出版日期: 2019-01-25
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DOI: 10.11834/jrs.20198077
2019 | Volumn23 | Number 1
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发展几何光学遥感建模理论，推动定量遥感科学前行——深切缅怀李小文院士
expand article info 柳钦火1,3 , 阎广建2 , 焦子锑2 , 肖青1,3 , 闻建光1,3 , 梁顺林2,4 , 王锦地2
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所 遥感科学国家重点实验室，北京 100101
2. 北京师范大学地理科学学部 遥感科学国家重点实验室，北京 100875
3. 中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100190
4. 马里兰大学 地理科学系，美国马里兰 20742
收稿日期: 2018-02-24
基金项目: 国家重点基础研究发展计划(编号：2013CB733400)
第一作者简介: 柳钦火，1968年生，男，研究员，研究方向为遥感辐射传输机理与建模、地表参数遥感反演等。E-mail：liuqh@radi.ac.cn

摘要

李小文长期致力于遥感基础研究，是植被几何光学遥感建模的先驱。他创建了Li－Strahler几何光学模型，论文入选“国际光学工程学会(SPIE)”里程碑系列文集。以李小文为首席科学家，带领国内外科学团队，在植被二向性反射建模、热红外遥感辐射方向性建模、遥感信息尺度效应、定量遥感综合实验与真实性检验方面做出了卓越成就。本文总结了李小文的主要学术思想，对定量遥感相关研究进展进行了总结和回顾，对遥感科学及相关领域具有重要的借鉴和参考意义。

关键词

几何光学建模, 热红外辐射方向性, 定量遥感反演, 尺度效应, 遥感综合试验

Geometric-optical remote sensing modeling to quantitative remote sensing theory and methodology development: In memory of academician Li Xiaowen
expand article info LIU Qinhuo1,3 , YAN Guangjian2 , JIAO Ziti2 , XIAO Qing1,3 , WEN Jianguang1,3 , LIANG Shunlin2,4 , WANG Jindi2
1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Beijing 100101, China
2.State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
3.College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
4.Department of Geography, University of Maryland, Maryland 20742, USA

Abstract

Academician Li Xiaowen devoted his time in fundamental research in remote sensing. He was the pioneer in the field of geometric–optical modeling of vegetation canopy and had a great reputation in international remote sensing community. The Li–Strahler geometric–optic model was selected as the SPIE milestone series. Li Xiaowen, who was the chief scientist, led the scientific team to obtain outstanding achievements in bidirectional reflectance distribution modeling, directional thermal emission modeling, spatial- and temporal-scale effects of remote sensing information, quantitative remote sensing inversion, and comprehensive experiments. In this paper, Li Xiaowen’s biography was briefly introduced, and his academic contributions in quantitative remote sensing theory and methodology were summarized.

Key words

geometric-optical model, thermal radiation directionality, quantitative remote sensing inversion, scale effect, remote sensing comprehensive experiment

1 主要科研经历

李小文1968年毕业于成都电讯工程学院(现电子科技大学)，1978年考入中国科学院地理研究所硕士研究生，1979年公派赴美国加尼福尼亚大学圣巴巴拉分校留学，1981年获地理学硕士学位，1985年获地理学博士学位、电子与计算机工程硕士学位。1986年开始任美国波士顿大学地理学系研究员、中国科学院遥感应用研究所图像处理室副研究员、中国科学院遥感信息科学开放研究实验室研究员。1999年起就职于北京师范大学，创建了遥感与地理信息系统研究中心，并受聘教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2001年当选中国科学院院士。2002年—2007年任中国科学院遥感应用研究所所长，期间，于2003年联合中国科学院遥感信息科学开放研究实验室和北京师范大学遥感与地理信息系统研究中心，组建了遥感科学国家重点实验室，2005年组建了教育部创新团队。他积极推动母校电子科技大学的地学发展，2004年创建了电子科技大学地表空间信息研究所并任所长，2012年兼任电子科技大学资源与环境学院首任院长。

从在美国留学期间开始，李小文参加了美国宇航局(NASA)项目，在植被二向性反射几何光学建模等方面开展了深入的研究。获得博士学位以后，他一方面继续承担美国NASA项目，并申请国家自然科学基金面上项目和重点项目，继续开展植被二向性反射建模和试验测量研究，以及美国地球观测计划MODIS全球地表二向性反射和反照率产品算法研究，逐步发展和完善了植被二向性反射特性几何光学建模的理论体系。

李小文回国后，主持了国家自然科学基金重点项目、“九五”攀登预选项目“地球表面能量交换的遥感定量研究”，致力于可见光、近红外、热红外遥感基础理论研究，以地物结构与遥感信号的产生机理及遥感信息定量反演为主线，以热红外辐射的方向性和亚像元尺度上组分温度的反演为重点突破口，开展了热红外辐射方向性的几何光学模型系列、比辐射率的方向性机理及其测定方法、地表反照率、比辐射率、温度的反演，植被结构参数的反演，土壤含水量、植被水分亏缺因子、地表粗糙度等近地表能量交换和水汽交换因子的遥感反演研究，推动了中国定量遥感研究团队的发展和定量遥感研究的深入。1998年他还主持了国家863项目“机载多角度多光谱成像系统”，研制了中国第一台机载多角度多波段成像系统(李小文 等，2001)，为中国多角度定量遥感试验打下了很好的基础。

2000年开始，李小文先后连续主持了两个973计划项目“地表时空多变要素的遥感定量反演研究”(2000年7月—2005年8月)和“陆表生态环境要素的主被动遥感理论与应用研究”(2007年7月—2011年8月)，促使国内定量遥感研究队伍进一步整合和发展，系统开展了生态环境定量遥感综合试验与应用示范、地表时空变化特征参数的遥感定量描述与尺度转换、被动遥感反射辐射机理与参数反演、主动遥感散射机理与植被3维结构参数反演、地表形变场与地下水热参数探测的理论与方法、基于多模式多时空遥感信息融合的理论与方法、基于知识的地表过程关键参数综合遥感反演与产品优化理论和方法等研究。

他在中国定量遥感领域的第3个973计划项目中继续担任专家组成员和课题负责人，依然身体力行推动中国定量遥感基础研究向复杂地表领域的建模和反演不断深入。他还主持了中国科学院院士咨询项目“开展中国主导的全球生态环境多尺度遥感监测的对策建议”，推动中国尺度效应等相关前沿研究，一直到他病重直至逝世以前，一直活跃于遥感科学研究的前沿。

他积极推动科学传播，2007年7月29日在科学网以Lix开博，自称“黄老邪”，共撰写博文1878篇。他的博文涉猎面广，既有专业科普文章，也有对科学热点现象的解读，还有对科学任务的点评，也不乏对社会热点事件和时政要闻的点评。

2 植被几何光学二向反射遥感建模

由于植被的非均匀复杂结构特征，遥感观测的植被冠层反射率具有方向性，这种方向性反射可用二向反射分布函数BRD F(Bidirectional Reflectance Distribution Function)来描述(Nicodemus 等，1977)。尽管辐射传输理论自19世纪60年代被成功引入了对地遥感领域并得到广泛应用，但其水平均匀体散射介质的基本假设限制了其应用范围。李小文认为在遥感像元尺度，影响方向性反射的关键在于其结构，并创建了Li－Strahler几何光学模型，通过定义在树冠的几何结构关系来描述植被表面的辐射相互作用关系，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方向性现象，论文入选“国际光学工程学会(SPIE)”里程碑系列文集。

早期的Li-Strahler几何光学模型直接从树冠的尺度出发，而不是从Egbert 模型(Egbert，1977)定义的农作物的叶和茎这一尺度，因而更适合稀疏林地二向反射特征的描述。Li-Strahler几何光学模型(Li，1981；Li和Strahler, 1985, 1986)将冠层抽象为随机分布的锥形树冠，在已知太阳入射角时，由树冠的几何结构参数计算光照树冠、阴影树冠、光照背景和阴影背景4个分量的面积比例，再根据树冠密度及4个分量的辐射亮度计算像元的整体辐射亮度，可通过直接反演模型估算树高以及树间距。

随着研究的深入，Li和Strahler(1992)进一步简化了树冠的几何表示，将树冠简化为椭球体，因此，几何投影关系简洁，减少了计算的复杂性。并进一步考虑了入射和反射方向相互遮蔽或阴影重叠，发展了几何光学互遮蔽模型(GOMS)。使之成为迄今可广泛适用于森林冠层的二向性反射模型，奠定了地物二向性反射研究中几何光学学派的学术地位，成为国际植被遥感模型的主流模型之一。而后，该几何光学模型被进一步发展为几何光学散射核(Wanner 等，1995)，并作为MODIS 传感器BRDF/反照率产品业务化运行算法(Schaaf 等，2002)。近来，GOMS模型进一步被改进使其适用于山区地表二向反射特征描述(Schaff 等，1994；Wu 等，2017)以及LAI等森林结构参数反演(Li 等，2015)。

1988年，李小文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，建立了适用于森林冠层的间隙率模型(Li和Strahler，1988)，极大地简化了在3维空间中复杂边界条件下求解的复杂性。该模型是连接几何光学和辐射传输理论的关键，为后来提出的几何光学辐射传输一体化模型(GORT)奠定了基础(Li 等，1995)。GORT模型中，将植被冠层作为随机分布的椭球形树冠组合，利用间隙率及传输路径长度分布，获取直射光在植被冠层沿高度分布的单次散射和多次散射。树冠充满了具有吸收和散射作用的叶子，用辐射传输原理用来描述树冠内的多次散射和树冠与地表的多次散射。GORT 模型进一步扩展融合垂直冠层概率分布廓线，改进了森林结构参数遥感反演的能力(Ni 等，1999；Woodcock 等，1997)。

3 热红外辐射方向性遥感机理

热红外遥感辐射的方向特性研究相对于可见光近红外领域相对滞后。李小文和王锦地(1999)指出，在热红外遥感对地温精度的要求不高时，人们长期使用“复合比辐射率”或“等效发射率”的概念并把它作为一种毋须定义，约定俗成的东西，这种定义上的含混也许是合理的，但当要求陆地表面温度的遥感估算精度为1 K时，就必须考虑普朗克定律在遥感像元尺度上的适用性问题。热红外对地遥感中像元的尺寸通常为几十米到几千米。除了大面积的水面、沙漠、冰雪、茂盛的草原以外，混合像元是难以回避的问题。李小文等人探讨了普朗克定律的尺度效应问题，指出非同温状况不能简单地利用“等效比辐射率”来套用普朗克公式，否则会出现像元平均温度随波长和视角变化的不合理情况(Li 等，1999b)，非同温地表有效或等效发射率的定义是探讨地表热辐射方向性机理的最基本问题(李小文和王锦地，1999)。

Li 等人(1999a)、李小文和王锦地(1999)从物体表面发射率的经典定义入手，分析了地表热红外遥感中遇到的定义上的困难，在考虑多次散射和体系温差的基础上，提出“视在比辐射率增量”概念，并由此提出了非同温地表比辐射率概念模型，这一模型首次将多次散射和非同温状况结合起来。李小文和王锦地(1999)指出，平面混合像元温差和3维结构像元多次散射导致了发射率视在增量。综合3维结构与非同温组分温差的贡献，不失一般性，将非同温地表像元的等效发射率可以定义为在假定为同温条件下的发射率以及在给定材料、结构与温度分布情况下的由温差造成的视在发射率增量之和。这一增量项的引入明确表达了地表非同温像元的辐射异于同温像元的原因，这里坚持了普朗克函数的普适性，同时也保持了材料发射率的独立性，用温差引起的视在发射率增量来处理由于表面非同温而引起热辐射的波谱和方向性变异。新定义不要求异于传统测量方法的新方法，而只给予测量结果以新解释。

Li 等人(1999b)进一步提出了非同温黑体表面普朗克定律的尺度效应，以及对真实地表热辐射公式的尺度纠正问题(Li 等，2000)。随后，在李小文的指导下，Liu 等人(2000)基于机载热像仪观测实验数据，提取了典型地物热红外辐射方向特性，陈良富、阎广建等人对垄行结构的热辐射模型作了较大的改进，同时考虑了太阳光照方向和观测方向上作物间的孔隙率因素，根据离散植被孔隙率模型(Li和Strahler，1988)和连续植被的交相关概率思想，分别给出了双向孔隙率热辐射模型，能够较好的解释热点(Chen 等，2002；Yan 等，2003)。热红外辐射方向性机理与非均质地表热红外辐射方向性模型研究已经成为了一个新的前沿方向(柳钦火 等，2016)。

4 先验知识的定量遥感反演理论

多角度遥感数据的积累为遥感科学工作者通过二向性反射模型来反演地表的各种生物物理参数提供可能。然而，定量遥感的执行仍然十分困难，需要从信息论的角度获得一些理论指导，并在反演实践中进行大量的探索(李小文，1989；李小文和王锦地，1995；李小文 等，1998)。

以美国宇航局(NASA)的MODIS传感器为例，要从太空中获取足够的多角度数据十分困难，主要是因为MODIS传感器的空间采样往往近似表现为半球空间的一条采样线，且绝大多数情况下并非在太阳主平面方向(Wanner 等，1997)，如何通过这些采样数据，准确复原半球空间任何方向的反射率，尤其是热点方向的反射，极其困难(Li和Strahler，1992)。而热点方向反射的准确性往往决定了地面结构参数的反演精度(Chen 等，2005; Jiao 等，2016)。另外，在光学领域，云和气溶胶的影响，会使多角度观测的获取愈加困难。这一困难仅为遥感定量反演的数据准备阶段，在反演的整个流程中，各种不确定性最终会影响反演结果的精度(李小文和王锦地，1995；李小文 等，2001)。

因此，针对遥感反演存在实际问题，李小文和王锦地(1996)首先给出了多角度与多光谱遥感信息融合的方案。针对定量遥感反演实践，李小文等人(1997)和高峰等人(1998a)总结了基于数据的反演目标决策，根据参数的不确定性与敏感性矩阵实施数据集与参数集分割的分阶段反演策略。针对遥感反演中的理论问题，李小文等人(1998)进一步总结遥感反演面临的主要困难，指出了引入地表先验知识的重要性及其在无定解反演中的作用。针对先验知识应用的“硬边界”概念，用参数的平均期望和不确定性构造了参数的“软边界”，从理论上给出在现阶段遥感反演中引入先验知识的方法，从而充实了基于知识积累的反演方案，实观对有限遥感信息的合理有效的利用。针对在多阶段目标决策反演方案中，对反演参数不确定性量度的重要性，论述了该不确定性不仅取决于先验知识的置信度，还取决于反演中的数据信息量。进一步阐述了模型的适用性、数据中信号噪声的影响、先验知识的获取途径，以及在模型中待反演参数对数据的敏感性。以数据空间和参数空间联合概率分布的方式给出了描述这一整体不确定性的思路，为根据阶段反演结果和反演参数的不确定性决策下阶段的反演策略奠定了基础。

针对MODIS BRDF/反照率早期备用算法中先验知识的应用，Li 等人(2001)提出了一种先验知识的积累方法。以核驱动模型的反演为例，基于贝叶斯理论，探索了将先验知识应用于地表光谱反照率反演，以提高反演结果的稳定性和精度，而后因其广泛的适用性成为MODIS BRDF/反照率全球数据产品生产的基础算法。在李小文的先验知识应用思想的影响和指导下，这一时期，遥感反演的先验知识应用的研究成为新的研究热点。高峰等人(1998b)针对核驱动模型利用“最小二乘”方法选择最佳的“核”时，在小样本情况下，反演结果很不稳定的问题，利用信息反演理论，考虑了模型及测量误差等影响因素，提出了“最小方差”反演准则。阎广建等人(2002a)指出植被反射光谱曲线的相对位置关系可以作为先验知识应用到对植被结构的反演中；阎广建等人(2002b)对已有约束最优化方法在遥感反演中的适用性进行了分析，从提高反演速度及降低优化方法病态特性两个方面考虑，提出了泛矩阵的概念；秦军等人(2005)引入集合卡曼滤波的方法来实现地表参数的遥感反演，在有效获得反演结果的同时给出先验知识的后验分布。Wang等人(2007)考虑到了反演的正则化策略并提出了不适定地表参数反演的一个完整的正则化理论。赵红蕊等人(2007)研究了线性正则化反演中正则化参数的确定方法，提出了以香农熵减最大化为条件的正则化参数确定方法。赵红蕊等人(2008)以香农熵减表达反演过程中的信息利用，在一定的合理假设下，推出了非线性不适定反演问题中正则化参数(先验信息比)在迭代过程中的定量确定方法。

定量遥感的本质是反演(李小文，2005)，如何在有限的地表观测数据和不利的观测条件下定量估算地表生物物理参数是定量遥感的首要任务。因此，在遥感定量反演过程中，先验知识的应用非常重要和必要。正如李小文在他的文章(Li 等，2001)中引用孔子的话：“知之为知之，不知为不知，是知也”。在多年星机地遥感试验数据的基础上，通过先验知识的积累和提取，在基于先验知识的理论和方法的发展和指导下，定量遥感的道路一定会越走越宽。

5 遥感信息时空尺度效应

遥感科学研究的尺度问题之一是物理定律、原理用在遥感像元尺度时是否需要修正及如何修正。Li-Strahler几何光学模型在假定树冠表面与地面处处朗伯体的条件下，用四分量在不同方向之差异，解释了由结构产生的像元尺度上的非朗伯特征(Li和Strahler，1985)。强调了像元内部处处朗伯，而像元尺度上整体非朗伯的特征。为了更抽象的阐明尺度效应在遥感科学中的一般性，李小文等人(Li 等，1999a；Li 等，2000)用Li X谷场景来说明这种因像元内3维结构导致的尺度效应。想象遥感像元是一个90°谷底的顶部，太阳与传感器均在谷垂直的主平面上，尽管两个坡面均为朗伯反射面，但是整个像元作为整体其表面反射不再具有朗伯性。

李小文认为很多物理学的定律、原理都是在一定条件下归纳、演绎和证明的，很多情况下只适用于点、点对、均匀介质或均匀介质表面(Li 等，2000)。由于对地遥感像元尺度上陆地表面的复杂性，这些定理、定律是否适用于这一尺度？如不适用应如何修正？是定量遥感必须面对的挑战。另一个物理学定律尺度依赖的例子是Beer定律，简言之就是光在均匀介质中的传播按负指数衰减。这在大气和海洋中应用很少遇到问题，但用于植被时，明显存在尺度问题。当遥感分辨率与叶片之间空隙大小相当或更精细时，光要么穿透植被，要么被叶片截获，在此分辨率下，理论上Beer定律不再适用，而必须用二项式分布或其他手段来描述(Albers 等，1990)。只有对于水平均匀连续半无限的植被冠层，Beer定律才近似成立，但是当叶片聚集而导致叶片在空间上非均匀分布时，又需要进行修正。传统的修正方法引入聚集指数，在一定的样线长度应用修正后的Beer定律计算叶面积指数，这种方法同样面临尺度问题，体现为不同的样线长度计算结果不同(Yan 等，2016)。当像元分辨率大于植株，Beer定律必须进行向上的尺度纠正(Li和Strahler，1985)。

互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基石。Helmholtz的互易原理要求在“源”处一对相互垂直的极化平面及其交线与测量处一对响应的垂直极化平面及其交线位置的互换，而在很多教科书中，Helmholtz严格限制条件常被忽略，而被一般化为“源与测量仪器位置的互换”。与尺度效应有关的后一种意义上的“互易原理”在BRDF研究中的适用性，是长期争论的问题。然而，相当多的测量数据，尤其是野外测量数据不支持互易原理在传感器像元尺度上的有效性。Li和Wan(1998)证明了Siegel和Howell的所谓热力学证明为误。Snyder(1998)又提出了互易原理的所谓“光路反转”证明，试图将互易原理严格推广到像元尺度。Li 等人(1999b)考察了这一证明，指出当均匀入照在像元上因多次散射而产生空间不均匀的反射时，所谓光路反转证明与能量守恒定律相冲突，因此证明不成立。

李小文进一步论证，即使像元内处处满足Helmholtz互易原理，但如果从像元一部分区域射入的光子，最终从另一部分逸出(简称为“串线”)，而两部分之间相互串线不对称，则像元作为一个整体，可以不满足所谓源与传感器的互易原理，或不满足互易原理成立的条件。

相似地，假定像元内处处为黑体表面，处处满足Planck定律，像元作为一个整体，可以不满足Planck定律。Planck定律在对地遥感中的直接应用，要求地表状况满足一定的条件。但是40年来普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥感，成为地温遥感精度上不去的根本原因之一。问题在于地学家很难修正地表状况，大多数又不敢修正物理定律。李小文等人通过修正“像元平均有效发射率”的内涵，将Planck定律修正到遥感像元尺度(Li 等，1999a)，从而使普朗克定律能直接应用于像元尺度地温遥感(Li 等，1999a)。

针对尺度效应制约定量遥感发展这一关键问题，Li 等人(2000)通过几何光学模型来解释不同尺度上量的内涵的变化、量的性质的改变，以及物理定律的适用性，初步提出了与遥感尺度相关的定量遥感理论体系，初步解释了地表时空多变要素由点向面的尺度效应，在尺度转换模型和信息转换模型研究方面均取得了有意义的进展。

尺度问题之二是尺度转换。在遥感应用飞跃发展之后，在轨多尺度观测卫星越来越多，积累遥感数据量也越来越多，尺度转换问题日益迫切。李小文将定量遥感在面向全球问题研究上存在的主要问题归结如下(李小文和王祎婷，2013)：(1)不同分辨率、不同遥感数据所生成出来的定量遥感产品，相互之间不一致，又多与传统的点观测不一致；(2)遥感应用面越来越广，但很难满足不同遥感产品用户不同的时空分辨率和跨度的要求。这就导致了：(1)与遥感卫星获取数据的能力相比，遥感数据的自动化、定量化处理乃至对遥感数据信息的理解能力与对遥感数据的有效利用远远不足；(2)定量遥感的研究缺乏系统性和普适性，分散各领域的研究者们各搞各的，显得非常零碎，很难形成系统性的大成果。

李小文认为，要解决上述问题，可靠、便捷、自洽的尺度转换是关键，并且进一步阐明了遥感的科学任务即是实现高新技术给定的时空尺度和地学应用时空尺度之间的理解和转换。遥感尺度本身具有物理性和几何性。遥感尺度的物理性问题可理解为是不同分辨率遥感数据反演得出的地物物理属性存在差异的现象。遥感尺度的几何性问题，可理解为用不同大小的像元度量地物几何属性(如耕地面积)产生差异的现象，有望通过分形等地表描述方法及与地学学科的交叉予以解决。遥感尺度的物理性问题关系遥感反演结果的精确性，可以认为是遥感自身独有的尺度问题。

针对遥感尺度的物理性问题，李小文尝试提出“遥感趋势面”的基本构想，并初步搭建了遥感地学认知的方法框架(王祎婷 等，2014)。遥感趋势面借鉴了地理学中“趋势面”的思想，是从遥感尺度问题的独特性出发，提出构建一套高时空分辨率、且不存在尺度误差的先验知识面。遥感趋势面中的“趋势”，是通过地学规律、遥感原理与方法对各种数据、产品、模型进行加工总结形成知识而获得的。因此，遥感趋势面强调先验知识的构建、利用和积累，同时注重与地学的交叉，有助于解决遥感尺度转换问题。

李小文在2014年1月定量遥感尺度效应专题研讨会上提出了构建遥感趋势面的普适性方法框架的思路。框架的核心内容包括：充分利用地表环境要素时不变趋势面、关系密切的时变要素和时变记录、站点观测和过程模型构建先验知识库；在先验知识库支持下对地理要素趋势面在时间、空间两个尺度上进行调整，并作为尺度转换中的先验知识；将新获取的遥感产品作为新信息，通过贝叶斯定理更新先验趋势面为后验趋势面；误差评估，更新先验知识库，并生成用户指定时空分辨率的地表要素产品。

李小文提出的方法框架是一个概念模型，高度抽象和概括了多种先验知识的应用和贝叶斯理论在遥感尺度转换中的作用。地表要素具有不同的性质，同时又是时空多变的。概念性模型有助于我们抓住问题的本质，在遥感尺度转换方法的普适性、系统性上向前迈一步。面对具体要素的具体应用中，有很多技术方法的细节都有待具体化。并且，该方法框架在研究方法和技术细节上可能有多种实现。

6 定量遥感综合试验

遥感试验可为地表生态环境要素遥感模型构建、反演算法验证、尺度转换机理分析、定标与产品真实性验证提供星机地观测数据。李小文一直重视遥感试验在定量遥感研究中的地位，多次强调“做实验前心中一定要有模型“。也就是要求实验人员在做实验之前一定要有深入的理论思考基础，梳理清楚需要观测那些状态和模型输入参量，如何去观测要有理论指导，观测的结果要客观全面，对于可能出现的观测结果要有预期。纵观李小文的整个研究生涯，遥感试验一直发挥着重要的作用。

如李小文及团队最核心的研究成果几何光学模型的构建过程，就体现了观测的重要性。如Chandrasekhar(1960)以出版了专著Radiative Transfer，对大气和水体等连续介质的辐射传输过程的理解和模拟起了奠基性作用，但是，水平连续介质的假设使其不适用于具有3维结构的离散分布森林冠层。李小文和他的导师Alan Strahler首先基于多年的观测数据积累与科学分析，发展了系列的几何光学模型。不难看出，通过观测可以得到对真实世界的客观认识，再适用恰当的数学与物理方法形成模型，是遥感研究的两个重要阶段。

遥感观测对于遥感研究的第3个阶段，即模型的验证也是不可或缺的。为研究不连续冠层二向反射分布特征及其与冠层几何结构的关系，李小文团队1990年代初就与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所合作，在长春净月潭实验站建立了室内二向反射观测实验室，促成了第一届国际多角度遥感研讨会在北京召开；于1995年5月—10月、1996年8月，设计了机载多角度观测与地面测量同步的观测实验，在昌平县西沙屯苹果园进行了多次实地观测，观测数据用于对冠层几何光学模型GOMS和几何光学辐射传输一体化模型GORT的验证研究(Li 等，1992；Li 等，1995)。遥感试验观测能力在很大程度上决定了遥感的发展水平。如多角遥感研究多年未得到足够的重视，主要是观测能力的缺失对地物的二向性反射的特点和原因缺乏了解。随着遥感观测技术手段的发展，积累了大量的地面多角度遥感观测数据，同时，星载角度传感器的发展进一步为全球多角度数据的收集提供了重要手段。因此，多角度遥感试验数据的积累为遥感科学工作者通过二向性反射模型来反演地表的各种生物物理参数提供可能(李小文 等，1991)。

通过试验观测可以得到一些新的认识，甚至可以质疑一些经典原理的客观性与适用性，如对李小文、万正明等文献中所提供对观测数据的理解，再结合自己的野外观测工作和对获取数据的深入分析，论证了互易原理在遥感感器像元尺度上的有效性和可能失效的原因，并明确了能否适用的条件，澄清了当年遥感测量界和物理界长期争执不休的问题，证明了siegel和Howell的所谓热力学证明为误(Li和Wan，1998)。

先验知识的支撑利于用户反演所需的地表参数。李小文等人(1997)提出了基于遥感数据和模型参数敏感性分析的反演方法。而基于观测实验，建立全国典型地物波谱知识库，可为遥感反演提供重要的支撑。

李小文及团队非常重视综合定量遥感实验的作用，先后在北京顺义、江西鄱阳湖流域等地组织开展了一系列星机地同步遥感综合试验(Liu 等，2002)，为遥感模型的发展和算法的验证积累的大量宝贵的数据。为了进一步促进定量遥感与生态水文等其他学科的结合研究，李小文主持的973计划项目，与中国科学院西部行动计划、国家自然科学基金重大科学计划项目联合，共同参与组织开展了两期黑河流域生态水文定量遥感综合试验，利用地面、机载等平台条件和主被动遥感仪器设备，实现了一次试验多项产出，仪器、数据共享，为理论验证提供平台，形成一组科学数据集，通过共享有力支持了定量遥感科学研究，及其生态水文科学的应用(Li 等，2009, 2013)。

7 结　语

遥感辐射传输建模、遥感定量反演、遥感信息时空尺度效应、遥感综合试验与真实性检验是遥感科学发展的重要前沿方向。李小文的主要学术贡献包括：

(1)建立了植被几何光学模型，以及几何光学—辐射传输混合模型系列，是地表二向性反射核驱动模型的重要核函数，也是全球二向性反射分布函数和反照率产品的基础。

(2)提出了非均质地表热红外发射率的定义，建立非均质地表热红外辐射方向性概念模型，研制了机载多角度多光谱成像系统，开拓了热红外辐射方向性机理研究和多角度热红外遥感研究的新领域。

(3)指出了引入地表先验知识的重要性及其在无定解反演中的作用，发展了基于先验知识的定量遥感反演理论和方法，提出了根据参数的不确定性与敏感性矩阵实施数据集与参数集分割的分阶段反演策略，主持研制了全国典型地物波谱知识库。

(4)推动了遥感尺度效应和尺度转换问题的研究，将定量遥感时空尺度问题归纳为遥感物理模型的尺度问题和尺度转换问题两个方面，建立了遥感尺度转换的通用理论框架。

(5)成功组织实施了北京顺义、江西山江湖地区定量遥感综合试验，以及黑河流域生态水文定量遥感综合试验，为遥感模型的发展和算法的验证积累的大量宝贵的数据，为推动生态水文遥感科学发展起到了重要的推动作用。

遥感应用定量化已成为是重要科学技术前沿，对于地球系统科学与全球变化研究将会发挥越来越重要的作用。李小文及团队在遥感机理建模、遥感定量反演、遥感信息时空尺度效应、遥感试验与真实性检验等方面所取得的研究进展与成果，需要进一步加强与深化，必将为遥感应用以及全球人类可持续发展做出更大的贡献。

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