项目名称： 定量遥感几何光学建模及反演理论

推荐单位： 教育部

项目简介： 对地遥感观测目前已成为国际社会大力投入和广泛关注的热点，遥感本身也成为了一门新兴的交叉学科，正逐步从定性评价转变为定量研究，其中的关键科学问题是建立遥感观测数据与地表参数关系的模型和地表参数的遥感反演。本项目主要围绕对地遥感的建模和反演问题进行研究。

遥感像元尺度上地表的非朗伯特性已被广泛认可，为了合理有效利用遥感观测信息，需要从机理上描述地表的方向性反射和辐射特性，尽管辐射传输理论自60年代被成功引入了对地遥感领域并得到广泛应用，其水平均匀体散射介质的基本假设极大限制了其应用范围。针对地表大量呈现非均匀复杂三维结构的情况，项目主要完成人李小文等指出像元尺度上地表反射方向性的关键在于其结构，于1985年创建了Li－Strahler几何光学模型，发现了植被冠层反射的四个分量在不同方向投射阴影的差异，成功地解释了由于冠层结构所产生的植被像元表面反射的非朗伯现象；1988年建立的离散植被冠层的间隙率模型则成为几何光学模型与辐射传输模型衔接的桥梁，极大地简化了在三维空间中复杂边界条件下求解的复杂性；1992年建立了考虑入照与反射两方向相互荫蔽的几何光学模型，经过了详尽的验证，奠定了Li－Strahler几何光学模型的学术地位；1999年以后，李小文等项目主要完成人围绕普朗克定律和互易原理在遥感像元尺度的适用性问题进一步研究，将几何光学原理成功应用到了更广阔的遥感领域。Li－Strahler几何光学基本原理在解释复杂地表的反射特征时有其简单、明晰的优势，得到了国际社会的广泛认可，到目前被他人SCI引用累计700余次。

地表是复杂多变的，而遥感数据的信息量总是有限的，本项目明确提出"对地定量遥感本质上是欠定问题"的观点，强调先验知识的积累，发展了基于先验知识的遥感反演理论和方法，被国际同行高度评价，从2002年以来已被他人SCI引用近200次，并被用于美国地球观测系统计划"旗舰"卫星MODIS的全球反照率产品生成中。

主要发现点： 1.定量遥感几何光学建模理论 (地图学、代表性论著[1]-[7])

诺贝尔奖获得者Chandrasekhar于上世纪50年代创立了辐射传输理论，成功应用于大气；前苏联院士J.Ross于上世纪60年代将其应用于植被等地表反射特性的描述，曾在遥感机理研究中一统天下。但该理论的基础假设是体散射介质的水平均匀性，而在遥感像元尺度上，陆地表面大量呈现非均匀的复杂结构，以表面散射为主，辐射传输理论难以给出合理解释。

本项目1985年发现了植被冠层反射的四个分量在不同方向投影的差异，成功地解释了由于冠层结构所产生的植被像元表面反射的非朗伯现象。1992年通过引入交互阴影张角的概念解决了森林相对茂密时入照与反射两方向相互荫蔽的情况，建立了国际上目前唯一经广泛验证和实际应用的森林遥感模型几何光学模型（代表性论著[1]）。几何光学模型在植被存在较多间隙，多次散射影响明显，阴影和非阴影区反差较小时，需要和辐射传输理论结合，结合的桥梁就是间隙率模型。本项目1988年将常用于农作物冠层的间隙率模型推广到不连续植被冠层，建立了适用于离散植被冠层的间隙率模型，极大地简化了在三维空间中复杂边界条件下求解的复杂性（代表性论著[2]），进一步建立了几何光学－辐射传输混合模型，形成了可见光、近红外波段Li－Strahler几何光学建模理论（代表性论著[3]）。

从遥感技术出现后40多年，普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥感，这是地温遥感精度上不去的根本原因之一，本项目修正了"像元平均有效发射率"的内涵，使普朗克定律能直接应用于像元尺度地温遥感（代表性论著[4]）。并分别针对作物冠层方向性热辐射实验和理论建模做了进一步研究（代表性论著[5-6]），从实验和理论两个角度为我国热红外遥感做出了贡献。

互易原理是否直接适用于遥感像元的尺度？遥感界从事理论研究且对互易原理深信不疑的科学家和从事地表二向性反射测量的科学家争论不休。本项目研究了地表二向性反射的互易性，推翻了西方沿用十多年的互易原理的热力学证明，进而证明了互易原理在像元尺度上失效的条件（代表性论著[7]）。

2.定量量遥感病态反演理论(地图学、代表性论著[8]-[10])

国际对地遥感界的主流在相当长的时间沿用高斯最小二乘法，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"，但是地表是一个复杂、开放的巨系统，未知参数几乎是无穷的，而遥感数据是有限的，从而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。

本项目提出了基于先验知识的遥感反演理论（代表性论著[8]），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。相应的理论成果已被项目主要完成人引入到美国地球观测系统计划"旗舰"卫星MODIS的全球反照率产品生成中（代表性论著[9]），并被拓展应用到组分温度的遥感反演（代表性论著[10]）。

主要完成人： 李小文

本人对项目的第一和第二发现点做出了贡献，占本人工作量的90％。具体表现在：

1．创建了李-Strahler几何光学模型系列，并在此基础上，引入了辐射传输模型在处理多次散射的优势，建立了几何光学－辐射传输混合模型。

2．推翻了西方沿用十多年的互易原理的热力学证明，首次发表了在该书作者假定条件下导出的正确结论，并给出了互易原理应用于非均一像元方向-方向反射计算的约束条件。

3．构建了非同温地表热辐射方向性模型，初步解决了普朗克定律用于非同温黑体平面和非同温三维结构非黑体表面的尺度纠正问题。

4．提出了多阶段目标决策的反演方法，建立了基于先验知识的遥感病态反演理论。

王锦地

本人对项目的第一和第二发现点做出了贡献，占本人工作量的80％。具体表现在：

1．长期进行BRDF实验观测，用观测数据验证了二向性反射的几何光学-辐射传输混合模型，将有限厚度介质层的路径散射模型推广到不连续植被树冠层表面的方向反射分布和层内的辐射传输，并进行了实验验证；建立了考虑开放度的树冠层辐射传输模型。

2．为解决常规方法难于进行的对树冠结构参数的实测问题，研制了树冠底视扫描成像系统(TCT),发展了树冠层垂直叶面积指数、叶面积体密度分布的间接测量方法。

3．组织制定了地物波谱的采集规范，是构建"我国典型地物波谱知识库"的课题负责人。

4．拓展了病态反演理论，并用于植被组分温度的反演。

柳钦火

本人对项目的第一和第二发现点做出了贡献，占本人工作量的80%:

(1)改进了地面多角度观测实验系统，开展了典型农作物二向性反射与热红外辐射方向性观测实验，几何光学建模和验证提供了大量的观测实验数据;(2)参与机载多角度多光谱成像仪的设计和研制，参与组织了机载多角度多光谱航空遥感实验(2000)、北京顺义星机地定量遥感综合实验(2001)，为基于先验知识的遥感定量反演理论验证和发展，提供了大量的观测实验数据;(3)通过地面和航空多角度实验，提取了典型地表热红外辐射方向性特征，发现地表组分温度分布、地表结构参数和发射率方向特征，是决定地表热红外辐射方向特征的主要因子，促进了几何光学建模从可见光/近红外波段到热红外波段的拓展。

阎广建

本人对项目的第一和第二发现点做出了贡献，占本人工作量的80％。具体表现在：

1．将Li－Strahler的方向性热辐射模型拓展到宽波段，并建立了行播作物的热辐射模型，考虑了作物间隙率的影响。

2．参与提出了对地遥感病态反演理论中多阶段目标决策方法，发展了多角度多光谱联合反演的方法。实现了叶面积指数和组分温度的反演。

3．主持研制了机载多角度多光谱成像系统（AMTIS）实验样机，将其技术应用到电力，研制了机载多角度电力巡线系统（AMPLI）。开展了航空和地面的BRDF测量实验。

高峰

本人对本项目的第二发现点做出了主要贡献，占本人工作量的80％：

1．验证了基于李-Strahler 几何光学模型之上的"李系列"核驱动模型，分析比较了多种核驱动模型在不同样本空间分布情况下的适用性, 实现了"李系列"核驱动模型在美国地球观测系统计划MODIS BRDF/Albedo 算法中的应用，并验证和分析了由此生成的全球MODIS二向性反射和地表反照率产品。

2．合作引入了先验知识在模型反演的应用，成功地使用贝叶斯理论将先验知识和遥感观察数据相结合，开发出多阶段目标决策反演体系，实现了先验知识在遥感模型反演中的有效应用，提高了遥感反演的准确性和可靠性。