WeChat ID sci_geo Intro 科学出版社地球科学公众号，分享传播地理、地质、资源、环境、生态、能源等领域科学新知。 李爱农博士及其科研团队，及时推出了《山地遥感》 新著，对发展山地遥感面临的机遇与挑战作了很好的描述，紧扣山地特殊性，有步骤地阐述了数据处理、遥感解译、定量反演、灾害监测、山地大数据等方法、原理，结合应用实例，形成了切实的知识增量。 国家“千人计划” 特聘专家 美国马里兰大学地理系教授 2016 年9 月 美国已故地理遥感学之父David Simonett 指出，遥感不单是一门应用技术，还是一门科学，有其自身的科学问题（李小文，2006）。遥感技术飞速发展的背后面临诸多科学问题和挑战（徐冠华，1996；陈述彭，1997；周成虎和鲁学军，1998；龚健雅和李德仁，2008），针对复杂环境的山地遥感更是如此。遥感实现从定性到定量的过渡，需要开展多学科交叉，加强学科自身基础研究。下文初步列举了山地遥感当前面临的五个方面的挑战或前沿科学问题（李爱农等，2016）。 电磁波与地表环境的辐射传输机理是遥感研究的基础理论。自诺贝尔奖获得者Chandrasekhar （1960） 于20 世纪50 年代创立辐射传输学派以来，遥感机理研究先后从大气拓展到植被、土壤、冰雪等多个研究领域。针对辐射传输理论的局限性，李小文与Strahler 发展的几何光学学派将遥感基础理论研究推向了一个新的发展方向（Li and Strahler，1985）。相比于平坦地表，山地环境特有的地形复杂性以及由此引起的生态系统的复杂性，致使山地陆表的辐射传输过程各分量间的耦合更为紧密，模型对自然现象和过程的刻画更加复杂。 山地地形要素包括海拔、坡度、坡向、起伏度等。它们通过改变光线传播路径，影响了地表的水热分布以及遥感成像过程（阎广建等，2000；李净和李新，2007；Li et al. ，2015）。海拔差异改变光线传播长度，影响大气成分和降水因子，进而改变不同海拔处地表接收到的辐射能量。理论上，海拔越高的区域由于大气的消光作用减弱因而太阳直接辐射越强（Jin et al. ，2013）。坡向改变太阳辐射在地面的分配过程，其中阳坡接收到的太阳直接辐射多，导致坡面温度高、水分蒸发强烈（方精云等，2004）。坡度进一步影响了太阳－地表－传感器三者之间的角度关系；同时，坡度的存在还使地表像元受邻近地表反射的影响（Li et al. ，2015）。地形的起伏程度对像元的能量构成具有较大影响，地形起伏越剧烈的地区其遥感影像成像过程愈加复杂。山地地形要素影响了辐射信号的传播过程，在光学影像上表现为相同地表覆被类型的光谱差异。 ▲山地几种不同的云阴影投影情况 此外，山地环境中由于地形起伏影响，当太阳直射光部分或全部被遮挡而无法到达观测目标时，在遥感影像中将形成阴影区域（Giles，2001；Zhou et al. ，2014）。阴影包括投影（高大目标投射到地表的阴影） 和本影（目标未被太阳直射到的区域） 两种类型（Salvador et al. ，2001）。阴影的存在一定程度上增强了影像的三维效果，也可有助于目标高度及形状的测量（Dare，2005）。然而，阴影给山区土地覆被制图以及生态参量反演等多种实际应用带来困难。 在山区，如何准确揭示地物光谱信号与复杂地表的相互作用，定量描述电磁波与山地环境相互作用机理是山地遥感面临的重要基础科学问题。 海量遥感数据的综合高效应用，首先要解决遥感影像的归一化处理问题。山地遥感影像的几何与辐射畸变是山地遥感研究较早关注的问题之一（Hoffer，1975）。尽管近半个世纪以来国内外学者发展了众多用于山地遥感影像几何与辐射畸变的校正方法，但随着对地观测卫星数据的不断增多，多源、多时相、多角度、异构的山地遥感影像归一化处理仍是制约山地遥感综合高效应用的重要因素之一。 新的时代背景下，如何开展海量山地遥感影像高精度的几何、光谱归一化，并在此基础上开展山地多源遥感影像的协同应用，是当前山地遥感面临的前沿科学技术难题之一。 遥感的反演问题是在给定前向模型的基础上，寻找一组输入参数，使其能够最佳地解释当前遥感观测的过程。 相比于平坦地表，山地环境特有的地形起伏以及由此引起的生态系统的复杂性和气候环境的多变性，致使山地陆表参量遥感建模与反演面临更多理论和技术上的难题（李爱农等，2016）。首先，山地陆表的辐射传输过程和水热循环过程中各分量间的耦合更为紧密。因此，需要在遥感数据处理模型和前向机理模型中协同考虑大气－地形－冠层等的交互作用，增加了模型的复杂性。其次，山地的高时－空异质性，要求遥感观测和生态参量遥感产品对山地生态系统具有更加精细的时空表征能力。同时，由于山地生态系统的复杂性，进行山地生态参量反演时需要更多的地形相关参数，遥感“病态” 反演在山地更为严重。在山地开展定量遥感反演与平坦区域最大的差异在于: 地形的复杂性与随机性增加了反演模型解算的难度，降低了遥感反演的精度。现有的遥感反演模型在山地适用性差，缺少可靠的精度评估。 ▲星－机－地一体化同步多尺度观测实验设计示意 常规的生态参量遥感机理模型在山地适用性如何? 如何在遥感机理模型中结合多源遥感信息与山地地表参数先验知识，充分考虑并削弱地形带来的不确定性? 这些问题是构建山地生态参量遥感反演理论与方法的核心科学问题。 尺度效应是遥感科学的关键理论问题之一。与传统地学研究中的地学现象和规律表现的尺度效应不同，遥感研究中的尺度效应一般更重视不同分辨率图像之间的关系和尺度转换问题（李小文和王祎婷，2013）。山地遥感研究的尺度差异受地形影响更为显著，山地陆表生态参量的尺度效应及其尺度转换机理是关系到能否将多源、多尺度信息通过模型同化于遥感反演过程的基础，同时也是揭示不同尺度遥感产品不确定性关系的桥梁。 遥感常用的尺度转换模型与方法在山地是否仍然适用? 如何将多源、多尺度的遥感产品与地面观测资料相结合，应用于水文、生态及流域集成模型? 还需要在实验和理论上进一步研究。 遥感是一门综合性的科学，需要借助物理学、数学、计算机、地理学、地图学、生态学等学科的原理、方法和分析手段，解决对地遥感的科学理论与实际应用问题。在山地遥感研究中，如何将山地科学以及相关学科中的基础理论、方法及成果吸收进来，加深遥感在山地研究中的应用是山地遥感实现突破的重要方面。 【相关阅读】 解读“山地遥感” 山地遥感最新研究进展及发展新机遇 本文摘编自《山地遥感》（李爱农等著. 责任编辑： 张井飞 韩鹏. 北京： 科学出版社，2016. 12） 一书“第1章 绪论”。 ISBN 978-7-03-049446-7 山地遥感是研究在山地这一特定环境中的遥感基本原理、方法及其应用的科学技术，是遥感科学的重要组成部分，关注其山地特殊性。《山地遥感》从山地遥感的基础理论入手，综合介绍了近年来山地遥感研究的主要成果、最新进展和应用实例。主要内容包括： 山地遥感基本内涵、研究内容、面临的问题、机遇和挑战；遥感基础知识；山地光学遥感影像的自动预处理方法；山地光学遥感影像地形辐射校正；山地土地利用/ 覆被遥感监测；山地植被生物物理参数遥感反演；山地地表能量平衡遥感估算；山地陆表参量多源数据同化；山地遥感产品地面验证；山地灾害遥感应急调查；无人机遥感及其山地应用；数字山地大数据框架。 作者 | 王文兴 | 彭建兵 | 施雅风 | 李德仁 | 邹逸麟 | 何一鸣 | 武芳 | 吴朋飞 | 黄汲清 | 刘东生 | 袁再健 | 刘国纬 | 王铮 | 吕宪国 | 王缉慈 | 白光润 | 李小文 | 丛树铮 | 李小建 | 尹祥础 | 龚子同 | 唐领余 | 叶大年 | 方创琳 | 刘敬党 | 吴时国 | 谢克昌 | 刘池洋 | 程维明 | 陈士林 | 胡兆量 | 刘晓燕 | 姚士谋 | 朱定局 | 王颖 | 姚鲁烽 | 范英 | 孙斌栋 | 周建华 | 尹章才 | 徐宗学 | 陈镜明 | 郑伟 | 余新晓 | 谢树成 | 廖小罕 | 周成虎 | 于伟 | 冯辉 | 张康聪 | 朱敏 | 阳友奎 | 陈鸣 | 许红 | 张志南 | 陈建平 | 申萍 | 黄文江 | 董为 | 雷廷武 | 刘斯宏 | 吴忱 | 徐青 | 李江海 | 吕拉昌 | 郭友钊 | 赵秀丽 | 师永民 | 邓天龙 | 刘晓燕 | 朱训 | 郭纯青 | 张国民 | 张远 | 黄文江 | 方红卫 | 薛国强 | 王治华 | 梁顺林 | 李廷栋 | 李江海 | 林天瑞 | 李扬鉴 | 夏庆龙 | 艾应伟 | … （本文编辑：刘四旦） 地球为你而转！ 欢迎关注：赛杰奥（sci_geo） 科学出版社地球科学订阅号 点击下方“阅读原文”可购买本书 Reward 长按二维码向我转账 受苹果公司新规定影响，微信 iOS 版的赞赏功能被关闭，可通过二维码转账支持公众号。 Scan QR Code via WeChat to follow Official Account