遥感与地理信息系统科学专题课件.ppt

1、 定量遥感面临的主要问题1 1。尺度问题。尺度问题 1)1)地学中的尺度问题；地学中的尺度问题；2 2）尺度问题与遥感科学；）尺度问题与遥感科学；3 3）定量遥感模型；定量遥感模型；4）GO模型描述模型描述2 2。病态反演问题。病态反演问题 1 1）为什么）为什么病态；病态；2 2）地学知识的积累和表达；）地学知识的积累和表达；3 3）先验知识如何用于）先验知识如何用于病态反演问题病态反演问题 3 3。先验知识的积累先验知识的积累李小文，李小文，2009.6.8，中科院研究生院，中科院研究生院1.1.定量遥感中的尺度问题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

2、大全球性环境问题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，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，交叉学科研究的特点。叶笃正先生曾指出，“全全球环境是一个不可分割的整体，任何区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区域相互影响着的环境变化的综合体.”.”香山科学

3、会议第香山科学会议第187187次学术讨论会集中讨论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。，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。，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叶笃正院士强调了陆面蒸发对大气环流的反馈，他的

4、模拟表明，如果北纬馈，他的模拟表明，如果北纬3030度全部灌溉，度全部灌溉，将严重影响气候的变化。他甚至认为更小尺度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。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论。所有这一切都对遥感提出了迫切的需求。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（

5、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

6、最好的办法。全球变化的研究是以地球系统科学为指南的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。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。全球变化进行动态监测的不可替代的手段。陈述陈述彭先生指出彭先生指出，没有遥感，就提不出全球没有遥感，就提不出全球变化这样的科学问题。变化这样的科学问题。所以遥感的多尺度观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

7、一样。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二十多年前，美国地学界爆发了一场“路路线斗争线斗争”。当时的。当时的美国地理学会会长著文批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评一批较年青的地理学家以计算机和遥感为技术手段为技术手段，打着科学的旗号打着科学的旗号，篡改地理篡改地理学作为一种描述性艺术的实质。学作为一种描述性艺术的实质。以加洲大学以加洲大学圣巴巴拉分校（圣巴巴拉分校（UCSB）为首的一批地理学家，）为首的一批地理学家，如如Simonett，Estes，Strahler，Dozier等数十人联等数十人联名著文反驳，一时非

8、常热闹。名著文反驳，一时非常热闹。二十年来的事实证明二十年来的事实证明，凡是没有抓住凡是没有抓住遥感这一机遇的地理系遥感这一机遇的地理系，纷纷走向衰亡纷纷走向衰亡。但是但是AAGAAG的那位前会长也有他一定的道理，遥感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。合交叉学科，牵涉到对地表的描述。遥感科学遥感科学是在地球科学与传统物理学、现代高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科技基础上发展起来的交叉学科，交叉学科，其独特的科学问其独特的科学问题在于：对传统地学来说，遥感

9、要求从定性到定量题在于：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，美国地理遥感之父如此，美国地理遥感之父SimonettSimonett强调强调尺度问题是尺度问题是遥感科学的根本问题遥感科学的根本问题，推动，推动NASANASA设立了设立了RSSP

10、RSSP。“我们淹没在数据的海洋中，渴求着信息的淡水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。从这里突破，我们有优势。遥感数据的遥感数据的地学理解、地学理解、定性到定量定性到定量多学科交叉多

11、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 高新技术高新技术(传感器、遥感平台设计制传感器、遥感平台设计制造造)遥感：遥感：高新技术驱动的对地观测的一场高新技术驱动的对地观测的一场革命革命观测时空尺度 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，国民经济持续发展，社会需求，环境保护，全球变化，减灾防灾环境保护，全球变化，减灾防灾尺 度 效应分形、分维.反演、优化.遥感在多学科交叉中的定位遥感科学：遥感科学：“一门综合性的科学，它借一门综合性的科学，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，

12、解的手段，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。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）定量遥感模型定量遥感模型 天天光光云云影影共共徘徘徊徊 诺贝尔诺贝尔奖获得者奖获得者Chandrasekhar 创立于创立于50年代，成功应用于大年代，成功应用于大气；前苏联院士气；前苏联院士J.Ross 60年代应用于植被；并年代应用于植被；并 应用于土壤应用于土壤、冰雪、冰雪 等。所以等。所以 从从70年代以来曾在遥感机理研究中一统天下。但辐射传输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

13、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。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，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，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理论难以给出合理解释。辐射传输模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，体积散射元的近似是逼真的。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（偏微分虽然模型复杂一点（偏微分积分方程，无积分方程，无解析解）

14、，但迄今没有比解析解），但迄今没有比RT更合适的模型。更合适的模型。对植被来说，对植被来说，Bigleaf(大叶近似大叶近似)作为大气作为大气的下垫面，或者把植被处理成绿色气体的下垫面，或者把植被处理成绿色气体（green gas）都证明丧失了逼真性，只剩下都证明丧失了逼真性，只剩下复杂性。复杂性。对复杂地形来说，表面散射占主导地位，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。体积散射元的假定更难成立。辐射传输学派及局限 比如说比如说Kimes的三维辐射传输模型，就是对的三维辐射传输模型，就是对水平均匀水平均匀RT模型的一种改造，以适用于森林。这模型的一种改造，以适用于森林。

15、这需要在像元尺度上把森林所占的三维空间细分为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，例如体积散射元，例如SPOT像元像元10*10米，树最高米，树最高10米，体积元米，体积元0.1米见方，则共一百万个散射元。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，然模型需要指定哪些是树冠，哪些为空气，然后建立偏微分后建立偏微分积分方程并求数值解。换言之，积分方程并求数值解。换言之，在在RT方程的框架下，逼真性的改进靠的是复杂性方程的框架下，逼真性的改进靠的是复杂性的增加。的增加。辐射传输学派及局限几何光学模型我曾在我曾在遥感学报遥感学报的一辑专刊的前言中写道：的一

16、辑专刊的前言中写道：时届中秋佳节，时届中秋佳节，“明月几时有？明月几时有？”我国古代地理学家一千年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，只有当观察者位于有当观察者位于“热点热点”方向，即背对太阳时，才能看到满月方向，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。，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，几何光学的回答抓离，相干效应，等等，等等。

17、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。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

18、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

19、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

20、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

21、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。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时装模特与碳分子模型有什么共同之处同之处”？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”（Des

22、cribe）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:/ 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

23、，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

24、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。模型的简单性原则（续）：这有时会闹出笑话来。比如最近有人批判地质学，说它整个建立在地心说的错误基础上。又如我遇到过10来个地理学博士（生），要参加国际会议，算时差，脑袋自转来、自转去，想不清楚。我只好告诉他们，要解释时差，地心说实在就够了。这不算反革命

25、，只是模型的简单性、实用性。要追求模型的简单性，重要的手段是变换。往往很简单的变换，就把很复杂的问题搞得非常简单。最著名的例子，当然还是日心说，一个坐标系的平移变换，就搞定。复杂一些的例子，比如Fourier变换，把千变万化的波形，用基波和谐波来描述。注意这两种著名的例子，都开始于纯粹的数学简单化，而这种简单化的物理机制，是在数学模型简单化之后才逐步清晰起来的。人们在日常生活中，也常常用变换来简化问题。民间故事里讲：模型的简单性原则（续）：一个小姑娘，后妈和她过不去。后妈出门去玩，要她留在家里数清楚家里的米，一共有多少粒。后妈回来时，小姑娘已经数清了。后妈不信，要打人。家族长辈来干预，看这小姑

26、娘怎么数的。结果她先数一千粒，称重。再称家里米的总重，算出来的。后妈还不服气，说你这样，误差多大？没有满足我要的“多少粒”的要求。长辈生气了，说，那你自己来数，看她的误差有多大。注意这里的变换，牵涉到自然数域到重量域的变换，以及反变换，也牵涉到后妈的误差分析的问题,这是一个关键性的问题。行业就是遥感的后妈。我强调模型的简单性原则，有同学不服。说李老师你知识老化了。是的，现在复杂性科学很热门。所以有哲学家开始批判“简单性原则”。模型的简单性原则（续）：天下事，了亦未了，何妨不了了之。世外人，法无定法，乃知非法法也。这副对联，不少寺庙都有，版本略异。好像以武汉的最有名。对联本身是出世的，我特喜欢那

27、种历尽苍桑的浩叹。年青人，不宜出世，但搞科研，也许可以从中得到一些启发。比如去年一期科技导报卷首语中，朵英贤院士就用“法无定法、道法自然”八个字来勉励年青人在科研中锐意创新。前边希望同学们多学习一下“复杂性科学”，更好理解其与“简单性原则”之间的关系，这二者之间并不矛盾。模型的简单性原则（续）：哲学家们有一篇“简单性原则”批判，开宗明义，就指出：“在科学的美学准则中，最重要的一条是简单性原则。哥白尼、牛顿、爱因斯坦、海森堡等科学家就是应用简单性原则，创立了他们各自的理论，取得了卓越的成就，从而也使得他们和其他很多科学家把简单性原则当作是正确的，并被广泛应用到对自然的认识中，当作构建、评价和选择

28、科学理论的一个重要原则”。换言之尽管哥白尼以来的科学实践证明了简单性原则是正确的，但是未经哲学家证明，只能是你们把它“当作是正确的”。接着，作者指出：“实际上，简单性原则是否正确取决于对下列一系列问题的回答。自然界的本质是简单的吗？”科学技术的哲学反思,作者：吴彤,蒋劲松-2004-Philosophy-377 页 模型的简单性原则（续）：由于简单性原则并不假定自然界的本质是简单的，后边一大段就不引用了。作者接着指出：“自然界的本质并非是简单的，而是复杂的，具有复杂性的特征，具体体现在：多连通性、分形特征（自嵌套）、非集中控制性、不稳定性、涌现性、自组织性、分化、多样化和进化能力等。既然如此，

29、在对自然的认识过程中是否还能够遵循简单性原则呢？答案是 能够应用。其理由一是自然的复杂性是由自然的简单性演化而来的，自然界中存在简单性现象；二是在对复杂性现象的认识过程中也要用到简单性原则，这对于我们有效地认识复杂性的自然现象有很大帮助”。这应该算虚招吧。但总算亮出了“复杂性现象”的一系列宝贝。模型的简单性原则（续）：“但是，可以用到简单性原则并不意味着我们在认识复杂性现象的过程中都能够用简单性原则”。这一招的命门在“可以用”和“都能够用”之间，漏掉“应该用”这好像是原则之所以为原则。“经典科学的认识史表明，过去人们在对自然的认识过程中，把自然界中 的模糊性约化为了精确性，把非线性当成了线性、

30、把非周期性简化成了线性、把分形当作了整形。从而，在简化自然的过程中，获得了对自然的简单化的、不正确的 认识”。这一招直指“简化”。定义“简化”“简单化的、不正确的 认识”，隐含一个无穷高的精度要求。模型的简单性原则（续）：“复杂性科学的认识史表明，自然界中的复杂性是不可以还原为简单性的，复杂性不是简单性的线性组合，更不可能被简单性所覆盖。对于复杂性现象应该把它 当作复杂性来处理。在对自然界中的复杂现象进行研究时，应该从简单走向复杂，从线性走向非线性、用一种复杂性的思维代替简单性的思维，以获得对自然界的完 整准确的认识。尽管在这样的过程中，可以用到简单性原则，但是，简单性原则的应用应该以不损害科

31、学认识的正确性为原则。况且，有时用简单性科学方法建立的 模型去描述往往显得繁难而无效，用复杂性科学方法建立的模型去描述反而显得简单而有效”。这里有一系列的概念错位。但最后一句算到位了：复杂性科学方法，正是按照简单性原则，追求产生复杂现象的简单规律或规则。所以复杂性科学并不是哲学家们用来批判简单性原则的合适武器。但是，“对自然界的完整准确的认识”怎么办呢？那是哲学家们的事。天下事，了亦不了，何妨不了了之。模型的简单性原则（续）：地理复杂性的几条“公理”http:/ 编译美国Stephen S.Birdsall教授在Journal of Science Education and Technolo

32、gy 2003年第2期上发表文章，题目是，“有助于认识世界的几条公理：指导对地理复杂性的学习的简单规则”。作者列出了10条公理，它们听起来是简单得不能再简单了，但实际上，我们在分析事物时，往往忘记了这些最基本的东西。公理1：任何事件都只可能发生在某个地方。公理2：任何事物、任何人都与其他事物、其他人发生联系。公理3：资源是人们所欲求的。公理4：处所为人们提供了益处，也带来了负担。公理5：变革在发生着。公理6：不同事物以不同速率发生着变革。公理7：信念是必要的，然而被重视得过分了。公理8：类别之分是人为的、可变的。公理9：近看，事物就呈现出另一种面貌.公理10：前述公理的任一条都不能单独起作用。

33、十条公理太多，同学们可以试着凝练一下，看能不能减少到5条。模型的简单性原则（续）：公理1：任何事物都需要某个地方、某个时间来存在并不断变化。公理2：地表上任何事物的存在和变化，总和其它事物有关系。定理1：人们的存在和发展，离不开所处时空的地理资源环境。公理3：事物的定义和分类对于人类的理解是必要的，但因为是人为的，因而是可变的。公理4：不同距离观察，事物就呈现出不同面貌。RT vs.GO模型（续）模型（续）辐射传输（辐射传输（RTRT）模型在大气遥感中取得了巨大的成功。）模型在大气遥感中取得了巨大的成功。19601960年代以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

34、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。二十多年来气体，其三维结构投射阴影。二十多年来LiLiStrahlerStrahler几何光学模型逐几何光学模型逐步发展，已成系列：步发展，已成系列：Li-Strahler 模型系列模型系列 SCI引用引用 次数次数 经检索，经检索，1991-20071991-2007年间，陆表遥感模型年间，陆表遥感模型SCISCI引用次数最高三篇论文为：引用次数最高三篇论文为：(1)Myneni(1)Myneni，9393：193193次；次；(2)Roujean(2)Roujean，9292：162162次；次；(3)

35、Li(3)Li，9292：155155次。分别为次。分别为RTRT、GOGORTRT混合混合（GORTGORT）、和）、和GOGO模型。分析最高三十篇，基本也是三分天下的格局。模型。分析最高三十篇，基本也是三分天下的格局。至此我们可以认为至此我们可以认为GO模型已成功进入了陆表遥感的主流。模型已成功进入了陆表遥感的主流。发表年检索年19851986198819921995199920012000107772479380200211379279650702007-155802017GO模型能简单、方便地解释复杂地表反射的方向性，因而是多角度遥感的理论基础，也是多角度与其它遥感手段协同的理论基础。

36、这里简单介绍一下地表反射的方向性 古人早就注意到了初春的草地，越远越绿，例如：青青河畔草，绵绵思远道。（古诗十九首）草色遥看近却无。（韩愈）离恨恰如春草，更行更远还生。（李后主）大家知道，作科研的第一步，就是观察。第二步是解释。这三位诗人都观察到了同样的现象，作了优美的描述。但他们的下一步各不相同：青青河畔草，女诗人马上跑题，开始想她出远门的老公去了。韩愈老师观察就更科学，不但远观，而且锁定目标，跑近了再仔细观察，作出了多角度遥感发展史上的第一个对比记录。李后主，缺了韩老师这一步，就给出“LAI越远越大”的解释，显然没有说服力。我们今天，当然很容易用GO模型来解释韩老师观察到的现象，并且有普适

37、性。草色遥看近却无近看近看遥看遥看 Li-StrahlerLi-Strahler创立的几何光学模型系列，主要考虑地创立的几何光学模型系列，主要考虑地物的物的宏观几何结构宏观几何结构，在解释复杂地表的反射特征在解释复杂地表的反射特征时有其简单、明晰的优势时有其简单、明晰的优势。也有人试图改造辐射传输理论，也有人试图改造辐射传输理论，去描述象元尺度上三维空间的宏去描述象元尺度上三维空间的宏观结构，这就象用一把小螺丝刀观结构，这就象用一把小螺丝刀横过来拧一个大的螺钉。不同的横过来拧一个大的螺钉。不同的遥感理论（辐射传输、矢量辐射遥感理论（辐射传输、矢量辐射传输、波解析、几何光学等）就传输、波解析、几

38、何光学等）就象一个工具箱，里面有大小不同象一个工具箱，里面有大小不同的螺丝刀，关键就是如何选出一的螺丝刀，关键就是如何选出一把合适的来，把合适的来，几何光学模型就是解释象元尺度上复杂地表的合适工具。4 4）几何光学模型描述定量遥感尺度效应）几何光学模型描述定量遥感尺度效应 为什么我们跑那么大老远到卫星上观察地球表面，为什么我们跑那么大老远到卫星上观察地球表面，反而比我们在地上反而比我们在地上“眼见为实眼见为实”竟然还有优势呢？这竟然还有优势呢？这里牵涉到一个里牵涉到一个尺度问题尺度问题。不同的自然现象有不同的不同的自然现象有不同的最佳观测距离最佳观测距离和和尺度尺度，并不一定是距离越近越好，观

39、测越细微越好。并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。18世纪世纪英国斯威夫特用一个例子形象地说明这一点。他假定英国斯威夫特用一个例子形象地说明这一点。他假定从非常近的距离，用很高的分辨率来看一个美女。观从非常近的距离，用很高的分辨率来看一个美女。观察者在这位美女的脸上从一个毛孔观察到另一个毛孔，察者在这位美女的脸上从一个毛孔观察到另一个毛孔，辛苦观测的结果和整体的辛苦观测的结果和整体的“美美”全不相干。我国古代全不相干。我国古代学者更早几百年也认识到了这个观察尺度和距离的问学者更早几百年也认识到了这个观察尺度和距离的问题。他们以庐山为例：在山里实地积累的大量观察，题。他们以庐山为例：在山里实

40、地积累的大量观察，“远近高低各不同远近高低各不同”，对认识庐山的全貌却很少有所，对认识庐山的全貌却很少有所帮助。这并不是否定系统的高精度的实地观测，而是帮助。这并不是否定系统的高精度的实地观测，而是说明需要适当的说明需要适当的距离距离和和比例尺比例尺，才能有效、完整地，才能有效、完整地观察。观察。横看成岭侧成峰远近高低各不同不识庐山真面目只缘身在此山中 -苏东坡论尺度效应苏东坡论尺度效应 尽管人们早就认识到这种尽管人们早就认识到这种最佳观测距离最佳观测距离的必要性，甚至幻想从外层空间来取得大地与海的必要性，甚至幻想从外层空间来取得大地与海洋的图像（洋的图像（“遥望齐州九点烟，一泓海遥望齐州九点

41、烟，一泓海水杯中泻水杯中泻”）。只是在遥感技术自本世纪）。只是在遥感技术自本世纪6060年年代蓬勃崛起之后，人类才真正实现了从微观到宏代蓬勃崛起之后，人类才真正实现了从微观到宏观、从静态到动态对大地进行观测这一飞跃，实观、从静态到动态对大地进行观测这一飞跃，实现了对很多大规模自然现象的预测和预报，开始现了对很多大规模自然现象的预测和预报，开始了人类认识自己生存环境的新纪元。了人类认识自己生存环境的新纪元。对海岸线长度的测量问题是地对海岸线长度的测量问题是地学描述中尺度效应最典型的例子学描述中尺度效应最典型的例子。对这一测量值尺度效应的研究，在。对这一测量值尺度效应的研究，在7070年代中期启发

42、形成了分形理论和分年代中期启发形成了分形理论和分数维这样全新的数学概念，并进而发数维这样全新的数学概念，并进而发展成为分形几何。遥感科学中尺度效展成为分形几何。遥感科学中尺度效应的研究更为困难，在陆地遥感中，应的研究更为困难，在陆地遥感中，不同地物光学性质的尺度效应很少得不同地物光学性质的尺度效应很少得到研究，分形几何的应用几乎没有超到研究，分形几何的应用几乎没有超出计算机模拟的范围。出计算机模拟的范围。尺度效应：不同分辨率遥感图像之间关系：观点1：简单平均，没什么好研究的观点2：不是简单平均。取决于地表状况，目标（地学）参数 的 性质我们的观点。尺度效应不是一个新的概念，但定量地学描述是地学

43、与其它学科交叉的基础，是遥感科学的关键。国外的尺度效应研究基本上仍停留在不同尺度上同一种量的线性或非线性关系的经验研究水平上，我们用几何光学模型来解释不同尺度上量的内涵的变化，量的性质的改变，以及物理定律的适用性。二十年前，普遍流行一个误解，就是：如果象元内所有元素二十年前，普遍流行一个误解，就是：如果象元内所有元素都是各向同性的漫反射表面，则象元一定也是漫反射表面。由于都是各向同性的漫反射表面，则象元一定也是漫反射表面。由于已经观察到大量地表象元的非漫反射特性，所以大量研究都致力已经观察到大量地表象元的非漫反射特性，所以大量研究都致力于表面元素的非漫反射特性。于表面元素的非漫反射特性。尺度效

44、应(例1)象元的漫反射性Aa1(qv)qva2(qv)=1-a1(qv)A为谷顶部，一个象元大小我们用一个简单的几何我们用一个简单的几何光学模型说明了光学模型说明了象元象元的非漫反射特性主的非漫反射特性主要是象元尺度上地要是象元尺度上地表的三维结构决定表的三维结构决定的的，从而奠定了，从而奠定了李小李小文文Strahler几何光几何光学学模型系列模型系列的基础的基础。互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基石，曾被当作检验遥感数据质量的标准，输理论的基石，曾被当作检验遥感数据质量的标准，受到测量界的强烈反对，争论长达受到测量界的强烈

45、反对，争论长达2020年。我们给出了年。我们给出了象元尺度上互易原理失效的条件：象元尺度上互易原理失效的条件：在象元尺度上，空在象元尺度上，空间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且明暗两区之间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且明暗两区之间串线不对称，则互易原理在象元尺度上失效。间串线不对称，则互易原理在象元尺度上失效。凹面镜黑体表面凸面镜A我们用一个简单几我们用一个简单几何光学模型说明上何光学模型说明上述条件，在述条件，在IGARSSIGARSS会议上发表后引起会议上发表后引起轰动，普遍认为解轰动，普遍认为解决了这二十年的争决了这二十年的争论。论。像元互易原理适用性的争论像元互易原理适用性的争论

46、主要是在地学测主要是在地学测量界和物理学家之间壁垒分明进行。前者如量界和物理学家之间壁垒分明进行。前者如Kimes,Kriebel,早就观察到互易原理的早就观察到互易原理的“视在失效视在失效”，后者，后者如如Snyder,Wanner等则坚持互易原理是物理学的基本等则坚持互易原理是物理学的基本假设之一，可以用来衡量数据质量。假设之一，可以用来衡量数据质量。作为电讯工程本科生，我早在作为电讯工程本科生，我早在85年使用年使用Kimes的经的经典数据时就发现其不满足互易原理。典数据时就发现其不满足互易原理。Kimes坚持不是坚持不是由于测量误差引起的。我当时存疑，直到十二年以后由于测量误差引起的。

47、我当时存疑，直到十二年以后才发现了沟通二者的桥梁。才发现了沟通二者的桥梁。这说明，这说明，两大学科的冲突和挑战两大学科的冲突和挑战同时也同时也给我们带来新发现的给我们带来新发现的机遇机遇。u在在99年年IGARSS论文发表之后，论文发表之后，Snyder仍坚持像元尺度上仍坚持像元尺度上互易性原理是无条件适用的互易性原理是无条件适用的William C.Snyder,APPLIED OPTICS,2002,41(21),4307-4313,Fig.3凹面镜凸面镜 Fig.2Fig.2S f2Df1The telescope structure equivalent to Fig.2.From W

48、illiamC.Snyder,APPLIEDOPTICS,2002,41(21),4307-4313,Fig.3 Blackbody baffleCollimation lensAThe optics system equivalent to Fig.1.FromH.ZhaoandJ.Wang,Prog.Nat.Sci.,2004,14(3),287-288,Fig.4.顺便回到模型的简单性。我在Lix谷里，加上黑体，就是要简化问题，避免左边坡的反射把问题复杂化。但Snyder为了引进他的微分方程，把问题复杂化，不惜冒“学术不端”的风险，强行给我取掉。这种在争论中把问题复杂化来闪避失败的方法，

49、英文里就叫：If you cant convince,try to confuse.同样，在我自己30年的学术生涯中，我注意到很多垃圾论文的一个共同特点，就是在保持结果合理的情况下，把问题复杂化，让评委或老师没有时间或耐心细看求解的过程，只好让其过关。普朗克定律适用条件：普朗克定律适用条件：T,e 0同温,只有e 空间变化：尺度不变尺度效应(例3)普朗克定律 4040年来年来普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥感，这是地温遥感精度上不去的根本原因之一，现我们感，这是地温遥感精度上不去的根本原因之一，现我们将它修正到遥感象元的尺度。将它修正到遥感象元的尺度

50、。普朗克定律是人类科学史上最伟大的成果之一，普朗克定律是人类科学史上最伟大的成果之一，是现代物理学的基石，但它也不是是现代物理学的基石，但它也不是“放之四海而皆准放之四海而皆准”的绝对真理，在对地遥感中的直接应用，要求一定的绝对真理，在对地遥感中的直接应用，要求一定的条件：的条件：但目前的修正，受制于缺乏理想的但目前的修正，受制于缺乏理想的地学描述地学描述手段，需要象手段，需要象元元平均材料发射率、二向反射比、平均温度、组份温度方差、组份温度与组份材料发射率的协方差等统计量。复杂性减低实用性统计量。复杂性减低实用性，我们正继续努力寻找更简练的，我们正继续努力寻找更简练的景观特征参数化景观特征参