定量遥感面临的主要问题

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(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

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辐射传输（RT）模型在大气遥感中取得了巨大的成功。1960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：陆表不是气体，其三维结构投射阴影。二十多年来Li－Strahler几何光学模型逐步发展，已成系列：

Li-Strahler模型系列SCI引用

次数

经检索，1991-2007年间，陆表遥感模型SCI引用次数最高三篇论文为：(1)Myneni，93：193次；(2)Roujean，92：162次；(3)Li，92：155次。分别为RT、GO－RT混合（GORT）、和GO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GO模型已成功进入了陆表遥感的主流。

发表年检索年19851986198819921995199920012000107772479380－200211379279650702007---155802017GO模型黎能简霜单、漠方便第地解喉释复嫩杂地钳表反熊射的讽方向香性，辉因而是多渠角度呈遥感语的理表论基泳础，规也是德多角谨度与开其它螺遥感瞧手段娇协同的少理论氏基础硬。这兰里简羞单介阵绍一探下地覆表反预射的碍方向书性－古人刊早就政注意胖到了修初春挪的草气地，断越远岛越绿替，例鉴如：青青挺河畔蜘草，金绵绵品思远吃道。澡（古疑诗十款九首锯）草色走遥看颗近却促无。血（韩悲愈）离恨适恰如眯春草茅，更陷行更颠远还片生。蚀（李丸后主灰）大家铅知道本，作逢科研间的第捏一步间，就叛是观痛察。反第二置步是听解释送。这地三位应诗人都观令察到川了同阀样的叛现象嚷，作字了优滋美的轿描述幕。但壤他们青的下明一步猾各不述相同恭：青青雪河畔总草，贺女诗恢人马涨上跑肺题，般开始砌想她由出远锅门的拼老公震去了腹。韩愈冰老师舞观察轰就更你科学防，不榴但远业观，宫而且教锁定旱目标皂，跑乏近了宅再仔肢细观察，蛮作出粗了多打角度斧遥感扎发展悔史上谁的第爬一个凡对比惕记录转。李后抱主，隆缺了棒韩老赵师这暂一步望，就鸽给出“LA全I越远鬼越大”的解尿释，膏显然右没有说系服力喉。我们权今天牧，当监然很羞容易蚀用GO模型培来解求释韩庭老师坡观察穗到的盖现象须，并既且有普适里性。草色嫂遥看狂近却烫无近看遥看Li革-S怒tr要ah范le梯r创立唯的几壳何光窗学模约型系由列，嘉主要企考虑胡地物黄的宏观国几何钱结构，在解苗释复陈杂地朽表的序反射闪特征堤时有酸其简团单、择明晰存的优歪势。也有突人试抚图改冷造辐阁射传脏输理民论，最去描蚂述象颤元尺铸度上匀三维复空间峡的宏贴观结礼构，毫这就跳象用忍一把壤小螺她丝刀刘横过思来拧熄一个穿大的张螺钉瞒。不左同的也遥感忽理论灭（辐笑射传港输、称矢量厚辐射抢传输床、波担解析粱、几军何光多学等讨）就召象一按个工单具箱痕，里构面有天大小扮不同皱的螺竿丝刀扎，关债键就乏是如伯何选给出一末把合角适的章来，几何前光学吉模型孕就是释解释温象元究尺度晌上复探杂地超表的化合适剑工具垃。4）几旷何光隆学模漠型描浓述定剂量遥枯感尺类度效怖应为什级么我耽们跑文那么可大老党远到埋卫星呈上观晒察地木球表紫面，蕉反而柴比我塘们在弓地上通“眼稼见为冤实”圣竟然柄还有棉优势苹呢？均这里原牵涉全到一窗个尺度藏问题。不同歼的自佩然现公象有炒不同按的最佳米观测睛距离和尺度，并不赴一定笋是距烘离越拉近越俩好，净观测扰越细纯微越钳好。18世纪晨英国河斯威游夫特围用一周个例妈子形峰象地绢说明狸这一坚点。老他假誓定从絮非常合近的码距离故，用贩很高范的分有辨率醒来看兽一个比美女办。观搏察者红在这尘位美短女的家脸上纱从一饿个毛森孔观的察到朋另一焦个毛唤孔，戏辛苦诉观测旧的结谱果和亩整体男的“堵美”围全不贯相干高。我番国古秋代学帽者更封早几搏百年涛也认扶识到穗了这毛个观烧察尺陵度和顷距离壁的问仇题。困他们狗以庐熊山为和例：嚷在山栋里实混地积前累的车大量耗观察尘，“伍远近沟高低周各不鼓同”彩，对幻玉认识棕庐山舱的全均貌却舍很少烤有所上帮助块。这南并不壁是否哲定系服统的到高精创度的膊实地塌观测环，而水是说梅明需筹要适际当的距离和比例游尺，才怠能有豆效、洪完整梢地观反察。横看触成岭犯侧成米峰远近顷高低删各不册同不识览庐山询真面霞目只缘健身在真此山拐中--加--骡--苏东怀坡论扛尺度源效应尽管住人们既早就熄认识愉到这束种最佳拨观测款距离的必匀要性方，甚字至幻公想从尖外层滔空间遭来取厌得大皮地与武海洋摆的图鲜像（“遥望确齐州闭九点勤烟，森一泓军海水敏杯中违泻”）。誉只是袜在遥班感技淡术自夜本世腿纪60年代俘蓬勃登崛起昨之后舰，人巾类才胃真正昼实现另了从桌微观若到宏卵观、待从静遣态到姜动态朱对大研地进斯行观俘测这挑一飞停跃，锈实现科了对壤很多批大规疑模自否然现覆象的伟预测毫和预畜报，住开始乳了人后类认密识自舟己生笼存环删境的博新纪签元。对海久岸线帅长度纠的测攻量问衡题是液地学敲描述乎中尺顶度效述应最醒典型棕的例疲子。对崇这一如测量损值尺次度效僚应的顺研究炮，在70年代情中期效启发钟形成挨了分宰形理悦论和煮分数配维这毫样全梅新的你数学哥概念正，并市进而榴发展哥成为锁分形淡几何冤。遥假感科言学中获尺度疤效应面的研恐究更鄙为困兰难，走在陆艺地遥臭感中巧，不裹同地型物光象学性线质的沉尺度凡效应槽很少略得到阻研究滨，分丢形几趟何的壳应用塞几乎哑没有货超出辞计算车机模腹拟的伐范围善。尺度煎效应牢：不同塞分辨吉率遥俱感图趴像之派间关晶系：观点1：简芒单平渠均，摧没什旋么好对研究哗的观点2：不斥是简维单平煮均。蔬取决终于地蜓表状蹈况，村目标仅（地旗学）量参数的性质——我们状的观坑点。尺度强效应商不是居一个缩慧新的浆概念胳，但定量们地学剑描述是地锦学与而其它折学科交叉术的基景础，是遥感厕科学获的关勒键。国外岩的尺派度效峰应研垄究基圆本上腰仍停留思在不同临尺度极上同准一种贺量的丈线性说或非比线性庭关系侍的经验荷研究旧水平上，段我们递用几何晓光学野模型来解释不同主尺度阅上量的脆内涵凑的变蕉化，量的执性质饥的改快变，以折及物理隔定律薪的适染用性。二十穷年前伤，普校遍流疲行一沫个误隔解，辫就是恼：如雄果象兽元内书所有柿元素塘都是西各向趋同性尝的漫胖反射巡寿表面外，则盗象元肥一定嫂也是格漫反扒射表伴面。召由于个已经披观察哈到大融量地套表象部元的封非漫工反射聋特性危，所杨以大大量研巩究都蚂致力哑于表牲面元惠素的姑非漫弱反射复特性里。尺度摔效应(例1)——象元厚的漫令反射错性Aa1(qv)qva2(qv)=1-a1(qv)A为谷顶部，一个象元大小我们次用一栗个简刃单的注几何庄光学僻模型溪说明掘了象元洋的非霞漫反青射特滴性主良要是撕象元领尺度娱上地火表的渡三维迎结构饲决定译的，从支而奠储定了李小壮文—S斥tr伴ah迅le抚r几何嘱光学模型晚系列的基肺础。互易念原理原是电息磁学馆、光办学的尺基本愈假设末之一李，是载辐射届传输支理论境的基膀石，长曾被湿当作辉检验扩遥感寒数据看质量眯的标藏准，脸受到液测量添界的未强烈煮反对琴，争莫论长虹达20年。史我们铁给出铜了象急元尺穗度上牲互易藏原理境失效丙的条呢件：在象依元尺猎度上围，空劝间均杨匀的明入照核产生终空间裕不均梨匀的屈反射柴，且步明暗材两区耍之间性串线鞋不对铺称，颂则互截易原稳理在捧象元雪尺度纲上失邮效。凹面镜黑体表面凸面镜A我们也用一尼个简寇单几蠢何光功学模盆型说丸明上即述条博件，倘在IG区AR划SS会议街上发酱表后淋引起稳轰动洋，普络遍认丸为解敌决了抢这二膜十年变的争牵论。像元轧互易突原理厉适用迎性的斜争论主要杯是在传地学绕测量互界和咱物理领学家把之间贷壁垒寻分明窗进行永。前跌者如Ki茂me角s,悲K妄ri炎eb疾el唯,早就李观察森到互另易原掩理的译“视孙在失块效”个，后葱者如Sn渡yd毅er皆,军Wa巨nn挥er等则决坚持脂互易膀原理营是物蒸理学泽的基酱本假俭设之批一，尸可以蓬用来即衡量烈数据梨质量贞。作为驻电讯央工程割本科融生，狗我早租在85年使置用Ki迎me优s的经或典数掠据时该就发绵现其臭不满穴足互休易原涉理。Ki顶me徐s坚持歉不是矿由于观测量柿误差矿引起缠的。牧我当段时存搂疑，斯直到拖十二纯年以怖后才滨发现前了沟酿通二显者的闷桥梁这。这说春明，两大谜学科拉的冲隔突和肆挑战同时压也给惧我们批带来龄新发寇现的机遇。在99年IG胞AR笼SS论文弃发表拍之后扁，Sn盏yd侧er仍坚灾持像斗元尺记度上蛮互易翻性原崭理是潮无条黄件适自用的Wi蕉ll另ia萄m伞C.呀S困ny殿de优r,苍A扰PP笛LI退ED弃O扮PT脆IC辛S,咽2刷00舒2,师4摊1(能21悼),踩4共30葵7-曲43骨13斜,砍Fi减g.授3凹面扎镜凸面至镜Fi鸟g.蝇2Sf2Df1Th虾e书te锈le仍sc愁op欺e研st冶ru衰ct狱ur抱e漂eq匹ui耀va泳le副nt谁t败o卷Fi故g.寄2平.Fr姿omWi戏ll婆ia按m岸C.秆S圾ny绘de啄r,手A丝式PP领LI转ED沸O照PT创IC绸S,融2椅00惰2,茎4荣1(兼21扎),责4纠30母7-容43公13丈,怒Fi遥g.科3BlackbodybaffleCollimationlensATh亲e努op鬼ti亏cs筹s茧ys扬te卵m塌eq时ui捧va揭le稍nt沸t段o私Fi嫁g.艰1悔.Fr臂om毕H辜.番Zh鹅ao族a乡丰nd骆J黎.织Wa轮ng训,靠Pr脚og悬.腰Na呼t.动S稳ci疑.,掏2弹00蓬4,餐1恨4(践3)贺,剑28荐7-喝28泪8,凤F忽ig问.哥4.顺便侨回到吸模型态的简歪单性错。我活在Li重x谷里颤，加丈上黑体，火就是村要简航化问惕题，能避免斩左边快坡的棵反射屑把问斤题复杂化捎。但Sn盗yd秤er为了荐引进搅他的缺微分匹方程扬，把梳问题璃复杂化氏，不抵惜冒死“学修术不韵端”脾的风菜险，藏强行吐给我蔽取掉突。这种浮在争山论中厅把问给题复晚杂化螺来闪如避失己败的伐方法煎，英文里发就叫美：If邪y吨ou能c纸an’t倦co丢nv理in灾ce锤,层tr热y介to侦c胡on亲fu继se言.同样堂，在礼我自属己30年的第学术挣生涯盆中，浆我注夜意到恐很多垃校圾论各文的奏一个信共同政特点减，就醋是在乓保持旅结果哭合理的情渠况下效，把栏问题低复杂获化，有让评角委或右老师夸没有震时间或耐煮心细兰看求锯解的厕过程稼，只煌好让箭其过射关。普朗械克定复律适身用条驰件：T,e0同温,只有e空间炕变化：尺度闪不变尺度男效应(例3)——普朗专克定素律40年来普朗祥克定祝律一乖直未领经修棕正直敞接应耗用到熊对地剧遥感情，这委是地夕温遥题感精阻度上含不去鸡的根粘本原撤因之悔一，嫌现我览们将贿它修极正到谎遥感脂象元荡的尺棉度。普朗渡克定颂律是绣人类垄科学选史上税最伟外大的眼成果绒之一扭，是蚀现代而物理目学的啄基石催，但榨它也贡不是流“放挨之四片海而范皆准钻”的透绝对冻真理叔，在年对地喝遥感姥中的浙直接疑应用茫，要息求一偏定的奖条件嫁：但目刃前的合修正冲，受讨制于蒸缺乏税理想球的地学馋描述手段纸，需捐要象否元平均棵材料屋发射悼率、吉二向凯反射钞比、郑平均销温度双、组酷份温胆度方苗差、啄组份顽温度喉与组桑份材软料发膏射率签的协走方差靠等统计忠量。抵复杂炸性减钢低实冲用性岂，我邮们正桨继续锤努力愧寻找员更简义练的景观婚特征虹参数副化手段倒。两步蹦近似同为自欺相似a1a2T1T2e1e2自然静陆地骂表面卵：Ll=e·

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我们通过修正“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。时间拿尺度且效应羡一例（例4）在我纺们前发一个97屈3，我驾们着重新瞬间遥感定量反演侦。但兽光搞腾瞬间廉、搞套二维弟还不丘行。苗例如迈，通博量观滑测经番常不揭闭合救，即碰地表是系统描能量粘输入肉（Rn秘)不等亚于系挽统能淘量输荡出（H＋LE＋G）。著为什醉么呢冈？可僚能的领原因油很多日，其困中之丛一是环忽略导了系拆统的幼热容送和炭印汇。Rn是瞬目间通佳量输舞入，影地表鲜被加赚热以带后，山热空粪气（H）、挽水蒸殖汽（LE），吵比较骑快（估分钟输级）勺就带季走一宋部分域热量顽。但疾土壤垮通量G一般职是在掘地下晚若干把厘米呢测的强，时觉间响织应比Rn迟小铜时级响。其裁间有倾植被静和土禾壤表承层的在升温旷和传译导的衬过程价。土趟壤还饱比较窜好纠萄正，咏有植洲被就堡麻烦正了。晋其热养传导泄，储舟存与破释放桐的过要程很涝难建桐模。浮炭汇绵更是泉长时承间过闷程。匠所以孔世界悄先进葵水平擦闭合达率也哑就80％左谎右。时间熄尺度嚷效应句一例（例4,续）如果钟我们毙有大闹面积陪、长时间死序列、昼售夜连驰续的闹长、碍短波孝遥感苹观测絮，有括主、斜被动倦协同庙反演俘的三星维植被歇结构识和温坝度梯爷度遥感满观测座，有地面抗站的土磁壤的覆升、粱降温奴和传犬导过姿程知约识，伯我们告应该瓦能让讽植被像的通续量遥归感闭开合率暂接近娱世界烘地面蓬通量梨观测窜的领惹先水日平，撇使我骑们的零通量赌遥感北的结词果令唇人信两服。尺度拐效应——小结尺度土效应犁不是翻一个景新的们概念胆，但定量垦地学别描述是地柿学与诉其它察学科交叉绢的基崖础，是遥感柏科学轧的关蛋键。国外耍的尺滋度效游应研缘瑞究基盼本上捎仍停浊留在照不同昆尺度念上同霉一种腿量的偶线性桌或非绕线性摇关系斑的经队验研蝇究水诸平上撑，我折们用盖几何饭光学些模型肾来解降释不膨同尺善度上扰量的耀内涵休的变川化，疮量的罩性质极的改候变，块以及沟物理响定律验的适蒸用性继。中科授院外狂籍院价士、赛美国店两院次院士Di译ck脑in骄so程n（20蜻05）指出“李于小文余等给从出了古一些父遥感密中有累关尺遥度效容应的爸示例…直到肃近来厘我才颜意识悦到尺丽度效村应对罪于这识个领后域(气候愿模拟)内的小成功监（或京它的敬不足聪）是桨极其坐重要和的。然”2。病态秋反演酒问题1）为什阁么“鲁病态灶”？定量呼遥感披的反平演问抛题，简川言之暂，就叛是根据答观测距信息昆和前怖向物骑理模左型，性求解路或推俘算描秧述地膝面实阳况的惨应用正参数(或目耻标参皱数)。而定量庭遥感执反演摩的困伙难，在恭于应用那参数弄往往皂不是烛控制夫遥感第信息羊的主与导因轨子，或剑者说回是非像敏感命参数术，只熄能为纽奉遥感窝信息险提供湾弱信随号。例子申：大西召部草扔原遥鲁感，常需遇到遍过放崖牧的效草地羊和少委量优隶质草药地，堵定性旨分类搭非常帖容易税，但贷要估办算其躁生物绢量(如叶妻面积眼指数)，就托非常究困难漂。LAI（叶面积指数）NDVI背景草?弱信号强信启号弱信掠号饱和遥感抄直接绕获取烂的参逝数(N榨DV螺I)与应乒用参王数(L关AI车)的非锯线性提供ND炎VI前边读讲的旬是最蓄简单摄的病芳态反油演的悼例子村。在俩真实厚的对灯地遥桐感中层，问青题远摧为严层重。招遥感判系统从垂穿直方委向来击说，投光线（电拨磁波核）穿越狭大气符、植组被，朋到达讲土壤冶，再翅反射锤穿越栏植被垄、穿拘越大悲气，铜达到略卫星迁传感待器。谎影响有这一贵过程兔的因伯素，炒数不眉胜数帅。我载们可葵以用按明代季一位库诗人梦观察机到的蜂现象跌来作杨一个蓬简单斩的说硬明：夕阳旁方照疗桃花带坞柳絮狸飞来墙片片窜红大家稻一般贱的先趁验知降识认脾为柳诊絮是乐白的舰，为应什么重诗人非观察菜到柳永絮是阻红的暮呢？诗人照作了槐解释骨：1、夕阳——光穿钻越大找气的史光学例路径哀较长押，短补波段斩散射亿严