項(xiàng)目名稱(chēng)： 定量遙感幾何光學(xué)建模及反演理論

推薦單位： 教育部

項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 對(duì)地遙感觀測(cè)目前已成為國(guó)際社會(huì)大力投入和廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，遙感本身也成為了一門(mén)新興的交叉學(xué)科，正逐步從定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯?，其中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是建立遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)與地表參數(shù)關(guān)系的模型和地表參數(shù)的遙感反演。本項(xiàng)目主要圍繞對(duì)地遙感的建模和反演問(wèn)題進(jìn)行研究。

遙感像元尺度上地表的非朗伯特性已被廣泛認(rèn)可，為了合理有效利用遙感觀測(cè)信息，需要從機(jī)理上描述地表的方向性反射和輻射特性，盡管輻射傳輸理論自60年代被成功引入了對(duì)地遙感領(lǐng)域并得到廣泛應(yīng)用，其水平均勻體散射介質(zhì)的基本假設(shè)極大限制了其應(yīng)用范圍。針對(duì)地表大量呈現(xiàn)非均勻復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的情況，項(xiàng)目主要完成人李小文等指出像元尺度上地表反射方向性的關(guān)鍵在于其結(jié)構(gòu)，于1985年創(chuàng)建了Li－Strahler幾何光學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了植被冠層反射的四個(gè)分量在不同方向投射陰影的差異，成功地解釋了由于冠層結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的植被像元表面反射的非朗伯現(xiàn)象；1988年建立的離散植被冠層的間隙率模型則成為幾何光學(xué)模型與輻射傳輸模型銜接的橋梁，極大地簡(jiǎn)化了在三維空間中復(fù)雜邊界條件下求解的復(fù)雜性；1992年建立了考慮入照與反射兩方向相互蔭蔽的幾何光學(xué)模型，經(jīng)過(guò)了詳盡的驗(yàn)證，奠定了Li－Strahler幾何光學(xué)模型的學(xué)術(shù)地位；1999年以后，李小文等項(xiàng)目主要完成人圍繞普朗克定律和互易原理在遙感像元尺度的適用性問(wèn)題進(jìn)一步研究，將幾何光學(xué)原理成功應(yīng)用到了更廣闊的遙感領(lǐng)域。Li－Strahler幾何光學(xué)基本原理在解釋復(fù)雜地表的反射特征時(shí)有其簡(jiǎn)單、明晰的優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)際社會(huì)的廣泛認(rèn)可，到目前被他人SCI引用累計(jì)700余次。

地表是復(fù)雜多變的，而遙感數(shù)據(jù)的信息量總是有限的，本項(xiàng)目明確提出"對(duì)地定量遙感本質(zhì)上是欠定問(wèn)題"的觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)先驗(yàn)知識(shí)的積累，發(fā)展了基于先驗(yàn)知識(shí)的遙感反演理論和方法，被國(guó)際同行高度評(píng)價(jià)，從2002年以來(lái)已被他人SCI引用近200次，并被用于美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃"旗艦"衛(wèi)星MODIS的全球反照率產(chǎn)品生成中。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 1.定量遙感幾何光學(xué)建模理論 (地圖學(xué)、代表性論著[1]-[7])

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Chandrasekhar于上世紀(jì)50年代創(chuàng)立了輻射傳輸理論，成功應(yīng)用于大氣；前蘇聯(lián)院士J.Ross于上世紀(jì)60年代將其應(yīng)用于植被等地表反射特性的描述，曾在遙感機(jī)理研究中一統(tǒng)天下。但該理論的基礎(chǔ)假設(shè)是體散射介質(zhì)的水平均勻性，而在遙感像元尺度上，陸地表面大量呈現(xiàn)非均勻的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以表面散射為主，輻射傳輸理論難以給出合理解釋。

本項(xiàng)目1985年發(fā)現(xiàn)了植被冠層反射的四個(gè)分量在不同方向投影的差異，成功地解釋了由于冠層結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的植被像元表面反射的非朗伯現(xiàn)象。1992年通過(guò)引入交互陰影張角的概念解決了森林相對(duì)茂密時(shí)入照與反射兩方向相互蔭蔽的情況，建立了國(guó)際上目前唯一經(jīng)廣泛驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用的森林遙感模型幾何光學(xué)模型（代表性論著[1]）。幾何光學(xué)模型在植被存在較多間隙，多次散射影響明顯，陰影和非陰影區(qū)反差較小時(shí)，需要和輻射傳輸理論結(jié)合，結(jié)合的橋梁就是間隙率模型。本項(xiàng)目1988年將常用于農(nóng)作物冠層的間隙率模型推廣到不連續(xù)植被冠層，建立了適用于離散植被冠層的間隙率模型，極大地簡(jiǎn)化了在三維空間中復(fù)雜邊界條件下求解的復(fù)雜性（代表性論著[2]），進(jìn)一步建立了幾何光學(xué)－輻射傳輸混合模型，形成了可見(jiàn)光、近紅外波段Li－Strahler幾何光學(xué)建模理論（代表性論著[3]）。

從遙感技術(shù)出現(xiàn)后40多年，普朗克定律一直未經(jīng)修正直接應(yīng)用到對(duì)地遙感，這是地溫遙感精度上不去的根本原因之一，本項(xiàng)目修正了"像元平均有效發(fā)射率"的內(nèi)涵，使普朗克定律能直接應(yīng)用于像元尺度地溫遙感（代表性論著[4]）。并分別針對(duì)作物冠層方向性熱輻射實(shí)驗(yàn)和理論建模做了進(jìn)一步研究（代表性論著[5-6]），從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)角度為我國(guó)熱紅外遙感做出了貢獻(xiàn)。

互易原理是否直接適用于遙感像元的尺度？遙感界從事理論研究且對(duì)互易原理深信不疑的科學(xué)家和從事地表二向性反射測(cè)量的科學(xué)家爭(zhēng)論不休。本項(xiàng)目研究了地表二向性反射的互易性，推翻了西方沿用十多年的互易原理的熱力學(xué)證明，進(jìn)而證明了互易原理在像元尺度上失效的條件（代表性論著[7]）。

2.定量量遙感病態(tài)反演理論(地圖學(xué)、代表性論著[8]-[10])

國(guó)際對(duì)地遙感界的主流在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間沿用高斯最小二乘法，堅(jiān)持"定量遙感反演的必要條件是獨(dú)立觀測(cè)的個(gè)數(shù)大于未知數(shù)的個(gè)數(shù)"，但是地表是一個(gè)復(fù)雜、開(kāi)放的巨系統(tǒng)，未知參數(shù)幾乎是無(wú)窮的，而遙感數(shù)據(jù)是有限的，從而導(dǎo)致了定量遙感與應(yīng)用需求之間巨大的缺口和普遍的悲觀情緒。

本項(xiàng)目提出了基于先驗(yàn)知識(shí)的遙感反演理論（代表性論著[8]），強(qiáng)調(diào)必須綜合考慮未知參數(shù)的敏感性與不確定性，盡量把遙感獲取的寶貴信息分配給時(shí)空多變要素，而不是反復(fù)反演相對(duì)穩(wěn)定、相對(duì)已知的敏感因素。相應(yīng)的理論成果已被項(xiàng)目主要完成人引入到美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃"旗艦"衛(wèi)星MODIS的全球反照率產(chǎn)品生成中（代表性論著[9]），并被拓展應(yīng)用到組分溫度的遙感反演（代表性論著[10]）。

主要完成人： 李小文

本人對(duì)項(xiàng)目的第一和第二發(fā)現(xiàn)點(diǎn)做出了貢獻(xiàn)，占本人工作量的90％。具體表現(xiàn)在：

1．創(chuàng)建了李-Strahler幾何光學(xué)模型系列，并在此基礎(chǔ)上，引入了輻射傳輸模型在處理多次散射的優(yōu)勢(shì)，建立了幾何光學(xué)－輻射傳輸混合模型。

2．推翻了西方沿用十多年的互易原理的熱力學(xué)證明，首次發(fā)表了在該書(shū)作者假定條件下導(dǎo)出的正確結(jié)論，并給出了互易原理應(yīng)用于非均一像元方向-方向反射計(jì)算的約束條件。

3．構(gòu)建了非同溫地表熱輻射方向性模型，初步解決了普朗克定律用于非同溫黑體平面和非同溫三維結(jié)構(gòu)非黑體表面的尺度糾正問(wèn)題。

4．提出了多階段目標(biāo)決策的反演方法，建立了基于先驗(yàn)知識(shí)的遙感病態(tài)反演理論。

王錦地

本人對(duì)項(xiàng)目的第一和第二發(fā)現(xiàn)點(diǎn)做出了貢獻(xiàn)，占本人工作量的80％。具體表現(xiàn)在：

1．長(zhǎng)期進(jìn)行BRDF實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，用觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了二向性反射的幾何光學(xué)-輻射傳輸混合模型，將有限厚度介質(zhì)層的路徑散射模型推廣到不連續(xù)植被樹(shù)冠層表面的方向反射分布和層內(nèi)的輻射傳輸，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；建立了考慮開(kāi)放度的樹(shù)冠層輻射傳輸模型。

2．為解決常規(guī)方法難于進(jìn)行的對(duì)樹(shù)冠結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)測(cè)問(wèn)題，研制了樹(shù)冠底視掃描成像系統(tǒng)(TCT),發(fā)展了樹(shù)冠層垂直葉面積指數(shù)、葉面積體密度分布的間接測(cè)量方法。

3．組織制定了地物波譜的采集規(guī)范，是構(gòu)建"我國(guó)典型地物波譜知識(shí)庫(kù)"的課題負(fù)責(zé)人。

4．拓展了病態(tài)反演理論，并用于植被組分溫度的反演。

柳欽火

本人對(duì)項(xiàng)目的第一和第二發(fā)現(xiàn)點(diǎn)做出了貢獻(xiàn)，占本人工作量的80%:

(1)改進(jìn)了地面多角度觀測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了典型農(nóng)作物二向性反射與熱紅外輻射方向性觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，幾何光學(xué)建模和驗(yàn)證提供了大量的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);(2)參與機(jī)載多角度多光譜成像儀的設(shè)計(jì)和研制，參與組織了機(jī)載多角度多光譜航空遙感實(shí)驗(yàn)(2000)、北京順義星機(jī)地定量遙感綜合實(shí)驗(yàn)(2001)，為基于先驗(yàn)知識(shí)的遙感定量反演理論驗(yàn)證和發(fā)展，提供了大量的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);(3)通過(guò)地面和航空多角度實(shí)驗(yàn)，提取了典型地表熱紅外輻射方向性特征，發(fā)現(xiàn)地表組分溫度分布、地表結(jié)構(gòu)參數(shù)和發(fā)射率方向特征，是決定地表熱紅外輻射方向特征的主要因子，促進(jìn)了幾何光學(xué)建模從可見(jiàn)光/近紅外波段到熱紅外波段的拓展。

閻廣建

本人對(duì)項(xiàng)目的第一和第二發(fā)現(xiàn)點(diǎn)做出了貢獻(xiàn)，占本人工作量的80％。具體表現(xiàn)在：

1．將Li－Strahler的方向性熱輻射模型拓展到寬波段，并建立了行播作物的熱輻射模型，考慮了作物間隙率的影響。

2．參與提出了對(duì)地遙感病態(tài)反演理論中多階段目標(biāo)決策方法，發(fā)展了多角度多光譜聯(lián)合反演的方法。實(shí)現(xiàn)了葉面積指數(shù)和組分溫度的反演。

3．主持研制了機(jī)載多角度多光譜成像系統(tǒng)（AMTIS）實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，將其技術(shù)應(yīng)用到電力，研制了機(jī)載多角度電力巡線系統(tǒng)（AMPLI）。開(kāi)展了航空和地面的BRDF測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

高峰

本人對(duì)本項(xiàng)目的第二發(fā)現(xiàn)點(diǎn)做出了主要貢獻(xiàn)，占本人工作量的80％：

1．驗(yàn)證了基于李-Strahler 幾何光學(xué)模型之上的"李系列"核驅(qū)動(dòng)模型，分析比較了多種核驅(qū)動(dòng)模型在不同樣本空間分布情況下的適用性, 實(shí)現(xiàn)了"李系列"核驅(qū)動(dòng)模型在美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃M(mǎn)ODIS BRDF/Albedo 算法中的應(yīng)用，并驗(yàn)證和分析了由此生成的全球MODIS二向性反射和地表反照率產(chǎn)品。

2．合作引入了先驗(yàn)知識(shí)在模型反演的應(yīng)用，成功地使用貝葉斯理論將先驗(yàn)知識(shí)和遙感觀察數(shù)據(jù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出多階段目標(biāo)決策反演體系，實(shí)現(xiàn)了先驗(yàn)知識(shí)在遙感模型反演中的有效應(yīng)用，提高了遙感反演的準(zhǔn)確性和可靠性。