定量遥感面临的问题

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

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。

“我们淹没在在数据的海洋洋中，渴求着着信息的淡水水”EOS2000G/天(2×1012Bytes/天)办法1：多发卫星提高分辨率(1m)，2nm高光光谱、600波段海量遥感数据据？新应用需要的的有效信息匮匮乏供需矛盾目前遥感的基基础理论很不不成熟，缺乏乏对遥感数据据的地学理解解办法2：美国议会对NASA的指指责:“迄迄今积累的遥遥感数据,有有95%从从来没有人看看过。”这个办法，我我们暂时没有有优势：(卫卫星、星载传传感器、数据据处理…，牵牵涉到大量的的经费和相当当的工作积累累。从这里突破，，我们有优势势。遥感数据的地学理解、定定性到定量多学科交叉基础科学、应用基础科学定量地学描述遥感科学定量遥感

高新技术(传感器、遥感平台设计制造)遥感：高新技术驱动的对地观测的一场革命观测时空尺度

物理学定律、定理

数学生态学化学计算机科学

国民经济持续发展，社会需求，环境保护，全球变化，减灾防灾尺度效应分形、分维...反演、优化...遥感在多学科科交叉中的定定位遥感科学：““一门综合性性的科学，它它借助物理学学的基础，数数学的方法，，计算机的手手段，以及地地学、生物学学的分析，解解决对地遥感感的科学理论论和实际问题题。”——陈述彭———所以遥感科学学是一个很大大的交叉，而而定量地学描述，从某种意义义上，是科学和艺术术的交叉。3）定量量遥感模型天光云影共徘徘徊诺贝尔奖获得得者Chandrasekhar创立立于50年代代，成功应用用于大气；前前苏联院士J.Ross60年代代应用于植被被；并应用于土壤、、冰雪等等。所以从从70年代以以来曾在遥感感机理研究中中一统天下。。但辐射传输输理论都是基基于体积散射射介质的水平平均匀性，本本质上是与象象元大小无关关的，尺不变变的。在遥感象元尺尺度上，陆地地表面大量呈呈现非均匀的的复杂结构，，且以表面散散射为主，辐射传输理论论难以给出合合理解释。辐射传输模型型微分体散射元水平均匀体散射介质垂直方向允许介质的密度、性质有变化固体地球表面—>下垫面边界条件对大气来说，，体积散射元元的近似是逼逼真的。虽然然模型复杂一一点（偏微分分—积分方方程，，无解解析解解），，但迄迄今没没有比比RT更合合适的的模型型。对植被被来说说，Bigleaf(大大叶近近似)作为为大气气的下下垫面面，或或者把把植被被处理理成绿绿色气气体（（greengas））都都证明明丧失失了逼逼真性性，只只剩下下复杂杂性。。对复杂杂地形形来说说，表表面散散射占占主导导地位位，体体积散散射元元的假假定更更难成成立。。辐射射传传输输学学派派及及局局限限比如如说说Kimes的的三三维维辐辐射射传传输输模模型型，，就就是是对对水水平平均均匀匀RT模模型型的的一一种种改改造造，，以以适适用用于于森森林林。。这这需需要要在在像像元元尺尺度度上上把把森森林林所所占占的的三三维维空空间间细细分分为为体体积积散散射射元元，，例例如如SPOT像像元元10*10米米，，树树最最高高10米米，，体体积积元元0.1米米见见方方，，则则共共一一百百万万个个散散射射元元。。3DRT模模型型需需要要指指定定哪哪些些是是树树冠冠，，哪哪些些为为空空气气，，然然后后建建立立偏偏微微分分—积分方程程并求数数值解。。换言之之，在RT方程程的框架架下，逼逼真性的的改进靠靠的是复复杂性的的增加。。辐射传输输学派及及局限几何光学学模型我曾在《《遥感学学报》的的一辑专专刊的前前言中写写道：时届中秋秋佳节，，“明月月几时有有？”我我国古代代地理学学家一千千年前就就提出这这一问题题。二向向性反射射的几何何光学学学派的回回答是，，只有当当观察者者位于““热点””方向，，即背对对太阳时时，才能能看到满满月，而而且看不不到环形形山的任任何阴影影，因而而最明亮亮。这个回答答也许太太简单，，因为还还有大气气透明度度的问题题，日地地距离，，相干效效应，等等等，等等等。但但不可否否认，几几何光学学的回答答抓住了了问题最最核心的的本质。。同样的的原理，，我们已已成功地地应用于于可见光光、近红红外波段段的对地地遥感，，在攀登登项目中中又成功功地推广广到热红红外，解解释非同同温像元元热辐射射的方向向性。本本期增刊刊的几篇篇文章用用实测或或模拟数数据证实实了我们们温差面面积的投投影加同同温多次次散射模模型的合合理性。。当我写这这番话时时，我以以为月亮亮的朔望望，上弦弦下弦，，这些几几何光学学关系是是大家都清楚楚的。不不料好几几位博士士、教授授怀疑我我满月即即热点的的提法。。经过热热烈讨论，，我才弄弄清楚他他们把新新月当作作月食了了。不久久前－作者：刘刘茜来来源：科学时报报发布布时间：：2007-9-14。。。。在一年年四季之之中，中中秋之夜夜月亮是是最圆、、最明、最亮亮的。这这是什么么原因呢呢？据科科学家分分析，。。。。。。。。同同时，中中秋正值值秋分前后，太太阳几乎乎垂直照照射到月月球上，，月球接接受的阳阳光最多多，反射射光也最最强，因因而中秋的月亮格外外明。看来GO模型型虽然简单，，科普还是需需要的。这里虽然以介介绍几何光学学模型为主，，但并不排斥斥其他的模型型或学派，古古话说，“珠联联璧合”，““相得益彰””，“君子和和而不同、小小人同而不和和”，就是讲讲多样性的互补补与综合，或或英语里的synergy.说说到珠联璧合合，时髦的读读者也许会想到珍珠珠项链什么的的，92年版版“常用成语语词典”解释释为：“指珍珍珠串在一起，美玉合在在一块儿，比比喻…”这这是望文生义义，也不算错错。但其实语语出汉书：“日月如如合璧，五星星如连珠,””讲的是两两种罕见的天天文地理现象象。日月同辉不稀稀罕，在上弦弦月、下弦月月时，太阳——地球—月亮亮成直角，我我们常常可以以看到。但日日月合璧就难难得一见了。。日月合璧指指的是太阳和和月亮重叠在在一起，而又又不是日食———它们一道道放射光华。。有人也许认认为这种罕见见现象是对几几何光学模型型的挑战。但但其实我相信信只有几何光光学模型（加加上大气分层层模型）才能能解释这种目目前据说只能能在东南沿海海十月朔日、、天朗气清时时才能看到的的日月同升现现象。不过要要验证这种解解释就比较困困难，需要在在指定时刻，，指定地点，，测太阳/月月亮的直射光光谱，放探空空气球，但也也不是办不到到的。几何光学（GO）模型明明显的优势就就是解释阴影影、表面反射射，简单、直直截了当。辐射传输（RT）模型明明显的优势则则在液体和气气体的体散射射，出发点就就在微分体积积元的能量守守恒。RT模型的问问题在于太复复杂，出发点点就左微右积积。RT学派腹诽诽GO模型主主要有两条：：1）太简单单，不像像学问高深深的样子；2）不满足能能量守恒定律律。既然是腹诽，，你怎么知道道？因为有学学GO的学生生转学RT的的；也有学RT的学生论论文让我审的。说说GO模型不不满足能量守守恒定律，纯纯属误解；它它在微观和宏宏观两个层次上均满足能能量守恒定律律，只是没有有必要在方程程里表示出来来。就像我们们吃饭，饿了就吃，没没有必要先宣宣布为了能量量守恒，现在在开始吃饭一一个道理。相相反RT模型，由于没有有解析解，宏宏观上只能近近似满足能量量守恒定律。。这里我顺便讲讲一讲模型的的简单性原则则。模型的简单性性原则（续））：高度逼真－－－－－－－－－－－－－－－－马虎（（逼真性））复杂－－－－－－－－－－－－－－－－－简单单（复杂性性）真人模特－塑塑料模特－－－－－－－－－－稻草人人（例））推销时装－－－－－－－－－－－－－－－－赶麻雀雀（用途）讨论模型的简简单性，首先先要明确建模模的目的。用用途不同，上面从名模到到稻草人都可可能是合理的的。要赶麻雀雀，用真人模特就极不合合理。但不懂懂这个道理，，我自己就还还真干过，后果严重。五十年代除四四害，就发动动群众，人海海战术赶麻雀，想让麻雀雀无落脚之地地。据说真有有麻雀累坏了了，飞着飞着着就掉下来的，，但总体来说说，后果严重重。这个例子子，主要是从从成本来考虑的的。不考虑成成本，单从科科学的角度，，模型的简单单性原则也要求求：模型的简单性性原则（续））：同样逼真、同同样普适的情情况下，模型型越简单越好好。或者换一个表表述，即著名名的“奥卡姆剃刀”：如无必要，勿勿增实体。－－多余的东西、、统统刮掉。。对建模来讲，，这里实体包包括：假设，，参数，运算算的复杂性等等等。600多年以来，从哥哥白尼的日心心说，到牛顿顿的万有引力力，到爱因斯斯坦的相对论，简单性原原则已经取得得巨大成功，，成为重要的的科学理念。。要解释昼夜夜，解释时时差，地心心说就够了了。但是地地心说解释释五大行星星的运动，就复复杂到连张张衡，诸葛葛亮都头疼疼。而日心说给给了日月五五大行星在在天穹上的运运动一个简简单而准确确的描述，，从而推动动了整个自自然科学的的发展。哥白尼的成成功，我们们往往过多多强调了科科学对神学学革命的一一面，忽略略了简单性原原则成功的的一面。模型的简单单性原则（（续）：这有时会闹闹出笑话来来。比如最最近有人批批判地质学学，说它整整个建立在在地心说的的错误基础础上。又如如我遇到过过10来个个地理学博博士（生）），要参加加国际会议议，算时差差，脑袋自自转来、自自转去，想想不清楚。。我只好告告诉他们，，要解释时时差，地心心说实在就就够了。这这不算反革革命，只是是模型的简简单性、实实用性。要追求模型型的简单性性，重要的的手段是变变换。往往往很简单的的变换，就就把很复杂杂的问题搞搞得非常简简单。最著著名的例子子，当然还还是日心说说，一个坐坐标系的平平移变换，，就搞定。。复杂一些些的例子，，比如Fourier变换，，把千变万万化的波形形，用基波波和谐波来来描述。注注意这两种种著名的例例子，都开开始于纯粹粹的数学简简单化，而而这种简单单化的物理理机制，是是在数学模模型简单化化之后才逐逐步清晰起起来的。人人们在日常常生活中，，也常常用用变换来简简化问题。。民间故事事里讲：模型的简单单性原则（（续）：一个小姑娘娘，后妈和和她过不去去。后妈出出门去玩，，要她留在在家里数清楚家家里的米，，一共有多多少粒。后后妈回来时时，小姑娘娘已经数清了。。后妈不信信，要打人人。家族长长辈来干预预，看这小小姑娘怎么数的的。结果她她先数一千千粒，称重重。再称家家里米的总总重，算出来来的。后妈妈还不服气气，说你这这样，误差差多大？没没有满足我要的的“多少粒粒”的要求求。长辈生生气了，说说，那你自自己来数，看她的的误差有多多大。注意意这里的变变换，牵涉涉到自然数数域到重量域的的变换，以以及反变换换，也牵涉涉到后妈的的误差分析析的问题,这这是一个关关键性的问问题。行业业就是遥感感的后妈。。我强调模型型的简单性性原则，有有同学不服服。说李老老师你知识识老化了了。。是是的的，，现现在在复复杂杂性性科科学学很很热热门门。。所所以以有有哲哲学学家家开开始始批批判““简简单单性性原原则则””。。模型型的的简简单单性性原原则则（（续续））：：天下下事事，，了了亦亦未未了了，，何何妨妨不不了了了了之之。。世外外人人，，法法无无定定法法，，乃乃知知非非法法法法也也。。这副副对对联联，，不不少少寺寺庙庙都都有有，，版版本本略略异异。。好好像像以以武武汉汉的的最最有有名名。。对对联联本本身身是是出出世世的的，，我我特特喜喜欢欢那那种种历历尽尽苍苍桑桑的的浩浩叹叹。。年年青青人人，，不不宜宜出出世世，，但但搞搞科科研研，，也也许许可可以以从从中中得得到到一一些些启启发发。。比比如如去去年年一一期期科科技技导导报报卷卷首首语语中中，，朵朵英英贤贤院院士士就就用用““法法无无定定法法、、道道法法自自然然””八八个个字字来来勉勉励励年年青青人人在在科科研研中中锐锐意意创创新新。。前前边边希希望望同同学学们们多多学学习习一一下下““复复杂杂性性科科学学””，，更更好好理理解解其其与与““简简单单性性原原则则””之之间间的的关关系系，，这这二二者者之之间间并并不不矛矛盾盾。。模型的的简单单性原原则（（续））：哲学家家们有有一篇篇《““简单单性原原则””批判判》，，开宗宗明义，，就指指出：：“在科科学的的美学学准则则中，，最重重要的的一条条是简简单性性原则则。哥哥白尼尼、牛牛顿、、爱因因斯坦坦、海海森堡堡等科科学家家就是是应用用简单单性原原则，，创立立了他他们各各自的的理论论，取取得了了卓越越的成成就，，从从而也也使得得他们们和其其他很很多科科学家家把简简单性性原则则当作作是正正确的的，并并被广广泛应应用到到对自自然的的认识识中，，当作作构建建、评评价和和选择择科学学理论论的一一个重重要原原则””。换言之之尽管管哥白白尼以以来的的科学学实践践证明明了简简单性性原则则是正正确的的，但但是未未经哲哲学家家证明明，只只能是是你们们把它它“当当作是是正确确的””。接接着，，作者者指出出：““实际际上，，简单单性原原则是是否正正确取取决于于对下下列一一系列列问题题的回回答。。自然然界的的本质质是简简单的的吗？？”科学技技术的的哲学学反思思,作作者：吴吴彤,蒋蒋劲松松-2004-Philosophy-377页页模型的简简单性原原则（续续）：由于简单单性原则则并不假假定自然然界的本本质是简简单的，，后边一一大段就就不引用用了。作者者接着指指出：“自然界界的本质质并非是是简单的的，而是是复杂的的，具有有复杂性性的特征征，具体体体现在：：多连通通性、分分形特征征（自嵌嵌套）、、非集中中控制性性、不稳稳定性、、涌现性、、自组织织性、分分化、多多样化和和进化能能力等。。。。。。。既然然如此，，在对自然然的认识识过程中中是否还还能够遵遵循简单单性原则则呢？答答案是能能够应应用。其理理由一是是自然的的复杂性性是由自自然的简简单性演演化而来来的，自自然界中中存在简单单性现象象；二是是在对复复杂性现现象的认认识过程程中也要要用到简简单性原原则，这对对于我们们有效地地认识复复杂性的的自然现现象有很很大帮助助”。这应该算算虚招吧吧。但总总算亮出出了“复复杂性现现象”的的一系列列宝贝。。模型的简简单性原原则（续续）：“但是，，可以用用到简单单性原则则并不意意味着我我们在认认识复杂杂性现象象的过程程中都能能够用简简单性原原则”。。这一招的的命门在在“可以以用”和和“都能能够用””之间，，漏掉““应该用用”－－这好好像是原原则之所所以为原原则。“经典科科学的认认识史表表明，过过去人们们在对自自然的认认识过程程中，把把自然界界中的的模糊性性约化为为了精确确性，把把非线性性当成了了线性、、把非周周期性简简化成了了线性、、把分形形当作了了整形。。从而，，在简化化自然的的过程中中，获得得了对自自然的简简单化的的、不正正确的认认识””。这一招直直指“简简化”。。定义““简化””＝“简简单化的的、不正正确的认认识””，隐含含一个无无穷高的的精度要要求。模型的简简单性原原则（续续）：“复杂性性科学的的认识史史表明，，自然界界中的复复杂性是是不可以以还原为为简单性性的，复复杂性不不是简单单性的线线性组合合，更不不可能被被简单性性所覆盖盖。对于于复杂性性现象应应该把它它当作作复杂性性来处理理。在对对自然界界中的复复杂现象象进行研研究时，，应该从从简单走走向复杂杂，从线线性走向向非线性性、用一一种复杂杂性的思思维代替替简单性性的思维维，以获获得对自自然界的的完整整准确的的认识。。尽管在在这样的的过程中中，可以以用到简简单性原原则，但但是，简简单性原原则的应应用应该该以不损损害科学学认识的的正确性性为原则则。况且且，有时时用简单单性科学学方法建建立的模模型去去描述往往往显得得繁难而而无效，，用复杂杂性科学学方法建建立的模模型去描描述反而而显得简简单而有有效”。。这里有一一系列的的概念错错位。但但最后一一句算到到位了：：复杂性性科学方方法，正正是按照照简单性性原则，，追求产产生复杂杂现象的的简单规规律或规规则。所所以复杂杂性科学学并不是是哲学家家们用来来批判简简单性原原则的合合适武器器。但是，““对自然然界的完完整准确确的认识识”怎么么办呢？？那是哲哲学家们们的事。。天下事，，了亦不不了，何何妨不了了了之。。模型的简简单性原原则（续续）：公理1：：任何事事物都需需要某个个地方、、某个时时间来存存在并不不断变化化。公理2：：地表上上任何事事物的存存在和变变化，总总和其它它事物有有关系。。定理1：：人们的的存在和和发展，，离不开开所处时时空的地地理资源源环境。。公理3：：事物的的定义和和分类对对于人类类的理解解是必要要的，但但因为是是人为的的，因而而是可变变的。公理4：：不同距距离观察察，事物物就呈现现出不同同面貌。。RTvs.GO模型（续）辐射传输（RT）模型在大气遥感中取得了巨大的成功。1960年代以来用于陆表遥感，成为主流学派，但遇到较大的困难。原因：陆表不是气体，其三维结构投射阴影。二十多年来Li－Strahler几何光学模型逐步发展，已成系列：

Li-Strahler模型系列SCI引用次数

经检索，1991-2007年间，陆表遥感模型SCI引用次数最高三篇论文为：(1)Myneni，93：193次；(2)Roujean，92：162次；(3)Li，92：155次。分别为RT、GO－RT混合（GORT）、和GO模型。分析最高三十篇，基本也是三分天下的格局。

至此我们可以认为GO模型已成功进入了陆表遥感的主流。发表年检索年19851986198819921995199920012000107772479380－200211379279650702007---155802017GO模型型能简单单、方便便地解释释复杂地地表反射射的方向向性，因因而是多角度度遥感的的理论基基础，也也是多角角度与其其它遥感感手段协协同的理论论基础。。这里简简单介绍绍一下地地表反射射的方向向性－－古人早就就注意到到了初春春的草地地，越远远越绿，，例如：：青青河畔畔草，绵绵绵思远远道。（（古诗十十九首））草色遥看看近却无无。（韩韩愈）离恨恰如如春草，，更行更更远还生生。（李李后主））大家知道道，作科科研的第第一步，，就是观观察。第第二步是是解释。。这三位位诗人都观察到到了同样样的现象象，作了了优美的的描述。。但他们们的下一一步各不不相同：：青青河畔畔草，女女诗人马马上跑题题，开始始想她出出远门的的老公去去了。韩愈老师师观察就就更科学学，不但但远观，，而且锁锁定目标标，跑近近了再仔仔细观察，作出出了多角角度遥感感发展史史上的第第一个对对比记录录。李后主，，缺了韩韩老师这这一步，，就给出出“LAI越远远越大””的解释释，显然然没有说服力力。我们今天天，当然然很容易易用GO模型来来解释韩韩老师观观察到的的现象，，并且有有普适性。。草色遥看看近却无无近看遥看Li-Strahler创立立的几何何光学模模型系列列，主要要考虑地地物的宏观几何何结构，在解释复复杂地表表的反射射特征时时有其简简单、明明晰的优优势。也有人试试图改造造辐射传传输理论论，去描描述象元元尺度上上三维空空间的宏宏观结构构，这就就象用一一把小螺螺丝刀横横过来拧拧一个大大的螺钉钉。不同同的遥感感理论（（辐射传传输、矢矢量辐射射传输、、波解析析、几何何光学等等）就象象一个工工具箱，，里面有有大小不不同的螺螺丝刀，，关键就就是如何何选出一一把合适适的来，，几何光学模模型就是解解释象元尺尺度上复杂杂地表的合合适工具。。4）几何光光学模型描描述定量遥遥感尺度效效应为什么我们们跑那么大大老远到卫卫星上观察察地球表面面，反而比比我们在地地上“眼见见为实”竟竟然还有优优势呢？这这里牵涉到到一个尺度问题。不同的自然然现象有不不同的最佳观测距距离和尺度，并不一定是是距离越近近越好，观观测越细微微越好。18世纪英英国斯威夫夫特用一个个例子形象象地说明这这一点。他他假定从非非常近的距距离，用很很高的分辨辨率来看一一个美女。。观察者在在这位美女女的脸上从从一个毛孔孔观察到另另一个毛孔孔，辛苦观观测的结果果和整体的的“美”全全不相干。。我国古代代学者更早早几百年也也认识到了了这个观察察尺度和距距离的问题题。他们以以庐山为例例：在山里里实地积累累的大量观观察，“远远近高低各各不同”，，对认识庐庐山的全貌貌却很少有有所帮助。。这并不是是否定系统统的高精度度的实地观观测，而是是说明需要要适当的距离和比例尺，才能有效效、完整地地观察。横看成岭侧侧成峰远近高低各各不同不识庐山真真面目只缘身在此此山中------苏东坡论尺尺度效应尽管人们早早就认识到到这种最佳观测距距离的必要性，，甚至幻想想从外层空空间来取得得大地与海海洋的图像像（“遥望齐州九九点烟，一一泓海水杯杯中泻”）。只是是在遥感技技术自本世世纪60年年代蓬勃崛崛起之后，，人类才真真正实现了了从微观到到宏观、从从静态到动动态对大地地进行观测测这一飞跃跃，实现了了对很多大大规模自然然现象的预预测和预报报，开始了了人类认识识自己生存存环境的新新纪元。对海岸线长长度的测量量问题是地地学描述中中尺度效应应最典型的的例子。对这一测测量值尺度度效应的研研究，在70年代中中期启发形形成了分形形理论和分分数维这样样全新的数数学概念，，并进而发发展成为分分形几何。。遥感科学学中尺度效效应的研究究更为困难难，在陆地地遥感中，，不同地物物光学性质质的尺度效效应很少得得到研究，，分形几何何的应用几几乎没有超超出计算机机模拟的范范围。尺度效应：：不同分辨率率遥感图像像之间关系系：观点点1：：简简单单平平均均，，没没什什么么好好研研究究的的观点点2：：不不是是简简单单平平均均。。取取决决于于地地表表状状况况，，目目标标（（地地学学））参参数数的的性质质————我们们的的观观点点。尺度效应不是是一个新的概概念，但定量地学描述述是地学与其它它学科交叉的基础，是遥感科学的关关键。国外的尺度效效应研究基本本上仍停留在不同尺度上同同一种量的线线性或非线性性关系的经验研究水平平上，我们用几何光学模型型来解释不同尺度上量的内涵的变变化，量的性质的改改变，以及物理定律的适适用性。二十年前，普普遍流行一个个误解，就是是：如果象元元内所有元素素都是各向同同性的漫反射射表面，则象象元一定也是是漫反射表面面。由于已经经观察到大量量地表象元的的非漫反射特特性，所以大大量研究都致致力于表面元元素的非漫反反射特性。尺度效应(例1)——象元的漫反射射性Aa1(qv)qva2(qv)=1-a1(qv)A为谷顶部，一个象元大小我们用一个简简单的几何光光学模型说明明了象元的非漫反反射特性主要要是象元尺度度上地表的三三维结构决定定的，从而奠定了了李小文—Strahler几何光学模型型系列的基础。互易原理是电电磁学、光学学的基本假设设之一，是辐辐射传输理论论的基石，曾曾被当作检验验遥感数据质质量的标准，，受到测量界界的强烈反对对，争论长达达20年。我我们给出了象象元尺度上互互易原理失效效的条件：在象元尺度上上，空间均匀匀的入照产生生空间不均匀匀的反射，且且明暗两区之之间串线不对对称，则互易易原理在象元元尺度上失效效。凹面镜黑体表面凸面镜A我们用用一个个简单单几何何光学学模型型说明明上述述条件件，在在IGARSS会议议上发发表后后引起起轰动动，普普遍认认为解解决了了这二二十年年的争争论。。像元互互易原原理适适用性性的争争论主要是是在地地学测测量界界和物物理学学家之之间壁壁垒分分明进进行。。前者者如Kimes,Kriebel,早早就观观察到到互易易原理理的““视在在失效效”，，后者者如Snyder,Wanner等等则坚坚持互互易原原理是是物理理学的的基本本假设设之一一，可可以用用来衡衡量数数据质质量。。作为电讯工工程本科生生，我早在在85年使使用Kimes的经经典数据时时就发现其其不满足互互易原理。。Kimes坚持不不是由于测测量误差引引起的。我我当时存疑疑，直到十十二年以后后才发现了了沟通二者者的桥梁。。这说明，两大学科的的冲突和挑挑战同时也给我我们带来新新发现的机遇。在99年IGARSS论文发发表之后，，Snyder仍坚坚持像元尺尺度上互易易性原理是是无条件适适用的WilliamC.Snyder,APPLIEDOPTICS,2002,41(21),4307-4313,Fig.3凹面镜凸面镜Fig.2Sf2Df1ThetelescopestructureequivalenttoFig.2.FromWilliamC.Snyder,APPLIEDOPTICS,2002,41(21),4307-4313,Fig.3BlackbodybaffleCollimationlensATheopticssystemequivalenttoFig.1.FromH.ZhaoandJ.Wang,Prog.Nat.Sci.,2004,14(3),287-288,Fig.4.顺便回到模模型的简单单性。我在在Lix谷谷里，加上上黑体，就是要要简化问题题，避免左左边坡的反反射把问题题复杂化。但Snyder为了引引进他的微微分方程，，把问题复复杂化，不不惜冒““学术不不端”的的风险，，强行给给我取掉掉。这种在争争论中把把问题复复杂化来来闪避失失败的方方法，英英文里就叫叫：Ifyoucan’tconvince,trytoconfuse.同样，在在我自己己30年年的学术术生涯中中，我注注意到很很多垃圾论论文的一一个共同同特点，，就是在在保持结结果合理理的情况下下，把问问题复杂杂化，让让评委或或老师没没有时间间或耐心细细看求解解的过程程，只好好让其过过关。普朗克定定律适用用条件：：T,e0同温,只只有e空间变化化：尺度不变变尺度效应应(例3)——普朗克定定律40年来来普朗克定定律一直直未经修修正直接接应用到到对地遥遥感，这这是地温温遥感精精度上不不去的根根本原因因之一，，现我们们将它修修正到遥遥感象元元的尺度度。普朗克定定律是人人类科学学史上最最伟大的的成果之之一，是是现代物物理学的的基石，，但它也也不是““放之四四海而皆皆准”的的绝对真真理，在在对地遥遥感中的的直接应应用，要要求一定定的条件件：但目前的的修正，，受制于于缺乏理理想的地学描述述手段，需需要象元元平均材料料发射率率、二向向反射比比、平均均温度、、组份温温度方差差、组份份温度与与组份材材料发射射率的协协方差等等统计量。。复杂性性减低实实用性，，我们正正继续努努力寻找找更简练练的景观特征征参数化化手段。两步近似似为自相相似a1a2T1T2e1e2自然陆地表面面：Ll=e·

Bl(T

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)象元内多次散散射引起的尺尺度效应：自相似T,e0+Dem

我们通过修正“象元平均有效发射率”e的内涵，使普朗克定律能直接应用于象元尺度地温遥感的。时间尺度效应应一例（例4）在我们前一个个973，我我们着重瞬间遥感定量反演。但光搞搞瞬间、搞二二维还不行。。例如，通量量观测经常不不闭合，即地地表系统能量量输入（Rn)不等于系系统能量输出出（H＋LE＋G）。为为什么呢？可可能的原因很很多，其中之之一是忽略了了系统的热容容和炭汇。Rn是瞬间间通量输入，，地表被加热热以后，热空空气（H）、、水蒸汽（LE），比较较快（分钟级级）就带走一一部分热量。。但土壤通量量G一般是在在地下若干厘厘米测的，时时间响应比Rn迟小时级级。其间有植植被和土壤表表层的升温和和传导的过程程。土壤还比比较好纠正，，有植被就麻麻烦了。其热热传导，储存存与释放的过过程很难建模模。炭汇更是是长时间过程程。所以世界界先进水平闭闭合率也就80％左右。。时间尺度效应应一例（例4,续））如果我们有大大面积、长时间序列、昼夜连续的的长、短波遥遥感观测，有有主、被动协协同反演的三三维植被结构和温温度梯度遥感观测，有有地面站的土壤的升、、降温和传导导过程知识，，我们应该能能让植被的通通量遥感闭合合率接近世界界地面通量观观测的领先水水平，使我们们的通量遥感感的结果令人人信服。尺度效应———小结尺度效应不是是一个新的概概念，但定量地学描述述是地学与其它它学科交叉的基础，是遥感科学的关关键。国外的尺度效效应研究基本本上仍停留在在不同尺度上上同一种量的的线性或非线线性关系的经经验研究水平平上，我们用用几何光学模模型来解释不不同尺度上量量的内涵的变变化，量的性性质的改变，，以及物理定定律的适用性性。中科院外籍院院士、美国两两院院士Dickinson（2005）指指出“李小小文等给出了了一些遥感中中有关尺度效效应的示例……直到近来我我才意识到尺尺度效应对于于这个领域(气候模拟)内的成功（（或它的不足足）是极其重重要的。”2。病态反反演问题1）为什么么“病态”？定量遥感的反反演问题，简言之，就就是根据观测信息息和前向物理理模型，求解解或推算描述述地面实况的的应用参数(或目标参数数)。而定量遥感反演演的困难，在于应用参数往往往不是控制遥遥感信息的主主导因子，或者说是非非敏感参数，，只能为遥感感信息提供弱弱信号。例子：大西部草原遥遥感，常遇到过放放牧的草地和和少量优质草草地，定性分分类非常容易易，但要估算算其生物量(如叶面积指指数)，就非非常困难。LAI（叶面积指数）NDVI背景草?弱信号强信号弱信号饱和遥感直接获获取的参数数(NDVI)与应应用参数(LAI)的非线性性提供NDVI前边讲的是是最简单的的病态反演演的例子。。在真实的的对地遥感感中，问题题远为严重重。遥感系系统从垂直方向向来说，光光线（电磁波））穿越大气、、植被，到到达土壤，，再反射穿穿越植被、、穿越大气气，达到卫卫星传感器器。影响这这一过程的的因素，数数不胜数。。我们可以以用明代一一位诗人观观察到的现现象来作一一个简单的的说明：夕阳方照桃桃花坞柳絮飞来片片片红大家一般的的先验知识识认为柳絮絮是白的，，为什么诗诗人观察到到柳絮是红红的呢？诗人人作作了了解解释释：：1、、夕阳阳———光穿穿越越大大气气的的光光学学路路径径较较长长，，短短波波段段散散射射严严重重，，直直射射光光偏偏红红，，所所以以“夕阳阳红红”，，““残阳阳如如血血”。。2、、下垫垫面面———桃花花坞坞，““灼灼灼桃桃花花”盛开开，不是是一一个个大大叶叶模模型型的的下下垫垫面面，，而而是是一一个个红色色的的下下垫垫面面，反射射光光偏偏红红。3、、气溶溶胶胶———柳絮絮本本身身是是全波波谱谱反反射射，此时时反射射夕夕阳阳红红，反射射桃桃花花红红，柳絮絮成成了了片片片红红。当然然这这只只是是一一个个简简单单的的定性性模模型型，但我我们们可可以以看看出出影响响遥遥感感信信息息产产生生过过程程的的主主要要因因素素之之多多。从水水平平方方向向上上来来说说，陆陆地地表表面面在在遥遥感感像像元元尺尺度度上上几几乎乎总总是是混合合像像元元。大大家家也也许许认认为为大戈戈壁壁或沙漠漠可以以认认为为是是“纯纯””像像元元，但但其其实实也也包包含含砾石石的的阴阴影影。我我在在沙沙漠漠上上实实测测砾砾石石的的承照照面面和和背背阴阴面面，，温温差差大大约约10摄摄氏氏度度以以上上。。对1公公里里像像元元尺尺度度来来说说，，地地形形的的起起伏伏常常常常不不可可忽忽略略。。所有这这些，，使遥遥感定定量反反演命命中注注定是是一个个病态态反演演。又如水水质（（溶解解成分分）遥遥感，，需要要的信信息主主要来来自水水体散散射的的离水水出射射部分分。但但是遥遥感器器接收收到的的信号号主要要是水水面的的镜面面反射射，水水底或或水中中悬浮浮物的的反射射。真真正有有用的的信息息，弱弱得可可怜。。天光云云影共共徘徊徊为什么么我用用“病病态反反演””这个个词？？很多弟弟兄们们不喜喜欢这这个词词，以以为是是我杜杜撰的的，又又不吉吉利。。所以以得介介绍一一下我我怎么学到到这个个词的的。在中学学的时时候，，大家家都知知道，，线性性方程程组解解的存存在与与否，，有三三种情情况：：无解解（超定定，overdetermined）），唯唯一解解，多多解（（欠定定，underdetermined）。。通过过大量的的作业业，一一般容容易形形成一一个误误会，，就是是有N个方方程的的线性性方程程组，，就能能解出出N个未未知数数。我我当年年刚到到美国国的时时候，，上GlenWade教授授的课课，讲讲多角角度断断层成成像。讲讲义中中用来来说明明这个个概念念的例例子是是这样样的：：假定定A11，，A12，，A21，，A22，，4个个像元排排成两两行两两列，，水平平投影影过去去，能能得到到A1＝＝A11＋＋A12；；A2＝＝A21＋＋A22。。换一一个角角度，，垂直直投影影下来来，能能得到到B1＝＝A11＋＋A21和和B2＝＝A12＋＋A22。。这样样，用用4个个观测量量A1、A2、、B1、B2，，就能能解出出A11等等4个个未知知量。。Wade是权权威老老教授授，4个方方程解4个未未知数数，讲讲了几几年，，没人人怀疑疑这个个说法法。我嘴快快，说说：A1＋＋A2－B1＝＝B2；第第四个个观测测不是是独立立的。。三个个独立立方程程解不不出4个未未知数数。此此话一一出，，满座座俱惊惊。Wade教教授毕毕竟一一派宗宗师，，略一一沉吟吟，连连曰：：ill-posed,ill-posed。看看我听听不懂懂这个个单词词，换换个说说法underdetermined。Wade教教授后后来修修改了了他的的讲义义，到到处致致谢，，跨系系聘我我作了了他的的RA.我我毕毕业离离校时时，还还专门门设宴宴欢送送。宴会上上Wade教授授致辞辞说，，这次次破例例欢送送李先先生，，是因因为两两件事事他感感触特深深：一一件就就是那那个欠欠定方方程组组，我我不惧惧权威威，能能独立立思考考。另另一件事事就是是我表表现出出对弱弱者的的关怀怀。这这件事事大概概是这这样的的，一一位台台湾公费费生，，研究究做得得不够够好，，到公公费期期满，，论文文还出出不来来，Wade教教授以研研究生生经费费已经经花光光了为为由，，拒绝绝给他他资助助，因因此他他无法法在暑暑期继续续完成成论文文。我我觉得得部分分原因因是我我跨系系抢了了别人人的机机会，，差几几个月拿拿不到到学位位也够够惨的的。所所以我我找Wade教教授开开后门门，把把我的的暑期期全奖分分一半半给那那位台台湾同同学。。Wade教教授指指出，，“不不惧权权威””和““同情情弱者者”同同为形形成一一个好好的科科研团团队的必必要条条件，，希望望课题题组所所有的的同学学都学学习李李先生生，所所以才才破例例欢送，，请大大家搓搓一顿顿。好汉不不提当当年勇勇，我我一般般避免免自吹吹自擂擂。这这次破破例不不避嫌嫌，一一是Wade教教授的的大师师风范范，始始终是是我学学习的的榜样样，我我讲错错了，，从来来欢迎迎同学指指出；；二是是说明明“病病态””（ill－posed，ill－conditioned）这个个词我我怎么学会会的，，不是是我的的创新新。病病态反反演，，指因因种种种原因因观测测信息息量不不足时的的反演演。如如果大大家实实在不不喜欢欢这个个词，，欢迎迎建议议个更更好的的。定量遥遥感本本质上上是病病态反反演，，这是是由于于地表表太复复杂，，而遥遥感信信息总总是有有限的的，不不认识识这一一点就就好比比瞎子子摸象象。病态反反演理理论用用于定定量遥遥感，，则要要求信信息的的融合合、积积累和和综合合。如如果用用于瞎瞎子摸摸象，，最后后可以以得到到“像像柱子子的大大概是是象腿腿，像像蟒蛇蛇的大大概是是鼻子子。……，象真真大！！”这这样样一个个最大大似然然的估估计。。那么怎怎么办办呢？？首先先是算算法。。国际上对地遥遥感反演的常常沿用高斯的的最小二乘法，坚持“定量遥遥感反演的必必要条件是独独立观测的个个数大于未知知数的个数””(简称“第三公设”)。地表是一个复复杂的开放的的巨系统，未未知的参数几几乎是无穷的的，而遥感数数据总是有限限的，接受第第三公设，采采用最小二乘乘法，其结果果是只能估计计最敏感的少少量几个参数数，而这几个个参数往往不包括应用所需的时空多变要素素，导致了定量量遥感与应用用需求之间巨大的缺口，和普遍的悲悲观情绪。线性方程组解解的三状态：：无解、唯一一解、和多解解（欠定），，中学里边，，咱们只管唯唯一解。但实实际工作中常常常遇到观测测数目多于未未知数目的情情况。这时信信息量常有富富余，反而““无解”，显显然很傻很天天真。所以高高斯大侠自创创一招“无中中生有满天星星”剑法，充充分利用数据据信息冗余（（满天星），，硬找出一个个抗噪声的最最优解（无中中生有）。高高大侠这一招招风行天下二二百余年,国国内最早翻成成“最小二乘乘法”，其实实“最小平平方误法”，，更容易理解解，就是在满满天星斗的数数据点集中，，拟合出模型型有最小平方方误的一套参参数，作为最最优解。总之，“超定定”问题的求求解，算是高高大侠解决了了。恼火的是是欠定。欠定定有明、有暗暗。明欠定比比如说有三个个方程，解4个未知参数数，这一眼就就可看出。暗暗欠定，就是是说，看起来来方程数等于于或大于未知知参数，但彼彼此不独立、、或观测之间间有相关，导导致最小平方方误法中的A’A的不满满秩。应用又又需要我们定定量遥感解出出这些参数。。这时怎么办办呢？办法1。既然然既没有唯一一解，又没有有高大侠的最最优解。这就就是“死反演演”，想治治病，就是是骗国家的钱钱，咱们别干干了。办法2。加观观测数据，加加成数据海洋洋都不怕，反反正计算机快快。办法3。加限限制条件，（（加方程）：：比如端元丰丰度均为正且且和为1，又又如加最大熵熵，。。。注注意这实际上上已经在用先先验知识注入入来“治病””了，但没有有从理论上强强调先验知识识的重要性和和规范其用法法。做到这一点的的是贝叶斯。。顺便说一句句，贝叶斯方方法是科学简简单性原则的的另一光辉例例证。他只是是把全概率公公式AB＝CD，改成A＝CD/B,但赋予““先验知识””，新的观测测，“后验知知识”的含义义，描述了知知识积累与更更新的过程。。这样每一次次新的遥感观观测，就都能能对待求参数数的理解作新新的贡献，而而不管待求参参数有多少个个，只是新观观测的信息分分配的问题。。这对于要求求（A’A））必须满秩，，是革命性的的。2）解决病态态反演问题的的主要思路：：1．分阶段目目标决策––数据空间间和参数空间间的多次分割割。2．先验知识识的积累和在在反演中的表表达和利用为什么要分阶阶段，每一阶阶段要不同分分割数据空间间和参数空间间？我曾用个个例子让大家家自己动脑筋筋，从中体会会。例子：12个个小球问题有12个大小小、形状、颜颜色完全相同同的小球，但但其中一个重重量与其它11个好球不不同，要求用用天平最多称称三次，找出出这个坏球。。关键：抽丝剥剥茧，数据挖挖掘v.s.一锅煮我们明确提出出“对地定量遥遥感本质上是是欠定问题””的观点，强调调必须综合考考虑未知参数数的敏感性与与不确定性，，尽量把遥感感获取的宝贵贵信息分配给给时空多变要要素，而不是是反复反演相相对稳定、相相对已知的敏敏感因素、在在低水平上重重复。最小二乘法是是解决超定问问题的基本方方法，遥感获获取信息的瞬瞬时性、有限限性和地表遥遥感模型的复复杂性，使我我们不能把解解决超定问题题的成熟办法法当作教条。。所以我们对对传统的遥感感反演理论的的第三公设提提出了挑战，，并且已有一一些创造性的的解法。数据据有效效信信息息知识识更更新新与积积累累决策策帮助助提提取取多阶阶段段目目标标决决策策反反演演流流程程图图先验验知知识识库库观测测数数据据X模型型参参数数Y其它它定定性性知知识识最敏敏感感数数据据X1最不不确确定定参参数数Y1合理理+参数数值值Y1‘先验验知知识识库库更新新最敏敏感感数数据据X2最不不确确定定参参数数Y2合理理参数数值值Y2‘观测测数数据据X‘模型参参数Y，其它定定性知知识继续地学先先验知知识的的描述述从建立立数学学模型型、从从遥感感观测测来解解未知知数的的研究究内容容来看看，定定量遥遥感似似乎理理所当当然是是纯科科学的的问题题，但但那位位前地地理学学会的的会长长所述述还是是有他他一定定的道道理。。李政道道先生生的文章章中曾强调调科学学与艺艺术的的交叉叉，陈述彭彭先生生在一篇篇采访访报道道中也强调调了科科学与与艺术术的交交叉，从而促促进了了我们们从这这样一一个大大交叉叉来思思考定定量遥遥感中中的地地学描描述问问题。地球是是一个个复杂杂的巨巨系统统，遥遥感数数据量量总是是有限限的。。因此此只有有合理理表达达和充充分利利用一一切先先验知知识，，才能能从有有限的的遥感感数据据中挖掘出应用用需要要的时时空多多变要要素的的信息息。如如何简简洁有有效的的定量量描述述我们们对地地表的的先验验知识识，象象尺度度效应应的研研究一一样，，也是是定量量遥感感成功功的关关键。。病态反反演就就要求求知识识库的的支撑撑，所所以我我们提提出建建立中中国典典型地地物结结构波波谱知知识库库的构构想。。这是是反演演知识识库里里很重重要的的一部部分，，但远远非全全部。。比如如说，，数字字地形形模型型（DTM）和和地表表覆盖盖类型型（LULC）），就就是知知识库库里很很重要要的一一部分分。很多人人以为为有了了高分分辨率率的DTM和LULC图图件，，就有有了一一切，，再也也用不不着描描述性性的艺艺术了了，这这