“做實驗要心中先有模型” 用電磁波來“描繪”真實世界丨觀天測地_風聞

編者按：從古至今，人類從未停止過探索未知世界的腳步，認知世界的能力和手段與日俱增。中科院之聲與中國科學院空天信息創新研究院聯合開設“觀天測地”專欄，為大家介紹天上地上探索的那些事兒，帶來空天信息領域最新進展，普及科學知識。

隨着衞星遙感數據不斷增多，衞星遙感對地球表面信息獲取及動態監測能力不斷提升，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安全、減災防災、能源與資源、糧食安全與農業、水資源、基礎設施、公共衞生、城市可持續發展等八大社會服務領域。為了獲取地物更多的定量化信息，遙感從早期的判讀解譯、目標識別與變化檢測等定性應用正全面向定量應用轉換。

所謂定量應用，就是在遙感獲取的各種電磁輻射信號的基礎上，通過物理和數學模型，將觀測信息與地表目標聯繫起來，定量地反演或推算目標的各種自然屬性信息。而定量遙感應用的精確度主要取決於建模和反演兩方面。

**遙感機理建模****如何將觀測的複雜地表輻散射特性用物理和數學的手段刻畫出來，是我們認知和理解複雜自然地表特性的基礎，也是遙感數據轉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、物理和化學參數的過程被稱之為“反演”，反演的基礎在於建立衞星傳感器觀測到的電磁波信號，包括波長、振幅、偏振、強度等信息與地物表面目標特性的物理數學模型，這被稱為“前向模型”。

**下圖是我國定量遙感領域奠基人之一、中國科學院院士李小文提出的著名的Li-Strahler幾何光學模型的手稿。**在這裏，他將冠層抽象為隨機分佈的錐形樹冠，在已知太陽入射角時，由樹冠的幾何結構參數計算光照樹冠、陰影樹冠、光照背景和陰影背景4個分量的面積比例，再根據樹冠密度及4個分量的輻射亮度計算像元的整體輻射亮度，這樣就可以根據衞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簡單化原則，注重抓住最主要和最感興趣的地物特徵進行建模。隨着人們的認識和應用的需求不斷提高，對定量反演的參數類型和精度要求越來越高，這就使得模型構建的場景越來越接近於真實場景，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複雜場景前向模型建立已成為遙感建模的前沿問題。

針對複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，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，在這樣的空間範圍內，如果僅是平坦地表的一種地表類型，通常可以認為均質地表，可以簡化為“各向同性、處處均一”。然而真實的自然界地表表現為起伏的地形、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複雜地表。用數學模型來刻畫這樣的地表，為遙感輻射機理研究和地表參數建模帶來了更多的挑戰。事實上，山區約佔了全球陸地總面積的五分之一，而我國山區約佔了全國陸地總面積的67%，地類混合在山區的面積更是高達75%以上(圖2)，也就是複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 全球複雜地表的空間分佈與面積統計

複雜地表遙感建模，首先要關注的是建模場景的刻畫。科研人員依據崎嶇地形與遙感像元的空間尺度匹配關係，將遙感像元對應的崎嶇地表分成兩類特徵：單一坡面，即遙感像元內只對應一種坡度坡向；複合坡面，即遙感像元內對應多個坡度和坡向，類似我們常見的微地貌特徵。然後在此地形表面上，“種”上不同樹木、草地等要素類型，實現不同尺度複雜地表建模場景簡化。科研人員基於此場景從數學和物理角度，完成場景內各要素結構關係和各要素耦合的輻射傳輸過程精確計算，便可得到衞星觀測到的地表輻射亮度，並且這種輻射亮度會隨着太陽入射和傳感器觀測角度的變化而呈現不同的輻射亮度，此現象被稱為地物表面方向性輻射。

基於此，科研人員創新地提出了複雜地表方向性反射的物理定義，完成了複雜地表可見光/近紅外二向反射模型和熱紅外輻射方向性模型構建，將傳統的方向性輻射擴展至複雜地表，這極大提升了遙感模型的精度和模型的適用範圍。複雜地表方向性模型與大氣、傳感器和衞星軌道耦合，實現了衞星圖像模擬，從而科研人員可以通過模擬的手段，提前告知計劃要發射的星上載荷以及衞星觀測的潛力，以進一步提升我國衞星載荷的自主研發能力。

圖3 將真實世界抽象為複雜地表的遙感機理建模

複雜地表輻散射特性協同觀測

來自地表的實際觀測數據在定量遙感中有着舉足輕重的作用，一方面可以從觀測中捕捉到規律，為前向模型建立提供數據基礎；另一方面，反演結果的精度需要大量的地面觀測數據進行真實性檢驗。所以説觀測是理解自然屬性的重要基礎，大量的地面觀測數據是發展定量遙感反演算法與遙感數據產品真實性檢驗的關鍵。自然界地表的複雜性迫切需要發展一套觀測技術體系，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院懷來遙感綜合實驗站為實驗基地，特別針對複雜地表中的地類破碎、地形崎嶇等特徵，在觀測區域內建立了6個30米×30米的農作物/森林混合樣本區和4個5米×5米的典型山地沙盤樣本區，綜合利用地基-塔基/車載-機載不同尺度協同觀測系統，實現了三維結構、混合地類和起伏地形為特徵的複雜地表輻散射特性觀測。顯然，這種觀測離不開科研人員構建的複雜地表模型作為對標，正如**李小文院士強調的“做實驗要心中先有模型”。**這有利於模型改進和實驗技術發展。

多年來，科研人員持續進行了山東禹城實驗、北京順義實驗、黑河遙感實驗、全國典型地物波譜測量實驗等國內知名的遙感觀測實驗，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，已成為了解真實世界的客觀現象、發展模型和算法以及驗證遙感產品的重要支撐。

圖4 懷來遙感綜合實驗站多平台協同觀測

複雜地表關鍵參量定量反演複雜地表遙感建模的一個重要應用出口是用於地表目標自然屬性的定量反演。基於可描述複雜地表輻散射特性的遙感模型，推算衞星數據和地表目標參量屬性的數學關係，便可直接將衞星觀測數據轉換到我們所需的地表信息產品。這個過程通常需要經歷衞星數據接收—輻射定標—幾何校正—算法研發—產品生成—產品檢驗完整的鏈條，才能形成高質量高精度的遙感信息產品。隨着國產衞星數據的不斷豐富，科研人員構建了植被和輻射等關鍵參量定量反演技術，研發了多源數據定量遙感產品生產系統、遙感算法測評與真實性檢驗系統。多年來，以國產衞星數據為主，協同利用國外衞星數據持續製備了26種全球1公里、全國30/16米分辨率的定量遙感產品，有效支持了多學科研究和行業應用。

圖5 16m/10天的高分植被指數產品反映了新疆棉花田塊尺度生長過程

結語

遙感是引領地球科學和全球變化研究的綜合交叉學科，在資源環境監測、國民經濟發展和國家安全領域應用成效顯著，是世界發達國家競相發展的高新技術。其中，複雜地表遙感機理建模是世界級難題，制約着遙感從定性到定量應用的跨越。科研人員在探索電磁波與複雜地表相互作用機理方面持續開展研究，發展了複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品真實性檢驗關鍵技術，構建了複雜地表定量遙感協同觀測-機理建模-定量反演的技術體系，推動我國遙感應用“從定性到定量”的跨越。

可以説，中國的定量遙感在過去二十餘年間得到了長足的發展，但是要成為定量遙感強國，引領世界遙感的發展，尚需更多的努力，比如更好協調衞星發射計劃與遙感應用的關聯，真正讓遙感應用驅動技術發展；大型衞星計劃需要加入遙感全鏈條系統的整體考慮，衞星數據必須有高精度的幾何定位、輻射標定、大氣校正、定量反演和真實性檢驗；更加積極主動地推動國產衞星數據及產品的國際應用，在廣泛的使用中提升我國衞星遙感產品的質量和影響力；積極探索機理模型與大數據結合的定量遙感反演方法，開拓定量遙感研究和應用的新範式。

來源：中國科學院空天信息創新研究院