第1章定量遥感实验概述
1.1遥感科学的发展与挑战
近年来遥感科学与技术的发展进入了一个新的发展时期。理论上经过了这几个阶段：从定性发展到定量；从简单解释辐射测量值与地表现象间的关系到用辐射传输模型定量描述它们之间的二向性反射/辐射关系；从正向辐射传输模型，发展到对辐射传输模型的定量反演；从单一波谱（如局限于光学或热红外或微波）发展到集成主被动协同反演（柳钦火等，2019）。
技术上，数据获取技术从单一波段发展到多波段、多角度、多极化（偏振）、多时相、多模式（徐希孺，2005）；传感平台由过去注重卫星和航空发展到地面连续观测的传感器网络；地面传感器网络的出现对遥感和地学研究具有重要意义（Alcarria et al.，2018）。无人机平台的出现与快速发展，进一步提升了天-空-地一体化地球观测的潜力，并提供在空-天遥感应用中无法替代的高时间采样频率（分、秒尺度）的地面数据，极大地降低了遥感应用的门槛，促进了遥感科学与技术在各行业的应用。无人机遥感的出现与快速发展也促进了遥感从宏观问题的应对发展到可以进行微观领域问题的探索（廖小罕和周成虎，2015）。在遥感数据处理与分析方面，经历了从目视解译发展到半自动、自动以及结合专家经验和计算机自动处理的人工智能（AI）信息提取，再到目前的基于云平台的大数据分析阶段（徐冠华等，2016）。
应用上，遥感已从实验走向实用，从区域应用到全球应用，并正在向产业化方向发展（宫鹏，2009），特别是近年来，遥感与实测数据的融合、渗透和统一，以及多源遥感数据与陆表过程模型的同化，为地球科学、环境科学、生命科学等研究提供了新的科学方法和技术手段，促使地学的研究范围、性质和方法发生了重大变化，推动了以全球观测和系统观测为特点，以全球变化多学科交叉研究为重点的地球系统科学的发展，为解决全球变化问题提供了有效途径（Liang et al.，2013）。但促使遥感从小范围实验阶段走向大范围实用化，仍有许多难以攻克的前沿问题。
1.生态环境要素遥感反演的物理机理模型有待改进
虽然国内外已经在生态环境要素的主、被动遥感物理模型方面进行了多年的研究，发展了一系列地表的反射率模型、热红外辐射模型、微波发射率模型和雷达后向散射模型，但大部分模型都不符合模型简单化原则，非常复杂，涉及大量难以观测的变量，使模型的参数反演很难实现；同时，模型的时空尺度效应、模型的方向性等问题尚未得到很好的解决，导致在异质性强、复杂的景观和山地观测条件下，模型参数的反演存在很大的不确定性。在现有模型基础上，发展适用于复杂地表条件下反射、发射和散射的模型和反演方法是提高参数遥感观测精度的基础。
2.多源遥感数据综合反演生态环境要素的理论和方法需要进一步加强多种卫星传感器提供了丰富的多尺度对地观测数据，使得协同不同类型传感器观测数据，优势互补反演生态环境要素成为可能，在提高参数反演精度方面具有很大的潜力。但也提出了新的问题，如不同类型传感器对同一目标观测中的尺度不匹配问题，不同类型遥感的物理模型中参数物理意义的一致性问题，多模型多参数反演中的信息互补和分配问题等。这些问题的解决需要加强多源遥感数据综合反演的理论和方法研究（Zhang，2010）。
3.对遥感数据和过程模型的尺度效应与尺度转换的机理认识不足
虽然遥感中尺度问题的重要性已经得到普遍的认识，而且已有研究也针对部分遥感物理模型的尺度效应进行了研究，取得了一系列重要成果。但对很多遥感物理过程的尺度效应机理的认识还非常有限，缺乏有效的尺度转换手段。因此，需要加强遥感数据和过程模型的尺度效应机理研究，并推动尺度转换方法的发展（郝大磊等，2018；姚远等，2019）。
4.同化多源遥感观测数据与陆面过程模型的生态环境要素估算方法需加强
将遥感的瞬间观测数据与反演要素所需的时空动态过程模型结合，可以有效提高参数反演的精度和反演结果物理上的一致性。如何耦合遥感物理模型和陆面过程模型、遥感观测数据和陆面过程模型尺度的匹配问题、同化过程中背景场的构建和更新机制、先验知识的获取和构建等问题的综合研究还未系统开展。
1.2遥感科学中的定量遥感实验
遥感辐射传输理论及相应的模型模拟与反演是遥感的基础理论，也是遥感作为一门科学的标志（宫鹏，2009）。随着遥感辐射传输理论的不断完善，迫切需要解决如何更好地在实验室、野外观测、航空或者卫星遥感观测之间实现空间、时间与光谱尺度转换；如何定量刻画地表形态和结构对地物辐射、反射和发射特性的影响，从而更准确地反演地物信息（宫鹏，2009）。这些都需要地表遥感观测实验数据的支持。
遥感实验是衔接定量遥感基础研究与应用研究的重要途径。发展对地观测系统，开展地表遥感观测实验是遥感基础研究的重要工作内容。通过定量遥感实验可以获取地表参数的时空演变特征，可以验证定量遥感模型、遥感数据产品的质量和可用性，促进定量遥感学科体系的建设与深化。如图1-1所示，遥感实验在遥感科学发展的各个阶段，如辐射传输机理研究、模型建立、先验知识库建设、参数反演、模型验证、遥感数据产品生产及真实性检验等方面都发挥了重要作用。开展定量遥感综合试验，可以构建地表观测数据集，为地表要素遥感模型构建、反演算法验证、尺度转换机理分析、定标与产品真实性检验提供星-机-地观测数据；可以通过地面实验研究定量遥感产品真实性检验的技术标准、操作规范和业务流程，提供像元尺度上遥感产品验证相对真值的地面实验方法；可以通过地面实验开展地表要素主被动定量遥感产品的示范应用，实现地表要素反演的点面扩展、时间过程扩展、立体空间扩展等，促进主被动定量遥感在生态环农业和林业等方面的应用。
定量遥感方面的著名专家李小文院士就非常重视遥感实验，在其研究生涯的各个阶遥感实验均发挥了重要作用。Chandrasekhar于1960年出版了专著“Radiative sfer”，对大气和水体等连续介质的辐射传输过程的理解和模拟起了奠基性作用rndrasekhar，1960）。但是，水平连续介质的假设使其不适用于具有三维结构的离散森林冠层。李小文和他的导师Alan Strahler首先基于多年的观测数据积累与科学分在具有三维结构像元二向反射建模中引入光学组分的四分量，对天然林植被用简单锥体近似逐渐完成不连续结构下间隙概率分布的推导（Li and Strahler，1988）；通过层形状和太阳光透过概率之间的卷积解决了不连续冠层反射的推导（Li and Strahler，）。通过这些工作逐渐发展了几何光学模型系列。其中不难看出，通过观测可以得到实世界的客观认识，再使用恰当的数学与物理方法形成模型，这是遥感研究的两个阶段。
遥感观测对于模型的验证也是不可或缺的。为研究不连续冠层二向反射分布特征及冠层几何结构的关系，李小文院士团队早在1990年初就与中国科学院长春光学精密与物理研究所合作，在中国科学院长春净月潭遥感实验站建立了室内二向反射观测室，促成了第一届国际多角度遥感研讨会在北京召开；同时期，王锦地等在昌平县屯苹果园进行了多次实地观测，观测数据用于对冠层几何光学模型GOMS和几何光_射传输混合模型GORT的验证研究（Li and Strahler，1992）。
定量遥感的本质在于反演，而反演问题通常却是“病态”的。一方面，地球表面的多变性导致反演模型复杂，求解困难。另一方面，目前遥感获取技术有限，遥感反演中的信息量远远不足（李小文，2006）。因此，解决“病态”反演问题的关键在于引入新的知识源一先验知识，增加反演所要求的信息量，保证反演结果的稳定和可靠。定量遥感实验为定量遥感反演提供了第一手先验知识。李小文等一直强调先验知识的重要性，从信息论的角度阐明了瞬间获取的遥感数据，不论数据量多大，信息量是有限的，因而其有效应用必须有先验知识的支撑，才能反演用户所需的地表参数（李小文，2006）。高峰等（1998）提出了基于遥感数据和模型参数敏感性分析的反演方法，根据参数的不确定性与敏感性矩阵实施数据集与参数集分割的分阶段反演策略。首先用部分观测数据来反演对其*敏感、不确定性也*大的参数，在这一部分参数的不确定性降低之后，再用观测数据的另一子集来反演另一部分参数，进而提出了在遥感反演中有效利用先验知识的贝叶斯反演原理与方案。
异质性是地表自然过程的基本特征，从严格意义上说，地球表面不存在绝对均质的地表。初步研究表明，采用30m分辨率全球土地利用和土地覆盖数据，1km像元尺度内纯净像元仅占35%左右（Yu et al.，2018）。传统的地面观测往往是一个点上的观测，具有直接、准确的特点，但是成本高、效率低。对于较大区域尺度的研究而言，仅采用地面观测手段不经济、不可能，也无必要。卫星观测具有宏观动态的特点，可实现一个区域范围内的空间连续观测。根据空间分辨率的不同，每个像元代表了地面几米以至于几十千米内的综合观测量，但地物分布及其特性的空间差异带来的混合像元问题是不可回避的，如果不考虑空间异质性而直接进行反演势必会带来较大误差。地面单点观测与不同分辨率遥感像元观测之间的尺度效应与尺度转换方法研究，已成为定量遥感领域的重要科学问题（张仁华，2009）。由于地表复杂多变，要实现地面单点观测与多分辨率卫星遥感数据的尺度转换，并不是一件容易的事情，特别是当卫星遥感数据空间分辨率较低时，地面观测与卫星遥感观测的尺度转换难以实现，需要通过更高分辨率的数据支持，才能分析混合像元内部结构，研究其尺度效应，建立尺度转换模型（Liang，2004）。通过定量遥感试验，可以灵活配置几何分辨率、光谱范围和分辨率、获取的时相及重复周期等，从而获取从地面观测尺度（米级）到高分辨率卫星（十米级）不同尺度的观测数据，缩小星载传感器面测量与地面点测量之间遥感数据属性特征的差异，可以作为尺度转换研究的重要数据源，在遥感时空尺度效应和尺度转换研究过程中发挥关键的桥梁作用。
遥感观测能力在很大程度上决定了遥感的发展水平，如20年前多角度遥感研究多年未得到足够的重视，主要是观测能力缺失从而对地物的二向反射的特点和原因缺乏了解。随着遥感观测技术手段的发展，积累了大量的地面和遥感多角度配套的观测数据，同时，星载多角度传感器的发展进一步为全球多角度数据的收集提供了重要手段。通过实验观测可以得到一些新的认识，甚至可以质疑一些经典原理的客观性与适用性，如Li和Wan（1998）文献中提供的对观测数据的理解，再结合自己的野外观测工作和对获取数据的深入分析，论证了互易原理在遥感器像元尺度上的有效性和可能失效的原因，并明确了适用条件，澄清了当年遥感测量界和物理界长期争执不休的问题，证明了Siegel和Howell的热力学证明为误。
综合观测实验可以通过集中各专业的科研人员、仪器设备，尽可能多地获取各类遥感数据和背景数据，为定量遥感模型构建、反演算法验证、尺度转换机理分析、定标与产品真实性检验提供配套齐全的观测数据。一系列针对地表过程的大型观测实验对地理学、水文学、生态学、大气科学和整个地球系统科学的快速发展起到了举足轻重的作用，在这些实验中，遥感为获取点及区域尺度宏观观测数据的重要技术手段。“第一次国际卫星陆面气候学计划野外实验”[the first international satellite land surface climatology project（ISLSCP）fieldexperiment（FIFE）]是由美国国家航空航天局（NationalAeronautics and Space Administration，NASA）主导的影响深远的一次重大实验。在3年实验期内，FIFE提供了可供科学家在各个尺度上发展模型和卫星遥感反演算法并开展尺度转换研究的完整数据集，它至今仍产生着重要的影响，为各类实验提供了成功的范例（Sellers et al.，1988）。“北部生态系统和大气研究”（boreal e
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