定量遥感与环境课件

定量遥感与环境定量遥感与环境21.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31.定量遥感对环境监测的意义31.定量遥感对环境监测的意义4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起着越来越重要的作用：4我们所指的遥感就是从卫星观测地球表面，是20世纪5★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★为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据和例如：6全球NDVI(植被指数)6全球NDVI(植被指数)7全球昼夜温差7全球昼夜温差898年长江洪水的遥感监测（雷达与TM影象的复合）898年长江洪水的遥感监测9北京地区4米遥感影象图（美国SPACEIMAGE公司的IKONOS卫星）9北京地区4米遥感影象图10北京地区1米遥感影象图（同时也发布了北朝鲜导弹基地的1米影象图）10北京地区1米遥感影象图11

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全球变化的研究面向一系列重大全球性环境问题，提出了12

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全球变化的研究是以地球系统科学为指南的。遥感作13

望远镜的发明，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望远镜的发明，推动了一系列重大的天文和物理发现，从而14

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。以加洲大学圣巴巴拉分校（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，凡是没有抓住遥感这一机遇的地理系，纷纷走向衰亡。

14二十年前，美国地学界爆发了一场“路线斗争”。当15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但是AAG的那位前会长也有他一定的道理，遥感不仅16

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。

16遥感科学独特的科学问题在于：对传统地学来说，遥感要172.遥感面临的问题和加强遥感基础研究的必要性172.遥感面临的问题和加强遥感基础研究的必要性18

70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。1870年代以来，卫星遥感主要采取19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NASA21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例如，尽管卫星云图已经很直观地显示了各种气团的20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。20中、长期的天气预报问题就更大。例如：1999年，212.1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√遥感科学——多学科交叉212.1遥感面临的问题需要实现从定性到定量的过渡22

“我们淹没在数据的海洋中，渴求着信息的淡水”EOS2000G/天(2×1012Bytes/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“我们淹没在数据的海洋中，渴求着信息的淡水”EOS23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，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遥感数据的地学理解24知识决策数据有效信息24知识决策数据有效信息25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地球表面关键性时空多变要素——对地反复观测的真正对象26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基础科学、应用基础科学定量地学描述高新技术(传感器、遥27

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。27经过六五以来的发展，我们可以说283.国内外定量遥感基础研究状况和我们的学术思想283.国内外定量遥感基础研究状况2929303.1几何光学模型303.1几何光学模型31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何光学学派成功的见证。

31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32

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：“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当我写这番话时，我以为月亮的朔望，上弦下33

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。

几何光学模型33日月同辉不稀罕，在上弦月、下弦月时，太阳—地球—34草色遥看近却无34草色遥看近却无353.2尺度效应353.2尺度效应36

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为什么我们跑那么大老远到卫星上观察37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横看成岭侧成峰38

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尽管人们早就认识到这种最佳观测距离39

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，不同地物光学性质的尺度效应很少得到研究，分形几何的应用几乎没有超出计算机模拟的范围。39对海岸线长度的测量问题是地学描述中尺度效应最典型40

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。尺度效应(例1)——象元的漫反射性Aa1(qv)qva2(qv)=1-a1(qv)A为谷顶部，一个象元大小我们用一个简单的几何光学模型说明了象元的非漫反射特性主要是象元尺度上地表的三维结构决定的，从而奠定了李小文—Strahler几何光学学派的基础。40二十年前，普遍流行一个误解，就是：如果象41互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基石，曾被当作检验遥感数据质量的标准，受到测量界的强烈反对，争论长达20年。我们给出了象元尺度上互易原理失效的条件：在象元尺度上，空间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且明暗两区之间串线不对称，则互易原理在象元尺度上失效。凹面镜黑体表面凸面镜A尺度效应(例2)——互易原理我们用一个简单的几何光学模型说明上述条件，1999年IGARSS会议上发表后引起轰动，普遍认为解决了这二十年以来的争论。41互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基42上图也可以翻译成下图所示尺度效应(例2)——互易原理42上图也可以翻译成下图所示尺度效应(例2)——互易原理43

像元互易原理适用性的争论主要是在地学测量界和物理学家之间壁垒分明进行。前者如Kimes,Kriebel,早就观察到互易原理的“视在失效”，后者如Snyder,Wanner等则坚持互易原理是物理学的基本假设之一，可以用来衡量数据质量。

作为电讯工程毕业生，我早在85年使用Kimes的经典数据时就发现其不满足互易原理。Kimes坚持不是由于测量误差引起的。我当时存疑，直到十二年以后才发现了沟通二者的桥梁。这说明，两大学科的冲突和挑战同时也给我们带来新发现的机遇。43像元互易原理适用性的争论主要是在地学测量44

普朗克定律适用条件：T,e0同温,只有e空间变化：尺度不变尺度效应(例3)——普朗克定律

40年来普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥感，这是地温遥感精度上不去的根本原因之一，现我们将它修正到遥感象元的尺度，有深远的科学意义及重大的应用价值。

普朗克定律是人类科学史上最伟大的成果之一，是现代物理学的基石，但它也不是“放之四海而皆准”的绝对真理，在对地遥感中的直接应用，要求一定的条件：44普朗克定律适用条件：T,e0同温,只有e空间45

但目前的修正，受制于缺乏理想的地学描述手段，需要象元平均材料发射率、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计量。复杂性减低实用性，我们正继续努力寻找更简练的景观特征参数化手段。两步近似为自相似a1a2T1T2e1e2

自然陆地表面：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：自相似T,e0+Dem

我们是通过修正“象元平均有效发射率”

e的内涵，使普朗克定律能直接应用于象元尺度地温遥感的。45但目前的修正，受制于缺乏理想的地学描述手46尺度效应——小结

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，这些都是原创性的。46尺度效应——小结尺度效应不是一个新的概念473.3.病态反演473.3.病态反演48

定量遥感的反演问题，简言之，就是根据观测信息和前向物理模型，求解或推算描述地面实况的应用参数(或目标参数)。

而定量遥感反演的困难，在于应用参数往往不是控制遥感信息的主导因子，或者说是非敏感参数，只能为遥感信息提供弱信号。48定量遥感的反演问题，简言之，就是根据49

目前国际上对地遥感反演的主流仍坚持沿用高斯的最小二乘法，坚持“定量遥感反演的必要条件是独立观测的个数大于未知数的个数”(简称“第三公设”)。

地表是一个复杂的开放的巨系统，未知的参数几乎是无穷的，而遥感数据总是有限的，接受第三公设，采用最小二乘法，其结果是只能估计最敏感的少量几个参数，而这几个参数往往不包括应用所需的时空多变要素，导致了定量遥感与应用需求之间巨大的缺口，和普遍的悲观情绪。49目前国际上对地遥感反演的主流仍坚持沿50

前边讲的是最简单的病态反演的例子。在真实的对地遥感中，问题远为严重。遥感系统从垂直方向来说，光线（电磁波）穿越大气、植被，到达土壤，再反射穿越植被、穿越大气，达到卫星传感器。影响这一过程的因素，数不胜数。我们可以用明代一位诗人观察到的现象来作一个简单的说明：夕阳方照桃花坞柳絮飞来片片红50前边讲的是最简单的病态反演的例子。在真51

大家一般的先验知识认为柳絮是白的，为什么诗人观察到柳絮是红的呢？诗人作了解释：1、夕阳

——光穿越大气的光学路径较长，短波段散射严重，直射光偏红，所以“夕阳红”，“残阳如血”。2、下垫面——桃花坞，“灼灼桃花”盛开，不是一个大叶模型的下垫面，而是一个红色的下垫面，反射光偏红。3、气溶胶——柳絮本身是全波谱反射，此时反射夕阳红，反射桃花红，所以柳絮成了片片红。

当然这只是一个简单的定性模型，但我们可以看出影响遥感信息产生过程的主要因素之多。51大家一般的先验知识认为柳絮是52

从水平方向上来说，陆地表面在遥感像元尺度上几乎总是混合像元，前面1米分辨率的天安门广场上，我们可以看到人影，我开玩笑说是比较胖的同志，其实我相信看到的是比较密的人群。大家也许认为大戈壁或沙漠可以认为是“纯”像元，但其实也包含砾石的阴影。我在沙漠上实测砾石的承照面和背阴面，温差大约10摄氏度以上。

对1公里像元尺度来说，地形的起伏常常不可忽略。

所有这些，使遥感定量反演命中注定是一个病态反演。52从水平方向上来说，陆地表面在遥感53

我们明确提出“对地定量遥感本质上是欠定问题”的观点，强调必须综合考虑未知参数的敏感性与不确定性，尽量把遥感获取的宝贵信息分配给时空多变要素，而不是反复反演相对稳定、相对已知的敏感因素、在低水平上重复。

最小二乘法是解决超定问题的基本方法，遥感获取信息的瞬时性、有限性和地表遥感模型的复杂性，使我们不能把解决超定问题的成熟办法当作教条。所以我们对传统的遥感反演理论的第三公设提出了挑战，并且已有一些创造性的解法。

53我们明确提出“对地定量遥感本质上是欠定问54数据有效信息知识更新与积累决策帮助提取54数据有效信息知识更新决策帮助提取55

从建立数学模型、从遥感观测来解未知数的研究内容来看，定量遥感似乎理所当然是纯科学的问题，但那位前地理学会的会长所述还是有他一定的道理。李政道先生的文章中曾强调科学与艺术的交叉，陈述彭先生在一篇采访报道中也强调了科学与艺术的交叉，从而促进了我们从这样一个大交叉来思考定量遥感中的地学描述问题。55从建立数学模型、从遥感观测来解未知数的56无独有偶，“史地源一体”，一位著名老历史学家在谈到史学的危机时说：“一端大搞史学科技化，或附和科学之研究宗旨，或仿效科学之致知模式，或采借科学之技术与工具，亦步亦趋，虽模糊史学身份，扭曲史学本质亦在所不惜。另一端则株守文胜质则史的传统，置科学与艺术统一之理想于脑后。……退入人文学故垒，向文学、哲学、艺术甚至宗教靠拢，以求自保。”

按这位老先生的观点，理想的史学，非常接近定量遥感中的病态反演。就是说，只能用有限而可靠性不一的史料、史证，去重构一个合乎逻辑、合乎人类行为与自然界各种规律的时空过程。为此，单靠科学是不够的，还需要艺术。56无独有偶，“史地源一体”，一位著名老历史学家在谈57

定量遥感的反演问题也许不如历史重构那么病态，但由于地球系统对于有限的遥感观测数据来说实在太复杂，太庞大，这病态也就不轻。因此，也许我们可以从历史重构的思路中得到很多有益的启发。病态反演就要求知识库的支撑，所以我们提出建立中国典型地物结构波谱知识库的构想。这是反演知识库里很重要的一部分，但远非全部。比如说，数字地形模型（DTM）和地表覆盖类型（LULC），就应该是知识库里很重要的一部分。57定量遥感的反演问题也许不如历史重构那么病58

很多人以为有了高分辨率的DTM和LULC图件，就有了一切，再也用不着描述性的艺术了，这恐怕是不对的。比如说，有了1米空间分辨率的DTM，但如果定量遥感是在1公里像元尺度上进行的，需要的知识是1公里尺度上对地形地物非常简洁的描述。这时，给我一百万个高程点，不如告诉我此像元“横看成岭侧成峰”，更有益于反演。究竟怎么才能最简洁地用最少的参数描述这一公里像元内的地形特征呢？这要求概括和抽象，图谱是一个可能的解决方法，我们寄希望于此。58很多人以为有了高分辨率的DTM和LULC图件59

在没有更好的方法以前，也许我们可以用平均高程和高程差，平均坡度和坡度方差这样一些统计量来描述问题？但这些统计量很难概括高程之间的空间关系。因此，很多人倾向于用变差图（Variogram）来描述这种空间关系。变差图可以描述地形的空间相关性，然而却很难理解。就是说，给定它的形状（一般可用三个参数描述），究竟它描述大致什么样的地形，说不太清楚。Jupp等（1988）的模型，只能较好解释原空间函数为二值（黑或白）时变差图三参数与地物大小及出现频度的关系，但实际地形很难用二值模型。59在没有更好的方法以前，也许我们可以用平均高程和高60

我们研究了直方图的尺度效应，并建议用直方变差图来描述DEM或数字图像的空间特征。直方图是最常用的简单工具，直观描述不同灰度（高度）在图像中出现的频度，本身并不带有这些灰度（高度）空间分布的信息。随着分辨率的降低，直方图将怎样变化呢？通过对这一尺度效应的研究，我们发现这很有希望是比变差图更好的地学描述工具。仍以DEM为例，给定1米的DEM，要简洁描述1公里像元的地形特征。我们是这样作的：

60我们研究了直方图的尺度效应，并建议用直方变差图来61

1、

作出1米分辨率尺度上该像元的直方图H(z,1m)，2、

作出2米分辨率尺度上该像元的直方图H(z,2m)，3、

将H(z,2m)

分解为驻点直方图和边界直方图。其中：“驻点”定义为在2米尺度上的“纯像元”即所有1米亚像元的高度值均同。“边界”定义为在2米尺度上的混合像元。一旦为边界像元，在进一步降低分辨率之后，将永为边界像元。很明显，随着分辨率的降低，驻点像元的比例将逐步减小，减小的速率反映这一像元内：①是否有明显的“台地”（指均一地表像元，包括顶和底），②“台地”破碎的程度，③“台地”的方向性。611、

作出1米分辨率尺度上该像元的直方图H(z,62另一方面，随着分辨率的降低，边界像元的比例将逐步增加。但在多台阶的情况下，其变化规律较复杂，反映了不同台阶之间的相互混合或多台阶混合。但不管怎么混合，边界直方图反映的是给定灰度（高度），给定尺度上等高线的长度。由于这种直方图的尺度效应表达兼具直方图和变差图的优点，我们建议称之为直方变差图。问题在于要多少参数才能描述直方变差图？这似乎是直方变差图的另一优点，根据需要和情况描述相当灵活。首先，台阶的数量，可以根据是否有明显的顶、底和明显的台地来定，也可以根据需要，降低高度（灰度）即直方图的分辨率，以减少参数量。对每一台地面积，每一等高线长度随尺度的变化，是经典的分形分维问题，所需参数应该很少。62另一方面，随着分辨率的降低，边界像元的比例将逐步636364

简而言之，我们希望遥感基础研究的中国学派有一个雏型，这个学派将在宏观尺度上以几何光学为主，局地尺度吸取辐射传输理论和其它理论，形成适用于象元尺度的遥感信息科学理论；以信息论为基础，在遥感反演中强调知识的积累、合理表达和利用，支持在不同尺度上(时空多变)目标参数的定量估计。学术思想——小结64简而言之，我们希望遥感基础研究的中国学派65谢谢大家！65谢谢大家！定量遥感与环境定量遥感与环境671.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681.定量遥感对环境监测的意义31.定量遥感对环境监测的意义69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起着越来越重要的作用：4我们所指的遥感就是从卫星观测地球表面，是20世纪70★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★为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据和例如：71全球NDVI(植被指数)6全球NDVI(植被指数)72全球昼夜温差7全球昼夜温差7398年长江洪水的遥感监测（雷达与TM影象的复合）898年长江洪水的遥感监测74北京地区4米遥感影象图（美国SPACEIMAGE公司的IKONOS卫星）9北京地区4米遥感影象图75北京地区1米遥感影象图（同时也发布了北朝鲜导弹基地的1米影象图）10北京地区1米遥感影象图76

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全球变化的研究面向一系列重大全球性环境问题，提出了77

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全球变化的研究是以地球系统科学为指南的。遥感作78

望远镜的发明，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望远镜的发明，推动了一系列重大的天文和物理发现，从而79

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。以加洲大学圣巴巴拉分校（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，凡是没有抓住遥感这一机遇的地理系，纷纷走向衰亡。

14二十年前，美国地学界爆发了一场“路线斗争”。当80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但是AAG的那位前会长也有他一定的道理，遥感不仅81

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。

16遥感科学独特的科学问题在于：对传统地学来说，遥感要822.遥感面临的问题和加强遥感基础研究的必要性172.遥感面临的问题和加强遥感基础研究的必要性83

70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。1870年代以来，卫星遥感主要采取84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NASA21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例如，尽管卫星云图已经很直观地显示了各种气团的85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。20中、长期的天气预报问题就更大。例如：1999年，862.1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√遥感科学——多学科交叉212.1遥感面临的问题需要实现从定性到定量的过渡87

“我们淹没在数据的海洋中，渴求着信息的淡水”EOS2000G/天(2×1012Bytes/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“我们淹没在数据的海洋中，渴求着信息的淡水”EOS88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，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遥感数据的地学理解89知识决策数据有效信息24知识决策数据有效信息90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地球表面关键性时空多变要素——对地反复观测的真正对象91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基础科学、应用基础科学定量地学描述高新技术(传感器、遥92

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。27经过六五以来的发展，我们可以说933.国内外定量遥感基础研究状况和我们的学术思想283.国内外定量遥感基础研究状况9429953.1几何光学模型303.1几何光学模型96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何光学学派成功的见证。

31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97

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：“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当我写这番话时，我以为月亮的朔望，上弦下98

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。

几何光学模型33日月同辉不稀罕，在上弦月、下弦月时，太阳—地球—99草色遥看近却无34草色遥看近却无1003.2尺度效应353.2尺度效应101

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为什么我们跑那么大老远到卫星上观察102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横看成岭侧成峰103

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尽管人们早就认识到这种最佳观测距离104

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，不同地物光学性质的尺度效应很少得到研究，分形几何的应用几乎没有超出计算机模拟的范围。39对海岸线长度的测量问题是地学描述中尺度效应最典型105

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。尺度效应(例1)——象元的漫反射性Aa1(qv)qva2(qv)=1-a1(qv)A为谷顶部，一个象元大小我们用一个简单的几何光学模型说明了象元的非漫反射特性主要是象元尺度上地表的三维结构决定的，从而奠定了李小文—Strahler几何光学学派的基础。40二十年前，普遍流行一个误解，就是：如果象106互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基石，曾被当作检验遥感数据质量的标准，受到测量界的强烈反对，争论长达20年。我们给出了象元尺度上互易原理失效的条件：在象元尺度上，空间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且明暗两区之间串线不对称，则互易原理在象元尺度上失效。凹面镜黑体表面凸面镜A尺度效应(例2)——互易原理我们用一个简单的几何光学模型说明上述条件，1999年IGARSS会议上发表后引起轰动，普遍认为解决了这二十年以来的争论。41互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基107上图也可以翻译成下图所示尺度效应(例2)——互易原理42上图也可以翻译成下图所示尺度效应(例2)——互易原理108

像元互易原理适用性的争论主要是在地学测量界和物理学家之间壁垒分明进行。前者如Kimes,Kriebel,早就观察到互易原理的“视在失效”，后者如Snyder,Wanner等则坚持互易原理是物理学的基本假设之一，可以用来衡量数据质量。

作为电讯工程毕业生，我早在85年使用Kimes的经典数据时就发现其不满足互易原理。Kimes坚持不是由于测量误差引起的。我当时存疑，直到十二年以后才发现了沟通二者的桥梁。这说明，两大学科的冲突和挑战同时也给我们带来新发现的机遇。43像元互易原理适用性的争论主要是在地学测量109

普朗克定律适用条件：T,e0同温,只有e空间变化：尺度不变尺度效应(例3)——普朗克定律

40年来普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥感，这是地温遥感精度上不去的根本原因之一，现我们将它修正到遥感象元的尺度，有深远的科学意义及重大的应用价值。

普朗克定律是人类科学史上最伟大的成果之一，是现代物理学的基石，但它也不是“放之四海而皆准”的绝对真理，在对地遥感中的直接应用，要求一定的条件：44普朗克定律适用条件：T,e0同温,只有e空间110

但目前的修正，受制于缺乏理想的地学描述手段，需要象元平均材料发射率、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计量。复杂性减低实用性，我们正继续努力寻找更简练的景观特征参数化手段。两步近似为自相似a1a2T1T2e1e2

自然陆地表面：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：自相似T,e0+Dem

我们是通过修正“象元平均有效发射率”

e的内涵，使普朗克定律能直接应用于象元尺度地温遥感的。45但目前的修正，受制于缺乏理想的地学描述手111尺度效应——小结

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，这些都是原创性的。46尺度效应——小结尺度效应不是一个新的概念1123.3.病态反演473.3.病态反演113

定量遥感的反演问题，简言之，就是根据观测信息和前向物理模型，求解或推算描述地面实况的应用参数(或目标参数)。

而定量遥感反演的困难，在于应用参数往往不是控制遥感信息的主导因子，或者说是非敏感参数，只能为遥感信息提供弱信号。48定量遥感的反演问题，简言之，就是根据114

目前国际上对地遥感反演的主流仍坚持沿用高斯的最小二乘法，坚持“定量遥感反演的必要条件是独立观测的个数大于未知数的个数”(简称“第三公设”)。

地表是一个复杂的开放的巨系统，未知的参数几乎是无穷的，而遥感数据总是有限的，接受第三公设，采用最小二乘法，其结果是只能估计最敏感的少量几个参数，而这几个参数往往不包括应用所需的时空多变要素，导致了定量遥感与应用需求之间巨大的缺口，和普遍的悲观情绪。49目前国际上对地遥感反演的主流仍坚持沿115

前边讲的是最简单的病态反演的例子。在真实的对地遥感中，问题远为严重。遥感系统从垂直方向来说，光线（电磁波）穿越大气、植被，到达土壤，再反射穿越植被、穿越大气，达到卫星传感器。影响这一过程的因素，数不胜数。我们可以用明代一位诗人观察到的现象来作一个简单的说明：夕阳方照桃花坞柳絮飞来片片红50前边讲的是最简单的病态反演的例子。在真116

大家一般的先验知识认为柳絮是白的，为什么诗人观察到柳絮是红的呢？诗人作了解释：1、夕阳

——光穿越大气的光学路径较长，短波段散射严重，直射光偏红，所以“夕阳红”，“残阳如血”。2、下垫面——桃花坞，“灼灼桃花”盛开，不是一个大叶模型的下垫面，而是一个红色的下垫面，反射光偏红。3、气溶胶——柳絮本身是全波谱反射，此时反射夕阳红，反射桃花红，所以柳絮成了片片红。

当然这只是一个简单的定性模型，但我们可以看出影响遥感信息产生过程的主要因素之多。51大家一般的先验知识认为柳絮是117

从水平方向上来说，陆地表面在遥感像元尺度上几乎总是混合像元，前面1米分辨率的天安门广场上，我们可以看到人影，我开玩笑说是比较胖的同志，其实我相信看到的是比较密的人群。大家也许认为大戈壁或沙漠可以认为是“纯”像元，但其实也包含砾石的阴影。我在沙漠上实测砾石的承照面和背阴面，温差大约10摄氏度以上。

对1公里像元尺度来说，地形的起伏常常不可忽略。

所有这些，使遥感定量反演命中注定是一个病态反演。52从水平方向上来说，陆地表面在遥感118

我们明确提出“对地定量遥感本质上是欠定问题”的观点，强调必须综合考虑未知参数的敏感性与不确定性，尽量把遥感获取的宝贵信息分配给时空多变要素，而不是反复反演相对稳定、相对已知的敏感因素、在低水平上重复。

最小二乘法是解决超定问题的基本方法，遥感获取信息的瞬时性、有限性和地表遥感模型的复杂性，使我们不能把解决超定问题的成熟办法当作教条。所以我们对传统的遥感反演理论的第三公设提出了挑战，并且已有一些创造性的解法。

53我们明确提出“对地定量遥感本质上是欠定问119数据有效信息知识更新与积累决策帮助提取54数据有效信息知识更新决策帮助提取120

从建立数学