遙科學技中的些沿問題宮鵬中遙科學技中的些沿問題宮鵬中科院感應研所京范大遙科國重點驗室,北京100101)摘要:將人不可及的觀測統稱為遙感,使地面傳感器成為遙感的一局部提出遙感科學與技術的根本內容,包括傳感器研制遙感數據獲取數據處理信息提取和應用5個局部其理論根底是輻射傳輸過程模擬與反演,貫穿于各個組成局部數據的可視化及傳輸發布存在于從數據獲取到應用的各個環節遙感科學與技術正處于快速開展時期,各個方面都有前沿問題輻射傳輸理論中的尺度和多角度問題,地形對輻射和圖像幾何影響及相應多源多時相數據的匹配問題,遙感信息提取中自動化和目視解譯的結合以及信息提取新策略問題,遙感與基于過程模擬的氣候水文生態模式相結合的四維數據同化技術等是當前遙感科學與技術開展中的重要學科前沿。維數據同化技術是突破遙感瞬時信息獲取實現圖像與機理模型有機結合改善自身數據產品質量和促進地學大范圍模擬準確性的重要開展方向,能增強遙感對全球變化科學的奉獻。關鍵詞:遙感新定義,地面傳感器,幾何輻射校正,信息提取,數據同化中圖分類號: 79文獻標識碼:A人們遠距離觀察目標,還能通過成像保存永久記錄于它是幫助人們觀察宏觀世界的,因此與放大鏡顯微鏡正好相反,它是把大范圍的真實世界縮小隨著攝像機電視電子掃描儀,數字相機以及對同能量敏感的各種成像儀器的開展,我們對世界觀測的手段越來越多應用的領域也越來越廣,甚至開展到對生物成像的生物學領域和對人體成像醫學領域,并形成新的學科如生物成像與感知學和(Fuukwa,2004),生物信息學(Xon,2006)成像設備搬到飛機和安裝到衛星上,使我們大擴展了對地球外表的觀測制圖預測的能力這也是今遙感做為門地學學的由來。實上,遙感做為一門技術是對人類感知的延伸有視覺聽覺嗅覺味覺和觸覺,盡管目前教科里一般指些記錄電磁能量并能成圖譜線圖和像)的探測技術實際上,它不僅包括對人類視的延伸,還有觸覺聽覺和嗅覺觸覺的低級階也在遙感中得到一定的實現,如熱紅外遙感是對類通過觸摸才能實現的對冷熱的感知的延伸外,代技術早已延伸了我們聽覺和嗅覺這兩種覺聲感起于錄音機,以及后期的聲納1 感科學術的開展趨勢統遙感是不接觸目標而獲得其相關數據的技術目標可大到恒星小到細胞根據上述傳統定義,通過器接觸測量的數據不是遙感數據本文針地球觀測,對遙感重新定義它包括遠離人但能通過遙控儀器與目標接觸而獲取的數據例如機器人獲取的測量數據是遙感數據新定義的遙感關于地球觀測的科學與技術,它既包括空中和太空對地觀測也包括野外監測技術其核心科學內是理解不同尺度地球觀測值的形成及不同尺度觀測值之間的關系其技術包括各種對地球的量和成像技術以及觀測數據處理和信息提取技術。成像角度遙感起源于照相機(Lileand等,2003)從測譜的角度遙感起源于用質譜學研究物質結構和組成的物理和化學(og等,1998)。基于相機的遙感技術,早期被天文氣象海洋和陸地科學家們廣泛應用把瞬息萬變的真實世界記錄來它的作用主要像望遠鏡一樣,用來幫助收日期:20210417;修日期:20210702基工程:國自然科學基金編號:30590370),國家863高技術計劃項目編號:200A12112)和國家科技支撐計劃項目編號:200AJ0B02)。第作簡介:宮鵬(1965—),男,研究員,滑鐵盧大學博士學位研究興趣為土地覆蓋利用制圖與變化監測遙感生態測量學(Pooemetc)球環變與康及技社開展發論文300篇,著5部。感報 2021,13(1)感報 2021,13(1)14JounalofRmoeSensng技術嗅感起源于各種化學探測器的創造但是聲和嗅感至今沒有進入到主流的遙感教科書中,因為僅探測技術身探聲味還無法從很遠的位置實現這種局面很快被迅速發展起來無線傳感網絡技術改變(Culer&Hon,2004;宮鵬,2007)。國際上,遙感發展的主要特征是需求牽引、技術動,以有效應用為其最終目的一顆載有傳感衛星的成功發射背后有長期的需求分析和充分應用可行性研究的支持因此,一旦成功發射,所獲數立即產生較好的國防經濟科學及社會效益然而,在相當長的一段時間內,中國的遙感開展是儀器研制掛帥,以模仿跟蹤國際潮流,以發射星或航空傳感器能夠運行為目的,往往無視需求分析應用可行性科學驗證以及應用示范研究此,衛星發射,獲取數據后沒有相應的應用隊伍結果在經濟和科學中的效益發揮不夠充分。這種術開展和用脫鉤的面十分嚴峻。年來遙感學與技術的開展,進入一個新的開展時期,可以從下面幾個方面考察不同程度的進步:(1)理論上,從定性開展到定量從簡單解釋輻射量值與地表現象間的關系到用輻射傳輸模型定描述他們之間二向性反射輻射關系并且從正輻射傳輸模型,開展到對輻射傳輸模型的定量反演李小文&王錦地,1995;Chen&Lebanc,1997;Lan,2004)從分散如局限于光學或熱紅外或波)開展到成多個波區間。(2)技術上,從單一波段發展到多波段多角度多極化偏振)多時相多模式,從單一遙感器到多感器的結合,近些年出現多角度遙感輻射測量攝影測量是早期典型的多角度遙感,但是注重幾形態的測量)術光雷達技術(Bacman,1979;Neloneta.,1984;李楷薛永祺,2000)和無線感器網絡術(wcketa.2004);(3)傳感平由過去注重衛星和航空開展到地面傳器網絡連續觀測技術;地面傳感器網絡的出現對遙感和地學研究有重要意義對于遙感科學技術的發展具有支持真正的地空天一體化地球觀的潛力,并且提供在空天遙感應用中無法替代高時間采頻率分秒尺度)的地面驗證數據種觀測尺度和頻度對地球科學理論的驗證和地現象的認有重要作用宮鵬,2007)。(4)分析方方面,從目視解譯開展到半自動、自動及結合專家經驗和計算機自動處理的信息提取;但是,與遙感傳感器技術開展的速度相比,自動提取信息算法研制的速度相對緩慢得多分析技術從分類等通用算法設計開展到為特定目標設計檢測和識別算法設計宮鵬等,2006;Wengeta.,2021;Huieta.,2021;Wangeta.,npe)。(5)應用上,已從驗走向實用,從區域應用到全球圍的應用,并正在向產業化方向開展從小范圍驗階段走向大范圍實用化,標志著遙感的成熟,同時還許多難于克的前沿題。來合透一,以及多源遙感數據與陸表過程模型的同化(oueta.,,; Cooneta.,;Lu&utoh,;Oooeta.,;等,6b),為地科學環境科學生命科學等研究提供了新的科方法和技術手段,導致了地學的研究范圍、性質方法發生重大變化,推動了以全球觀和系統觀為點,全球變化多學科交叉研究為重點的地球系科學的開展,為解決全球變化問題提供了有效途徑。著遙感科與技術的不斷開展,新的研究機構也不斷涌現在中國不管是專業設置還是研究生和博士后教育與培養有增加的趨勢面臨遙感科學技術受到空前重視的新形勢,不少遙感新人需要快了解領域前沿,盡快進入科研軌道本文試圖局部遙感前沿方向的背景及問題談點看法,以供考。2 感科學術的內容感可按數據獲取處理分析和應用的整個過程的主要內容分類如圖1第2層,遙感科學技術括5個方面的內容:傳感器研制數據獲取、數據理息提取和遙感應用從這幾方面的內容可見,遙是一個多學科交叉的產物傳感器研制涉光學電磁學和光電儀器制作;數據獲取包含數儲存與傳輸,它涉及航空航天計算機和通訊;數據處理是數據獲取和信息提取的中間環節,有時可以合并在任意一項當中它涉及計算機和電子程等自動化行業;信息提取涉及各種應用行業和動化行業;遙感應用主要是指對遙感數據和信息科學生產和國防應用同時,我們不能將這些容孤立起來,它是緊密相的。圖1的大背景是遙感輻射傳輸理論以及相應宮鵬:學術些宮鵬:學術些題15的模型模擬與反演它是支持遙感開展的根底理論,是遙感為一門科學的標志目前遙感輻射傳輸理需要不斷完善,在所有波譜區間面臨著一個根本題,如何更好地在實驗室和野外波譜特性測量空中遙感觀測之間建立尺度放大和尺度轉換?有一系列相關問題:如何定量刻化地表形態結構地物波譜的影響,從而更準確地提取地物信息?涉及輻射傳輸理論及反演數據處理中的數據校正信提取中的新方法研究等方面。(Chen,和傳發布,在遙感科學與技術的開展和有效應用中也扮演著重要角色好的數據可視化方案能夠幫助們更好地處理遙感數據,并能提高在大量遙感數據中發現潛在模式的時機如何高效地表達遙感數據以便于更容易地挖掘有用信息?如何改善遙數據的發布方式使更多的用戶更大程度地使用遙感數據?ogeEarh提供了很好的開端。但是,ogeEarh使用的技術并不先進,其設計者對地理學制圖學的理解很有限,盲目效法它已經做成東西,不能到達科學前沿它只是人們科學研究根底,不是終極標。1999;2007;Cheneta.,2002;Lang2004;Qneta.,2021)圖1下的遙感數可視化oeta.,圖1遙感科學技術的根本內容感器研制開展很快新型傳感器不斷涌現。僅中近來以及未來幾年就有氣象風云衛星FY系列)海洋(H列)境與減災高分率衛星等發方案,將攜帶大量的傳感器美國法國日本印度等射的地球觀測系統衛星已經對全球形成了日連續觀測的能力,為大范圍探測提供了大量數據法國多角度DAA多角度MR等傳器的研制與數據獲取拓展了地面二向反射理論的應用各國高空間分辨率和微波雷達以及激光達系統的研制與應用,對數據處理和信息提取提了新要求目前數據融合信息融合的研究做得多,般對全色和多光譜光學波段的數據融合處理取得的進展比較令人滿意(on,2006;2007)但是如何更han,1999;Hong&han,好地合可見光,近紅外和短波紅外的圖像與熱紅外和雷達圖像數據,還需要深入探討至于特征如線性結構)和信息如地表類別以及溫度亮度酸堿度蒸發土壤濕度等某種地表物理或化學參數)面的融合,研究得還相對較少,更是需要做大量的研究工作近幾年在遙感領域開展的多源遙感數據同化,是一個重要方向(Bach&Maue,2003;Lan,2004)。信息獲取面,利用計算機進行信息提取可以分六大策略:遙感分類統計回歸變化探測、三維取形態提取和輻射傳輸模型反演等方法。(on,2006b)其中前3類方法是遙感信息提取感報 2021,13(1)16Jou感報 2021,13(1)16JounalofRmoeSensng中較統的方法,而后3類相對較難技術較新,特別是射傳輸模的建立及反演很有戰性。感應用雖廣泛,但是隨著新的遙感科學技術的開展,新的應用領域不斷成為可能,傳統應用領域不斷深化,所以要不斷拓展新的遙感應用領域由于遙感空間分辨率和輻射傳輸模型反演能力的提高,農業應用向精準農業開展,即不但有可能別作物類型,還能探測土壤水分蒸發量肥力作物生物量等,為合理農情管理效勞這些在過去遙感圖像獲取技術落后的情況下很難做到。又如用遙感技術進行遙感考古,是遙感的文化應用前沿,它需要可見光近紅外熱紅外和微波雷達等術的綜合應用,又需要深厚的歷史和文化素養,需要多學科科學家交叉聯合再如,遙感在環境污染公健康方面做得也不多遙感環境污染以前限于小范圍水域熱污染水體泥沙混濁度、水色化大氣塵埃氣溶膠)濃度等的研究,但是對水學氣化學的奉獻進步不多遙感對于公眾健的奉獻,研究的人還不多實際上遙感通過對環監測的改良會對公眾健康研究起到越來越大的用(Fangeta.,2021)首先,環境遙感得到的定水體大氣參數可以直接用于健康研究其次,針對特定流行病中間傳播媒介蚊螨鼠蜱等的棲環境的定量化研究,可以直接作為模型變量用于行病傳播和擴散的模擬過程中,為疾病防控策略的制定提供其他方法無法獲得的數據宮鵬等,2006)。感信息獲取后的可視化表達對更好地運用遙感信息有重要作用可視化表達是介入遙感科學技與其他科學,特別是制圖學地理信息科學等之的技術它包括遙感數據的模型與其他地理數據庫接口遙感信息表達及顯示與制圖等內容此,我們也可以把遙感劃分成六大模塊:傳感器制數據獲取數據處理信息提取可視化和遙感應用其核心還可以歸結為遙感數據獲取需要傳感器)信息提取需要處理)和遙感應用需要視化)。感中有些需要不斷攻克的基本難題這些問題常根本,不是一兩篇科學論文或幾篇博士論文就以解決的除了電磁波,聲納傳感器使用超聲波其他地面傳感器使用更多的探測方式他們的輸原理也要充分了解。3 題物目標的光譜特性和空間結構決定各種不同分率從不同角度以及在不同光譜區間所能獲取的圖像的輻射量及其空間分布特性用不同空間分率獲取的圖像間沒有簡單的平均或平分對應關系圖像輻射測量值隨觀測尺度即傳感器分辨率變化常常呈非線性變化圖2給出一個熱紅外感中提取表溫度信的例子。圖2非同溫地表遙感溫度反演不能直接應用普朗克定律熱紅外傳感器測得的輻射亮溫無法反演出像元均溫度290而且即使在各波長比輻射率均為.98,也法得到各長同樣的度。設遙感像的比輻射率為.98,且不隨波長變化,但像元由2個不同的溫度局部組成,溫度分別為280K和300通過遙感得到的輻射亮度來反演表溫度時,由于像元的比輻射率是已知的,直接式(1)中普朗克定律來反演像元溫度時,可以發現,用同波段的紅外輻射亮度來反演像元溫度,會得到地表溫度隨波長變化的結果,這在地學模型用中是一矛盾。λ(,0)=0(v)B(0)(1)式中,L是射亮度,是長,是表覆蓋類型,0是地溫度,B黑體輻射度。下尺律?下是溫的?這類問題的解答顯然需要解決題文等提出了在不同尺度應用普朗克宮鵬:學術宮鵬:學術些題17法譜念模型并進一步擴展到對三維結構尺度糾正(Lieta.,0)他們不再尺度上的參數而是用像元尺度上的度。便不題此針型根據熱輻射傳輸的特點建立新的型外可見光近紅外和微波領域在地表參/r/