【文章內(nèi)容簡介】 距離 和 尺度 ，并不一定是距離越近越好 ， 觀測越細(xì)微越好 。 18世紀(jì)英國斯威夫特用一個例子形象地說明這一點(diǎn) 。 他假定從非常近的距離 ， 用很高的分辨率來看一個美女 。 觀察者在這位美女的臉上從一個毛孔觀察到另一個毛孔 ，辛苦觀測的結(jié)果和整體的 “ 美 ” 全不相干 。 我國古代學(xué)者更早幾百年也認(rèn)識到了這個觀察尺度和距離的問題 。 他們以廬山為例：在山里實(shí)地積累的大量觀察 ，“ 遠(yuǎn)近高低各不同 ” ， 對認(rèn)識廬山的全貌卻很少有所幫助 。 這并不是否定系統(tǒng)的高精度的實(shí)地觀測 ， 而是說明需要適當(dāng)?shù)?距離 和 比例尺 ， 才能有效 、 完整地觀察 。 .... . 橫看成嶺側(cè)成峰 遠(yuǎn)近高低各不同 不識廬山真面目 只緣身在此山中 蘇東坡論尺度效應(yīng) .... . 盡管人們早就認(rèn)識到這種 最佳觀測距離的必要性 ， 甚至幻想從外層空間來取得大地與海洋的圖像 （ “ 遙望齊州九點(diǎn)煙 ， 一泓海水杯中瀉 ” ） 。 只是在遙感技術(shù)自本世紀(jì) 60年代蓬勃崛起之后 ， 人類才真正實(shí)現(xiàn)了從微觀到宏觀 、 從靜態(tài)到動態(tài)對大地進(jìn)行觀測這一飛躍 ， 實(shí)現(xiàn)了對很多大規(guī)模自然現(xiàn)象的預(yù)測和預(yù)報(bào) ， 開始了人類認(rèn)識自己生存環(huán)境的新紀(jì)元 。 .... . 對海岸線長度的測量問題是地學(xué)描述中尺度效應(yīng)最典型的例子。 對這一測量值尺度效應(yīng)的研究 ， 在70年代中期啟發(fā)形成了分形理論和分?jǐn)?shù)維這樣全新的數(shù)學(xué)概念 ， 并進(jìn)而發(fā)展成為分形幾何 。 遙感科學(xué)中尺度效應(yīng)的研究更為困難 ， 在陸地遙感中 ，不同地物光學(xué)性質(zhì)的尺度效應(yīng)很少得到研究 ， 分形幾何的應(yīng)用幾乎沒有超出計(jì)算機(jī)模擬的范圍 。 .... . 尺度效應(yīng)： 不同分辨率遙感圖像之間關(guān)系 ： 觀點(diǎn) 1：簡單平均，沒什么好研究的 觀點(diǎn) 2：不是簡單平均。取決于地表狀況，目標(biāo)（地學(xué)）參數(shù) 的 性質(zhì) ——我們的觀點(diǎn) 。 尺度效應(yīng)不是一個新的概念，但 定量地學(xué)描述 是地學(xué)與其它學(xué)科 交叉的基礎(chǔ) ， 是 遙感科學(xué)的關(guān)鍵 。 國外的尺度效應(yīng)研究基本上仍 停留在 不同尺度上同一種量的線性或非線性關(guān)系的 經(jīng)驗(yàn)研究水平 上，我們用 幾何光學(xué)模型 來 解釋 不同尺度上 量的內(nèi)涵的變化 ， 量的性質(zhì)的改變，以及 物理定律的適用性 。 .... . 二十年前，普遍流行一個誤解，就是：如果象元內(nèi)所有元素都是各向同性的漫反射表面，則象元一定也是漫反射表面。由于已經(jīng)觀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。 尺度效應(yīng) (例 1)——象元的漫反射性 A a1(qv) qv a2(qv)=1a1(qv) A為谷頂部，一個象元大小 我們用一個簡單的幾何光學(xué)模型說明了 象元的非漫反射特性主要是象元尺度上地表的三維結(jié)構(gòu)決定的 ， 從而奠定了 李小文 —Strahler幾何光學(xué) 模型系列 的基礎(chǔ) 。 .... . 互易原理是電磁學(xué) 、 光學(xué)的基本假設(shè)之一 ， 是輻射傳輸理論的基石 ， 曾被當(dāng)作檢驗(yàn)遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn) ，受到測量界的強(qiáng)烈反對 ， 爭論長達(dá) 20年 。 我們給出了象元尺度上互易原理失效的條件： 在象元尺度上 ， 空間均勻的入照產(chǎn)生空間不均勻的反射 ， 且明暗兩區(qū)之間串線不對稱 ， 則互易原理在象元尺度上失效 。 凹面鏡 黑體表面 凸面鏡 A 我們用一個簡單幾何光學(xué)模型說明上述條件 ， 在 IGARSS會議上發(fā)表后引起轟動 ， 普遍認(rèn)為解決了這二十年的爭論 。 .... . 像元互易原理適用性的爭論 主要是在地學(xué)測量界和物理學(xué)家之間壁壘分明進(jìn)行 。 前者如 Kimes, Kriebel, 早就觀察到互易原理的 “ 視在失效 ” ， 后者如Snyder, Wanner等則堅(jiān)持互易原理是物理學(xué)的基本假設(shè)之一 ， 可以用來衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量 。 作為電訊工程本科生 ， 我早在 85年使用 Kimes的經(jīng)典數(shù)據(jù)時就發(fā)現(xiàn)其不滿足互易原理 。 Kimes堅(jiān)持不是由于測量誤差引起的 。 我當(dāng)時存疑 ， 直到十二年以后才發(fā)現(xiàn)了溝通二者的橋梁 。 這說明 ， 兩大學(xué)科的沖突和挑戰(zhàn) 同時也給我們帶來新發(fā)現(xiàn)的 機(jī)遇 。 .... . ?在 99年 IGARSS論文發(fā)表之后， Snyder仍堅(jiān)持像元尺度上互易性原理是無條件適用的 William C. Snyder, APPLIED OPTICS, 2023, 41(21), 43074313, Fig. 3 凹面鏡 凸面鏡 .... . S f2 D f1 The telescope structure equivalent to Fig. 2. From William C. Snyder, APPLIED OPTICS, 2023, 41(21), 43074313, Fig. 3 Blackbody baffle Collimation lens A The optics system equivalent to Fig. 1. From H. Zhao and J. Wang, Prog. Nat. Sci., 2023, 14(3), 287288, Fig. 4. .... . 順便回到模型的簡單性。我在 Lix谷里，加上黑 體，就是要簡化問題，避免左邊坡的反射把問題復(fù) 雜化。但 Snyder為了引進(jìn)他的微分方程，把問題復(fù) 雜化，不惜冒“學(xué)術(shù)不端”的風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)行給我取掉。 這種在爭論中把問題復(fù)雜化來閃避失敗的方法，英 文里就叫： If you can’t convince, try to confuse. 同樣，在我自己 30年的學(xué)術(shù)生涯中，我注意到很 多垃圾論文的一個共同特點(diǎn)，就是在保持結(jié)果合理 的情況下，把問題復(fù)雜化，讓評委或老師沒有時間 或耐心細(xì)看求解的過程，只好讓其過關(guān)。 .... . ? 普朗克定律適用條件： T, e 0 同溫 , 只有 e 空間變化 ：尺度不變 尺度效應(yīng) (例 3)——普朗克定律 40年來 普朗克定律一直未經(jīng)修正直接應(yīng)用到對地遙感 ， 這是地溫遙感精度上不去的根本原因之一 ， 現(xiàn)我們將它修正到遙感象元的尺度 。 普朗克定律是人類科學(xué)史上最偉大的成果之一 ，是現(xiàn)代物理學(xué)的基石 ， 但它也不是 “ 放之四海而皆準(zhǔn)” 的絕對真理 ， 在對地遙感中的直接應(yīng)用 ， 要求一定的條件： .... . 但目前的修正 ， 受制于缺乏理想的 地學(xué)描述 手段 ， 需要象元 平均材料發(fā)射率 、 二向反射比 、 平均溫度 、 組份溫度方差 、 組份溫度與組份材料發(fā)射率的協(xié)方差等 統(tǒng)計(jì)量 。 復(fù)雜性減低實(shí)用性， 我們正繼續(xù)努力尋找更簡練的 景觀特征參數(shù)化 手段 。 兩步近似為自相似 a1 a2 T1 T2 e 1 e 2 ? 自然陸地表面： Ll = e ? Bl (T ) e ?e0 + D em + D e (DT ) ? 象元內(nèi)多次散射引起的尺度效應(yīng)： 自相似 T, e 0+Dem 我們通過修正 “ 象元平均有效發(fā)射率 ” e 的內(nèi)涵，使普朗克定律能直接應(yīng)用于象元尺度地溫遙感的。 .... . 時間尺度效應(yīng)一例 （例 4） 在我們前一個 973， 我們 著重瞬間 遙感 定量 反演 。 但光搞瞬間 、 搞二維還不行 。 例如 ， 通量觀測經(jīng)常不閉合 ， 即地表系統(tǒng)能量輸入 （ Rn)不等于系統(tǒng)能量輸出 （ H＋ LE＋ G） 。 為什么呢 ？可能的原因很多 ， 其中之一是忽略了系統(tǒng)的熱容和炭匯 。 Rn是瞬間通量輸入 ， 地表被加熱以后 ， 熱空氣 （ H） 、 水蒸汽（ LE） ， 比較快 （ 分鐘級 ） 就帶走一部分熱量 。 但土壤通量 G一般是在地下若干厘米測的 ， 時間響應(yīng)比 Rn遲小時級 。 其間有植被和土壤表層的升溫和傳導(dǎo)的過程 。 土壤還比較好糾正 ， 有植被就麻煩了 。 其熱傳導(dǎo) ， 儲存與釋放的過程很難建模 。 炭匯更是長時間過程 。 所以世界先進(jìn)水平閉合率也就 80％ 左右 。 .... . 時間尺度效應(yīng)一例 （例 4,續(xù)） ?如果我們有大面積 、 長 時間序列 、 晝夜連續(xù)的長 、 短波遙感觀測 ， 有主 、 被動協(xié)同反演的三維 植被結(jié)構(gòu)和溫度梯度遙感觀測 ， 有 地面站 的土壤的升 、 降溫和傳導(dǎo)過程知識 ， 我們應(yīng)該能讓植被的通量遙感閉合率接近世界地面通量觀測的領(lǐng)先水平 ， 使我們的通量遙感的結(jié)果令人信服 。 .... . 尺度效應(yīng) ——小結(jié) 尺度效應(yīng)不是一個新的概念 ， 但 定量地學(xué)描述是地學(xué)與其它學(xué)科 交叉的基礎(chǔ) ， 是 遙感科學(xué)的關(guān)鍵 。 國外的尺度效應(yīng)研究基本上仍停留在不同尺度上同一種量的線性或非線性關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)研究水平上 ， 我們用幾何光學(xué)模型來解釋不同尺度上量的內(nèi)涵的變化， 量的性質(zhì)的改變 ， 以及物理定律的適用性 。 中科院外籍院士 、 美國兩院院士 Dickinson（ 2023） 指出 “ 李小文等給出了一些遙感中有關(guān)尺度效應(yīng)的示例 … 直到近來我才意識到尺度效應(yīng)對于這個領(lǐng)域 (氣候模擬 )內(nèi)的成功 （ 或它的不足 ） 是極其重要的 。 ” .... . 2。 病態(tài)反演問題 .... . 1） 為什么 “ 病態(tài) ” ？ 定量遙感的反演問題 ， 簡言之 ， 就是 根據(jù)觀測信息和前向物理模型 ， 求解或推算描述地面實(shí)況的應(yīng)用參數(shù) (或目標(biāo)參數(shù) )。 而 定量遙感反演的困難 ， 在于 應(yīng)用參數(shù)往往不是控制遙感信息的主導(dǎo)因子 ， 或者說是非敏感參數(shù) ， 只能為遙感信息提供弱信號 。 例子： 大西部草原遙感 ， 常遇到過放牧的草地和少量優(yōu)質(zhì)草地 ， 定性分類非常容易 ， 但要估算其生物量 (如葉面積指數(shù) )， 就非常困難 。 .... . LAI（葉面積指數(shù)） NDVI 背景 草 ? 弱信號 強(qiáng)信號 弱信號 飽和 遙感直接獲取的參數(shù) (NDVI)與應(yīng)用參數(shù) (LAI)的非線性 提供NDVI .... . 前邊講的是最簡單的病態(tài)反演的例子 。 在真實(shí)的對地遙感中 ， 問題遠(yuǎn)為嚴(yán)重 。 遙感系統(tǒng) 從垂直方向來說 ，光線 （ 電磁波 ） 穿越大氣 、 植被 ， 到達(dá)土壤 ，再反射穿越植被 、 穿越大氣 ， 達(dá)到衛(wèi)星傳感器 。 影響這一過程的因素 ， 數(shù)不勝數(shù) 。 我們可以用明代一位詩人觀察到的現(xiàn)象來作一個簡單的說明： 夕陽方照桃花塢 柳絮飛來片片紅 .... . 大家一般的先驗(yàn)知識認(rèn)為柳絮是白的 ，為什么詩人觀察到柳絮是紅的呢 ？ 詩人作了解釋： 夕陽 —— 光穿越大氣的光學(xué)路徑較長 ， 短波段散射嚴(yán)重 ， 直射光偏紅 ， 所以 “ 夕陽紅 ” ， “ 殘陽如血 ” 。 下墊面 ——桃花塢 ， “ 灼灼桃花 ” 盛開 ，不是一個大葉模型的下墊面 ， 而是一個 紅色的下墊面 ，反射光偏紅 。 氣溶膠 ——柳絮本身是 全波譜反射 ， 此時反射夕陽紅 ， 反射桃花紅 ， 柳絮成了 片片紅 。 當(dāng)然這只是一個簡單的 定性模型 ， 但我們可以看出影響遙感信息產(chǎn)生過程的主要因素之多 。 .... . 從水平方向上來說 ， 陸地表面在遙感像元尺度上幾乎總是 混合像元 。 大家也許認(rèn)為 大戈壁 或 沙漠 可以認(rèn)為是 “ 純 ” 像元 ， 但其實(shí)也包含 礫石的陰影 。 我在沙漠上實(shí)測礫石的 承照面和背陰面 ， 溫差大約10攝氏度以上 。 對 1公里像元尺度來說 ， 地形的起伏常常不可忽略 。 所有這些 ， 使遙感定量反演命中注定是一個病態(tài)反演 。 .... . 又如水質(zhì) （ 溶解成分 ） 遙感 ， 需要的信息主要來自水體散射的離水出射部分 。 但是遙感器接收到的信號主要是水面的鏡面反射 ，水底或水中懸浮物的反射 。 真正有用的信息 ， 弱得可憐 。 .... . 天光云影共徘徊 .... . ? 劉吉平老師貼了一張照片 ...science./blog/?id=43183 在照相者本人的陰影中，水面的鏡面反射奇怪地消失了，以致水底的石子清晰可見。劉教授有如下解釋：“我也覺得這張照片中有光學(xué)遙感中的一些科學(xué)現(xiàn)象存在，本來當(dāng)時也也想談?wù)効捶ǖ?，一個懶字便作罷了?，F(xiàn)在李老師考問，就說點(diǎn)我的理解。云在水面有較強(qiáng)的反射，使得來自水底的景物的較弱的反射光被干擾 (兩種反射光的疊加 )。而在人影里，由于人遮擋了“天光云影共徘徊”（這里天光指太陽直射光），水底的反射光不被水面對云的反射光影響，故而水底景物的信息大大增強(qiáng)了?！? ? 這有些道理。但是不足以解釋直