定量遙感的發(fā)展

1、在全球碳循環(huán)的研究中如何加強(qiáng)定量遙感的應(yīng)用的淺見(jiàn)中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所于文憑200928007610034摘要：隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，遙感數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展，遙感越來(lái)越多的表現(xiàn)出其他學(xué)科所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是現(xiàn)代人們的需要已經(jīng)不再是定性化的簡(jiǎn)單的識(shí)別和分析，而是通過(guò)遙感的到定量化的內(nèi)容，而這種定量不僅表現(xiàn)在其空間位置上的定量，更要對(duì)其通過(guò)遙感數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出來(lái)的屬性域上的定量。本文我將結(jié)合上課中所聽(tīng)到的內(nèi)容并結(jié)合自己的方向和現(xiàn)有知識(shí)就定量遙感的幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)說(shuō)自己的對(duì)如何在全球碳循環(huán)研究中如何更好的是遙感更定量化。關(guān)鍵字：定量遙感試驗(yàn)；模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用；數(shù)據(jù)同化的應(yīng)用；引言：現(xiàn)代遙感技術(shù)隨著人

2、們應(yīng)用的需求必將走上定量化的道路，定量遙感的研究已經(jīng)是遙感的以后的更適于應(yīng)用的關(guān)鍵。現(xiàn)在，定量遙感還面臨這許多問(wèn)題。定量遙感所面臨的主要問(wèn)題可以分為三個(gè)方面：第一方面遙感的尺度問(wèn)題主要；第二方面病態(tài)反演問(wèn)題；第三方面先驗(yàn)知識(shí)的積累如何應(yīng)用于遙感中的問(wèn)題。這使得許多候還不能滿足具體的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這樣的現(xiàn)狀與實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，我覺(jué)得可以也開(kāi)始從不同的方向開(kāi)始謀求使得遙感技術(shù)能與具體的研究相適應(yīng)的、更加精確定量的方法。結(jié)合我自己的研究的全球碳循環(huán)方向，我覺(jué)得可以做定量遙感試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證遙感理論，探索遙感數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系；也可以應(yīng)用在氣象和海洋研究中已經(jīng)成熟的應(yīng)用的同化技術(shù)，將遙感數(shù)據(jù)同化入

3、各種過(guò)程模型，從而達(dá)到將不同數(shù)據(jù)融合，使用大范圍的遙感數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行更新糾正，同時(shí)也更好利用過(guò)程模型加強(qiáng)了人們對(duì)遙感數(shù)據(jù)的理解。也有利用遙感和GIS的結(jié)合，使用模糊數(shù)學(xué)的方法，從軟知識(shí)入手對(duì)由于曾經(jīng)高度概化的屬性數(shù)據(jù)所帶來(lái)的不能定量的研究，從而使得研究的更加適應(yīng)對(duì)于不同的研究的需要。、定量遙感試驗(yàn)陸地科學(xué)的發(fā)展必須具有區(qū)域和全球的連續(xù)空間分布信息, 必須克服人類長(zhǎng)期以來(lái)觀測(cè)地球的小尺度局限性。解決點(diǎn)測(cè)定的能力與區(qū)域和全球的連續(xù)空間分布信息需求的矛盾。定量遙感是解決人類長(zhǎng)期以來(lái)觀測(cè)地球的小尺度,點(diǎn)測(cè)定的能力與區(qū)域和全球的連續(xù)空間分布信息需求的矛盾的重要手段。.而定量遙感試驗(yàn)是定量遙感的關(guān)鍵步驟。

4、1.1、定量遙感試驗(yàn)的內(nèi)容定量遙感試驗(yàn)是伴隨這遙感數(shù)據(jù)的出現(xiàn)而出現(xiàn)。沒(méi)有定量遙感試驗(yàn)人們不可能了解遙感數(shù)據(jù)所提供的數(shù)據(jù)與地面實(shí)際的情況的關(guān)系，更不可能在實(shí)際應(yīng)用更好的利用遙感數(shù)據(jù)來(lái)解決問(wèn)題。所以無(wú)論何時(shí)定量遙感試驗(yàn)都是遙感更好的應(yīng)用和遙感創(chuàng)新的開(kāi)始。遙感定量試驗(yàn)可以分為三種：（）星機(jī)地同步觀測(cè)定標(biāo)試驗(yàn)；（）定量遙感反演產(chǎn)品的驗(yàn)證試驗(yàn)；（）定量遙感模型的模擬試驗(yàn).。這三種都要求遙感試驗(yàn)場(chǎng)具有空間代表性及資料的時(shí)間連續(xù)性，應(yīng)具有一定的研究基礎(chǔ)和具備必要的地理、環(huán)境條件。最重要的是的是試驗(yàn)場(chǎng)要具有與遙感平臺(tái)相對(duì)應(yīng)的尺度的開(kāi)展同步觀測(cè)的能力和條件，能與多種遙感平臺(tái)（空間分辨率的區(qū)別）上的傳感器開(kāi)展同步

5、測(cè)量。1.2、定量遙感試驗(yàn)對(duì)全球碳循環(huán)研究的意義定量遙感試驗(yàn)遙感的應(yīng)用的研究中起著重要的作用。首先定量遙感試驗(yàn)提供衛(wèi)星像元同尺度的電磁波信息（數(shù)據(jù)）的地面相對(duì)真值，從而達(dá)到標(biāo)定衛(wèi)星數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)大氣糾正的作用；其次定量遙感試驗(yàn)可以提供衛(wèi)星像元同尺度的定量遙感產(chǎn)品的地面相對(duì)真值。從而達(dá)到檢驗(yàn)定量遙感產(chǎn)品、提供反饋修正信息作用；再者定量遙感試驗(yàn)可以構(gòu)建具有遙感信息、非遙感信息和地面待反演參數(shù)的相對(duì)真值的環(huán)境，開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)。從而在此基礎(chǔ)上構(gòu)建創(chuàng)新定量遙感模型。對(duì)于研究全球碳循環(huán)來(lái)說(shuō)這些都是必不可少的。只有經(jīng)過(guò)了定量遙感試驗(yàn)才能夠?qū)⑦b感這種可得到大范圍的數(shù)據(jù)應(yīng)用到研究全球尺度上的碳循環(huán)中。進(jìn)行了定量遙感試

6、驗(yàn)就可以去除由于定標(biāo)而帶來(lái)的大氣和傳感器的影響，并且可以確定更重大尺度的遙感數(shù)據(jù)的NDVI、LAI、NPP等與碳循環(huán)有關(guān)的參數(shù)的確定性的到保證，從而能夠保證將其作為參數(shù)的模型能夠得到可信的結(jié)果?，F(xiàn)在用于全球碳循環(huán)研究的模型很多，反演的到的量存在這很大的不同，而遙感定量試驗(yàn)的模型驗(yàn)證試驗(yàn)場(chǎng)可以給用于對(duì)模型的精度評(píng)價(jià)，從而確定模型的適用性和模擬的準(zhǔn)確性，選擇出合適的模型并可以根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行必要的更改。從以上可以看出定量遙感試驗(yàn)使得遙感數(shù)據(jù)更加適用于全球碳循環(huán)的定量研究，這是其他的使遙感更加定量化的手段所不能做到的。所以要更定量的研究全球碳循環(huán)必須要進(jìn)行定量遙感試驗(yàn)。、模糊數(shù)學(xué)的應(yīng)用GIS

7、的出現(xiàn)使得地理數(shù)據(jù)的處理有了一個(gè)有力的平臺(tái)，使得人們對(duì)地理知識(shí)的理解更容易具體化、推廣和使用更加的快速和便捷。而現(xiàn)在人們的需求已經(jīng)不僅是只有定量化。傳統(tǒng)地理數(shù)據(jù)的定量化方法主要有機(jī)理模擬、統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì)，但是他們都存在著很大的缺點(diǎn)：人們現(xiàn)在對(duì)于過(guò)程機(jī)理的理解程度還很不夠，這是的人們必然在機(jī)理模型的使用方面無(wú)法達(dá)到高的定量化的需要；而統(tǒng)計(jì)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)所需要樣本不僅要多而且要具有代表性，并且統(tǒng)計(jì)思想來(lái)解決定量化問(wèn)題存在著區(qū)域性、具有不穩(wěn)定性。這些使得傳統(tǒng)的方法無(wú)法滿足現(xiàn)代的地學(xué)研究的定量化的要求。所以可以將模糊數(shù)學(xué)的理念引入地學(xué)研究中，從而實(shí)現(xiàn)獲得連續(xù)的定量的地理參數(shù)數(shù)據(jù)。2.1、應(yīng)用的具體思想在研究

8、中對(duì)于所研究的環(huán)境的相似條件下可以產(chǎn)生相似的地學(xué)狀況，所以可以利用環(huán)境的相似度來(lái)確認(rèn)其研究的屬性值的形似程度。表達(dá)的方式：S = f ( E )其中表示與所要研究的地理特性（）的相關(guān)的重要環(huán)境要素，表示所要研究的地理要素特征，表示的與環(huán)境向量對(duì)應(yīng)的的隸屬度函數(shù)。是這種方法應(yīng)用的關(guān)鍵，其是由聯(lián)系的軟知識(shí)的轉(zhuǎn)化而獲得，是將軟知識(shí)轉(zhuǎn)化為定量的結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用過(guò)程中先將研究區(qū)內(nèi)的像元中所獲得的更重環(huán)境數(shù)據(jù)定量化，在將其與典型的特征進(jìn)行比從而獲得像元的各個(gè)環(huán)境因子的與典型類型特征的相似度在根據(jù)環(huán)境因子的i向量的f所得S i從而得到一個(gè)連續(xù)變化的Si，而不是像原來(lái)一樣只是間斷的幾個(gè)類型值，從而使得從遙感數(shù)據(jù)得

9、到的類型圖不再只是提供幾個(gè)類型值，使其能夠提供更加定量化的數(shù)據(jù)。2.2、對(duì)于全球碳循環(huán)的研究的作用在全球碳循環(huán)的研究中有太多的參數(shù)是按照高度概化的類型多邊行等作為土地類型和土壤水分單元來(lái)處理，這時(shí)就會(huì)帶來(lái)因?yàn)楦叨鹊母呕鸬暮艽蟮恼`差，從而使整個(gè)模型的模擬結(jié)果的精度都大大降低，甚至因?yàn)檫@種誤差會(huì)導(dǎo)致得到錯(cuò)誤的結(jié)果。模糊數(shù)學(xué)通過(guò)地理學(xué)中的特征，在相似的地理環(huán)境會(huì)得到相似的地理特征值，所以通過(guò)環(huán)境因子所的到的隸屬度可以表達(dá)這種連續(xù)的地理屬性值的隸屬度的變化，從而使得地理屬性不再是幾個(gè)類別的概化，而是類型之間的連續(xù)的分布，而轉(zhuǎn)化的根據(jù)就是以前人們一直試圖引入的軟知識(shí)，并將其抽象成模糊里數(shù)度函數(shù)，據(jù)

10、此得到連續(xù)的屬性值。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)被應(yīng)用于研究小流域內(nèi)的地形因素為主導(dǎo)的土壤屬性的空間分布變化的研究，根據(jù)野外的調(diào)查可以大大的提高原來(lái)對(duì)土壤類型的精度，從而增加了以此為參數(shù)的碳循環(huán)模型的模擬精度。3、數(shù)據(jù)同化的應(yīng)用隨著遙感技術(shù)，以及其他的觀測(cè)數(shù)據(jù)的增加，如何利用這些遙感數(shù)據(jù)，達(dá)到將這些數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，從而對(duì)模型的模擬進(jìn)行實(shí)施的糾正，使得模擬得到更精確的結(jié)果。并且可以給出了不確定性的定量化的檢驗(yàn)。從20世紀(jì)90年代早期開(kāi)始，氣候?qū)W家和海洋學(xué)家傾向于認(rèn)為數(shù)據(jù)同化是模型狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題（Courtier等）1-2。在氣象和海洋領(lǐng)域，人們?cè)诙嗄甑难芯恐邪l(fā)現(xiàn)將數(shù)據(jù)同化方法引入數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)中，可以利用現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)

11、據(jù)，獲得最佳的模式參數(shù)，減小觀測(cè)值與計(jì)算值之間的誤差，并且廣泛的應(yīng)用和發(fā)展這一方法，從而提高了氣象數(shù)值預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。在分析大氣和海洋環(huán)境場(chǎng)的精度3-10。隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)特別是遙感數(shù)據(jù)與選擇的動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)值的結(jié)合，氣象學(xué)和海洋學(xué)已經(jīng)將數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)充分的發(fā)展起來(lái)，并且成為了地球系統(tǒng)中的其它系統(tǒng)提供可靠地大氣狀態(tài)，這些都奠定了這全球碳循環(huán)的研究中引入同化方法的基礎(chǔ)。3.1、數(shù)據(jù)同化的算法數(shù)據(jù)同化是主要應(yīng)用于從異質(zhì)、不規(guī)則分布、時(shí)間不一致，而且精度不同的數(shù)據(jù)中推測(cè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)的一個(gè)定量的、客觀的方法。世界上一般把Charney在1969年發(fā)表的文章作為數(shù)據(jù)同化的開(kāi)山之作11,Charney在這篇文章中

12、展示了用模擬方法研究數(shù)據(jù)同化的結(jié)果，所以說(shuō)現(xiàn)代數(shù)據(jù)同化的研究室從模擬研究開(kāi)始的。現(xiàn)在在地球表面科學(xué)中和水文學(xué)中所普遍使用的數(shù)據(jù)同化是四維數(shù)據(jù)同化（4DDA, Four Dimension Data Assimilation）,即在考慮數(shù)據(jù)時(shí)空分布以及觀測(cè)場(chǎng)和背景長(zhǎng)誤差的基礎(chǔ)上，在數(shù)值模型的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中融合新的觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法12-15。碳數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)是近幾年來(lái)將數(shù)據(jù)同化方法應(yīng)用到地表層科學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)中的研究中而進(jìn)行的探索研究，是研究全球變化成為熱點(diǎn)而迅速發(fā)展起來(lái)的研究全球碳狀況的創(chuàng)新性的方法，獨(dú)立的進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線碳數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)是2004年以后16。組成的碳數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的成分主要是：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)、模

13、型參數(shù)集、觀測(cè)系統(tǒng)、陸地碳循環(huán)模型、數(shù)據(jù)同化方法、輸出數(shù)據(jù)等構(gòu)成。其中現(xiàn)在常用的同化算法包括：最優(yōu)插值法、四維變分、變法伴隨法、Kalman濾波法、集合Kalman濾波、直接最小化法等。驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集主要通過(guò)大氣數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)來(lái)獲得；參數(shù)集包括模型所需要的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參數(shù)；觀測(cè)數(shù)據(jù)包括各種地面觀測(cè)數(shù)據(jù)以及通過(guò)衛(wèi)星、雷達(dá)所獲得各種遙感數(shù)據(jù)等；輸出數(shù)據(jù)則是根據(jù)不同的陸地碳循環(huán)模型有關(guān)，主要是NPP、NEE和碳通量等反應(yīng)碳循環(huán)的量?；究蚣苋鐖D：3.2、數(shù)據(jù)同化在碳循環(huán)研究中的意義在全球碳循環(huán)的研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)同化在生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)碳循環(huán)模型和大氣傳輸模型的基礎(chǔ)上，采用不同的同化方法同化地表觀測(cè)資料（歷史存檔資

14、料和同步估測(cè)結(jié)果）、衛(wèi)星和雷達(dá)等具有時(shí)空異質(zhì)性的數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型的參數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)在線的全球碳循環(huán)，碳狀況的結(jié)果和對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)。也可以為陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)增加有關(guān)碳循環(huán)的參數(shù)，而不是想原來(lái)一樣僅僅用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚴菂?shù)來(lái)研究陸表過(guò)程，這樣就可以解決由于不含有交互的植被陸面模型，一直限制著遙感數(shù)據(jù)在陸面同化系統(tǒng)中的使用的問(wèn)題17。在肯尼亞的薩赫勒地區(qū)（Sahelian）的草場(chǎng)的監(jiān)測(cè)研究中所建立的碳數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，在該地區(qū)使用同化方法，將NDVI數(shù)據(jù)同化入對(duì)陸地表面的草本植被的模擬,與13個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)1999-2004年的觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)是r=0.8,而沒(méi)有經(jīng)過(guò)同化的模擬所得的數(shù)據(jù)與其的相關(guān)系數(shù)r=0.6。兩

15、者的差別可以看出，經(jīng)過(guò)同化方法引入觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠使得模型模擬的數(shù)據(jù)更加接近于真實(shí)值，預(yù)測(cè)和估算的準(zhǔn)確性更高。這些都說(shuō)明數(shù)據(jù)同化用于全球的碳循環(huán)的研究的潛力是很大的，它可以大大的提高遙感的對(duì)于具體的研究的使用性，并且這種同化系統(tǒng)的建立使得遙感所得到的數(shù)據(jù)同過(guò)程模型模擬相互驗(yàn)證，能夠提高遙感的可理解性，對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，并且在一定程度上解決了尺度問(wèn)題。結(jié)語(yǔ)定量遙感是遙感的進(jìn)步，是應(yīng)對(duì)人們現(xiàn)在的需求所必須進(jìn)行的，對(duì)于遙感的所有過(guò)程都需努力，從平臺(tái)、傳感器、大氣訂正、電磁波的地面作用過(guò)程，以及應(yīng)用方面，都需要繼續(xù)努力，這樣才能是遙感得到越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景，使得其他各學(xué)科更加信任遙感手段所獲得的數(shù)據(jù)，

16、將其應(yīng)用于不同的學(xué)科，從而推動(dòng)其他各學(xué)科的發(fā)展。遙感只有走向更定量化這個(gè)方向才能得到生存和發(fā)展的空間，才能日益取代其他的測(cè)量手段，稱為科學(xué)研究不可缺少的部分，所以必須探索將各種在其他領(lǐng)域中成熟應(yīng)用的方法借鑒入定量遙感的研究中，才能不斷的提高遙感的定量化。參考文獻(xiàn)1 Courtier, P. , (1997) ,Daul formulation of four-dimensional variational assimilation, Quart. J. Royal Meteool. Soc. 123:2449-24612 Courtier P, Derber J C, Ron Errico,

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