【正文】 定量遙感面臨的主要問題 1。 尺度問題 1) 地學(xué)中的尺度問題； 2） 尺度問題與遙感科學(xué)； 3） 定量遙感模型； 4） GO模型描述 2。 病態(tài)反演問題 1） 為什么 病態(tài)； 2） 地學(xué)知識(shí)的積累和表達(dá)； 3） 先驗(yàn)知識(shí)如何用于 病態(tài)反演問題 3。 先驗(yàn)知識(shí)的積累 李小文 ， ， 中科院研究生院 .... . 1. 定量遙感中的尺度問題 .... . 1） 地學(xué)中的尺度問題 － 一例 全球變化的研究面向一系列重大全球性環(huán)境問題 ，提出了大量的關(guān)系到地球可居住性的重要科學(xué)問題， 因而所涉及的范圍極其廣泛 ， 具有高度綜合和交叉學(xué)科研究的特點(diǎn) 。 葉篤正先生曾指出 ， “ 全球環(huán)境是一個(gè)不可分割的整體 ， 任何區(qū)域的環(huán)境變化都要受到整體環(huán)境變化的制約 ， 反過來 ， 整體環(huán)境的變化又是各區(qū)域相互影響著的環(huán)境變化的綜合體 .‖ .... . 香山科學(xué)會(huì)議第 187次學(xué)術(shù)討論會(huì)集中討論了大氣圈、水圈和生物圈之間的耦合。會(huì)上談到水循環(huán)的狀態(tài)目前能測(cè)得準(zhǔn)的只有水文站的徑流量，降水總量只能依靠少數(shù)的點(diǎn)測(cè)量外推，蒸發(fā)散就更慘。所以整個(gè)水循環(huán)現(xiàn)況不清。丑紀(jì)范院士指出：要重蒸發(fā)、重垂直、重枯水，所有這些都需要遙感。 葉篤正院士強(qiáng)調(diào)了陸面蒸發(fā)對(duì)大氣環(huán)流的反饋，他的模擬表明，如果北緯 30度全部灌溉，將嚴(yán)重影響氣候的變化。他甚至認(rèn)為更小尺度上的水的狀態(tài)也能影響全球的氣候模式。 .... . 但是氣象 、 水文和生物圈究竟分別在什么尺度上彼此耦合 ， 則沒有定論 。 所有這一切都對(duì)遙感提出了迫切的需求 。 .... . 二十年前 ， 關(guān)于是否應(yīng)該建設(shè) “ 三北防護(hù)林系統(tǒng) ” ， 曾經(jīng)有過一場(chǎng)學(xué)術(shù)爭(zhēng)論 ， 至今余波蕩漾 。 反方： “ 抽水機(jī) ” 理論 正方： “ 人類有序活動(dòng)可以影響大氣環(huán)流 ” 理論 注意 “ 抽水機(jī) ” 理論是在點(diǎn) （ 小 ） 尺度上絕對(duì)真實(shí)的 。 “ 蝴蝶效應(yīng) ” 在非線性的 GCM尺度上又是完全可能的 。 具體的可能性依賴于人類有序活動(dòng)的設(shè)計(jì)與規(guī)模 （ 尺度 ） 。 誰是誰非 ？ 現(xiàn)在只能看效果了 。 但學(xué)術(shù)爭(zhēng)論仍在繼續(xù) ， 并有擴(kuò)大化到 “ 主義 ” 之爭(zhēng)的趨勢(shì) 。 .... . 為荀子平反 － 人們常把荀子的 “ 人定勝天 ” 解釋成 “ 人一定能勝天 ” ，搞成一個(gè) “ 主義 ” ， 胡作非為 ， 給國(guó)家 、 民族帶來了災(zāi)難。 現(xiàn)在風(fēng)向又變 ， 把敬畏自然 ， 搞成一個(gè) “ 主義 ” ,狠批荀子。 其實(shí)荀子說的是：人定勝天 ， 天定勝人 。 人定勝天是 “ 大天而思之 ， 制天命而用之 。 ” 是要觀察 、 思考 、 掌握自然規(guī)律 ， 按自然規(guī)律辦事 ， 利用自然資源的意思 。 歸根到底， 老天爺還是最狠的 。 在兩大 “ 主義 ” 的惡斗中 ， 只有靠科學(xué)數(shù)據(jù) ， 科學(xué)方法 ， 才能找出最好的辦法 。 .... . 全球變化的研究是以地球系統(tǒng)科學(xué)為指南的。 遙感作為獲取地球表面時(shí)空多變要素信息的先進(jìn)方法 ， 是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的重要組成部分 ， 是對(duì)全球變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的不可替代的手段 。 陳述彭先生指出 ， 沒有遙感 ， 就提不出全球變化這樣的科學(xué)問題 。 所以遙感的多尺度觀測(cè)對(duì)地學(xué)本身有巨大的推動(dòng)作用 ， 就象望遠(yuǎn)鏡對(duì)天文學(xué)和物理學(xué)的推動(dòng)作用一樣 。 .... . 2） 尺度問題與遙感科學(xué) 二十多年前 ， 美國(guó)地學(xué)界爆發(fā)了一場(chǎng) “ 路線斗爭(zhēng) ” 。 當(dāng)時(shí)的 美國(guó)地理學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)著文批評(píng)一批較年青的地理學(xué)家以計(jì)算機(jī)和遙感為技術(shù)手段 ， 打著科學(xué)的旗號(hào) ， 篡改地理學(xué)作為一種描述性藝術(shù)的實(shí)質(zhì) 。 以加洲大學(xué)圣巴巴拉分校 （ UCSB） 為首的一批地理學(xué)家 ，如 Simot， Estes， Strahler， Dozier等數(shù)十人聯(lián)名著文反駁 ， 一時(shí)非常熱鬧 。 二十年來的事實(shí)證明 ， 凡是沒有抓住遙感這一機(jī)遇的地理系 ， 紛紛走向衰亡 。 .... . 但是 AAG的那位前會(huì)長(zhǎng)也有他一定的道理 ， 遙感不應(yīng)該僅僅是高新技術(shù)的應(yīng)用 ， 而是一門新興的綜合交叉學(xué)科 ， 牽涉到對(duì)地表的描述 。 遙感科學(xué) 是在地球科學(xué)與傳統(tǒng)物理學(xué) 、 現(xiàn)代高科技基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 交叉學(xué)科 ， 其獨(dú)特的科學(xué)問題在于：對(duì)傳統(tǒng)地學(xué)來說 ， 遙感要求從定性到定量描述的過渡 。 對(duì)傳統(tǒng)理科來說 ， 遙感要求在象元尺度上對(duì)局地尺度上定義的概念 ， 總結(jié) 、 推導(dǎo)出的定律 、 定理的適用性進(jìn)行檢驗(yàn)和糾正 ， 而這種糾正是與象元尺度上的地學(xué)定量描述密不可分的 。 正因?yàn)槿绱?， 美國(guó)地理遙感之父 Simot強(qiáng)調(diào) 尺度問題是遙感科學(xué)的根本問題 ， 推動(dòng) NASA設(shè)立了 RSSP。 .... . ―我們淹沒在數(shù)據(jù)的海洋中，渴求著信息的淡水” EOS 2023G / 天 ( 2 1012Bytes/天 ) 辦法 1： 多發(fā)衛(wèi)星 提高分辨率 (1m)， 2nm 高光譜、 600波段 海量遙感數(shù)據(jù) ？ 新應(yīng)用需要的有效信息匱乏 供需矛盾 目前遙感的基礎(chǔ)理論很不成熟，缺乏對(duì)遙感數(shù)據(jù)的地學(xué)理解 辦法 2： 美國(guó)議會(huì)對(duì) NASA的指責(zé) : “迄今積累的遙感數(shù)據(jù) , 有 95%從來沒有人看過。” 這個(gè)辦法，我們暫時(shí)沒有優(yōu)勢(shì)： (衛(wèi)星、星載傳感器、數(shù)據(jù)處理 … ，牽涉到大量的經(jīng)費(fèi)和相當(dāng)?shù)墓ぷ鞣e累。 從這里突破，我們有優(yōu)勢(shì)。 遙感數(shù)據(jù)的 地學(xué)理解、定性到定量 多學(xué)科交叉 .... . 基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué) 定量地學(xué)描述 遙感科學(xué) 定量遙感 高新技術(shù) (傳感器、遙感平臺(tái)設(shè)計(jì)制造 ) 遙感： 高新技術(shù)驅(qū)動(dòng)的對(duì)地觀測(cè)的一場(chǎng)革命 觀測(cè)時(shí)空 尺度 物理學(xué) 定律、定理 數(shù)學(xué) 生態(tài)學(xué) 化學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué) 國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，社會(huì)需求， 環(huán)境保護(hù)，全球變化，減災(zāi)防災(zāi) 尺度效應(yīng) 分形、分維 ... 反演、優(yōu)化 ... 遙感在多學(xué)科交叉中的定位 .... . 遙感科學(xué)：“一門綜合性的科學(xué)，它借助物理學(xué)的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)的方法，計(jì)算機(jī)的手段，以及地學(xué)、生物學(xué)的分析，解決對(duì)地遙感的科學(xué)理論和實(shí)際問題?！? ——陳述彭 —— 所以遙感科學(xué)是一個(gè)很大的交叉，而 定量 地學(xué) 描述 ，從某種意義上， 是科學(xué)和藝術(shù)的交叉 。 .... . 3） 定量遙感模型 .... . 天光云影共徘徊 .... . ? 諾貝爾 獎(jiǎng)獲得者 Chandrasekhar 創(chuàng)立于 50年代，成功應(yīng)用于大氣；前蘇聯(lián)院士 60年代應(yīng)用于植被；并 應(yīng)用于土壤 、冰雪 等。所以 從 70年代以來曾在遙感機(jī)理研究中一統(tǒng)天下。但輻射傳輸理論都是基于體積散射介質(zhì)的水平均勻性，本質(zhì)上是與象元大小無關(guān)的，尺不變的。 在遙感象元尺度上，陸地表面大量呈現(xiàn)非均勻的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且以表面散射為主， 輻射傳輸理論難以給出合理解釋 。 輻射傳輸模型 微分體散射元 水平均勻體散射介質(zhì) 垂直方向允許介質(zhì)的密度、性質(zhì)有變化 固體地球表面 —下墊面邊界條件 .... . 對(duì)大氣來說，體積散射元的近似是逼真的。雖然模型復(fù)雜一點(diǎn)（偏微分 —積分方程，無解析解），但迄今沒有比 RT更合適的模型。 對(duì)植被來說， Bigleaf(大葉近似 )作為大氣的下墊面，或者把植被處理成綠色氣體（ green gas） 都證明喪失了逼真性，只剩下復(fù)雜性。 對(duì)復(fù)雜地形來說，表面散射占主導(dǎo)地位，體積散射元的假定更難成立。 輻射傳輸學(xué)派及局限 .... . 比如說 Kimes的三維輻射傳輸模型，就是對(duì)水平均勻 RT模型的一種改造，以適用于森林。這需要在像元尺度上把森林所占的三維空間細(xì)分為體積散射元，例如 SPOT像元 10*10米，樹最高 10米，體積元 ，則共一百萬個(gè)散射元。3DRT模型需要指定哪些是樹冠，哪些為空氣，然后建立偏微分 —積分方程并求數(shù)值解。換言之，在 RT方程的框架下，逼真性的改進(jìn)靠的是復(fù)雜性的增加。 輻射傳輸學(xué)派及局限 .... . 幾何光學(xué)模型 我曾在 《 遙感學(xué)報(bào) 》 的一輯?？那把灾袑懙溃? 時(shí)屆中秋佳節(jié) ， “ 明月幾時(shí)有 ？ ” 我國(guó)古代地理學(xué)家一千年前就提出這一問題 。 二向性反射的幾何光學(xué)學(xué)派的回答是 ， 只有當(dāng)觀察者位于 “ 熱點(diǎn) ” 方向 ， 即背對(duì)太陽時(shí) ， 才能看到滿月， 而且看不到環(huán)形山的任何陰影 ， 因而最明亮 。 這個(gè)回答也許太簡(jiǎn)單 ， 因?yàn)檫€有大氣透明度的問題 ， 日地距離 ， 相干效應(yīng) ， 等等 ， 等等 。 但不可否認(rèn) ， 幾何光學(xué)的回答抓住了問題最核心的本質(zhì) 。 同樣的原理 ， 我們已成功地應(yīng)用于可見光 、 近紅外波段的對(duì)地遙感 ， 在攀登項(xiàng)目中又成功地推廣到熱紅外 ， 解釋非同溫像元熱輻射的方向性 。 本期增刊的幾篇文章用實(shí)測(cè)或模擬數(shù)據(jù)證實(shí)了我們溫差面積的投影加同溫多次散射模型的合理性 。 .... . 當(dāng)我寫這番話時(shí)，我以為月亮的朔望，上弦下弦，這些幾何光學(xué)關(guān)系是大 家都清楚的。不料好幾位博士、教授懷疑我滿月即熱點(diǎn)的提法。經(jīng)過熱 烈討論，我才弄清楚他們把新月當(dāng)作月食了。不久前－ 作者：劉茜 來源： 科學(xué)時(shí)報(bào) 發(fā)布時(shí)間： 2023914。在一年四季之中，中秋之夜月亮是最圓、最 明、最亮的。這是什么原因呢？據(jù)科學(xué)家分析。同時(shí)，中秋正值秋分 前后，太陽幾乎垂直照射到月球上，月球接受的陽光最多，反射光也最強(qiáng)，因而中 秋的月亮格外明。 看來 GO模型雖然簡(jiǎn)單，科普還是需要的。 這里雖然以介紹幾何光學(xué)模型為主，但并不排斥其他的模型或?qū)W派，古 話說，“珠聯(lián)璧合”，“相得益彰”，“君子和而不同、小人同而不和”，就是講 多樣性的互補(bǔ)與綜合，或英語里的 synergy. 說到珠聯(lián)璧合，時(shí)髦的讀者也 許會(huì)想到珍珠項(xiàng)鏈?zhǔn)裁吹模?92年版“常用成語詞典”解釋為：“指珍珠串在一 起，美玉合在一塊兒，比喻 …” 這是望文生義，也不算錯(cuò)。但其實(shí)語出漢 書：“日月如合璧，五星如連珠 ,” 講的是兩種罕見的天文地理現(xiàn)象。 .... . 日月同輝不稀罕，在上弦月、下弦月時(shí)，太陽 —地球 —月亮成直角，我們常?？梢钥吹?。但日月合璧就難得一見了。日月合璧指的是太陽和月亮重疊在一起，而又不是日食 ——它們一道放射光華。有人也許認(rèn)為這種罕見現(xiàn)象是對(duì)幾何光學(xué)模型的挑戰(zhàn)。但其實(shí)我相信只有幾何光學(xué)模型（加上大氣分層模型）才能解釋這種目前據(jù)說只能在東南沿海十月朔日、天朗氣清時(shí)才能看到的日月同升現(xiàn)象。不過要驗(yàn)證這種解釋就比較困難，需要在指定時(shí)刻，指定地點(diǎn)，測(cè)太陽 /月亮的直射光譜，放探空氣球，但也不是辦不到的。 .... . 幾何光學(xué)（ GO）模型明顯的優(yōu)勢(shì)就是解釋陰影、表面反射，簡(jiǎn)單、直截了當(dāng)。 輻射傳輸（ RT）模型明顯的優(yōu)勢(shì)則在液體和氣體的體散射，出發(fā)點(diǎn)就在微分體積元的能量守恒。 RT模型的問題在于太復(fù)雜，出發(fā)點(diǎn)就左微右積。 RT學(xué)派腹誹 GO模型主要有兩條： 1）太簡(jiǎn)單，不 像學(xué)問高深的樣子； 2）不滿足能量守恒定律。 既然是腹誹，你怎么知道？因?yàn)橛袑W(xué) GO的學(xué)生轉(zhuǎn)學(xué) RT的；也有學(xué) RT的學(xué)生論文 讓我審的。說 GO模型不滿足能量守恒定律，純屬誤解；它在微觀和宏觀兩個(gè)層 次上均滿足能量守恒定律，只是沒有必要在方程里表示出來。就像我們吃飯， 餓了就吃，沒有必要先宣布為了能量守恒，現(xiàn)在開始吃飯一個(gè)道理。相反 RT模 型，由于沒有解析解，宏觀上只能近似滿足能量守恒定律。 這里我順便講一講模型的簡(jiǎn)單性原則。 .... . 模型的簡(jiǎn)單性原則： 我們這里所謂模型就是對(duì)真實(shí)世界 （ 事物 、 過程 。 ） 的數(shù)學(xué)描述 ， 英文原意就是模特兒 （ model） 在其他領(lǐng)域 ， 模型可能是模范的意思 ， 這里排除不講 。 ? 英國(guó) Kirk W. Junker教授有一次問他班上的大學(xué)生，“ 時(shí)裝模特與碳分子模型有什么共同之處 ”？一位同學(xué)回答說：都像牙簽。這樣回答的原因是：時(shí)裝模特瘦得像牙簽，回答問題的這個(gè)學(xué)生上小學(xué)時(shí)見到的分子模型是用牙簽和小球做成的。 ? 當(dāng)然， Kirk教授所期望的“正確”答案的意思是：原來的科學(xué)模型意在“描述”（ Describe）現(xiàn)存的世界；時(shí)裝模特并非典型的普通人，其時(shí)裝的作用是“規(guī)范性的”，想領(lǐng)導(dǎo)服裝新潮流的，是對(duì)我們的外貌、打扮應(yīng)該什么樣的一種“范例”（ Prescribe）。