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1、定量遥感分析随着经济和科技的发展，国家的宏观决策、资源调查、环境及灾害监 测等影响国民经济发展的关键领域急需数据支持，要求数据具有空间上的 宏观性，时间上的连续性和可获取数据的全面性。而遥感技术正具备这一 能力，它能够以不同的时空尺度不断地提供多种地表特征信息。但是与遥 感卫星获取数据的能力相比，遥感数据的自动、定量化处理乃至对遥感数 据信息的理解能力与对遥感数据的有效利用却远远不足，这也是目前制约 遥感发挥作用的瓶颈问题。因此，定量遥感逐渐成为遥感发展的主要方向。一、什么是定量遥感定量遥感或称遥感量化遥感研究，主要指从对地观测电磁波信号中定 量提取地表参数的技术和方法研究，区别于仅依靠经验判
2、读的定性识别地 物的方法。它有两重含义：遥感信息在电磁波的不同波段内给出的地表物 质的定量的物理量和准确的空间位置；从这些定量的遥感信息中，通过实 验的或物理的模型将遥感信息与地学参量联系起来，定量的反演或推算某 些地学或生物学信息。定量遥感不仅要进行遥感建模与各种前向模型的研究，还要进行各种 反演模型和反演策略的研究。目前在国际上，越来越多的学者们认识到遥 感科学在地学从传统定点观测数据到不同空间范围多尺度空间转换和地球 系统科学研究中的不可替代作用。而遥感科学能够在多远数据综合集成及 地学应用方面对地球系统科学研究发挥决定性作用。然而，相对快速发展 的遥感技术而言，定量遥感的基础研究仍严重
3、不足。这对全世界遥感科学 界都是一个挑战，对我们来说则更多的是一种跨越发展的机遇。二、遥感模型分类：1. 统计模型（即经验模型）：于陆地表面变量和遥感数据的相关关 系，对一系列的观测数据做经验性的统计描述或者进行相关性分析，构建 遥感参数与地面观测数据之间的线性回归方程。优点：参数少；容易建立且可以有效概括从局部区域获取的数据，简 便，适用性强；缺点：有地域局限性，所以可移植性差；理论基础不完备，缺乏对物 理机理的足够理解和认识，参数之间缺乏逻辑关系。2. 物理模型：其模型参数具有明确物理意义，并试图对作用机理进行 数学描述。优点：精度高，可移植性强；缺点：此模型通常为非线性的，所以方程复杂，
4、实用性较差；并且在 复杂问题考虑中会产生大量参数，其中有些参数无法获取，从而采取近似， 会产生误差，而对非主要因素有过多忽略或假定也会产生误差。3. 半经验模型突出上述两种模型的优点，回避其缺点。考虑经验数 据和物理过程，其参数往往是经验参数，但有一定物理意义。三、定量遥感的四个研究方向：第一，在像元尺度上对基本物理定律进行检验及修正，开展尺度转换研究， 提高定量遥感精度。第二，开展遥感与非遥感信息数据融合的模拟试验，探索地 表时空多变要素的尺度转换规律。第三，进行多角度、多时相、多光谱相结合的 混合像元分解和亚像元信息提取； 运用多阶段的反演策略，提高反演的精度。第 四，基础研究和应用示范相
5、结合，估算高难度的地表时空多变要素，推动相关学 科的发展。四、定量遥感反演：装置在星体上的传感器，它的可测参数一般为电磁波的属性参数，也 就是电磁辐射强度、偏振度、相位差等，而我们的目的是要从这些可测参 数中获得有关目标的物理的、地理的、化学的、甚至生物学的状态参数， 所以在可测参数与目标状态参数间建立某种函数关系是实现目标参数反演 的关键一步，我们称它为建模。定量遥感的反演问题，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）。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。 国际上坚持“定量遥感反演的必要条件
6、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，并且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五、遥感建模的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，而是需要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。遥感前，普遍流行一个误解，就是：如果像元内所有元素都是各向同性的漫反射表面， 则像元一定也是漫反射表面。由于已经观察到大量地表像元的非漫反射特性，所以大量研究都致力于表面元素的非漫反射特性。当时李小文为D.Simonet
7、t的研究 生，用一个简单的几何光学模型说明了像元的非漫反射特性主要是像元尺度上地 表的三维结构决定的，从而奠定了李小文-Strahler集合光学模型系列的基础。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，但受到测量接的强烈反对，争论长达20年。李小文等人给出了像元尺度上互易原理失效的条件：在像元尺度上，空间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且敏感两区之间串线不对称，则互易原理在像元尺度上 失效。李小文等人用一个简单的几何光学模型说明上述条件，在IGARSS1999年会议上发表引起轰动。综上所述，遥感科学要研究的尺度问题之一是： 物理定律、原理用在
8、遥感像 元尺度时是否需要修正、如何修正。遥感科学要研究的第二个尺度问题是尺度转换问题， 即同一地物不同观测尺 度的参数估计结果是否要求一致、如何提高参数故居精度。中国学者首次提出了 “直方变差图”的概念。该方法克服了变差图(Variogram)的不足，通过定义图像 中驻点和边界点分析地物的空间分布规律， 获取地类面积随尺度变化的关系，进 而基于破碎度的降尺度转化反演高分辨率地类面积。六、遥感的病态反演问题遥感数据的地学理解、从定性到定量：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。定量遥感反演问题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）。而反演
9、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。由于地表太复杂，而遥感信息总是有限的，所以，定量遥感本质上是病 态反演。目前国际上对遥感反演的主流仍坚持采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参数的个数”（建成“第三公设”）。李小文明确提出“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。提出了病态反演的主要第二，分阶段目标决策,我们对传统的遥感反演理论的第三公设提
10、出了挑战, 思路：第一，先验知识的积累和在反演中的表达和利用； 即对数据空间和参数空间进行多次分割。病态反演要求知识库的支撑，建立中国典型地物结构波普知识库的构想，就是为了病态反演。波普知识库集波谱测量数据、遥感图像数据、遥感先验知识数据、 遥感分析模型于一体。除了这些，数字地形模型 （DTM）和地表覆盖类型（LULC）， 也是知识库里很重要的一部分。病态反演中，究竟怎么才能最简洁地用最少的参数描述像元内的地形特征 呢？我们研究了直方图的尺度效应，发现它很有希望是比变差图更好的地学描述 工具，并建议用“直方变差图”来描述地形或数字图像的空间特征。另一方面， 随着分辨率的降低，边界混合像元的比例
11、将逐步增加。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，这种直方图的尺度效应表达兼具直方 图和变差图的优点。七、海量遥感数据自动转化为有用信息协同反演协同遥感反演研究进展主要体现在建立各类遥感机理模型及其地学描述中 的尺度问题、参数反演理论与方法、反演结果的真实性检验等方面。目前面临的问题是：大量的遥感数据仍未得到真正有效的利用。 出现这种矛盾的原因除遥感本身的原因外（遥感数据的质量和专题信息提取水平），一个相当重要的原因在于对遥感应用中的一些基本理论问题缺乏深入的研究，导致人们对于遥感数据的认识与理解还很不充分。 为了更好地理解电磁波与地表特征间的 相互作用，国内外学者们将
12、经典的数学物理理论与遥感实践相结合， 建立了近百 种不同的遥感模型。这些模型大体可分为经验统计模型、物理模型、半经验模型 三种。海量空间数据与有效信息（知识）匮乏，原因在于，遥感数据与遥感信息 之间缺乏地学理解和遥感成像机理深入研究， 存在明显的知识间隙。地学从性质 上不同于经典物理学。定量遥感不仅需要新的物理学规律，而且需要寻找相应的 数学手段，使遥感定量表达更简洁、明晰。八、其他方面：遥感科学的基础研究尚不足，制约了遥感信息应用。迄今为止，遥感研究面 临两大问题：需要实现从定性到定量的过渡；需要多学科交叉，加强基础研究。 两大问题表现在三个方面：第一，对遥感精度要求越来越高，遥感数据量越来
13、越大。第二，随着遥感应用范围越来越广，遥感应用对遥感本身提出了更高的要求 时空多变要素。（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）。第三，遥感科学基础研究严重不足，需要多学科交叉。陈述彭先生认为遥感 科学是“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” 。遥感信息定量化研究在遥感发展中具有牵一发而动全局的作用，成为遥感 发展的前沿技术，具有许多生长点，可以带动许多学科和应用各领域的发展。 因 为遥感信息定量化涉及到遥感仪器的设计和指导、大气的探测和大气参数的反 演，大气影像订正方法好技术，对地定位和几何校准方法和技术， 计算机图像处 理，地表辐射和几何校准实验场设置以及各种遥感应用模型和方法，地学参量的反演和推算等做种学科和领域，每一个环节都是很重要的，都有各自的理论、方 法和技术，只有这些领域的相应发展，才能最终克服遥感信息定量化的任务， 才 能为遥感在各领域的应用中提供可靠的、 高精度的定量化数据及实用的应用模型 和方法。