李小文院士的定量遙感觀點

定量遙感研究簡介李小文遙感科學國家重點實驗室2007-3-1我國定量遙感理論的發(fā)展中國的機載多角度高光譜傳感器中國對定量遙感研究高度重視我國定量遙感理論的發(fā)展尺度效應及遙感建模30年前，人們著力研究一個像元內每一個組分的非朗伯性。我們用一個簡單的幾何光學模型說明了像元的非漫反射特性主要是像元尺度上地表的三維結構決定的，從而奠定了李小文—Strahler幾何光學模型系列的基礎。Aa1(qv)qva2(qv)=1-a1(qv)A為谷頂部，一個像元大小尺度效應及遙感建模大氣中的輻射傳輸理論由J.Ross引入并修訂，用來描述植被的方向反射特性。至今仍然流行。輻射傳輸理論本質上是與像元大小無關，尺不變的。很難解釋擁有非均勻復雜結構的陸地表面的BRDF特性。微分體散射元水平均勻體散射介質垂直方向允許介質的密度、性質有變化固體地球表面—>下墊面邊界條件尺度效應及遙感建模為了給出像元尺度對BRDF合理簡潔的解釋，從1985到1995年間，我們建立了一系列Li-Strahler幾何光學模型。不同冠層的BRDF(GOMS模型)針葉林(a,d)稀疏草原(b,e)灌木叢(c,f)(d)(e)(f)紅近紅外(a)(b)(c)一個像元內離散冠層的BRDF主要由光照及陰影比例決定。創(chuàng)新的陣痛上面講到中國的遙感基礎研究能夠做得比外國人好，是不是有點吹牛皮呢？這不是自吹，主要還是想給同學們打氣、加油。如果我們的確做得比外國人好，就要理直氣壯地說，如果說都不敢說，甚至想都不敢想，還有什么自主創(chuàng)新可言？大家知道，創(chuàng)新首先需要敢于思索，然后需要付出艱苦的努力。但大家也許不知道創(chuàng)新的陣痛。打完了氣再給大家講一講陣痛，講一講艱辛。我是學電子出身的，后來搞圖像處理，遙感，成了UCSB地理系D.Simonett的研究生。他跟我強調尺度效應，我是半信半疑的。直到后來A.Strahler要我作課題，研究針葉林樹冠陰影與其反射的關系。當時已經(jīng)有不少人懷疑二者是有關系的，但從數(shù)學上講不清。比如一個J.Smith教授的學生，在樹林里作了大量辛苦的測量，測量結果表明，樹冠的郁閉度和地面陰影的面積基本上不相關。我覺得有違常識，就仔細閱讀了他們的測量方法、數(shù)據(jù)和處理方法，發(fā)現(xiàn)他們的郁閉度測量和陰影面積的測量是在10mx10m的網(wǎng)格上測量的，但從樹高和太陽角來算，陰影應投射到10m以外，所以他們的結論是錯誤的。要弄清二者的相關，必須在更粗的網(wǎng)格上作相關分析。Strahler覺得有道理，但告訴我說這個J.Smith是個大權威，你說他署名文章結論錯了，也許今后會惹麻煩，應該向他請教一下。于是，把我的分析寄給J.Smith。很快有了回信，Smith認為我的分析是對的，他們選的尺度不合適。從而開始了我25年漫長的創(chuàng)新與陣痛交替的生涯。1981年我的第一個幾何光學模型，雖然載入了美國《遙感手冊》第二版（1983），但只能算一個小成果，陣痛也很輕微。無非就是明明白白正確的事，也得請教一下權威認可。而且Smith后來對Strahler和我都很支持；NASA的遙感科學計劃一開始（1983年左右），就和Strahler聯(lián)合申請到了一個三尺度森林建模的項目。尺度效應及互易原理互易原理是曾被當作檢驗遙感數(shù)據(jù)質量的標準，受到測量界的強烈反對，爭論長達20年。我們在理論上證明了：在像元尺度上，空間均勻的入照產生空間不均勻的反射，且明暗兩區(qū)之間串線不對稱，則互易原理失效。我們用一個簡單幾何光學模型說明上述條件，在IGARSS‘98會議上引起轟動。凹面鏡黑體表面凸面鏡A創(chuàng)新的陣痛1985年我作BRDF模型的時候，唯一可用來驗證的成套測量數(shù)據(jù)是Kimes提供的。作為學電子出身的我，立即注意到他的測量數(shù)據(jù)不滿足互易原理。于是我請教他是否測量誤差太大。他回了一封長長的信，說測量誤差絕對大不到那個程度，互易原理在野外測量中有問題，并舉出了幾種互易原理可能失效的場景。他舉的場景不能說服我，但是我相信了他數(shù)據(jù)的質量。怎么辦呢？我不得不放棄了為樹冠亮度（模型中參數(shù)之一）建模的結果，把該參數(shù)作為實測參數(shù)，這樣既不背叛大學二年級老師教我的原理，又不與野外測量的行家爭論不休。這樣“蒙混過關”，文章發(fā)表在86年IEEETGARS。但是為樹冠亮度建模畢竟是模型進一步發(fā)展的自然需求，所以此后查閱了有關文獻，發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與互易原理不符的爭論從上世紀五十年代中期關于實驗室測量數(shù)據(jù)就已經(jīng)開始了，搞測量的和搞理論的爭論不休，誰也說服不了誰。我也沒有必要去趟渾水，所以就把疑問暫時放到一邊。冷戰(zhàn)結束以后，更多的物理學家進入遙感領域。這本來是好事，有助于學科交叉。但是個別物理學家覺得他們肩負著“反修防修”的歷史使命。挨頭刀的是Walthall的BRDF經(jīng)驗模型。一位物理學家注意到這個經(jīng)驗模型不符合互易原理，就擅自（也許溝通過，但我不知道）在經(jīng)驗模型上加上一個因子，變成自己的滿足互易原理的模型。我覺得有些霸道，但事不關己，一笑置之。但樹欲靜而風不止，有人把我86年的BRDF幾何光學模型推導、簡化成“半經(jīng)驗模型”，這下“原形畢露”，原來李小文－Strahler模型不滿足互易原理。所以有幾位物理學家要求我同意也加上一個因子，讓這個半經(jīng)驗模型變成互易的。我提出兩個條件：1。測量數(shù)據(jù)支持他們的要求；2?；蛘咦C明互易原理在像元尺度上成立。一位英國物理學家(lix:Lewis)覺得挺難，就放棄了。另一位德國物理學家(lix:Wolfgang)覺得互易原理天經(jīng)地義，李小文不應該提條件，你同意我加，不同意我也加，就把模型改成互易的，模型名稱中的李改為“互易的李”。我表明我不同意這樣改，但也無法制止他。一位美國物理學家W.Snyder，看起來比那位德國物理學家客氣一點，非要先說服我再改，但骨子里其實更霸道。在“說服”我的時候，他寫道：“互易原理是物理學中一個基本原理，只是我進入你們遙感界以后，才遇到六個學地理的博士（?。?，居然不相信互易原理?！边@個括弧里的驚嘆號明顯是挖苦我們這六個（含我本人）學地理的博士不懂物理學的基本常識。這就把我逼上梁山，不得不站在學過互易原理的地理博士的立場上和他展開了長達數(shù)月的論戰(zhàn)。論戰(zhàn)是通過Email公開進行的，抄送給了若干有關人士，包括我兩個正念研究生的孩子。我堅持赫姆霍茲互易原理是點對點關系，他必須證明復雜地表三維結構的像元尺度上仍然有效，開始他認為沒有必要，后來他證明一次我駁倒一次。但他仍堅持其輕蔑態(tài)度，直到他引用一本美國熱物理學的經(jīng)典教材(Siegel&Howell)中的一條證明，嚴格論證了遙感像元尺度上互易原理普適。這次他本身的證明是無懈可擊，連我的孩子都悄悄給我發(fā)Email，說：“爸，這下你慘了，該認輸就認輸吧！”為了教育孩子相信自己是對的，就不能輕易認輸，我琢磨這條Siegel&Howell證明兩天一夜，終于發(fā)現(xiàn)這條證明中存在循環(huán)論證，因而不成立。我推翻這條證明的邏輯是清楚的，說理是充分的，Snyder也駁不倒。但美國人似乎有他們自己的行事方式，他馬上打電話向Howell求救。原著者仔細聽取了我的結論后，承認我是對的，他們的證明不成立。Snyder馬上通知我此事，表示這一回合認輸。我沉浸在勝利的喜悅中不到兩天，剛好和我琢磨這個“證明”廢寢忘餐的時間差不多，“陣痛”就來了。Snyder給我發(fā)來了他投往“AppliedOptics”的論文第一稿，他毫不客氣地是第一作者，萬正明（我們Email論戰(zhàn)的證人）為第二作者，我只為第三作者，文中只提到是我“質疑”了這個定理。我氣不打一處來，但萬正明和Strahler（我們Email論戰(zhàn)的我方證人），都勸我算了，以后對這個Snyder小心些就行了，不值得再和他費力耗神爭什么。但我還是咽不下這口氣，想：“你xx的英文寫得快，老子中文也不慢?！本桶殃U述我的觀點和推翻那個證明的中文文章投往《自然科學進展》署名李小文、萬正明。后來兩篇文章均發(fā)表在1998年。經(jīng)歷了這次美式“陣痛”，此后我即不再與Snyder有任何私下討論；有爭論也公開發(fā)表，包括前面提到的98年IGARSS會議論文。尺度效應及互易原理Snyder對我們的結論提出質疑，于2002年提出BRDF互易原理是無條件成立的。下圖是Snyder引用我們的圖.WilliamC.Snyder,APPLIEDOPTICS,2002,41(21),4307-4313,Fig.3凹面鏡黑體表面凸面鏡A圖1.顯示Snyder提出的互易失效的像元結構。凹面鏡凸面鏡A圖2.Snyder用來證明互易原理無條件應用于遙感的像元結構差別等效于圖2的望遠結構WilliamC.Snyder,APPLIEDOPTICS,2002,41(21),4307-4313,Fig.3

等效于圖1的光學系統(tǒng)H.ZhaoandJ.Wang,Prog.Nat.Sci.,2004,14(3),287-288,Fig.4.Sf2Df1BlackbodybaffleCollimationlensA尺度效應與普朗克定律普朗克輻射定律已經(jīng)被未加修正地應用到陸地遙感40多年了。普朗克定律適用條件T,e0同溫,只有e空間變化：尺度不變尺度效應及普朗克定律兩步近似為自相似a1a2T1T2e1e2自然陸地表面：Ll=e·

Bl(T

)e

≈e0

+Dem

+De

(DT)像元內多次散射引起的尺度效應自相似T,e0+Dem我們修訂了像元有效發(fā)射率的定義，從而使普朗克定律能直接應用于像元尺度地溫遙感.創(chuàng)新的陣痛我們碰了普朗克定律，引發(fā)了更慘烈的陣痛，中國特色的，就不細講了。行文至此,我有些擔心讀者會認為我這樣和人討論，去說服別人，是不是太吃虧，我不這樣認為。看起來是吃了點虧，但歸根到底是有益的。比如沒有和Snyder的反復辯駁，我很可能永遠注意不到Siegel&Howell書上那一條證明，自然也就談不上去推翻它。在攀登項目內的公開討論，對整個課題組理清思路，統(tǒng)一認識，快出成果，絕對是有利的。偶爾有個別人佔點小便宜，只要不礙大局，不必計較。所以我仍然建議大家多公開討論，多交流，才能成大氣候。希望這次會議的組織者會后能順勢建立一個網(wǎng)上討論組，大家有什么定量遙感方面的問題，新的想法，都可以上網(wǎng)。

遙感反演

遙感反演最大的問題在于相比未知參數(shù)的數(shù)目,我們只有有限的信息。更進一步，我們所關心的參數(shù)往往對遙感信號不敏感。例子：大西部草原遙感，常遇到過放牧的草地和少量優(yōu)質草地，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。遙感反演LAINDVI背景草?弱信號強信號弱信號飽和遙感直接獲取的參數(shù)(NDVI)與應用參數(shù)(LAI)的非線性NDVI

遙感反演

目前國際上對地遙感反演的主流仍堅持沿用高斯的最小二乘法，堅持“定量遙感反演的必要條件是獨立觀測的個數(shù)大于未知數(shù)的個數(shù)”(簡稱“第三公設”)。遙感數(shù)據(jù)總是有限的，接受第三公設，采用最小二乘法，其結果是只能估計最敏感的少量幾個參數(shù)，而這幾個參數(shù)往往不包括應用所需的時空多變要素，導致了定量遙感與應用需求之間巨大的缺口，和普遍的悲觀情緒。遙感反演我們明確提出“對地定量遙感本質上是欠定問題”的觀點，強調必須綜合考慮未知參數(shù)的敏感性與不確定性，盡量把遙感獲取的寶貴信息分配給時空多變要素，而不是反復反演相對穩(wěn)定、相對已知的敏感因素、在低水平上重復?？鬃咏虒覀儯褐疄橹?，不知為不知，是知也。我們的反演軟件正是基于這種思想開發(fā)的。對MODISLAI產品的改進LAI產品的時空不連續(xù)性我們在中國區(qū)域內應用改進的TSF濾波算法得到了時空連續(xù)的LAI產品。對MODISLAI產品的改進對MODISLAI產品的改進MODISLAI

改進的LAI

對MODISLAI產品的改進2004065200415320042412004337

遙感實驗在資源、環(huán)境及能源3個大型的遙感實驗后，2001年3月底到4月在北京順義進行了第一次定量遙感實驗。主要研究區(qū)主要植被覆蓋為冬小麥航線重點實驗區(qū)進行了不同的水肥處理。

遙感實驗4年后，在江西山江湖地區(qū)進行了另一個小一點的實驗。主要目的是探討遙感與陸面過程模式的結合。MRLGanRiverFuXinRaoXiuRiver鄱陽湖山江湖地區(qū)總面積162,225km2，占據(jù)了江西97.2%的面積。機載多角度傳感器機載多角度多光譜成像系統(tǒng)(AMTIS)視場可見光、近紅外：20/30度熱紅外：24×18度瞬時視場可見光、近紅外：0.3/0.5mrad熱紅外：1.3mrad通道0.4~0.7mm0.7~1.0mm8~14mm觀測角度從前向45度到后向45度，等間隔分布9個觀測角中國的機載多角度高光譜傳感器機載多角度傳感器機載多角度電力巡線系統(tǒng)(AMPLI)視場33×25度瞬時視場0.37mrad通道1個全色波段觀測角天底，前向28度，后向15度機載高光譜傳感器實用型模塊化成像光譜儀(OMIS)視場70度瞬時視場3mrad0.46～1.1mm10nm/641.06～1.7mm40nm/162.0～2.5mm15nm/32

3～5mm250nm/88～12.5mm500nm/8OMIS已被用在中國、日本、馬來西亞和法國的遙感實驗中機載高光譜傳感器推掃式高光譜成像儀(PHI)PHI已被用在中國、日本、馬來西亞的航空遙感實驗中視場42度瞬時視場0.6mrad0.41～0.98mm5nm/124制冷TECooler中國對定量遙感研究高度重視1986年，國家自然科學基金委員會成立之初，就開始支持BRDF建模方面的研究?？萍疾恐С至藱C載多角度成像、陸地表面能量交換定量遙感等更多的科研項目。定量遙感，尤其是多角度高光譜遙感在中國得到重視。2001年第一個關于定量遙感理論及應用方面的973項目啟動。2003年成立了第一個遙感科學國家重點實驗室。定量遙感，尤其是多角度高光譜遙感在中國得到重視。在國家863計劃支持下，建立了“我國典型地物標準波譜知識庫”。定量遙感，尤其是多角度高光譜遙感在中國得到重視。這是一個波譜知識庫而不是傳統(tǒng)的波譜數(shù)據(jù)庫基本思路：通過積累波譜數(shù)據(jù)及相應的測量環(huán)境參數(shù)，遙感及過程模型，基本地理信息等來支持對波譜數(shù)據(jù)的應用。

明確定義：強調波譜在3個尺度的差別，即材料波譜、端元波譜和像元波譜。3個尺度波譜的區(qū)別：材料波譜、端元波譜和像元波譜

行結構冬小麥的波譜波譜知識庫提供了波譜數(shù)據(jù)的時空尺度。可以提供反演中需要的組分波譜?？梢蕴峁┮囱輩?shù)的統(tǒng)計信息?？梢蕴峁﹦討B(tài)模型參數(shù)的時變信息。中國的環(huán)境保護及減災星座在中國乃至世界范圍內，迫切需要應用遙感技術進行環(huán)境保護及減災。僅僅一顆衛(wèi)星不能滿足要求。有必要采用衛(wèi)星星座來滿足空間分辨率、回歸周期、光譜波段及分辨率、大覆蓋和全天候的要求。中國的環(huán)境保護及減災星座第一階段(2+1)2007年將發(fā)射兩顆光學衛(wèi)星： (1)HJ-1A:寬視場多光譜相機(WFC)+高光譜成像儀(HSI) (2)HJ-1B:寬視場多光譜相機(WFC)+紅外