https://www.toutiao.com/article/7215028189054599736/?log_from=8b24e2d05521e_1680489397073編者按：從古至今,，人類從未停止過探索未知世界的腳步,，認(rèn)知世界的能力和手段與日俱增。中科院之聲與中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院聯(lián)合開設(shè)“觀天測地”專欄,，為大家介紹天上地上探索的那些事兒,，帶來空天信息領(lǐng)域最新進(jìn)展，普及科學(xué)知識,。
隨著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不斷增多,，衛(wèi)星遙感對地球表面信息獲取及動態(tài)監(jiān)測能力不斷提升，遙感正在以多種方式造福人類,。國際地球觀測組織（GEO）確定了生物多樣性與生態(tài)安全,、減災(zāi)防災(zāi)、能源與資源,、糧食安全與農(nóng)業(yè),、水資源、基礎(chǔ)設(shè)施,、公共衛(wèi)生,、城市可持續(xù)發(fā)展等八大社會服務(wù)領(lǐng)域。為了獲取地物更多的定量化信息,，遙感從早期的判讀解譯,、目標(biāo)識別與變化檢測等定性應(yīng)用正全面向定量應(yīng)用轉(zhuǎn)換。所謂定量應(yīng)用,，就是在遙感獲取的各種電磁輻射信號的基礎(chǔ)上,，通過物理和數(shù)學(xué)模型,，將觀測信息與地表目標(biāo)聯(lián)系起來,，定量地反演或推算目標(biāo)的各種自然屬性信息,。而定量遙感應(yīng)用的精確度主要取決于建模和反演兩方面。遙感機(jī)理建模如何將觀測的復(fù)雜地表輻散射特性用物理和數(shù)學(xué)的手段刻畫出來,，是我們認(rèn)知和理解復(fù)雜自然地表特性的基礎(chǔ),，也是遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為定量信息的重要理論支撐。通過電磁輻射特性來推演地表生理,、物理和化學(xué)參數(shù)的過程被稱之為“反演”,，反演的基礎(chǔ)在于建立衛(wèi)星傳感器觀測到的電磁波信號，包括波長,、振幅,、偏振、強(qiáng)度等信息與地物表面目標(biāo)特性的物理數(shù)學(xué)模型,，這被稱為“前向模型”,。下圖是我國定量遙感領(lǐng)域奠基人之一、中國科學(xué)院院士李小文提出的著名的Li-Strahler幾何光學(xué)模型的手稿,。在這里,，他將冠層抽象為隨機(jī)分布的錐形樹冠，在已知太陽入射角時,，由樹冠的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算光照樹冠,、陰影樹冠、光照背景和陰影背景4個分量的面積比例,，再根據(jù)樹冠密度及4個分量的輻射亮度計(jì)算像元的整體輻射亮度,，這樣就可以根據(jù)衛(wèi)星觀測到的輻射亮度來反演樹高以及樹間距。圖1 李小文院士幾何光學(xué)模型手稿（左為模型描述場景,，右為輸入輸出變量）最初的模型建立大多根據(jù)簡單化原則,，注重抓住最主要和最感興趣的地物特征進(jìn)行建模。隨著人們的認(rèn)識和應(yīng)用的需求不斷提高,，對定量反演的參數(shù)類型和精度要求越來越高,，這就使得模型構(gòu)建的場景越來越接近于真實(shí)場景，針對平坦地面不同地表類型混合,，直至崎嶇山地不同地表類型混合的復(fù)雜場景前向模型建立已成為遙感建模的前沿問題,。針對復(fù)雜地表的遙感建模自然界具有平原、丘陵,、山地,、高原、盆地等多種地表形態(tài),，更具有山水林田湖草冰等資源要素,，地表類型多樣,。遙感像元具有一定的空間分辨率，也就是遙感影像上的最小可辨單元,，從幾米到幾公里不等,，在這樣的空間范圍內(nèi)，如果僅是平坦地表的一種地表類型,，通?？梢哉J(rèn)為均質(zhì)地表，可以簡化為“各向同性,、處處均一”,。然而真實(shí)的自然界地表表現(xiàn)為起伏的地形、不同地表類型混合或者是兩者綜合起來的山區(qū)破碎地表類型的混合,，因此,，此時遙感像元觀測的地表被稱為復(fù)雜地表。用數(shù)學(xué)模型來刻畫這樣的地表,，為遙感輻射機(jī)理研究和地表參數(shù)建模帶來了更多的挑戰(zhàn),。事實(shí)上，山區(qū)約占了全球陸地總面積的五分之一,，而我國山區(qū)約占了全國陸地總面積的67%,，地類混合在山區(qū)的面積更是高達(dá)75%以上(圖2)，也就是復(fù)雜地表的建模和反演問題成為我國遙感科技工作者必須要面對的難題,。圖2 全球復(fù)雜地表的空間分布與面積統(tǒng)計(jì)復(fù)雜地表遙感建模,，首先要關(guān)注的是建模場景的刻畫?？蒲腥藛T依據(jù)崎嶇地形與遙感像元的空間尺度匹配關(guān)系,，將遙感像元對應(yīng)的崎嶇地表分成兩類特征：單一坡面，即遙感像元內(nèi)只對應(yīng)一種坡度坡向,；復(fù)合坡面,，即遙感像元內(nèi)對應(yīng)多個坡度和坡向，類似我們常見的微地貌特征,。然后在此地形表面上,，“種”上不同樹木、草地等要素類型,，實(shí)現(xiàn)不同尺度復(fù)雜地表建模場景簡化,。科研人員基于此場景從數(shù)學(xué)和物理角度,，完成場景內(nèi)各要素結(jié)構(gòu)關(guān)系和各要素耦合的輻射傳輸過程精確計(jì)算,，便可得到衛(wèi)星觀測到的地表輻射亮度，并且這種輻射亮度會隨著太陽入射和傳感器觀測角度的變化而呈現(xiàn)不同的輻射亮度，此現(xiàn)象被稱為地物表面方向性輻射,。基于此,，科研人員創(chuàng)新地提出了復(fù)雜地表方向性反射的物理定義，完成了復(fù)雜地表可見光/近紅外二向反射模型和熱紅外輻射方向性模型構(gòu)建,，將傳統(tǒng)的方向性輻射擴(kuò)展至復(fù)雜地表,，這極大提升了遙感模型的精度和模型的適用范圍。復(fù)雜地表方向性模型與大氣,、傳感器和衛(wèi)星軌道耦合,，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星圖像模擬,，從而科研人員可以通過模擬的手段,，提前告知計(jì)劃要發(fā)射的星上載荷以及衛(wèi)星觀測的潛力，以進(jìn)一步提升我國衛(wèi)星載荷的自主研發(fā)能力,。圖3 將真實(shí)世界抽象為復(fù)雜地表的遙感機(jī)理建模 復(fù)雜地表輻散射特性協(xié)同觀測 來自地表的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)在定量遙感中有著舉足輕重的作用，一方面可以從觀測中捕捉到規(guī)律，為前向模型建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),；另一方面,，反演結(jié)果的精度需要大量的地面觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)。所以說觀測是理解自然屬性的重要基礎(chǔ),，大量的地面觀測數(shù)據(jù)是發(fā)展定量遙感反演算法與遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)的關(guān)鍵,。自然界地表的復(fù)雜性迫切需要發(fā)展一套觀測技術(shù)體系，開展自然地表的輻散射特性高精度觀測,。為此,，科研人員以中國科學(xué)院懷來遙感綜合實(shí)驗(yàn)站為實(shí)驗(yàn)基地，特別針對復(fù)雜地表中的地類破碎,、地形崎嶇等特征,，在觀測區(qū)域內(nèi)建立了6個30米×30米的農(nóng)作物/森林混合樣本區(qū)和4個5米×5米的典型山地沙盤樣本區(qū)，綜合利用地基-塔基/車載-機(jī)載不同尺度協(xié)同觀測系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu),、混合地類和起伏地形為特征的復(fù)雜地表輻散射特性觀測。顯然,，這種觀測離不開科研人員構(gòu)建的復(fù)雜地表模型作為對標(biāo),，正如李小文院士強(qiáng)調(diào)的“做實(shí)驗(yàn)要心中先有模型”。這有利于模型改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展,。多年來,，科研人員持續(xù)進(jìn)行了山東禹城實(shí)驗(yàn)、北京順義實(shí)驗(yàn),、黑河遙感實(shí)驗(yàn),、全國典型地物波譜測量實(shí)驗(yàn)等國內(nèi)知名的遙感觀測實(shí)驗(yàn)，獲取了可見光、近紅外,、熱紅外和微波全譜段的地物輻散射特性波譜,，建成了全國典型地物波譜知識庫，已成為了解真實(shí)世界的客觀現(xiàn)象,、發(fā)展模型和算法以及驗(yàn)證遙感產(chǎn)品的重要支撐,。圖4 懷來遙感綜合實(shí)驗(yàn)站多平臺協(xié)同觀測復(fù)雜地表關(guān)鍵參量定量反演復(fù)雜地表遙感建模的一個重要應(yīng)用出口是用于地表目標(biāo)自然屬性的定量反演?；诳擅枋鰪?fù)雜地表輻散射特性的遙感模型,，推算衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地表目標(biāo)參量屬性的數(shù)學(xué)關(guān)系，便可直接將衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到我們所需的地表信息產(chǎn)品,。這個過程通常需要經(jīng)歷衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收—輻射定標(biāo)—幾何校正—算法研發(fā)—產(chǎn)品生成—產(chǎn)品檢驗(yàn)完整的鏈條,，才能形成高質(zhì)量高精度的遙感信息產(chǎn)品。隨著國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不斷豐富,，科研人員構(gòu)建了植被和輻射等關(guān)鍵參量定量反演技術(shù),，研發(fā)了多源數(shù)據(jù)定量遙感產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)、遙感算法測評與真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng),。多年來,，以國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，協(xié)同利用國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)持續(xù)制備了26種全球1公里,、全國30/16米分辨率的定量遙感產(chǎn)品,，有效支持了多學(xué)科研究和行業(yè)應(yīng)用。圖5 16m/10天的高分植被指數(shù)產(chǎn)品反映了新疆棉花田塊尺度生長過程遙感是引領(lǐng)地球科學(xué)和全球變化研究的綜合交叉學(xué)科,，在資源環(huán)境監(jiān)測,、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全領(lǐng)域應(yīng)用成效顯著，是世界發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展的高新技術(shù),。其中,，復(fù)雜地表遙感機(jī)理建模是世界級難題，制約著遙感從定性到定量應(yīng)用的跨越,?？蒲腥藛T在探索電磁波與復(fù)雜地表相互作用機(jī)理方面持續(xù)開展研究，發(fā)展了復(fù)雜地表二向反射與熱紅外方向輻射系列模型,、地表參量高精度定量反演和遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù),，構(gòu)建了復(fù)雜地表定量遙感協(xié)同觀測-機(jī)理建模-定量反演的技術(shù)體系，推動我國遙感應(yīng)用“從定性到定量”的跨越,。可以說,，中國的定量遙感在過去二十余年間得到了長足的發(fā)展，但是要成為定量遙感強(qiáng)國,，引領(lǐng)世界遙感的發(fā)展,，尚需更多的努力,，比如更好協(xié)調(diào)衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃與遙感應(yīng)用的關(guān)聯(lián)，真正讓遙感應(yīng)用驅(qū)動技術(shù)發(fā)展,；大型衛(wèi)星計(jì)劃需要加入遙感全鏈條系統(tǒng)的整體考慮,，衛(wèi)星數(shù)據(jù)必須有高精度的幾何定位、輻射標(biāo)定,、大氣校正,、定量反演和真實(shí)性檢驗(yàn)；更加積極主動地推動國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的國際應(yīng)用,，在廣泛的使用中提升我國衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的質(zhì)量和影響力,；積極探索機(jī)理模型與大數(shù)據(jù)結(jié)合的定量遙感反演方法，開拓定量遙感研究和應(yīng)用的新范式,。來源：中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
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