量子遥感信息机理研究
（中国科学院遥感应用研究所 遥感科学国家重点实验室）
毕思文，韩继霞
摘 要：首先研究了量子遥感提出的背景和需求以及目前量子信息技术的发展现状；阐述了量子遥感的基本概念，量子遥感是反映遥感在量子层次上运动规律的理论与方法，是反映遥感微观微粒运动规律的理论，并将量子遥感和遥感的对应关系和比较进行了研究；详细论述了量子遥感信息机理：由于在遥感物理中，Planck定律在解释非同温象元热辐射方向性时遇到困难，所以选择从电磁辐射场的量子化来研究，并进行公式推导，辐射场经过量子化之后，变成了由光子组成的系统，从而在量子层次上解决遥感理论中黑体辐射的问题 ，从本质上研究了象元的辐射方向性问题。
关键词:量子遥感、遥感信息、量子遥感信息、机理研究
INFORMATION MECHANISM STUDY OF QUANTUM REMOTE SENSING
BI Si-wen , Han Jixia
(State Key Laboratory of Remote Sensing Sciences ,Institute of Remote Sensing Application ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100101)
Abstract: The background and quantum remote sensing needs and the current status of the development of quantum information technology are studied. The needs of practical applications development is the most pressing needs of quantum remote sensing .It presented basic concepts of quantum remote sensing. Quantum remote sensing is the theory and methods reflected in the quantum level remote sensing of movement and the law theory reflected in remote sensing micro particles campaign. The counterpart relations and the differences between quantum remote sensing and remote sensing are presented. Information mechanism of quantum remote sensing is studied. Planck law is the basis in remote sensing physics and in accordance with the material reality of the world. For quantum remote sensing, quantum mechanics is the foundation for the next step needs to choose a practical application of the quantum of electromagnetic radiation field to study and deduct the formulas.
Keyword:Quantum remote sensing, remote sensing information, quantum remote sensing information, mechanism study
遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术。40余年来，科学技术的发展和经济建设的迫切需求，对遥感科学技术提出了更高的要求。遥感应用领域的扩大，要求在新的层次上解决许多应用基础问题，如遥感信息；成像机理、电磁波辐射传输模型与地学影像特征规律，新一代遥感仪器的遥感原理论证以及在遥感技术应用的理论和方法等方面都需要我们深入地开展研究。所以，根据遥感科学技术面临上述的挑战与困难和信息科学技术发展、量子信息技术、数字地球研究以及国防安全的需要，量子遥感应运而生,量子遥感信息机理的研究是其研究的基础,也是量子遥感应用的前提.
2002年4月毕思文研究员在《3S世界》期刊量子遥感与复杂性计算的提出与研究一文中首次在国内外提出量子遥感[1]。目前量子遥感的理论体系，基本框架，以及技术框架在提出的基础上都已经得到了很大的完善和改进。自量子遥感提出至今，引起了遥感界的关注，先后在2004环境遥感学术年会、第十五届全国遥感技术学术交流会等多次在国内外会议进行学术交流，并被收录到大会论文集。并在《红外与毫米波学报》、《科学》和《中国科学》先后发表20余篇论文，完成书稿一部，即将出版。并且在量子遥感精细光谱实验和量子遥感信息机理研究等方面取得了阶段性成果。
1.量子遥感提出背景
量子遥感的提出主要基于很长时间以来，遥感在基础理论、技术方法与应用研究的各种模型和计算误差中一直都存在着没有解决的难题，其主要原因是遥感所探测的地球表面是一个复杂的巨系统；而遥感正是对这个复杂巨系统进行信息获取与融合处理的科学技术。尤其是登月计划的实施对遥感提出了更高的要求：太阳光照不到的绝对零度以下的区域，普通遥感器接受不到任何信息。下面主要从遥感面临的挑战、量子信息技术发展和数字地球研究的需要等方面，阐述量子遥感提出的背景[3]。
1.1遥感科学技术面临的困难
遥感从开始发展到现阶段，关键问题仍是进一步实用化。但是，总的来看，遥感应用的整体水平还不能满足实用的要求。突出表现在两个方面：一是实时检测与处理能力尚不够满足如自然灾害等所要求的同步准同步地完成数据获取、分析处理、快速提供连续不断地使用信息。二是遥感数据定量反演地学参数的能力和精度，尚不能达到实用要求。
这里有两方面地原因：一是人们对遥感认识上地局限性，即对遥感成像及传输机理、影像特征、地学规律是随着遥感及各学科地发展而逐步深化的。简化为各向同性与实际的方向性的矛盾，比辐射率和环境辐照度的差异影响问题等都是我们遥感理论需要解决的问题。再就是我们的反演模型和应用分析模型过于理想化、概念化，因而结果多是不确定性的。二是遥感技术的问题，仪器的衰减以及遥感数据处理方法的局限性限制了遥感的定量化水平[2]。1.2 量子信息技术发展的需要
量子信息技术是近年来的新兴交叉学科，近年来已经成为国际学术界关注的焦点。美国科学家在量子计算机研究方面获得重大的进展，这使得人们向往已久的量子计算机又向我们靠近了一大步，使科学家们对利用量子研究领域的新技术研制出超级计算机充满了信心[10]。美国科学家宣布，他们已经实现了4量子位逻辑门，取得了4个锂离子的量子缠结状态，此举使21世纪量子计算机的研制取得了重大突破[10]。并且，美国在量子信息技术方面获得了2项发明专利，一项是“多光谱量子阱红外探测器”；另一项是“对偏振灵敏的波纹状量子阱红外光电探测器列阵”。
在我国，科学时报2004年1月14日第4版刊登的2004年中国十大科技进展新闻中，我国量子信息实验领域取得重大突破。量子信息技术的发展为量子遥感提供了技术基础。
1.3 数字地球研究的需要
数字地球是一个以地球坐标为依据，具有多分辨率的海量数据和多维显示的虚拟系统，要想真正地实现数字地球，就要解决关键的技术问题数据格式兼容性难题。从各个信息源来的数据，如何能在同一个终端、被同一个用户使用。第二步要解决联网的问题，包括博物馆的高速网和经过减速由普通用户使用的因特网，两个层次。前两步完成好以后，从长远来看，还要实现时空信息唾手可得。目前的3S和信息技术是不能满足这些要求的。量子信息技术的出现为海量数据的储存、计算等提供了方法，量子遥感为实现数字地球的技术难题指明了方向[3]。
1.4 国防安全的需要
根据美国空军军用卫星的发展特点，以及美国海军和NASA在超光谱成像技术领域的发展与应用，随着军事侦察、监视需求的格局和对目标需要详细深入地了解，光谱成像技术越来越与军方需求的关系密切。它主要是根据应用需要和遥感器的实际能力选择几个谱段、十几个甚至几百个、上千个谱段探测目标，如果光谱遥感谱段太少，只能了解和发现一些现象，不可能深入地了解探测目标的细节和本质，这就是量子遥感光谱与成像技术理论实验研究的基本动因。它对识别伪装、弄清武器性质和海洋浅海作战等军事应用方面均有重要价值，目标固有特性利用光谱分析的办法可以获得，量子遥感光谱与成像正是可获得固体、液体和气体材料的微观与宏观的光谱特性和空间分布的先进遥感技术。
2.量子遥感基本概念
2.1 量子遥感的概念
量子遥感是反映遥感在量子层次上运动规律的理论与方法，量子遥感是反映遥感微观微粒运动规律的理论，是以多时空、动态的地球表面系统为研究对象，以量子信息、量子遥感技术、量子遥感通信、量子计算、量子遥感网络和计算机信息处理为主体的技术系统。随着量子遥感的出现，人们对于遥感信息机理、遥感计算、遥感技术及遥感的认识将会更加深入，从而能更深刻地掌握遥感的物理和化学、信息的性能及其规律，为利用这些规律服务于遥感理论、技术、应用和产业化开辟广阔的途径。
2.2量子遥感与遥感的关系
量子遥感基础理论建立在量子力学基础上的，而遥感基础理论是建立在经典物理学上的。所以要阐述量子遥感与遥感的关系，首先应当说明量子力学与经典力学的关系。量子力学和经典物理的对应关系恰恰代表了量子遥感与遥感的对应关系。量子遥感是建立在量子态的基础上，在能量的不连续态上进行研究。
2.3 量子遥感与遥感的对比
遥感和量子遥感的主要区别主要从他们的基础理论、研究尺度和遥感器设计等方面来分析。
2.3.1 基础理论的不同
遥感的基础理论是建立在经典物理学上的，主要是电磁波理论，它主要以电磁波传输方程为表达方式，对应的方程是Maxwell方程；而量子遥感以量子力学为基础理论，它主要以Schr?dinger方程和量子态为表达方式。对应的方程是  方程。两者在理论和方法上有着本质的不同。现代物理学研究由少数粒子构成的“小”体系。如果知道了支配这些粒子的基本定律，原则上就可以预言由大量粒子构成的宏观物理体系的行为 [4]。
遥感电磁波在微观领域受到很大局限性，主要原因在于，它对带电物质的描述只反映其粒子性的一面，而对电磁波的描述则只反映其波动性的一面。事实上带电粒子具有波动性，而电磁场也具有粒子性。只有在带电物质主要显示出粒子性而电磁场主要显示出波动性的情况下，遥感电磁波的计算结果才能近似地反映客观实际。在原子内部，电子的波动性明显，必须应用波函数而不是用经典轨道来描述电子的运动状态，因此，在这范围内，遥感电磁波是不适用的。当电磁场的粒子性显著时，如辐射的高频端行为和光电效应等问题，遥感电磁波理论也是不适用的。
Maxwell方程组表达为：
 （2.5）
式中，  为电场强度； 为磁感应强度；  为真空介电常数；  为电荷密度； 为真空磁导率；  为电流密度。
这组方程称为Maxwell方程组，它反映一般情况下电荷电流激发电磁场以及电磁场内部矛盾运动的规律。在  和 为零的区域，电场和磁场通过本身的互相激发而运动传播。Maxwell方程组最重要的特点是它揭示了电磁场的内在矛盾和运动。……因此，只要某处发生电磁扰动，由于电磁场互相激发，它就在空间中运动传播，形成电磁波。Maxwell首先从这方程组在理论上预言了电磁波的存在，并指出光波就是一种电磁波[4，5]。
Schr?dinger方程[2]：
一个微观粒子的量子遥感态用波函数  来描述，当  确定后，粒子的任何一个力学量的平均值以及它取各种可能测值的概率都完全确定。在量子遥感中，最核心的问题要解决量子态[即  ]怎样随时间演化以及在各种具体情况下如何求出波函数的问题。所以，量子遥感中微观粒子的状态则用波函数来描写，决定遥感粒子状态变化的方程是Schr?dinger方程。
这个方程也称为波动方程，它描写在势场  中粒子状态随时间的变化。
上面讨论的是一个量子遥感粒子的情况，也可以推广到量子遥感多粒子的情况，即：  （多粒子） （2.7）
这就是量子遥感多粒子系统的Schr?dinger方程。式中  是第 个粒子的质量；  是系统的势能，它包括系统在外场中的能量和粒子间相互作用能量；  焦耳.秒，是量子遥感中常用的符号（  为普朗克常数=6.62559×10-34焦耳.秒）。
2.3.2 研究尺度的区别
量子遥感与遥感在光谱尺度上不同，其波段划分级别从目前纳米级遥感的10-7米到10-9米细化至10-10到10-15米，量子遥感的光谱波段间隔更小，这中间就可能综合着在更深层次上分析研究地物的波谱特性与波段特征的可能性，也就存在着提高对各种地物识别精度的现实性。
在原子内，电子在两能级之间跃迁产生一定频率的辐射，在光谱中表现为一条谱线。谱线不是精确地单色的，而是具有一定的频率分布宽度。关于产生谱线宽度的内在原因，用电磁波理论不能建立原子辐射的正确理论。
谱线宽度用波长 表为
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