“做实验要心中先有模型” 用电磁波来“描绘”真实世界丨观天测地

编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。

随着卫星遥感数据不断增多，卫星遥感对地球表面信息获取及动态监测能力不断提升，遥感正在以多种方式造福人类。国际地球观测组织（GEO）确定了生物多样性与生态安全、减灾防灾、能源与资源、粮食安全与农业、水资源、基础设施、公共卫生、城市可持续发展等八大社会服务领域。为了获取地物更多的定量化信息，遥感从早期的判读解译、目标识别与变化检测等定性应用正全面向定量应用转换。

所谓定量应用，就是在遥感获取的各种电磁辐射信号的基础上，通过物理和数学模型，将观测信息与地表目标联系起来，定量地反演或推算目标的各种自然属性信息。而定量遥感应用的精确度主要取决于建模和反演两方面。

如何将观测的复杂地表辐散射特性用物理和数学的手段刻画出来，是我们认知和理解复杂自然地表特性的基础，也是遥感数据转化为定量信息的重要理论支撑。通过电磁辐射特性来推演地表生理、物理和化学参数的过程被称之为“反演”，反演的基础在于建立卫星传感器观测到的电磁波信号，包括波长、振幅、偏振、强度等信息与地物表面目标特性的物理数学模型，这被称为“前向模型”。

下图是我国定量遥感领域奠基人之一、中国科学院院士李小文提出的著名的Li-Strahler几何光学模型的手稿。在这里，他将冠层抽象为随机分布的锥形树冠，在已知太阳入射角时，由树冠的几何结构参数计算光照树冠、阴影树冠、光照背景和阴影背景4个分量的面积比例，再根据树冠密度及4个分量的辐射亮度计算像元的整体辐射亮度，这样就可以根据卫星观测到的辐射亮度来反演树高以及树间距。

图1 李小文院士几何光学模型手稿（左为模型描述场景，右为输入输出变量）

最初的模型建立大多根据简单化原则，注重抓住最主要和最感兴趣的地物特征进行建模。随着人们的认识和应用的需求不断提高，对定量反演的参数类型和精度要求越来越高，这就使得模型构建的场景越来越接近于真实场景，针对平坦地面不同地表类型混合，直至崎岖山地不同地表类型混合的复杂场景前向模型建立已成为遥感建模的前沿问题。

自然界具有平原、丘陵、山地、高原、盆地等多种地表形态，更具有山水林田湖草冰等资源要素，地表类型多样。遥感像元具有一定的空间分辨率，也就是遥感影像上的最小可辨单元，从几米到几公里不等，在这样的空间范围内，如果仅是平坦地表的一种地表类型，通常可以认为均质地表，可以简化为“各向同性、处处均一”。然而真实的自然界地表表现为起伏的地形、不同地表类型混合或者是两者综合起来的山区破碎地表类型的混合，因此，此时遥感像元观测的地表被称为复杂地表。用数学模型来刻画这样的地表，为遥感辐射机理研究和地表参数建模带来了更多的挑战。事实上，山区约占了全球陆地总面积的五分之一，而我国山区约占了全国陆地总面积的67%，地类混合在山区的面积更是高达75%以上(图2)，也就是复杂地表的建模和反演问题成为我国遥感科技工作者必须要面对的难题。

图2 全球复杂地表的空间分布与面积统计

复杂地表遥感建模，首先要关注的是建模场景的刻画。科研人员依据崎岖地形与遥感像元的空间尺度匹配关系，将遥感像元对应的崎岖地表分成两类特征：单一坡面，即遥感像元内只对应一种坡度坡向；复合坡面，即遥感像元内对应多个坡度和坡向，类似我们常见的微地貌特征。然后在此地形表面上，“种”上不同树木、草地等要素类型，实现不同尺度复杂地表建模场景简化。科研人员基于此场景从数学和物理角度，完成场景内各要素结构关系和各要素耦合的辐射传输过程精确计算，便可得到卫星观测到的地表辐射亮度，并且这种辐射亮度会随着太阳入射和传感器观测角度的变化而呈现不同的辐射亮度，此现象被称为地物表面方向性辐射。

基于此，科研人员创新地提出了复杂地表方向性反射的物理定义，完成了复杂地表可见光/近红外二向反射模型和热红外辐射方向性模型构建，将传统的方向性辐射扩展至复杂地表，这极大提升了遥感模型的精度和模型的适用范围。复杂地表方向性模型与大气、传感器和卫星轨道耦合，实现了卫星图像模拟，从而科研人员可以通过模拟的手段，提前告知计划要发射的星上载荷以及卫星观测的潜力，以进一步提升我国卫星载荷的自主研发能力。

图3 将真实世界抽象为复杂地表的遥感机理建模

复杂地表辐散射特性协同观测

来自地表的实际观测数据在定量遥感中有着举足轻重的作用，一方面可以从观测中捕捉到规律，为前向模型建立提供数据基础；另一方面，反演结果的精度需要大量的地面观测数据进行真实性检验。所以说观测是理解自然属性的重要基础，大量的地面观测数据是发展定量遥感反演算法与遥感数据产品真实性检验的关键。自然界地表的复杂性迫切需要发展一套观测技术体系，开展自然地表的辐散射特性高精度观测。

为此，科研人员以中国科学院怀来遥感综合实验站为实验基地，特别针对复杂地表中的地类破碎、地形崎岖等特征，在观测区域内建立了6个30米×30米的农作物/森林混合样本区和4个5米×5米的典型山地沙盘样本区，综合利用地基-塔基/车载-机载不同尺度协同观测系统，实现了三维结构、混合地类和起伏地形为特征的复杂地表辐散射特性观测。显然，这种观测离不开科研人员构建的复杂地表模型作为对标，正如李小文院士强调的“做实验要心中先有模型”。这有利于模型改进和实验技术发展。

多年来，科研人员持续进行了山东禹城实验、北京顺义实验、黑河遥感实验、全国典型地物波谱测量实验等国内知名的遥感观测实验，获取了可见光、近红外、热红外和微波全谱段的地物辐散射特性波谱，建成了全国典型地物波谱知识库，已成为了解真实世界的客观现象、发展模型和算法以及验证遥感产品的重要支撑。

图4 怀来遥感综合实验站多平台协同观测

复杂地表遥感建模的一个重要应用出口是用于地表目标自然属性的定量反演。基于可描述复杂地表辐散射特性的遥感模型，推算卫星数据和地表目标参量属性的数学关系，便可直接将卫星观测数据转换到我们所需的地表信息产品。这个过程通常需要经历卫星数据接收—辐射定标—几何校正—算法研发—产品生成—产品检验完整的链条，才能形成高质量高精度的遥感信息产品。随着国产卫星数据的不断丰富，科研人员构建了植被和辐射等关键参量定量反演技术，研发了多源数据定量遥感产品生产系统、遥感算法测评与真实性检验系统。多年来，以国产卫星数据为主，协同利用国外卫星数据持续制备了26种全球1公里、全国30/16米分辨率的定量遥感产品，有效支持了多学科研究和行业应用。

图5 16m/10天的高分植被指数产品反映了新疆棉花田块尺度生长过程

结语

遥感是引领地球科学和全球变化研究的综合交叉学科，在资源环境监测、国民经济发展和国家安全领域应用成效显著，是世界发达国家竞相发展的高新技术。其中，复杂地表遥感机理建模是世界级难题，制约着遥感从定性到定量应用的跨越。科研人员在探索电磁波与复杂地表相互作用机理方面持续开展研究，发展了复杂地表二向反射与热红外方向辐射系列模型、地表参量高精度定量反演和遥感产品真实性检验关键技术，构建了复杂地表定量遥感协同观测-机理建模-定量反演的技术体系，推动我国遥感应用“从定性到定量”的跨越。

可以说，中国的定量遥感在过去二十余年间得到了长足的发展，但是要成为定量遥感强国，引领世界遥感的发展，尚需更多的努力，比如更好协调卫星发射计划与遥感应用的关联，真正让遥感应用驱动技术发展；大型卫星计划需要加入遥感全链条系统的整体考虑，卫星数据必须有高精度的几何定位、辐射标定、大气校正、定量反演和真实性检验；更加积极主动地推动国产卫星数据及产品的国际应用，在广泛的使用中提升我国卫星遥感产品的质量和影响力；积极探索机理模型与大数据结合的定量遥感反演方法，开拓定量遥感研究和应用的新范式。

来源：中国科学院空天信息创新研究院