尺度问题研究进展

尺度是与空间现象与过程有关的术语, 关于尺度、尺度效应及尺度转换方面的研究广泛地存在于材料、化学、计算机等领域。在总结地学领域尺度、尺度转换及尺度效应研究的基础上, 着重介绍了近年来在定量遥感领域尺度相关问题的新兴研究进展。     

关键陆表参数遥感产品真实性检验方法研究进展

遥感产品真实性检验是定量遥感基础研究的重要环节,是客观评价遥感产品精度、稳定性和一致性的重要手段,对于提高遥感定量化水平、推动和扩展遥感产品的深化应用具有重要的意义。本文基于当前陆表参数遥感产品真实性检验研究的相关成果,归纳总结了陆表参数遥感产品真实性检验方法,并就其中的5种真实性检验方法,即基于地面单点测量检验、基于地面多点采样检验、基于高分辨率数据的检验、交叉检验和间接检验,阐述了各方法的特点、局限性、适用条件。文章在最后探讨了陆表关键参数遥感产品真实性检验评价指标和验证中影响精度评价的关键因素。本文对于遥感产品真实性检验工作的开展和真实性检验系统研发具有重要的指导意义。     

两种普适性尺度转换方法比较与分析研究

着重阐述了地表空间信息尺度转换的必要性和方法.首先从尺度转换成因分析入手,介绍了两种普适性的尺度转换模型,即泰勒级数展开模型和计算几何模型,并对这两个模型的适用性进行了分析.借助叶面积指数的反演,针对林地、农田、水体3种不同下垫面的试验样区进行了模型的分析比较.结果表明,在拥有小尺度(高分辨率)数据时,泰勒级数模型能够很好的刻画尺度效应,使得尺度效应改正后的相对误差小于1%,获取更为准确的地表参数反演值.遥感尺度转换方法、技术为获取不同尺度的地学信息,为资源调查和环境灾害监测等相关领域的应用提供真实可靠的多尺度数据支持.     

“遥感尺度效应和尺度转换”论坛简报

正尺度问题随着研究对象而变化。海量、多时空尺度的对地观测数据,为地理科学提供了地理大发现以来极为重要的机遇,若不解决尺度问题,必将影响地球科学研究的进一步推进。2013年9月,李小文院士发表论文《定量遥感尺度效应刍议》,试图推动解决遥感在定量研究和应用过程中遇到的尺度效应问题。论文     

尺度效应的叶面积指数产品真实性检验方法

真实性检验是评价遥感反演产品质量和验证遥感应用产品是否准确、真实地反映实际情况的重要途径。叶面积指数(LAI)是表征陆地植被结构和长势的关键参数,全面准确评价和验证LAI产品是产品用于陆面过程模型的前提。本文以MODIS LAI与GLASS LAI产品为研究对象,在尺度效应和尺度转换的基础上,建立了针对非均匀像元的低分辨率LAI产品真实性检验方法。在考虑空间异质性和植被长势差异的情况下,借助中分辨率的遥感影像,分别利用1 km像元平均叶面积指数和反演表观叶面积指数实现了对LAI算法和产品的真实性检验。为了比较作物长势差异和地表非均匀度对产品的影响,本文选择有代表性的河南鹤壁和甘肃张掖两个地区进行两种LAI产品真实性检验研究。研究结果表明,GLASS LAI和MODIS LAI产品均存在明显的低估现象。这并不是产品算法的问题,而是由于地表异质性和非均匀度的影响。在异质性更显著的张掖盈科灌区,低估现象更明显。GLASS LAI产品是多种LAI产品的融合,它的平均LAI比MODIS更接近真实情况,但是LAI的动态范围比MODIS窄。     

近岸/内陆典型水环境要素定量遥感空间尺度问题研究

近岸/内陆水环境遥感的空间尺度问题研究包括空间变异尺度及遥感监测空间尺度需求,以及多源多尺度遥感数据及定量产品的空间尺度误差两个方面。利用长时序高分一号16 m遥感数据集高时空分辨率的综合优势,采用空间半变异函数分析方法获取了中国近岸/内陆典型水环境要素（以悬浮颗粒物为例）的空间变异尺度。基于水环境要素空间变异的连续性和泰勒级数展开理论,定量化地描述了空间尺度误差解析函数。结果表明,近岸/内陆水体等高动态水体的空间变异尺度平均在150 m以下,而外海等相对稳定水体空间变异尺度在300 m以上。随着空间分辨率的降低,受到空间变异和水环境要素非线性定量反演模型的共同影响,悬浮颗粒物的空间尺度误差显著增大,亟需重点研究区域化的尺度误差校正方法。     

空间数据尺度转换方法与应用

首先提出了空间数据尺度转换的重要性和基本概念,总结归纳了常用的尺度转换方法;最后以河南理工大学为例,给出了不同尺度下空间数据精度损失。     

构造地理要素趋势面的尺度转换普适性方法探讨

当前的遥感科学面临着遥感数据获取能力与数据应用能力之间突出的供需矛盾。尺度问题作为遥感科学中的关键问题,既限制了遥感作为一门科学向系统性、普适性的发展,又限制了遥感应用能力的发展。本文对定量遥感中的尺度问题进行了梳理,包括:遥感与传统站点观测之间的不一致、不同尺度遥感产品之间的不一致、机理模型的尺度适用问题,以及遥感产品与用户需求时空尺度间的不一致。对遥感中的尺度转换方法展开了讨论,总结了尺度转换的关键问题在于原数据信息量不足时引入额外信息和保留关键信息两方面。提出了构造地理要素趋势面的基本构想,搭建了一个具有普适性的尺度转换方法框架。核心内容是充分利用地表环境要素时间、空间上的信息作为先验知识,通过关联遥感观测新信息和先验趋势面生成指定时空尺度的地表要素产品。     

遥感数据尺度特征的研究进展

遥感传感器多样化发展引领了遥感数据空间分辨率和时间分辨率多样化,形成了完善的遥感数据层次体系,为地球表面现象的表达和应用提供了大量的数据源。在不同尺度数据的综合应用过程中,尺度特征凸显重要。本文根据国内外的研究现状对遥感影像尺度特征的研究进行了分析,并对当前研究中面临的问题进行了探索,最后对遥感影像尺度特征将来发展趋势与前景进行了分析和展望。     

叶面积指数遥感尺度效应与尺度纠正

由于地表空间异质性的普遍存在,遥感反演模型的非线性必然会导致不同分辨率观测的遥感结果不一致,从而产生遥感产品尺度效应。本文研究了遥感产品尺度效应概念、模拟方法和定量计算模型,并利用锡林浩特草原研究区的实测数据,对尺度效应模型和方法进行了定量计算与验证分析。首先,基于不同升尺度方法与多尺度遥感成像机理之间的机理联系,通过“先反演再平均”与“先平均再反演”之间的差异,可计算“高”分辨率与“低”分辨率之间的遥感产品尺度差异。其次,分别以红光、近红外两波段反射率和归一化植被指数(NDVI)为自变量,对叶面积指数(LAI)非线性遥感模型进行泰勒展开,研究了模型非线性、遥感数据空间异质性对LAI遥感产品尺度差异的影响,发现高阶项可忽略,利用二阶导数项和遥感数据方差项可定量计算遥感产品尺度差异,经过二阶导数项纠正后的尺度差异相对偏差从5.6%分别降低到0.78%和1.45%。最后,分析了LAI遥感产品尺度效应的特征规律,得出以下结论:随着植被覆盖的增大,同等遥感空间异质性的LAI遥感产品尺度差异越大,且红光波段比近红外波段的尺度差异敏感性高近2个数量级;对于绝大部分陆地植被区域,存在“低分辨率低估”尺度效应,且遥感产品尺度差异的主导要素为LAI模型非线性,NDVI变量自身非线性对尺度效应贡献占23.5%;对于湿地类植被与水体混合情形,NDVI变量非线性的贡献为主导贡献,出现“低分辨率高估”尺度效应,必须利用红光、近红外两波段的二阶导数项非线性尺度差异,才能解释这一类型的LAI遥感产品尺度效应。本文建立了具有一定普适意义的遥感产品尺度效应定量模拟与尺度纠正方法,对推动定量遥感的尺度问题研究有一定参考价值。     

发展几何光学遥感建模理论，推动定量遥感科学前行——深切缅怀李小文院士

李小文长期致力于遥感基础研究,是植被几何光学遥感建模的先驱。他创建了Li-Strahler几何光学模型,论文入选"国际光学工程学会(SPIE)"里程碑系列文集。以李小文为首席科学家,带领国内外科学团队,在植被二向性反射建模、热红外遥感辐射方向性建模、遥感信息尺度效应、定量遥感综合实验与真实性检验方面做出了卓越成就。本文总结了李小文的主要学术思想,对定量遥感相关研究进展进行了总结和回顾,对遥感科学及相关领域具有重要的借鉴和参考意义。     

气溶胶定量遥感的机器学习方法综述

机器学习方法近年来取得突破进展,其遥感应用从目标识别和地物分类领域,发展到定量化反演的多个领域。气溶胶定量遥感因其机理复杂,反演参数的种类和精度受到限制,机器学习为气溶胶遥感带来了新的研究和应用技术手段。本文汇总现有研究进展将气溶胶机器学习方法归纳为卫星遥感反演气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）、卫星遥感反演其他气溶胶参数、卫星遥感反演颗粒物浓度（PMx）、地基气溶胶遥感4类。结合作者研究工作,通过分析讨论,归纳机器学习用于气溶胶定量遥感的条件为：（1）物理模型无法使用;（2）已有模型卫星产品精度低;（3）已有模型精度高但计算速度低。从应用的角度来说,可以借助于更多的具有相关性的输入信息,发挥机器学习在反演产品种类、反演精度、计算效率等方面的优势;而对定量遥感来说,应该同时重视挖掘遥感数据本身的信息来提高反演能力,并通过误差分析等手段反馈对遥感机理的理解,使机器学习与遥感机理研究相互促进。     

遥感反演蒸散发的日尺度扩展方法研究进展

遥感技术能够提供卫星过境时刻地表参量的瞬时值,进而通过模型构建可反演得到瞬时蒸散发。相对于瞬时蒸散发,日尺度蒸散发在实际生产生活中具有更重要的应用价值。本文系统地总结分析了遥感反演瞬时蒸散发的代表性日尺度扩展方法,包括蒸发比不变法、解耦因子不变法、辐射能量比不变法、参考蒸发比不变法、地表阻抗不变法和数据同化法,并对各方法的基本原理、估算精度、适用性等进行了对比分析。在此基础上,进一步综述了日尺度扩展方法存在的不确定性和主要问题,包括扩展方法本身误差、云覆盖、气象数据获取、夜间蒸散发估算、遥感反演同扩展误差累积及真实性检验等,并指出今后应从加强有云天及夜间蒸散发扩展机理和方法等方面的研究来提升瞬时蒸散发日尺度扩展精度。     

地表反射率地形校正物理模型与效果评价方法研究进展

地形校正是准确获取地形复杂区遥感反射率的重要步骤,对提高山区地表遥感参数定量化反演精度,扩大遥感产品应用广度具有重要意义。从20世纪80年代开始,国内外学者开始对准确获取山区地表遥感反射率进行研究,建立了多种地形校正模型来减少或消除遥感图像中地形效应影响,减少同种地表类型的反射率差异,并将地形校正模型分为经验模型和物理模型。根据构建物理模型时是否考虑地表非朗伯体特性,将物理模型分为朗伯体假设模型和非朗伯体假设模型,本文分别从朗伯体假设模型和非朗伯体假设校正模型展开叙述。从两类模型构建的理论基础,模型特点,局限性等几方面进行分析和讨论,描述了两类模型的发展历程,系统阐述了朗伯体假设模型和非朗伯体假设模型的适用性和不足,剖析了目前地形校正模型存在的问题与挑战。同时,本文也比较了应用于地形校正的效果评价方法,并展望了地形校正方法和地形校正评价方法的未来主要发展方向。     

中国定量遥感发展的一些思考

中国定量遥感始于20世纪80年代,在过去10多年得到了空前的发展。在2012年左右中国首次超越美国成为世界上在英文遥感刊物上发表文章最多的国家,特别是近几年文章数已经是美国的两倍左右。尽管在遥感数据的定量反演方法等研究方面,中国已经处于世界的前沿,是定量遥感的大国,但总体上尚不是定量遥感强国,在绝大多数的分支领域上还没有处于世界引领的地位。本文在回顾世界和中国定量遥感发展历史的基础上,从遥感数据获取与处理,前向辐射传输建模,变量反演,高级产品生产,地面观测,遥感云平台建设,遥感教育和遥感应用等8个方面,简要地讨论了中国定量遥感发展的一些问题和挑战,并提出了一些期望与初步建议。     

数据驱动的定量遥感研究进展与挑战

定量遥感是从原始遥感观测信息中定量推算或反演出地学参量的理论与方法.传统定量遥感主要基于模型驱动,强调通过数学或物理模型完成推算和反演.随着人工智能技术的发展和普及,数据驱动的方式也逐渐受到广泛关注,其强调的是通过机器学习等方式挖掘遥感观测数据中所包含的信息,完成地学参量的定量反演.在强大计算能力的支持下,数据驱动的方...     

2019年中国陆表定量遥感发展综述

为了更好地了解中国定量遥感的发展态势和加强同行之间的信息交流,根据中国学者2019年发表的SCI检索论文和部分中文论文,对陆表定量遥感的核心进展进行了总结,涉及数据预处理（云及其阴影识别,大气与地形校正）、陆表辐射传输建模、不同变量的反演方法、产品生产评价与精度验证,以及相关应用等内容。陆表变量产品较多,本文概要介绍了反射率、下行太阳辐射、反照率、地表温度、长波辐射、总净辐射、荧光遥感、植被生化参数、叶面积指数、光合有效辐射比、植被覆盖度、森林高度、森林生物量、植被生产力、土壤水分、雪水当量、雪盖、蒸散发、地表与地下水量等最新进展,也一并介绍了2019年与定量遥感相关的科研项目、学术交流会与暑假培训班等内容。     

异质性地表反照率遥感产品真实性检验研究现状及挑战

地表反照率直接决定了地表能够吸收到的太阳辐射能量,是研究气候变化、能量平衡的一个关键参数。遥感为大尺度、连续获取地表反照率提供了一种有效的观测手段。但遥感数据本身的精度限制和反演模型的不确定性,使基于卫星数据反演的反照率产品存在误差,而这种误差的存在又会影响产品的进一步应用。正确的认识这种误差有助于提高产品的应用精度,深化其应用的深度和广度。真实性检验就是正确认识卫星反照率产品准确性、稳定性的重要手段,它是卫星产品从生产到应用的桥梁。虽然目前已经开展了大量的真实性检验工作,但即使是针对同一种卫星产品,真实性检验的结果往往并不一致。其根本原因在于验证中所采用的参考值能不能够准确地代表卫星像元尺度的地面真值。地面观测和卫星产品像元之间巨大的尺度差异以及广泛分布的地表异质性,使地面观测并不能直接作为像元尺度真值与卫星产品进行简单的对比。因此真实性检验过程并不是直接的,而是需要经过一系列严格、独立的过程得到像元尺度真值后与产品在一定的空间和时间范围内进行对比。针对目前真实性检验结果准确性和可信度不高等问题,本文尝试从地面实测数据、尺度转换、验证方式、评价方法及验证中存在的问题等几个方面来论述反照率产品的真实性检验现状及挑战。     

高分辨率定量遥感的偏振光效应与偏振遥感新领域

随着航空航天高分辨率观测手段的逐步成熟,定量遥感在有效解决了光学地表多尺度效应后,更高分辨率的光学偏振效应在地表、大气、仪器3大要素方面逐步全面凸显出来,并直接决定或影响高分辨率观测系统的定量遥感效能实现和质量保障。例如,植被冠层极其微弱的多次散射反射偏振效应,如果不加扣除其模型误差达到136%;大气衰减本质是大气偏振效应,是遥感反演的最大误差源,误差达到5%—30%,偏振手段扣除大气误差目前已可以降低一半以上的误差;观测仪器扣除多次散射透射偏振光后,可以实现5 nm分辨率下0.1—0.3 nm高光谱定标能力,并借助偏振强化光噪声分离出中心波长偏移和带宽退化的误差根源。借助偏振"强光弱化,弱光强化",能够实现稳定度达10~(-8)月球辐亮度基准观测,为遥感辐亮度定标不确定度由7%到1%—2%跨越提供可能。