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(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院聯(lián)合開設(shè)“觀天測(cè)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(shí)。
隨著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不斷增多，衛(wèi)星遙感對(duì)地球表面信息獲取及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力不斷提升，遙感正在以多種方式造福人類。國(guó)際地球觀測(cè)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(huì)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(shí)別與變化檢測(cè)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(hào)的基礎(chǔ)上，通過物理和數(shù)學(xué)模型，將觀測(cè)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(cè)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(cè)到的電磁波信號(hào)，包括波長(zhǎng)、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(guó)定量遙感領(lǐng)域奠基人之一、中國(guó)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(shí)，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(gè)分量的面積比例，再根據(jù)樹冠密度及4個(gè)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(cè)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(chǎng)景，右為輸入輸出變量）最初的模型建立大多根據(jù)簡(jiǎn)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(shí)和應(yīng)用的需求不斷提高，對(duì)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(chǎng)景越來越接近于真實(shí)場(chǎng)景，針對(duì)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(chǎng)景前向模型建立已成為遙感建模的前沿問題。針對(duì)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，通常可以認(rèn)為均質(zhì)地表，可以簡(jiǎn)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(shí)遙感像元觀測(cè)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(guó)山區(qū)約占了全國(guó)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(guó)遙感科技工作者必須要面對(duì)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(chǎng)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(duì)應(yīng)的崎嶇地表分成兩類特征：?jiǎn)我黄旅?，即遙感像元內(nèi)只對(duì)應(yīng)一種坡度坡向；復(fù)合坡面，即遙感像元內(nèi)對(duì)應(yīng)多個(gè)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(chǎng)景簡(jiǎn)化。科研人員基于此場(chǎng)景從數(shù)學(xué)和物理角度，完成場(chǎng)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(cè)到的地表輻射亮度，并且這種輻射亮度會(huì)隨著太陽入射和傳感器觀測(cè)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(cè)的潛力，以進(jìn)一步提升我國(guó)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(cè)
來自地表的實(shí)際觀測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)。所以說觀測(cè)是理解自然屬性的重要基礎(chǔ)，大量的地面觀測(cè)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(cè)技術(shù)體系，開展自然地表的輻散射特性高精度觀測(cè)。為此，科研人員以中國(guó)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(duì)復(fù)雜地表中的地類破碎、地形崎嶇等特征，在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)建立了6個(gè)30米×30米的農(nóng)作物/森林混合樣本區(qū)和4個(gè)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(cè)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(cè)。顯然，這種觀測(cè)離不開科研人員構(gòu)建的復(fù)雜地表模型作為對(duì)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(guó)典型地物波譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)等國(guó)內(nèi)知名的遙感觀測(cè)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(guó)典型地物波譜知識(shí)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(tái)協(xié)同觀測(cè)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(gè)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(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到我們所需的地表信息產(chǎn)品。這個(gè)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(guó)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(cè)評(píng)與真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)。多年來，以國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，協(xié)同利用國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)持續(xù)制備了26種全球1公里、全國(guó)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(zhǎng)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(cè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全領(lǐng)域應(yīng)用成效顯著，是世界發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)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(jí)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(cè)-機(jī)理建模-定量反演的技術(shù)體系，推動(dòng)我國(guó)遙感應(yīng)用“從定性到定量”的跨越。可以說，中國(guó)的定量遙感在過去二十余年間得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是要成為定量遙感強(qiáng)國(guó)，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(dòng)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(dòng)地推動(dòng)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的國(guó)際應(yīng)用，在廣泛的使用中提升我國(guó)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(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
