李小文院士的定量遥感观点

定量遥感研究简介李小文遥感科学国家重点实验室2007-3-1我国定量遥感理论的发展中国的机载多角度高光谱传感器中国对定量遥感研究高度重视我国定量遥感理论的发展尺度效应及遥感建模30年前，人们着力研究一个像元内每一个组分的非朗伯性。我们用一个简单的几何光学模型说明了像元的非漫反射特性主要是像元尺度上地表的三维结构决定的，从而奠定了李小文—Strahler几何光学模型系列的基础。Aa1(qv)qva2(qv)=1-a1(qv)A为谷顶部，一个像元大小尺度效应及遥感建模大气中的辐射传输理论由J.Ross引入并修订，用来描述植被的方向反射特性。至今仍然流行。辐射传输理论本质上是与像元大小无关，尺不变的。很难解释拥有非均匀复杂结构的陆地表面的BRDF特性。微分体散射元水平均匀体散射介质垂直方向允许介质的密度、性质有变化固体地球表面—下垫面边界条件尺度效应及遥感建模为了给出像元尺度对BRDF合理简洁的解释，从1985到1995年间，我们建立了一系列Li-Strahler几何光学模型。不同冠层的BRDF(GOMS模型)针叶林(a,d)稀疏草原(b,e)灌木丛(c,f)(d)(e)(f)红近红外(a)(b)(c)一个像元内离散冠层的BRDF主要由光照及阴影比例决定。创新的阵痛上面讲到中国的遥感基础研究能够做得比外国人好，是不是有点吹牛皮呢？这不是自吹，主要还是想给同学们打气、加油。如果我们的确做得比外国人好，就要理直气壮地说，如果说都不敢说，甚至想都不敢想，还有什么自主创新可言？大家知道，创新首先需要敢于思索，然后需要付出艰苦的努力。但大家也许不知道创新的阵痛。打完了气再给大家讲一讲阵痛，讲一讲艰辛。我是学电子出身的，后来搞图像处理，遥感，成了UCSB地理系D.Simonett的研究生。他跟我强调尺度效应，我是半信半疑的。直到后来A.Strahler要我作课题，研究针叶林树冠阴影与其反射的关系。当时已经有不少人怀疑二者是有关系的，但从数学上讲不清。比如一个J.Smith教授的学生，在树林里作了大量辛苦的测量，测量结果表明，树冠的郁闭度和地面阴影的面积基本上不相关。我觉得有违常识，就仔细阅读了他们的测量方法、数据和处理方法，发现他们的郁闭度测量和阴影面积的测量是在10mx10m的网格上测量的，但从树高和太阳角来算，阴影应投射到10m以外，所以他们的结论是错误的。要弄清二者的相关，必须在更粗的网格上作相关分析。Strahler觉得有道理，但告诉我说这个J.Smith是个大权威，你说他署名文章结论错了，也许今后会惹麻烦，应该向他请教一下。于是，把我的分析寄给J.Smith。很快有了回信，Smith认为我的分析是对的，他们选的尺度不合适。从而开始了我25年漫长的创新与阵痛交替的生涯。1981年我的第一个几何光学模型，虽然载入了美国《遥感手册》第二版（1983），但只能算一个小成果，阵痛也很轻微。无非就是明明白白正确的事，也得请教一下权威认可。而且Smith后来对Strahler和我都很支持；NASA的遥感科学计划一开始（1983年左右），就和Strahler联合申请到了一个三尺度森林建模的项目。尺度效应及互易原理互易原理是曾被当作检验遥感数据质量的标准，受到测量界的强烈反对，争论长达20年。我们在理论上证明了：在像元尺度上，空间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且明暗两区之间串线不对称，则互易原理失效。我们用一个简单几何光学模型说明上述条件，在IGARSS‘98会议上引起轰动。凹面镜黑体表面凸面镜A创新的阵痛1985年我作BRDF模型的时候，唯一可用来验证的成套测量数据是Kimes提供的。作为学电子出身的我，立即注意到他的测量数据不满足互易原理。于是我请教他是否测量误差太大。他回了一封长长的信，说测量误差绝对大不到那个程度，互易原理在野外测量中有问题，并举出了几种互易原理可能失效的场景。他举的场景不能说服我，但是我相信了他数据的质量。怎么办呢？我不得不放弃了为树冠亮度（模型中参数之一）建模的结果，把该参数作为实测参数，这样既不背叛大学二年级老师教我的原理，又不与野外测量的行家争论不休。这样“蒙混过关”，文章发表在86年IEEETGARS。但是为树冠亮度建模毕竟是模型进一步发展的自然需求，所以此后查阅了有关文献，发现测量数据与互易原理不符的争论从上世纪五十年代中期关于实验室测量数据就已经开始了，搞测量的和搞理论的争论不休，谁也说服不了谁。我也没有必要去趟浑水，所以就把疑问暂时放到一边。冷战结束以后，更多的物理学家进入遥感领域。这本来是好事，有助于学科交叉。但是个别物理学家觉得他们肩负着“反修防修”的历史使命。挨头刀的是Walthall的BRDF经验模型。一位物理学家注意到这个经验模型不符合互易原理，就擅自（也许沟通过，但我不知道）在经验模型上加上一个因子，变成自己的满足互易原理的模型。我觉得有些霸道，但事不关己，一笑置之。但树欲静而风不止，有人把我86年的BRDF几何光学模型推导、简化成“半经验模型”，这下“原形毕露”，原来李小文－Strahler模型不满足互易原理。所以有几位物理学家要求我同意也加上一个因子，让这个半经验模型变成互易的。我提出两个条件：1。测量数据支持他们的要求；2。或者证明互易原理在像元尺度上成立。一位英国物理学家(lix:Lewis)觉得挺难，就放弃了。另一位德国物理学家(lix:Wolfgang)觉得互易原理天经地义，李小文不应该提条件，你同意我加，不同意我也加，就把模型改成互易的，模型名称中的李改为“互易的李”。我表明我不同意这样改，但也无法制止他。一位美国物理学家W.Snyder，看起来比那位德国物理学家客气一点，非要先说服我再改，但骨子里其实更霸道。在“说服”我的时候，他写道：“互易原理是物理学中一个基本原理，只是我进入你们遥感界以后，才遇到六个学地理的博士（！），居然不相信互易原理。”这个括弧里的惊叹号明显是挖苦我们这六个（含我本人）学地理的博士不懂物理学的基本常识。这就把我逼上梁山，不得不站在学过互易原理的地理博士的立场上和他展开了长达数月的论战。论战是通过Email公开进行的，抄送给了若干有关人士，包括我两个正念研究生的孩子。我坚持赫姆霍兹互易原理是点对点关系，他必须证明复杂地表三维结构的像元尺度上仍然有效，开始他认为没有必要，后来他证明一次我驳倒一次。但他仍坚持其轻蔑态度，直到他引用一本美国热物理学的经典教材(Siegel&Howell)中的一条证明，严格论证了遥感像元尺度上互易原理普适。这次他本身的证明是无懈可击，连我的孩子都悄悄给我发Email，说：“爸，这下你惨了，该认输就认输吧！”为了教育孩子相信自己是对的，就不能轻易认输，我琢磨这条Siegel&Howell证明两天一夜，终于发现这条证明中存在循环论证，因而不成立。我推翻这条证明的逻辑是清楚的，说理是充分的，Snyder也驳不倒。但美国人似乎有他们自己的行事方式，他马上打电话向Howell求救。原著者仔细听取了我的结论后，承认我是对的，他们的证明不成立。Snyder马上通知我此事，表示这一回合认输。我沉浸在胜利的喜悦中不到两天，刚好和我琢磨这个“证明”废寝忘餐的时间差不多，“阵痛”就来了。Snyder给我发来了他投往“AppliedOptics”的论文第一稿，他毫不客气地是第一作者，万正明（我们Email论战的证人）为第二作者，我只为第三作者，文中只提到是我“质疑”了这个定理。我气不打一处来，但万正明和Strahler（我们Email论战的我方证人），都劝我算了，以后对这个Snyder小心些就行了，不值得再和他费力耗神争什么。但我还是咽不下这口气，想：“你xx的英文写得快，老子中文也不慢。”就把阐述我的观点和推翻那个证明的中文文章投往《自然科学进展》署名李小文、万正明。后来两篇文章均发表在1998年。经历了这次美式“阵痛”，此后我即不再与Snyder有任何私下讨论；有争论也公开发表，包括前面提到的98年IGARSS会议论文。尺度效应及互易原理Snyder对我们的结论提出质疑，于2002年提出BRDF互易原理是无条件成立的。下图是Snyder引用我们的图.WilliamC.Snyder,APPLIEDOPTICS,2002,41(21),4307-4313,Fig.3凹面镜黑体表面凸面镜A图1.显示Snyder提出的互易失效的像元结构。凹面镜凸面镜A图2.Snyder用来证明互易原理无条件应用于遥感的像元结构差别等效于图2的望远结构WilliamC.Snyder,APPLIEDOPTICS,2002,41(21),4307-4313,Fig.3等效于图1的光学系统H.ZhaoandJ.Wang,Prog.Nat.Sci.,2004,14(3),287-288,Fig.4.Sf2Df1BlackbodybaffleCollimationlensA尺度效应与普朗克定律普朗克辐射定律已经被未加修正地应用到陆地遥感40多年了。普朗克定律适用条件T,e0同温,只有e空间变化：尺度不变尺度效应及普朗克定律两步近似为自相似a1a2T1T2e1e2自然陆地表面：Ll=eBl(T)ee0+Dem+De(DT)像元内多次散射引起的尺度效应自相似T,e0+Dem我们修订了像元有效发射率的定义，从而使普朗克定律能直接应用于像元尺度地温遥感.创新的阵痛我们碰了普朗克定律，引发了更惨烈的阵痛，中国特色的，就不细讲了。行文至此,我有些担心读者会认为我这样和人讨论，去说服别人，是不是太吃亏，我不这样认为。看起来是吃了点亏，但归根到底是有益的。比如没有和Snyder的反复辩驳，我很可能永远注意不到Siegel&Howell书上那一条证明，自然也就谈不上去推翻它。在攀登项目内的公开讨论，对整个课题组理清思路，统一认识，快出成果，绝对是有利的。偶尔有个别人佔点小便宜，只要不碍大局，不必计较。所以我仍然建议大家多公开讨论，多交流，才能成大气候。希望这次会议的组织者会后能顺势建立一个网上讨论组，大家有什么定量遥感方面的问题，新的想法，都可以上网。遥感反演遥感反演最大的问题在于相比未知参数的数目,我们只有有限的信息。更进一步，我们所关心的参数往往对遥感信号不敏感。例子：大西部草原遥感，常遇到过放牧的草地和少量优质草地，定性分类非常容易，但要估算其生物量(如叶面积指数)，就非常困难。遥感反演LAINDVI背景草?弱信号强信号弱信号饱和遥感直接获取的参数(NDVI)与应用参数(LAI)的非线性NDVI遥感反演•目前国际上对地遥感反演的主流仍坚持沿用高斯的最小二乘法，坚持“定量遥感反演的必要条件是独立观测的个数大于未知数的个数”(简称“第三公设”)。•遥感数据总是有限的，接受第三公设，采用最小二乘法，其结果是只能估计最敏感的少量几个参数，而这几个参数往往不包括应用所需的时空多变要素，导致了定量遥感与应用需求之间巨大的缺口，和普遍的悲观情绪。遥感反演•我们明确提出“对地定量遥感本质上是欠定问题”的观点，强调必须综合考虑未知参数的敏感性与不确定性，尽量把遥感获取的宝贵信息分配给时空多变要素，而不是反复反演相对稳定、相对已知的敏感因素、在低水平上重复。•孔子教导我们：知之为知之，不知为不知，是知也。我们的反演软件正是基于这种思想开发的。对MODISLAI产品的改进LAI产品的时空不连续性326496128160192224256288320Day0.010.020.030.040.0LAIgrass(line655sample365)MODISLAIQC04080120160QC11100182010121121097197297159159106101599701010000000我们在中国区域内应用改进的TSF滤波算法得到了时空连续的LAI产品。326496128160192224256288320Day0.010.020.030.040.0LAIgrass(line655sample365)MODISLAIImDAFLAIQC0408