppo rt vec to r m ach ine, SVM ) 、基因算法等 (B ishop , 2007 ) 。这些算法中 ,支持向量机应用最 广 , 研究 得最 多 。其 机 理为 :寻找一个满足分类要求的最优分割超 平 面 , 使其在保证分类精度的同时超平面两侧的空白区 域最大化 ,从而使 SVM 的结构风险最小 。与其他的 学习机 ,包括神经网络 、模糊学 习机 、遗 传 算法 、人工智 能 等 相 比

43、, 它 具 有 一 些 优 点 ( B u rge s, 1998; Smo la等 , 1998 ) : 能在训练样本数很小的情况下达 到较好的分类 ;且有非线性处理能力和高维处理能图 5 基于时空信息的上下文分类算法示意遥感学报2009, 13 ( 1 )20J ou rna l of R em o te S ens ing很 显 然 , 图 5 中 的 算 法 是 一 个 复 合 分 类 器 算法 。其核心是运用不同时间和空间临域获 取数 据 相互佐证来识别目标 。该算法可向多图像 时间 序 列扩展 。只是计算效率会大 大 降低 。进一 步研 究 应当着眼于在可扩充到多于两个时相图像分类

44、时 的算法简化 ,选择自相关较弱的时间序列图像进行 目标识别等 。时间序列图像的处理及信息提取与变化探测密切相关 。过去一般应用于气象卫星数据序列或 SPOT卫 星的 Vegetation逐日时间序列数据 。方法局限于逐像 元提取时间序列信号 ,对时间序列进行滤波处理消除 云等 的 影 响 ( Chen et a l. , 2004; Jonsson & Eklundh,2002) ,然后逐条时间序列曲线与已知地面类型的曲线 比较获得类型信息 。或者在植被覆盖类型的时间序列曲线中探测生物量 、年内作物种植次数 (一季或多季作物种植 ) 、作物物候或地表干旱状况等 。与高分辨率图 像的时空数据分

45、类相比 ,这类算法缺乏对空间信息的 利用 。 Gong等 (2006c)在探测加州森林火迹制图中提 出既要使用时间上下文又要利用空间临域信息的思 路 。但是这种方法主要是为森林火迹探测设计的 ,缺 乏通用性 。事实上 ,以时空三维数据分析为主线可以 把过去在空间维建立的模式识别方法拓展到时空序列 图像的分析中 。例如 ,如何把空间簇分析应用到时空 维的簇分析中去 ? 如何把空间维的空间均质性 异质 性景观测度 、空间自相关的概念拓展到三维时空空间 ? 这些方法在技术上拓展既不新也不难 ,因为仅是数学 上从二维发展到三维 。但是在概念和理论层面却有可 能取得新突破 。例如 ,各种自然区划过去是在

46、综合各 种数据的基础上人工完成的 。因此 ,这是一种以目标 为主的自上而下的分类过程 。但是 ,这种区划边界与 时间序列图像套和之后 ,就可以鉴别分区是否合理 。 显然对于自然现象的考察不能依赖行政边界 。那么到 底如何确定自然边界 ? 如何进行生态分区 ? 如何在空 间均质性的基础上考察季节性 、年际性 ? 如何在时间 均质性基础上考察空间变化 ? 将时空三维数据转化到 傅里叶频率域或进行小波变换 、进行独立成分分析又 会出现什么有趣的现象呢 ? 这些必须将景观现象纳入 时空三维空间进行考虑 。随着近年来遥感数据资料拯 救 、收集 、积累以及新数据生产的增加 ,我们比以往任 何时候更有条件探

47、索从时空三维数据中提取信息的新 方法 。上述方法一般以像元为分类或变化探测单元 , 决策时考虑时间和空间的临域特点 。分类 单元 并 不局限于单个像元 ,也可以经过预处理完成图像分割 ,将图像分成大小不等 、形状不一的联片 的像 元组 ,又称目标 (O b jec t) 、对象 ( Ta rge t) 、域 ( F ie ld ) 或 区域 ( R egion) 。近 年 来 随 着 图 像 空 间 分 辨 率 的 快 速提高 ,基于目标的算法受到重视 (B enz, 2004; Yu et a l. , 2006 ) 。这类方法首先按照一定的灰度 、方差 等为基础按相似度将原始图像进行分割

48、。下一 步 是针对每个分割的单元统计其灰度 、纹 理 、形态 和 大小等特性 ,并用这些特性进行分类 。虽然图像分割的方法很多 ( Ca rdo so & Co rte2R ea l, 2005 ) , 但 是 在遥感数据分析应用中远远落后于计算机视觉领 域 。分类的算法一般以模糊数学或基于知 识规 则 的经验为主 ( Gong & Howa rth, 1990 ) 。近年来 ,随着 eCogn ition软件的推出 ,特别是高空间分辨率遥感影 像的大量涌现 ,以区域分割为基础的图像信息提取 越来越受到重视 。但是 ,遥感影像的特点之一是光谱信息含量丰富 ,目前算法多停留在处理分割 3 个 波

49、段以下的图像 ,如何将更多光谱波段的图像用于 分割及后续分析也值得探讨 。多源遥感数据信息提取集成是一个新的研究领域 。它与数据融合和信息融合不同 。数据融合主要 是指将不同来源或不同分辨率的数据中的空间变化 和辐射特性集成到相对较少的几个特征参数中 ,以便于进一步解译或分析图像 ,提取信息 。而信息融合从 概念上虽然内涵宽泛 ,但实际应用上主要是指在定性 提取信息 (如图像分类 )时 ,如何从不同来源得到的 定性信息集成起来以达到更准确的定性信息 。其实 , 这些只是遥感信息提取的中间环节 。如何综合运用 各类信息提取技术 ,集成多尺度信息提取的结果以更 好地从各类遥感数据提取定量信息是值得

50、研究的问题 。例如 ,在几何光学模型反演中对树木冠层采用假 设的几何模型 ,而目前树冠遥感形态提取在摄影测 量 、激光雷达和 干 涉雷 达方 面 取得 不少 发 展 ( Gong et a l. , 2002; Chen et a l. , 2006 ) ,如何结合测量的树冠 形态改善几何光学模型的反演 ?6 科学应用中的四维数据同化问题遥感科学与技术支持全球 变化 特 别是 气候 变化研究是近些年国际科学界重要的研究方向之一 。 无疑 ,遥感科学与技术的全球视野和一致性的观测 数据 ,能够为气候模拟 、生态模拟和水文模 拟提 供 一定的边界条件 。如大气过程模拟过去对 地面 覆 盖的精度要求

51、较低 , 甚至只区分陆地表 面和 海 面 。 但是随着对各类模型降低不确定性的要求越来越宫 鹏 : 遥感科学与技术中的一些前沿问题21高 ,地表覆盖 、反照度 、土壤湿 度 、反映 植物 生物 量的叶面积指数 、海洋温度 、风速 、水色 、云覆盖 、水汽 含量 、大气气溶胶厚度等参数成为改进水 气 生 物圈模拟的重要参数 。以美国 NA SA 为首制定的对 地观测计划中将各类卫星传感器能够反演的大气 、海洋 、陆 地 参 数 做 成 标 准 的 数 据 产 品 供 科 学 界 使 用 。但是 ,由于缺乏全面地表验证以及数据和算法缺陷等 ,这些参数的准确度还有许多可以改进的空 间 。改进这类数据

52、的一个途径是通过四维 数据 同化方法实现 。四维数据同化中的四维是空 间和 时 间维 ,数据同化是指对过程的数值模拟和包括遥感 数据在内的实际观测数据的集成使用 。数据同化 ( da ta a ssim ila tion)是在考虑数据时空分布和对模型 、观测做出误差估计的基础上 ,在数值 模型的动态运行过程中融合新的观测数据的方 法(图 6) ,能生成具有时间一致性 、空间一致性和物理一致性的数据集 。其目的有二 :一是通过遥感数据辅 助改善环境模型的模拟精度 ,尤其是在提高模型对参 数的空间不均一分布 (异质性 )的模拟方面 ,遥感数 据能起很大作用 ;二是改善遥感数据产品的精度 。的 质

53、量 进 行 改 善( Fang & L iang, 2005; Q in 等 ,2007 ) 。目前在这一领域 , 从事遥感科学与 技术 的研究人员还刚刚起步 ,如何改进目前遥感数据进行 地表参数反演 ? 如何挑选并优化各类参数 提取 算 法 ? 如何让遥感数据为水文 、生态系统模拟服务从 而更好地 改进 模型 表 现 ? 如 何应 用 水 文 生 态 气候过程模型的运行结果为遥感数据参数反演提 供精度控制和验证 ? 数据同化中选择哪种 过程 模型更能改进数据精度 ? 这些问题值得进一步研究 。 罗斯 福 1944 年 的 这 段 在“Science, the endless frontier

54、s”为题的话 ,导致美国自然科学基金会的设立 。“N ew f ron tie rs of the m ind a re befo re us, and if they a re p ionee red w ith the sam e v is ion, bo ldness,and d rive w ith w h ich w e have w aged th is w a r w e can c rea te a fu lle r and m o re f ru itfu l em p loym en t and afu lle r and m o re f ru itfu l life.

55、”F rank lin D. R ooseve lt,N ovem be r 17, 1944。 遥感科学与技术的前沿需 要遥 感 人共 同努 力去占领 、去开拓 。致谢在成 文过 程中 得 到郭 华东 、李 小 文 、柳钦火 、梁顺 林 、施 建成 、王 锦地 、李 艳 、余倩 、郭 庆 华 、刘德胜 、陈奇 、王雷等提供素材或讨论 。在此一 并致谢 。REFERENC ESg 是以时间为变量的动态物理模型 , f 是前向遥感模型 (由物理模型的状态变量 X 做输入定量模拟遥感观测值 Y ) 。 Y 是遥感 数据 。通过在包含 ( Y - Y ) 2 项的代价函数中寻求全局最小值求解模型状态

56、变量 X 的最优值图 6 普通数据同化系统中的数据流B ach H , M ause r W . 2003. M e thods and exam p les fo r rem o te sens ing da ta ass im ila tion in land su rface p rocess m ode ls. IEEE Tra nsa c tionson G eosc ience a nd Rem o te Sens ing. 41 ( 7 ) : 1629 1637B achm an C G. 1979. L ase r R ada r S ys tem s and Techn iques. N o rw ood(M A ) : A rtech H ouseB enz U , H ofm ann P, W illhauck G , e t a l. 2004. M u lti2reso lu tion, ob jec t2o rien ted fuzzy ana lys is of rem o te sens ing da ta fo r G IS 2ready info rm a tion. ISPRS J ou rna l of P ho tog ramm e try a nd R em o te Sens