定量遥感面临的主要问题,1。尺度问题 1) 地学中的尺度问题； 2）尺度问题与遥感科学； 3）定量遥感模型； 4）GO模型描述2。病态反演问题 1）为什么病态； 2）地学知识的积累和表达； 3）先验知识如何用于病态反演问题 3。先验知识的积累李小文，2009.6.8，中科院研究生院,1. 定量遥感中的尺度问题,1） 地学中的尺度问题 一例 全球变化的研究面向一系列重大全球性环境问题，提出了大量的关系到地球可居住性的重要科学问题，因而所涉及的范围极其广泛，具有高度综合和交叉学科研究的特点。叶笃正先生曾指出，“全球环境是一个不可分割的整体，任何区域的环境变化都要受到整体环境变化的制约，反过来，整体环境的变化又是各区域相互影响着的环境变化的综合体.”,香山科学会议第187次学术讨论会集中讨论了大气圈、水圈和生物圈之间的耦合。会上谈到水循环的状态目前能测得准的只有水文站的径流量，降水总量只能依靠少数的点测量外推，蒸发散就更惨。所以整个水循环现况不清。丑纪范院士指出：要重蒸发、重垂直、重枯水，所有这些都需要遥感。 叶笃正院士强调了陆面蒸发对大气环流的反馈，他的模拟表明，如果北纬30度全部灌溉，将严重影响气候的变化。他甚至认为更小尺度上的水的状态也能影响全球的气候模式。,但是气象、水文和生物圈究竟分别在什么尺度上彼此耦合，则没有定论。所有这一切都对遥感提出了迫切的需求。,二十年前，关于是否应该建设“三北防护林系统”，曾经有过一场学术争论，至今余波荡漾。 反方：“抽水机”理论 正方：“人类有序活动可以影响大气环流”理论注意“抽水机”理论是在点（小）尺度上绝对真实的。“蝴蝶效应”在非线性的GCM尺度上又是完全可能的。具体的可能性依赖于人类有序活动的设计与规模（尺度）。谁是谁非？现在只能看效果了。但学术争论仍在继续，并有扩大化到“主义”之争的趋势。,为荀子平反 人们常把荀子的“人定胜天”解释成“人一定能胜天”，搞成一个“主义”，胡作非为，给国家、民族带来了灾难。现在风向又变，把敬畏自然，搞成一个“主义”,狠批荀子。其实荀子说的是：人定胜天，天定胜人。人定胜天是“大天而思之，制天命而用之。”是要观察、思考、掌握自然规律，按自然规律办事，利用自然资源的意思。归根到底，老天爷还是最狠的。在两大“主义”的恶斗中，只有靠科学数据，科学方法，才能找出最好的办法。,全球变化的研究是以地球系统科学为指南的。遥感作为获取地球表面时空多变要素信息的先进方法，是地球系统科学研究的重要组成部分，是对全球变化进行动态监测的不可替代的手段。陈述彭先生指出，没有遥感，就提不出全球变化这样的科学问题。所以遥感的多尺度观测对地学本身有巨大的推动作用，就象望远镜对天文学和物理学的推动作用一样。,2）尺度问题与遥感科学 二十多年前，美国地学界爆发了一场“路线斗争”。当时的美国地理学会会长著文批评一批较年青的地理学家以计算机和遥感为技术手段，打着科学的旗号，篡改地理学作为一种描述性艺术的实质。以加洲大学圣巴巴拉分校（UCSB）为首的一批地理学家，如Simonett，Estes，Strahler，Dozier等数十人联名著文反驳，一时非常热闹。 二十年来的事实证明，凡是没有抓住遥感这一机遇的地理系，纷纷走向衰亡。,但是AAG的那位前会长也有他一定的道理，遥感不应该仅仅是高新技术的应用，而是一门新兴的综合交叉学科，牵涉到对地表的描述。 遥感科学是在地球科学与传统物理学、现代高科技基础上发展起来的交叉学科，其独特的科学问题在于：对传统地学来说，遥感要求从定性到定量描述的过渡。对传统理科来说，遥感要求在象元尺度上对局地尺度上定义的概念，总结、推导出的定律、定理的适用性进行检验和纠正，而这种纠正是与象元尺度上的地学定量描述密不可分的。正因为如此，美国地理遥感之父Simonett强调尺度问题是遥感科学的根本问题，推动NASA设立了RSSP。,“我们淹没在数据的海洋中，渴求着信息的淡水”,EOS 2000G / 天 ( 21012Bytes/天),办法1：多发卫星提高分辨率(1m)，2nm 高光谱、600波段,海量遥感数据,？,新应用需要的有效信息匮乏,供需矛盾,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,办法2：,美国议会对NASA的指责: “迄今积累的遥感数据, 有95%从来没有人看过。”,这个办法，我们暂时没有优势：(卫星、星载传感器、数据处理，牵涉到大量的经费和相当的工作积累。,从这里突破，我们有优势。,遥感数据的地学理解、定性到定量,多学科交叉,遥感在多学科交叉中的定位,遥感科学：“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。”,陈述彭,所以遥感科学是一个很大的交叉，而定量地学描述，从某种意义上，是科学和艺术的交叉。,3） 定量遥感模型,天光云影共徘徊,诺贝尔奖获得者Chandrasekhar 创立于50年代，成功应用于大气；前苏联院士J.Ross 60年代应用于植被；并 应用于土壤 、冰雪 等。所以 从70年代以来曾在遥感机理研究中一统天下。但辐射传输理论都是基于体积散射介质的水平均匀性，本质上是与象元大小无关的，尺不变的。在遥感象元尺度上，陆地表面大量呈现非均匀的复杂结构，且以表面散射为主，辐射传输理论难以给出合理解释。,辐射传输模型,对大气来说，体积散射元的近似是逼真的。虽然模型复杂一点（偏微分积分方程，无解析解），但迄今没有比RT更合适的模型。 对植被来说，Bigleaf(大叶近似)作为大气的下垫面，或者把植被处理成绿色气体（green gas） 都证明丧失了逼真性，只剩下复杂性。 对复杂地形来说，表面散射占主导地位，体积散射元的假定更难成立。,辐射传输学派及局限,比如说Kimes的三维辐射传输模型，就是对水平均匀RT模型的一种改造，以适用于森林。这需要在像元尺度上把森林所占的三维空间细分为体积散射元，例如SPOT像元10*10米，树最高10米，体积元0.1米见方，则共一百万个散射元。3DRT模型需要指定哪些是树冠，哪些为空气，然后建立偏微分积分方程并求数值解。换言之，在RT方程的框架下，逼真性的改进靠的是复杂性的增加。,辐射传输学派及局限,几何光学模型,我曾在遥感学报的一辑专刊的前言中写道： 时届中秋佳节，“明月几时有？”我国古代地理学家一千年前就提出这一问题。二向性反射的几何光学学派的回答是，只有当观察者位于“热点”方向，即背对太阳时，才能看到满月，而且看不到环形山的任何阴影，因而最明亮。 这个回答也许太简单，因为还有大气透明度的问题，日地距离，相干效应，等等，等等。但不可否认，几何光学的回答抓住了问题最核心的本质。同样的原理，我们已成功地应用于可见光、近红外波段的对地遥感，在攀登项目中又成功地推广到热红外，解释非同温像元热辐射的方向性。本期增刊的几篇文章用实测或模拟数据证实了我们温差面积的投影加同温多次散射模型的合理性。,当我写这番话时，我以为月亮的朔望，上弦下弦，这些几何光学关系是大家都清楚的。不料好几位博士、教授怀疑我满月即热点的提法。经过热烈讨论，我才弄清楚他们把新月当作月食了。不久前作者：刘茜 来源：科学时报 发布时间：2007-9-14。在一年四季之中，中秋之夜月亮是最圆、最明、最亮的。这是什么原因呢？据科学家分析，。同时，中秋正值秋分前后，太阳几乎垂直照射到月球上，月球接受的阳光最多，反射光也最强，因而中秋的月亮格外明。 看来GO模型虽然简单，科普还是需要的。 这里虽然以介绍几何光学模型为主，但并不排斥其他的模型或学派，古话说，“珠联璧合”，“相得益彰”，“君子和而不同、小人同而不和”，就是讲多样性的互补与综合，或英语里的 synergy. 说到珠联璧合，时髦的读者也许会想到珍珠项链什么的，92年版“常用成语词典”解释为：“指珍珠串在一起，美玉合在一块儿，比喻” 这是望文生义，也不算错。但其实语出汉书：“日月如合璧，五星如连珠,” 讲的是两种罕见的天文地理现象。,日月同辉不稀罕，在上弦月、下弦月时，太阳地球月亮成直角，我们常常可以看到。但日月合璧就难得一见了。日月合璧指的是太阳和月亮重叠在一起，而又不是日食它们一道放射光华。有人也许认为这种罕见现象是对几何光学模型的挑战。但其实我相信只有几何光学模型（加上大气分层模型）才能解释这种目前据说只能在东南沿海十月朔日、天朗气清时才能看到的日月同升现象。不过要验证这种解释就比较困难，需要在指定时刻，指定地点，测太阳/月亮的直射光谱，放探空气球，但也不是办不到的。,几何光学（GO）模型明显的优势就是解释阴影、表面反射，简单、直截了当。辐射传输（RT）模型明显的优势则在液体和气体的体散射，出发点就在微分体积元的能量守恒。RT模型的问题在于太复杂，出发点就左微右积。RT学派腹诽GO模型主要有两条：1）太简单，不 像学问高深的样子；2）不满足能量守恒定律。既然是腹诽，你怎么知道？因为有学GO的学生转学RT的；也有学RT的学生论文让我审的。说GO模型不满足能量守恒定律，纯属误解；它在微观和宏观两个层次上均满足能量守恒定律，只是没有必要在方程里表示出来。就像我们吃饭，饿了就吃，没有必要先宣布为了能量守恒，现在开始吃饭一个道理。相反RT模型，由于没有解析解，宏观上只能近似满足能量守恒定律。这里我顺便讲一讲模型的简单性原则。,模型的简单性原则： 我们这里所谓模型就是对真实世界（事物、过程。）的数学描述，英文原意就是模特儿（model）在其他领域，模型可能是模范的意思，这里排除不讲。英国Kirk W. Junker教授有一次问他班上的大学生，“时装模特与碳分子模型有什么共同之处”？一位同学回答说：都像牙签。这样回答的原因是：时装模特瘦得像牙签，回答问题的这个学生上小学时见到的分子模型是用牙签和小球做成的。当然，Kirk教授所期望的“正确”答案的意思是：原来的科学模型意在“描述”（Describe）现存的世界；时装模特并非典型的普通人，其时装的作用是“规范性的”，想领导服装新潮流的，是对我们的外貌、打扮应该什么样的一种“范例”（Prescribe）。由于用同一个词既可以表示“描述”，又可以表示“范例”，使得科学家可以去构造一些与过去的模型不同的模型，然后去寻找类似于这个模型的世界，而不是仅仅做一个类似现实世界的模型。从这个意义上说，时装模特与碳分子模型的作用是共同的。(Kirk W. Junker，Futures, 2002 34（910）：895905)） 引自http:/www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=40261，有改动,模型的简单性原则（续）：高度逼真 马虎 （逼真性）复杂 简单 （复杂性）真人模特塑料模特 稻草人 （例）推销时装 赶麻雀（用途）讨论模型的简单性，首先要明确建模的目的。用途不同，上面从名模到稻草人都可能是合理的。要赶麻雀，用真人模特就极不合理。但不懂这个道理，我自己就还真干过，后果严重。五十年代除四害，就发动群众，人海战术赶麻雀，想让麻雀无落脚之地。据说真有麻雀累坏了，飞着飞着就掉下来的，但总体来说，后果严重。这个例子，主要是从成本来考虑的。不考虑成本，单从科学的角度，模型的简单性原则也要求：,模型的简单性原则（续）：同样逼真、同样普适的情况下，模型越简单越好。或者换一个表述，即著名的“奥卡姆剃刀”：如无必要，勿增实体。多余的东西、统统刮掉。对建模来讲，这里实体包括：假设，参数，运算的复杂性等等。600多年以来，从哥白尼的日心说，到牛顿的万有引力，到爱因斯坦的相对论，简单性原则已经取得巨大成功，成为重要的科学理念。要解释昼夜，解释时差，地心说就够了。但是地心说解释五大行星的运动，就复杂到连张衡，诸葛亮都头疼。而日心说给了日月五大行星在天穹上的运动一个简单而准确的描述，从而推动了整个自然科学的发展。哥白尼的成功，我们往往过多强调了科学对神学革命的一面，忽略了简单性原则成功的一面。,