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項目名稱： 定量遙感幾何光學建模及反演理論
推薦單位： 教育部
項目簡介： 對地遙感觀測目前已成為國際社會大力投入和廣泛關注的熱點，遙感本身也成為了一門新興的交叉學科，正逐步從定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯�，其中的關鍵科學問題是建立遙感觀測數(shù)據(jù)與地表參數(shù)關系的模型和地表參數(shù)的遙感反演。本項目主要圍繞對地遙感的建模和反演問題進行研究。
遙感像元尺度上地表的非朗伯特性已被廣泛認可，為了合理有效利用遙感觀測信息，需要從機理上描述地表的方向性反射和輻射特性，盡管輻射傳輸理論自60年代被成功引入了對地遙感領域并得到廣泛應用，其水平均勻體散射介質(zhì)的基本假設極大限制了其應用范圍。針對地表大量呈現(xiàn)非均勻復雜三維結(jié)構的情況，項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關鍵在于其結(jié)構，于1985年創(chuàng)建了Li－Strahler幾何光學模型，發(fā)現(xiàn)了植被冠層反射的四個分量在不同方向投射陰影的差異，成功地解釋了由于冠層結(jié)構所產(chǎn)生的植被像元表面反射的非朗伯現(xiàn)象；1988年建立的離散植被冠層的間隙率模型則成為幾何光學模型與輻射傳輸模型銜接的橋梁，極大地簡化了在三維空間中復雜邊界條件下求解的復雜性；1992年建立了考慮入照與反射兩方向相互蔭蔽的幾何光學模型，經(jīng)過了詳盡的驗證，奠定了Li－Strahler幾何光學模型的學術地位；1999年以后，李小文等項目主要完成人圍繞普朗克定律和互易原理在遙感像元尺度的適用性問題進一步研究，將幾何光學原理成功應用到了更廣闊的遙感領域。Li－Strahler幾何光學基本原理在解釋復雜地表的反射特征時有其簡單、明晰的優(yōu)勢，得到了國際社會的廣泛認可，到目前被他人SCI引用累計700余次。
地表是復雜多變的，而遙感數(shù)據(jù)的信息量總是有限的，本項目明確提出"對地定量遙感本質(zhì)上是欠定問題"的觀點，強調(diào)先驗知識的積累，發(fā)展了基于先驗知識的遙感反演理論和方法，被國際同行高度評價，從2002年以來已被他人SCI引用近200次，并被用于美國地球觀測系統(tǒng)計劃"旗艦"衛(wèi)星MODIS的全球反照率產(chǎn)品生成中。
主要發(fā)現(xiàn)點： 1.定量遙感幾何光學建模理論 (地圖學、代表性論著[1]-[7])
諾貝爾獎獲得者Chandrasekhar于上世紀50年代創(chuàng)立了輻射傳輸理論，成功應用于大氣；前蘇聯(lián)院士J.Ross于上世紀60年代將其應用于植被等地表反射特性的描述，曾在遙感機理研究中一統(tǒng)天下。但該理論的基礎假設是體散射介質(zhì)的水平均勻性，而在遙感像元尺度上，陸地表面大量呈現(xiàn)非均勻的復雜結(jié)構，以表面散射為主，輻射傳輸理論難以給出合理解釋。
本項目1985年發(fā)現(xiàn)了植被冠層反射的四個分量在不同方向投影的差異，成功地解釋了由于冠層結(jié)構所產(chǎn)生的植被像元表面反射的非朗伯現(xiàn)象。1992年通過引入交互陰影張角的概念解決了森林相對茂密時入照與反射兩方向相互蔭蔽的情況，建立了國際上目前唯一經(jīng)廣泛驗證和實際應用的森林遙感模型幾何光學模型（代表性論著[1]）。幾何光學模型在植被存在較多間隙，多次散射影響明顯，陰影和非陰影區(qū)反差較小時，需要和輻射傳輸理論結(jié)合，結(jié)合的橋梁就是間隙率模型。本項目1988年將常用于農(nóng)作物冠層的間隙率模型推廣到不連續(xù)植被冠層，建立了適用于離散植被冠層的間隙率模型，極大地簡化了在三維空間中復雜邊界條件下求解的復雜性（代表性論著[2]），進一步建立了幾何光學－輻射傳輸混合模型，形成了可見光、近紅外波段Li－Strahler幾何光學建模理論（代表性論著[3]）。
從遙感技術出現(xiàn)后40多年，普朗克定律一直未經(jīng)修正直接應用到對地遙感，這是地溫遙感精度上不去的根本原因之一，本項目修正了"像元平均有效發(fā)射率"的內(nèi)涵，使普朗克定律能直接應用于像元尺度地溫遙感（代表性論著[4]）。并分別針對作物冠層方向性熱輻射實驗和理論建模做了進一步研究（代表性論著[5-6]），從實驗和理論兩個角度為我國熱紅外遙感做出了貢獻。
互易原理是否直接適用于遙感像元的尺度？遙感界從事理論研究且對互易原理深信不疑的科學家和從事地表二向性反射測量的科學家爭論不休。本項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熱力學證明，進而證明了互易原理在像元尺度上失效的條件（代表性論著[7]）。
2.定量量遙感病態(tài)反演理論(地圖學、代表性論著[8]-[10])
國際對地遙感界的主流在相當長的時間沿用高斯最小二乘法，堅持"定量遙感反演的必要條件是獨立觀測的個數(shù)大于未知數(shù)的個數(shù)"，但是地表是一個復雜、開放的巨系統(tǒng)，未知參數(shù)幾乎是無窮的，而遙感數(shù)據(jù)是有限的，從而導致了定量遙感與應用需求之間巨大的缺口和普遍的悲觀情緒。
本項目提出了基于先驗知識的遙感反演理論（代表性論著[8]），強調(diào)必須綜合考慮未知參數(shù)的敏感性與不確定性，盡量把遙感獲取的寶貴信息分配給時空多變要素，而不是反復反演相對穩(wěn)定、相對已知的敏感因素。相應的理論成果已被項目主要完成人引入到美國地球觀測系統(tǒng)計劃"旗艦"衛(wèi)星MODIS的全球反照率產(chǎn)品生成中（代表性論著[9]），并被拓展應用到組分溫度的遙感反演（代表性論著[10]）。
主要完成人： 李小文
本人對項目的第一和第二發(fā)現(xiàn)點做出了貢獻，占本人工作量的90％。具體表現(xiàn)在：
1．創(chuàng)建了李-Strahler幾何光學模型系列，并在此基礎上，引入了輻射傳輸模型在處理多次散射的優(yōu)勢，建立了幾何光學－輻射傳輸混合模型。
2．推翻了西方沿用十多年的互易原理的熱力學證明，首次發(fā)表了在該書作者假定條件下導出的正確結(jié)論，并給出了互易原理應用于非均一像元方向-方向反射計算的約束條件。
3．構建了非同溫地表熱輻射方向性模型，初步解決了普朗克定律用于非同溫黑體平面和非同溫三維結(jié)構非黑體表面的尺度糾正問題。
4．提出了多階段目標決策的反演方法，建立了基于先驗知識的遙感病態(tài)反演理論。
王錦地
本人對項目的第一和第二發(fā)現(xiàn)點做出了貢獻，占本人工作量的80％。具體表現(xiàn)在：
1．長期進行BRDF實驗觀測，用觀測數(shù)據(jù)驗證了二向性反射的幾何光學-輻射傳輸混合模型，將有限厚度介質(zhì)層的路徑散射模型推廣到不連續(xù)植被樹冠層表面的方向反射分布和層內(nèi)的輻射傳輸，并進行了實驗驗證；建立了考慮開放度的樹冠層輻射傳輸模型。
2．為解決常規(guī)方法難于進行的對樹冠結(jié)構參數(shù)的實測問題，研制了樹冠底視掃描成像系統(tǒng)(TCT),發(fā)展了樹冠層垂直葉面積指數(shù)、葉面積體密度分布的間接測量方法。
3．組織制定了地物波譜的采集規(guī)范，是構建"我國典型地物波譜知識庫"的課題負責人。
4．拓展了病態(tài)反演理論，并用于植被組分溫度的反演。
柳欽火
本人對項目的第一和第二發(fā)現(xiàn)點做出了貢獻，占本人工作量的80%:
(1)改進了地面多角度觀測實驗系統(tǒng)，開展了典型農(nóng)作物二向性反射與熱紅外輻射方向性觀測實驗，幾何光學建模和驗證提供了大量的觀測實驗數(shù)據(jù);(2)參與機載多角度多光譜成像儀的設計和研制，參與組織了機載多角度多光譜航空遙感實驗(2000)、北京順義星機地定量遙感綜合實驗(2001)，為基于先驗知識的遙感定量反演理論驗證和發(fā)展，提供了大量的觀測實驗數(shù)據(jù);(3)通過地面和航空多角度實驗，提取了典型地表熱紅外輻射方向性特征，發(fā)現(xiàn)地表組分溫度分布、地表結(jié)構參數(shù)和發(fā)射率方向特征，是決定地表熱紅外輻射方向特征的主要因子，促進了幾何光學建模從可見光/近紅外波段到熱紅外波段的拓展。
閻廣建
本人對項目的第一和第二發(fā)現(xiàn)點做出了貢獻，占本人工作量的80％。具體表現(xiàn)在：
1．將Li－Strahler的方向性熱輻射模型拓展到寬波段，并建立了行播作物的熱輻射模型，考慮了作物間隙率的影響。
2．參與提出了對地遙感病態(tài)反演理論中多階段目標決策方法，發(fā)展了多角度多光譜聯(lián)合反演的方法。實現(xiàn)了葉面積指數(shù)和組分溫度的反演。
3．主持研制了機載多角度多光譜成像系統(tǒng)（AMTIS）實驗樣機，將其技術應用到電力，研制了機載多角度電力巡線系統(tǒng)（AMPLI）。開展了航空和地面的BRDF測量實驗。
高峰
本人對本項目的第二發(fā)現(xiàn)點做出了主要貢獻，占本人工作量的80％：
1．驗證了基于李-Strahler 幾何光學模型之上的"李系列"核驅(qū)動模型，分析比較了多種核驅(qū)動模型在不同樣本空間分布情況下的適用性, 實現(xiàn)了"李系列"核驅(qū)動模型在美國地球觀測系統(tǒng)計劃MODIS BRDF/Albedo 算法中的應用，并驗證和分析了由此生成的全球MODIS二向性反射和地表反照率產(chǎn)品。
2．合作引入了先驗知識在模型反演的應用，成功地使用貝葉斯理論將先驗知識和遙感觀察數(shù)據(jù)相結(jié)合，開發(fā)出多階段目標決策反演體系，實現(xiàn)了先驗知識在遙感模型反演中的有效應用，提高了遙感反演的準確性和可靠性。
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