從定性到定量，遙感技術“進階式”

日前，陸地探測一號01組B星成功發射。AB雙星編隊，將在地質災害、土地調查、基礎測繪、防災減災等方面大顯身手。它們應用的技術，就是遙感。如今，大家已經對“遙感”耳熟能詳——遙感，是指非接觸的、遠距離的探測技術，一般指通過遙感器對物體的電磁波輻射、反射特性進行探測，從而利用這種非接觸的方式感知物體的種種特性。那么，從遙感技術發明至今，發生了怎樣的變遷？又有哪些可期的未來？

遙感科技“高”在哪兒

高分一號“一眼”，800公里盡收

我們今天所說的遙感，一般指在距離地表一定高度的平臺上，如飛機、衛星等，利用遙感器對地表進行觀測的活動。當然，利用無線傳感器對地表、利用探地雷達或其他有穿透性的遙感器對地下進行觀測也被認為是廣義的遙感范疇。

對于公眾而言，最熟悉也是最早發展起來的遙感，就是從衛星平臺觀測地球表面，這也是20世紀末發展最為迅速的科技領域之一。衛星遙感能夠頻繁持久地提供地表的面狀信息，具有宏觀、動態、精確地監測地表環境變化的特點。總的來說，包括衛星遙感在內的遙感技術具有如下優勢：

其一，進行大范圍觀測。遙感用航攝飛機飛行高度為10公里左右，陸地觀測衛星軌道高度一般在600-800公里左右，例如我國高分一號衛星的覆蓋范圍可以達到800公里之寬，大概相當于北京到安徽淮北的距離。這種感知，就是古人“欲窮千里目，更上一層樓”的人眼視覺中，視場和距離的關系。

其二，獲取信息的速度快、周期短，受地面限制條件少。尤其通過衛星組網觀測或大幅寬相機觀測，對同一地區甚至可以做到一天內多次觀測。而對于因自然條件惡劣或者國境限制不能在地面到達的區域，也可以通過衛星遙感方便及時地獲取地面信息。

其三，獲取信息的手段多，信息量大。根據不同的目的，可選用不同波段、不同探測方式的遙感器來獲取信息。例如可采用可見光探測物體表面形狀、顏色等信息，也可通過紅外探測物體的溫度信息，還可以利用不同波段對物體不同的穿透性來獲取地物內部信息。

人類的信息需求有80%與地理空間位置有關，而在全球普遍面臨日益嚴重的資源環境問題的形勢下，遙感宏觀、動態、精確等特點，在國民經濟、社會發展和國防安全中起著越來越重要的作用。地球觀測組織（GEO）確定的遙感9大應用領域，涵蓋了災害、衛生、能源、氣候、水、天氣、生態系統、農業、生物多樣性等，更是涉及了人類生活的方方面面。

為什么需要定量遙感

由“能看”到“看準”

人們對事物的認知，總是先看到表象，然后涉及實質，尤其是對自然科學研究而言，觀察-總結-歸納-演繹推理-實證是通用的研究邏輯。研究者更注重于用數學建立起自然世界的研究對象之間的映射關系，以便用數學方法解釋自然規律并進一步預測規律。因此相較于定性的描述，定量的刻畫和應用更是自然科學的關鍵所在。自然科學的分析、對規律現象的確定性描述，這都離不開“數據”或者“量化”這一研究基礎。

20世紀70年代以來，衛星遙感主要采取垂直觀測方式，以獲得地表二維信息，對獲取的數據則基于地面目標漫反射的假定，作一些簡單校正后利用地面目標的光譜特性作地表分類或經驗判讀。早期遙感的應用，更多的是基于定性描述，也就是通過可視的地物顏色、紋理、形狀、大小等要素來對地物的各種屬性進行推斷并進行應用。但是，隨著需求的發展，定性遙感越來越難以滿足科研和應用的需求。

例如，衛星遙感通過云圖可以很直觀地顯示各種氣團的運動趨勢，但中、長期天氣預報的準確性仍不令人滿意。其主要原因之一就是在大氣動力學模型中，需要知道影響地面和大氣溫度的大氣下墊面反照率和影響氣流運動的粗糙度這些量化的信息。而定性的分析顯然不能滿足這個需求。

很自然地，人們開始著眼于通過遙感的方式來獲取地物更多量化信息的研究，并期望定量遙感能承載更多的應用需求。

那么，什么是定量遙感？對應于定性遙感而言，定量遙感是從地物反射或發射的電磁輻射里，來推演得到地物某些特征定量化描述的手段。通俗地說，就是在遙感獲取的各項電磁輻射信號的基礎上，通過數學的或者物理的模型，將遙感信息與觀測地表目標聯系起來，定量地反演或推算目標的各種自然屬性信息。

定量遙感有什么優勢？我們以全球氣候變化研究為例。在全球氣候變化研究中，定量的遙感數據產品起著至關重要的作用。它們不僅能夠作為輸入參數集來驅動數值過程模型運行、評價和驗證其模擬結果，還可以通過適時的輸入更新結合數據同化的方法確定過程模型的某些狀態變量或者參數，以提高不同時空尺度的碳、水、氮通量等模擬精度并進行預測。在行業部門的各種業務應用中，各種評估對量化指標的旺盛需求，也對遙感的定量化提出了更高要求。

定量遙感難在哪兒

模型構建、參數反演個個是難關

如前所述，遙感應用水平要提高，定量遙感是必由之路。

但是，定量遙感要作準很難。它的精確度主要取決于前向模型構建和參數反演兩方面。

什么是前向模型構建？想要搞明白這個原理，我們先來看明代羅貫中的一句詩：“夕陽方照桃花塢，柳絮飛來片片紅”。李小文院士曾這樣詮釋：柳絮明明是白的，為什么詩人觀察到柳絮是紅的呢？這可能是三個原因導致的：首先是太陽照射和觀測的角度的關系。由于是夕陽，太陽光穿越大氣的光學路徑較長，短波段散射嚴重，導致直射光偏紅。其次反映了地表參數的特征：桃花塢里桃花灼灼，形成一個紅色的下墊面，導致反射光偏紅。再次是反映了氣溶膠的特性：柳絮本身是全波譜反射，此時反射夕陽紅，反射桃花紅，因此柳絮成了片片紅。

而我們構建前向模型，就是要把信號的光譜、像元對應的空間范圍、成像時間、太陽照射和觀測的角度關系、極化特性、描述大氣特性和地表特征的參數集，都綜合在一個數學表達式中，來描述遙感傳感器接收到的輻射信號。

建模是定量遙感反演的前提條件和基礎，而電磁輻射穿越大氣、植被，到達土壤，再反射穿越植被、穿越大氣，達到衛星傳感器的遙感成像過程的復雜性使得用數學模型來描述變得極端困難。

反演的過程則是建模的逆過程，也就是通過遙感觀測的電磁輻射信號逆推估算大氣或陸表特性參數集的過程。理論上說，通過多個觀測解方程組的方法可以得到我們感興趣的地表特性的定量信息。但“理想很豐滿，現實很骨感”，地表太復雜、而遙感觀測總是有限的——這就好比盲人摸象，很多信息都是有限的、孤立的，要想獲得準確認知，需要對獲得的信息進行融合、積累和綜合。我們一直在試圖尋找更好的辦法來解決問題，比如利用先驗知識、時空約束、多階段反演、最優化反演等。其中涉及很多專業知識和數理內容，我就不再贅述了。

我國定量遙感水平如何

保持國際領先，未來仍要加油

我國定量遙感研究起步于20世紀90年代，在李小文院士等前輩科學家的推動下，一直保持在國際領先地位。隨著我國航天事業的蓬勃發展、行業部門對遙感日益旺盛的需求以及遙感科技工作者對學科發展的不斷推動，我國勢必穩步從定量遙感大國向定量遙感強國邁進。

那么，未來的中國定量遙感研究會怎樣發展？筆者認為可以著重考慮以下幾個方面：

更加重視科學目標明確的我國自主衛星計劃的提出。目前，國產衛星更多地仍然在模仿和跟跑的道路上，從衛星觀測模式、載荷設置、載荷成像（觀測）體制等方面仍有大量模仿的痕跡。固然，對業務運行的衛星而言，這意味著更穩定、可靠性更強和可復用的數據更多。但對科學研究而言，則意味著新型觀測數據更少。類似CASEarth、高分五號(部分載荷)、碳衛星、水衛星等由科學家用戶以特定科學問題為驅動，主導進行的衛星計劃應該更多地被支持。

同時，應更加重視國產衛星數據產品面向國際用戶的開放。經過載荷研制、地面驗證、國產衛星共性產品生產等多方共同努力，將國產衛星數據定量產品的質量穩步提升后，更需要面向國際用戶進行開放，這既是我國科技自信的表現，也是通過吸引更多國際用戶使用產品從而提升我國遙感衛星產品國際影響力的具體途徑。

再者，應更加重視定量反演的“兩端”。地表輻射前向模型是進行定量遙感反演的基礎，我國科研人員在地表輻射前向模型的改進、集成和應用方面居于國際前列，在針對復雜場景、新成像體制、新遙感模式的前向模型提出方面還需要科研人員的共同努力。定量遙感反演產品是直接面對科學家用戶和行業用戶服務，和其他市場化的產品和服務一樣，產品質量、產品使用說明、對用戶的技術支持、產品不確定性和區域適用性等均需要同步提供，以便各類用戶獲得更好的用戶體驗。