關(guān)于航天遙感的若干問題

陳世平

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100081）

1 引言

遙感的作用是遠(yuǎn)距離獲得客觀世界（實(shí)體，即目標(biāo)、區(qū)域和現(xiàn)象）的有關(guān)信息。遙感的基礎(chǔ)是：電磁波與實(shí)體相互作用，使其載有實(shí)體的信息；獲取載有實(shí)體信息的電磁波并進(jìn)行處理，得到含有實(shí)體信息的遙感數(shù)據(jù)；通過遙感信息模型反演出實(shí)體所包含的信息。遙感的過程包括正演過程（即遙感數(shù)據(jù)的獲取、測(cè)量和處理過程）和反演過程（即遙感數(shù)據(jù)解譯過程，主要是應(yīng)用遙感信息模型分析遙感數(shù)據(jù)，從而獲得信息的過程）[1]。遙感的任務(wù)是由遙感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。圖1示出了遙感和遙感系統(tǒng)的概念。遙感系統(tǒng)由遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)共同組成，遙感系統(tǒng)的輸入是載有實(shí)體信息的電磁波，輸出是實(shí)體所含的有關(guān)信息。實(shí)體是客觀實(shí)在，包含的信息是無限豐富的，而實(shí)際上由系統(tǒng)獲取的只是與遙感任務(wù)有關(guān)的信息。通常將遙感系統(tǒng)稱為端對(duì)端（End to End）系統(tǒng)，是指系統(tǒng)的輸入和輸出中所涉及信息具有相同部分。研究者試圖用保真度描述遙感系統(tǒng)的性能，如使用保真度的概念將獲取的遙感圖像與其相應(yīng)景物進(jìn)行比較以說明遙感系統(tǒng)性能[1-2]。由于景物所含的內(nèi)容和信息是無限豐富的，其“保真度”的含義是需要嚴(yán)格界定的。

圖1 遙感和遙感系統(tǒng)的概念

航天器平臺(tái)承載遙感器以實(shí)現(xiàn)航天遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和航天遙感系統(tǒng)。航天遙感任務(wù)是由航天遙感系統(tǒng)完成的。本文對(duì)航天遙感的任務(wù)、航天遙感系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)鏈及遙感信息鏈的組成，遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量和遙感解譯質(zhì)量的概念予以綜述；對(duì)航天遙感面臨的若干問題加以說明和討論。

2 航天遙感的任務(wù)

自1959年2月美國(guó)發(fā)射“先鋒2號(hào)”衛(wèi)星首次獲得地球陸地、海洋和云蓋的圖片，1959年10月蘇聯(lián)發(fā)射“月球3號(hào)”探測(cè)器首次拍攝月球背面的圖片，航天遙感已經(jīng)走過了50年的歷史。50幾年來，世界各國(guó)發(fā)射了大量用于航天遙感的航天器。航天遙感的任務(wù)概括來講包括對(duì)地觀測(cè)、天文觀測(cè)和深空探測(cè)3部分。

⑴對(duì)地觀測(cè)

對(duì)地觀測(cè)是航天遙感的主要任務(wù)，是指對(duì)地球的觀測(cè)，包括對(duì)地球大氣圈、水圈、巖石圈和生態(tài)圈的觀測(cè)，也可以概括為對(duì)大氣、水域和陸地的觀測(cè)，以及軍事應(yīng)用等。

對(duì)大氣觀測(cè)的內(nèi)容主要包括大氣溫度和水汽廓線、電離層電子密度、云圖、風(fēng)場(chǎng)、降水、閃電、中上層大氣成分、臭氧含量及分布、氣溶膠光學(xué)厚度、地球大氣系統(tǒng)的輻射收支等[3-4]。

對(duì)水域觀測(cè)的內(nèi)容主要包括流域形狀和面積、水色、水溫、水中葉綠素、灘涂、泥沙、水下地形、海流、大洋環(huán)流、波高、波譜、水面風(fēng)場(chǎng)、冰雪、海面高度和拓?fù)涞萚3-4]。

對(duì)陸地觀測(cè)的內(nèi)容主要包括地質(zhì)、地貌、水文、土壤、植被和人工目標(biāo)等土地覆蓋內(nèi)容，涉及在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水文、地質(zhì)、礦產(chǎn)、生態(tài)、城市等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

對(duì)大氣、水域和陸地的觀測(cè)都涉及到環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

軍事應(yīng)用涉及偵察、預(yù)警、測(cè)地、空間目標(biāo)監(jiān)視和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)視等。

⑵天文觀測(cè)

利用航天遙感進(jìn)行天文觀測(cè)是通過天文衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的。天文衛(wèi)星在距離地面數(shù)百千米或更高的軌道上觀測(cè)，不受地球大氣層的影響，可以更靈敏接收到宇宙天體輻射出來的各種波段，包括可見光、紅外、紫外、X射線、γ射線等的電磁波，實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙天體和其他空間物質(zhì)的觀測(cè)。

⑶深空探測(cè)

利用航天遙感進(jìn)行深空探測(cè)是通過深空探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的。深空探測(cè)器是飛經(jīng)、環(huán)繞、硬著陸或軟著陸在天體（指月球和月球以外的天體）上，主要利用遙感手段對(duì)天體進(jìn)行觀測(cè)的。

以上所述的航天遙感任務(wù)是針對(duì)航天遙感使命宏觀而言的。對(duì)于每項(xiàng)具體的航天遙感工程，都需要明確規(guī)定它的具體航天遙感任務(wù)，任務(wù)的表征應(yīng)該是定量的、可以測(cè)量的。

3 航天遙感系統(tǒng)、遙感數(shù)據(jù)鏈和遙感信息鏈

航天遙感的任務(wù)是由航天遙感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。圖2示出航天遙感系統(tǒng)的組成，細(xì)化了圖1的內(nèi)容，突出了航天遙感系統(tǒng)的特點(diǎn)。圖2還反映了航天遙感數(shù)據(jù)鏈和航天遙感信息鏈的組成。

圖2 航天遙感系統(tǒng)組成

（1）航天遙感系統(tǒng)

航天遙感系統(tǒng)由航天遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和航天遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)組成。在遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中完成的是遙感的正演過程，在反演系統(tǒng)中完成的是反演過程。航天遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括載有遙感器的航天器系統(tǒng)和用于遙感數(shù)據(jù)接收和處理的地面系統(tǒng)，航天遙感系統(tǒng)的輸入是載有景物（實(shí)體）信息的電磁波，輸出是景物包含的有關(guān)信息。這些信息再送入遙感應(yīng)用系統(tǒng)以獲取有關(guān)知識(shí)，以滿足航天遙感最終用戶的任務(wù)需求。有研究者將這一部分稱為后遙感應(yīng)用技術(shù)，是指將遙感技術(shù)與各學(xué)科傳統(tǒng)的方法和其他現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，對(duì)遙感信息進(jìn)行綜合理解，全面挖掘和深入應(yīng)用的技術(shù)[5]。

為以下討論方便起見，這里對(duì)正演和反演做簡(jiǎn)單必要的說明。以植被遙感為例，植被是遙感的對(duì)象，植被遙感的任務(wù)就是獲取植被的有關(guān)信息。但是植物生長(zhǎng)在地面（土壤）上，地面的狀態(tài)和特性不僅影響到植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，同時(shí)地面也直接參與了遙感的過程，地面不可避免地也成為景物的一部分。照明源是太陽，傳輸介質(zhì)是大氣。遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)由遙感器、平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸和處理、遙感數(shù)據(jù)生成等部分組成，分別用{a}、、{c}、j5i0abt0b和{e}表示它們的特性和參數(shù)[6]。

1）植被{a}:包括植被組分（葉、莖…）的光學(xué)參數(shù)（反射、透射…）、結(jié)構(gòu)參數(shù)（幾何形狀、植株密度…）及環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度…）等。2）地面:包括反射、吸收、粗糙度、含水量等。3）照明源{c}:包括陽光照射的譜密度、高度角等。4）大氣j5i0abt0b:包括大氣組分及光學(xué)厚度等。5）遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng){e}:包括與景物的幾何關(guān)系、響應(yīng)、噪聲、數(shù)據(jù)處理效果等。用{R}表示遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)獲得的遙感數(shù)據(jù)。{}表示特征及參數(shù)集合。

正演即由{a}、、{c}、j5i0abt0b和{e}獲得{R}的過程。

R=f（a，b，c，d，e）即前向模型。

反演即由{R}、、{c}、j5i0abt0b和{e}獲得{a}的過程。

A=g（R，b，c，d，e）即反演模型，也就是遙感信息模型。

以上所列的兩個(gè)方程是遙感的正演過程和反演過程的理想表示，實(shí)際上要獲得精確的模型是十分困難的。

（2）航天遙感數(shù)據(jù)鏈

航天遙感數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍?duì)航天遙感數(shù)據(jù)生成過程的形象描述：其始端是景物，即客觀實(shí)在（實(shí)體，即目標(biāo)、區(qū)域和現(xiàn)象）；其終端是遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)生成的遙感數(shù)據(jù)；其中間的組成環(huán)節(jié)包括照明和電磁波傳播介質(zhì)及遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)各組成部分。

無源光學(xué)遙感（包括可見光和紅外）的照明源主要是太陽，微光條件下光學(xué)遙感的照明源表現(xiàn)為月光，實(shí)際上也與太陽有關(guān)。有源光學(xué)遙感的照明源是激光器，來自光學(xué)遙感器自身。有源微波遙感的照明源是微波發(fā)射機(jī)，主要來自于微波遙感器自身，對(duì)于雙基地雷達(dá)或多基地雷達(dá)而言，照明源會(huì)來自于其它發(fā)射機(jī)，例如像利用GPS進(jìn)行航天遙感的情況[7]。一般認(rèn)為，熱紅外和無源微波遙感不需要照明源，實(shí)際上，物體的溫度是與太陽和其它條件有關(guān)的，只是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不直接考慮照明源的作用。照明源輻射電磁波照射在景物上即照明，照明狀態(tài)是輻射的電磁波尚未與景物相互作用時(shí)的狀態(tài)。由于電磁波需要經(jīng)過介質(zhì)傳播，因此照明不僅與照明源有關(guān)，還與電磁波傳播介質(zhì)有關(guān)。

在對(duì)地觀測(cè)中，電磁波傳播介質(zhì)主要指地球大氣，包括對(duì)流層、同溫層和電離層等。傳播介質(zhì)既影響照明源到景物的輻射，又影響自景物到航天遙感器的輻射。這種影響不僅表現(xiàn)為輻射強(qiáng)度的衰減，還產(chǎn)生天空光和背景光的影響[8]，以及電磁波折射和極化變化等。在深空探測(cè)中，傳播介質(zhì)涉及到被觀測(cè)天體的環(huán)境，如火星大氣。往往通過深空探測(cè)可以進(jìn)一步測(cè)量和認(rèn)識(shí)傳播介質(zhì)的狀態(tài)和性能[9]。

關(guān)于航天遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)各組成部分，包括航天器系統(tǒng)和地面系統(tǒng)組成部分，會(huì)因航天遙感任務(wù)不同而不同，特別是與航天遙感器有密切關(guān)系，本文對(duì)此不再作進(jìn)一步說明。

（3）航天遙感信息鏈

航天遙感信息鏈?zhǔn)菍?duì)航天遙感信息生成過程的形象描述：其始端是景物，即客觀實(shí)在（實(shí)體，即目標(biāo)、區(qū)域和現(xiàn)象）；其終端是遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)生成的遙感信息；其中間的組成環(huán)節(jié)包括照明和電磁波傳播介質(zhì)及航天遙感系統(tǒng)各組成部分（遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)各組成部分和遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)各組成部分）。

航天遙感信息鏈所反映的遙感信息生成過程實(shí)際上就是遙感的正演與反演過程，其相關(guān)內(nèi)容前面已經(jīng)介紹。對(duì)于生成的遙感信息在遙感應(yīng)用系統(tǒng)中的進(jìn)一步處理以及相關(guān)知識(shí)的提取不屬本文討論的主要內(nèi)容。

4 航天遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量

顯然，首先應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是航天遙感任務(wù)完成的質(zhì)量（本文中的“質(zhì)量”為“Quality”），也就是航天遙感系統(tǒng)的輸出或者產(chǎn)品的質(zhì)量?？紤]到航天遙感系統(tǒng)的組成，航天遙感系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量不僅與遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量有關(guān)，還與遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)的性能有關(guān)。從這個(gè)意義上講，單獨(dú)定義遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量并非容易之事。宏觀上，可以認(rèn)為：遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量表現(xiàn)為遙感數(shù)據(jù)在完成遙感任務(wù)中的應(yīng)用價(jià)值，或者說表現(xiàn)為可從中提取信息的潛在能力[1]。從遙感圖像（圖像是一種數(shù)據(jù)類型）質(zhì)量的具體表征來看，目前有幾種做法：一種是直接面向任務(wù)表征的，另一種是由成像系統(tǒng)（即遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)）性能表征的，還有一種是由圖像（數(shù)據(jù)）自身的統(tǒng)計(jì)特性表征的[1]。

典型的直接面向任務(wù)的遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量表征方法有美國(guó)的國(guó)家圖像解譯度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（NIIRS）和墨爾本大學(xué)于2006年為測(cè)繪和制圖業(yè)用戶制定的正射圖像分辨率及質(zhì)量推薦標(biāo)準(zhǔn)[10]等。此外，如目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率、識(shí)別和確認(rèn)概率、分類精度、以及測(cè)繪制圖的比例尺等都屬于這種表征。

基于遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)性能的遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量表征是應(yīng)用數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的性能間接表征遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法。例如成像系統(tǒng)，一般是由輻射質(zhì)量和幾何質(zhì)量，像地面采樣距離（GSD）、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和信噪比（SNR）等表征的。

遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)特性表征方法是通過運(yùn)算得出遙感數(shù)據(jù)的特征統(tǒng)計(jì)量表征遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的。像遙感圖像的灰度均值、灰度方差、列信噪比、廣義噪聲、信息熵、清晰度、圖像品質(zhì)度量（Image Quality Measure, IQM）和圖像信息密度（Information Density,ID）等，都屬于統(tǒng)計(jì)特性表征。

目前，已建立了遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量不同表征量之間的某些關(guān)系。如通用圖像質(zhì)量方程（GIQE）可以反映NIIRS與GSD、MTF和SNR等之間的一定關(guān)系[11-12]，NIIRS與IQM之間也已建立了一定的關(guān)系[12]。

面向任務(wù)的遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量表征直接反映了遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，即反映了遙感任務(wù)完成的質(zhì)量（遙感任務(wù)滿足度）；但是，遙感任務(wù)完成質(zhì)量又包含了遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，并不是遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的單純表示，面向任務(wù)的遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)往往是由解譯工作者完成的，評(píng)價(jià)結(jié)果包含了解譯的貢獻(xiàn)?；谶b感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)性能的遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量表征可以單純反映遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量；但是，因?yàn)檫b感數(shù)據(jù)質(zhì)量不僅與遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)性能有關(guān)，還與景物和遙感數(shù)據(jù)獲取條件（如成像條件）有關(guān)，這種表征是不完善的，是需要附加條件的。遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)特性表征方法提供的特征統(tǒng)計(jì)量值大小可以表示遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量（如圖像質(zhì)量）的相對(duì)優(yōu)劣；但這些量值與遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值之間的關(guān)系往往是不夠直觀的和不確定的。雖然遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量不同表征量之間已建立了某些聯(lián)系，但仍然是初步的和需要完善的?？梢哉J(rèn)為：如何準(zhǔn)確定義航天遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量，如何定量表征航天遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量依然是一項(xiàng)需要努力研究的課題。

從航天遙感數(shù)據(jù)鏈的組成考慮，影響航天遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素包括景物狀態(tài)、照明以及電磁波傳播介質(zhì)狀態(tài)和遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)性能和運(yùn)行狀態(tài)等。景物和電磁波傳播介質(zhì)狀態(tài)一般都是不可控的，對(duì)無源遙感而言，暗含的照明狀態(tài)往往也是不可控的。為確保航天遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量，航天遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和性能實(shí)現(xiàn)，以及合理運(yùn)行是至關(guān)重要的。有關(guān)內(nèi)容可參見參考文獻(xiàn)[8]。

5 關(guān)于航天遙感數(shù)據(jù)解譯 [4，12-17]

（1）遙感數(shù)據(jù)解譯的目的和任務(wù)

遙感數(shù)據(jù)解譯的目的是獲取解譯對(duì)象，即遙感實(shí)體所含的相關(guān)信息，以正確認(rèn)識(shí)遙感實(shí)體。航天遙感數(shù)據(jù)解譯是實(shí)現(xiàn)航天遙感任務(wù)的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于對(duì)地觀測(cè)而言，遙感數(shù)據(jù)解譯任務(wù)是獲取地球大氣圈、水圈、巖石圈和生態(tài)圈解譯對(duì)象的特性和狀態(tài)，主要分為兩種：普通地學(xué)解譯和專題解譯。

普通地學(xué)解譯主要為了獲取一定地球圈層范圍內(nèi)的綜合性信息，常見的是地理基礎(chǔ)信息解譯和景觀解譯。地理基礎(chǔ)信息一般由地形信息、居民地、道路、水系、獨(dú)立地物、植被、地貌和土質(zhì)等構(gòu)成；景觀主要指多個(gè)地學(xué)要素有規(guī)律的地域結(jié)合。在地理基礎(chǔ)信息解譯中，地形解譯（包括其他三維地物識(shí)別）對(duì)于地圖編制和其他應(yīng)用有重要貢獻(xiàn)。專題解譯可以分為許多類，用于提取特定要素或概念的信息，主要包括氣象、水文、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境和軍事應(yīng)用等解譯內(nèi)容，也就是本文第二節(jié)對(duì)地觀測(cè)部分所涉及的有關(guān)內(nèi)容。

（2）遙感數(shù)據(jù)解譯的過程

遙感數(shù)據(jù)解譯是通過反演系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，解譯的過程就是遙感的反演過程。

航天遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以分為成像和非成像兩類，航天遙感數(shù)據(jù)也相應(yīng)地分為圖像數(shù)據(jù)和非圖像數(shù)據(jù)兩類。對(duì)于對(duì)地觀測(cè)而言，一般來說，具有較小地面采樣距離，即空間分辨率較高的遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)獲取的是遙感圖像數(shù)據(jù)；反之，具有很大地面采樣距離的遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)獲取的往往是非圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于非圖像數(shù)據(jù)解譯，如應(yīng)用紅外輻射計(jì)和微波輻射計(jì)測(cè)量大氣溫度和濕度廓線，應(yīng)用微波輻射計(jì)、散射計(jì)和高度計(jì)測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)和波高，都是完全通過遙感信息模型，即反演模型實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)解譯的。對(duì)于遙感圖像數(shù)據(jù)解譯，特別是定量遙感，也必須通過遙感信息模型得以實(shí)現(xiàn)。在遙感圖像數(shù)據(jù)解譯過程中，人（解譯者）的因素的作用往往也是很重要的，這主要反映在遙感圖像的目視解譯中，也反映在遙感信息模型的人機(jī)交互運(yùn)行中。

傳統(tǒng)意義上，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)反演的遙感信息模型有物理模型和統(tǒng)計(jì)模型兩類。物理模型是面向?qū)嶋H物理過程的，基于物理定律的確定性模型，可以建立因果關(guān)系。統(tǒng)計(jì)模型是依據(jù)大量重復(fù)的遙感信息和其相應(yīng)目標(biāo)實(shí)際狀態(tài)相互關(guān)系的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到的模型，一般都是有地域局限性的，不能解釋其因果關(guān)系。在遙感研究中有一個(gè)新的趨勢(shì)，就是建立統(tǒng)計(jì)與物理模型結(jié)合的混合模型，其根基還是來自于物理機(jī)制，由于自然界的影響因素太多，從一定時(shí)空尺度衡量，變化是隨機(jī)的，模型反映了兩者的結(jié)合。將不同類型模型綜合、集成，加以發(fā)展，可以建立起更符合于實(shí)際的、可視化的遙感信息模型。

遙感圖像數(shù)據(jù)解譯的過程包括圖像識(shí)別、圖像量測(cè)和圖像分析與專題特征提取。圖像識(shí)別是根據(jù)遙感圖像的光譜特征、空間特征、時(shí)相特征等，發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和確認(rèn)目標(biāo)的過程。圖像量測(cè)是指在圖像上量測(cè)出目標(biāo)物的幾何量和輻射量。圖像分析與專題特征提取是指在圖像量測(cè)、圖像識(shí)別的基礎(chǔ)上通過綜合、分析、歸納，從目標(biāo)物的互相聯(lián)系中解譯圖像或提取專題特征信息，包括特定地物及狀態(tài)的提取、指標(biāo)提取和物理量提取等。遙感圖像目視解譯的能力與解譯者的知識(shí)背景和水平關(guān)系密切，其解譯要素主要包括形狀、大小、色調(diào)、紋理、陰影、圖案、位置、組合等。

（3）遙感數(shù)據(jù)解譯的質(zhì)量

遙感數(shù)據(jù)解譯的質(zhì)量要素主要包括：

①解譯的完整性，指解譯結(jié)果與給定任務(wù)的符合程度。它提供關(guān)于解譯中獲得的解譯目標(biāo)相關(guān)信息豐富程度的概念，例如，所描繪復(fù)雜地物要素的數(shù)量、要素狀態(tài)的描述深度和細(xì)節(jié)特性等。對(duì)于監(jiān)視與偵察任務(wù)（包括軍事目標(biāo)和民用目標(biāo)），遙感圖像數(shù)據(jù)解譯的完整性，即任務(wù)完備度，是指在圖像中出現(xiàn)的目標(biāo)被正確發(fā)現(xiàn)的百分比。

②解譯的可靠性，指解譯結(jié)果與實(shí)際的符合程度，或者說表示所完成解譯工作在數(shù)量上的準(zhǔn)確程度。它提供關(guān)于解譯中獲得的信息與解譯目標(biāo)所含相關(guān)信息“保真”程度的概念，其目標(biāo)識(shí)別概率是重要的表征量。對(duì)于多種地物解譯的可靠性，常用總體精度、Kappa系數(shù)、混淆矩陣和用戶精度等表征。對(duì)于監(jiān)視與偵察任務(wù)，有不同的任務(wù)性能層級(jí)，如發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和確認(rèn)等，其解譯的可靠性一般用確認(rèn)性能準(zhǔn)確度表示，是指正確確認(rèn)數(shù)與總確認(rèn)判斷數(shù)的比率。

③解譯的及時(shí)性，指規(guī)定期限內(nèi)解譯任務(wù)完成情況。這也是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，對(duì)于某些任務(wù)，要求的解譯時(shí)間很短。任務(wù)完備度與解譯時(shí)間有關(guān)，一般不是線性的，文獻(xiàn)[12]給出了某些研究數(shù)據(jù)。一個(gè)實(shí)例表明：對(duì)機(jī)場(chǎng)的判讀完備度在25s時(shí)已達(dá)80%，50s時(shí)才達(dá)100%。

④解譯結(jié)果的明顯性，指解譯結(jié)果便于理解和應(yīng)用的程度。不同任務(wù)會(huì)有不同的要求。

影響遙感數(shù)據(jù)解譯質(zhì)量的因素不僅與解譯方法和解譯人員水平有關(guān)，還與遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量密切相關(guān)。

6 航天遙感面臨的主要問題[4，6，16，18-19]

航天遙感在取得顯著成就的同時(shí)，也面臨著許多問題。集中表現(xiàn)在：一方面大量的遙感數(shù)據(jù)仍未得到真正有效的利用，另一方面遙感應(yīng)用所需求的有效信息又十分匱乏。這兩者實(shí)際上是從不同側(cè)面反映了遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的有效性問題。舉例說明，氣象遙感中，盡管衛(wèi)星云圖能夠直觀顯示各種氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)，但中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)和全球大氣環(huán)流模型還需要宏觀、動(dòng)態(tài)和精確的大氣下墊面參數(shù)—包括影響地氣溫度的表面溫度、反照率和影響氣流運(yùn)動(dòng)的地表粗糙度、植被覆蓋度及結(jié)構(gòu)信息等，而目前遙感能夠提供的相關(guān)參數(shù)非常有限。又如，農(nóng)業(yè)遙感中，對(duì)作物生長(zhǎng)過程監(jiān)控需要的關(guān)鍵信息有葉面積指數(shù)、葉綠素含量、植物覆蓋度、植物根系層的土壤水分、植冠水分和脅迫因子等參數(shù)，而目前遙感能夠提供的僅有植被指數(shù)、植物缺水指數(shù)等較粗糙的參數(shù)，難以滿足需求。同時(shí)，從獲取的遙感數(shù)據(jù)中定量提取遙感信息的不確定度也往往不能全面滿足遙感任務(wù)的需求。

航天遙感所面臨問題的原因主要有以下幾方面：

1）遙感數(shù)據(jù)反映的是一種綜合信息，數(shù)據(jù)和信息沒有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。遙感數(shù)據(jù)在宏觀上是多種地理要素，如地質(zhì)、地貌、水文、土壤、植被、社會(huì)生態(tài)等的綜合反映；在專題應(yīng)用中也是多種相關(guān)要素的綜合，例如海面后向散射系數(shù)是海面風(fēng)場(chǎng)、波浪、溫度和鹽分等的綜合反映。從綜合反映各種信息的遙感數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取遙感任務(wù)所需的相關(guān)信息會(huì)具有極大的挑戰(zhàn)性。

2）往往希望獲得的遙感信息（目標(biāo)參數(shù)）并不是生成遙感數(shù)據(jù)的主導(dǎo)因子，或者說是非敏感因子，因此遙感數(shù)據(jù)與希望獲得的遙感信息（目標(biāo)參數(shù)）可能是弱相關(guān)的。這就更增加了準(zhǔn)確提取遙感信息的難度。

3）本文第三節(jié)以植被遙感為例介紹了正演模型和反演模型，所列的公式是理想化的。實(shí)際上，植被和地面包含的信息是非常豐富的；陽光照射在植被和地面上并與其相互作用，其過程和機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的，未被完全認(rèn)識(shí)的；反射的陽光也許并沒有攜帶被照射植被和地面所含的全部信息；大氣在陽光照射和反射傳輸路徑中的作用是十分復(fù)雜的，人們對(duì)其認(rèn)識(shí)是有限的；遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)獲取遙感數(shù)據(jù)的過程顯然是降質(zhì)的。因此，無論要獲得精確的正演模型還是反演模型都是相當(dāng)困難的。此外，反演模型求解的必要條件是獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)需要大于所求參數(shù)的個(gè)數(shù)；否則，反演是病態(tài)的、無定解的。

4）建立定量遙感反演模型目前面臨的主要問題有：方向性問題（地物表面并非朗伯體、地物與電磁波的作用也非各向同性、反射的方向性信號(hào)中同時(shí)包含了地物的波譜特征信息和空間結(jié)構(gòu)特征信息）；尺度效應(yīng)與尺度轉(zhuǎn)換問題（不同遙感對(duì)象有不同的最佳觀測(cè)尺度、立足于微觀尺度上的基本物理定律用于較大遙感像元尺度時(shí)存在不適應(yīng)性、真實(shí)性檢驗(yàn)中的升尺度與降尺度、不同像元尺度遙感數(shù)據(jù)在應(yīng)用中需要正確轉(zhuǎn)換）；地物波譜特征復(fù)雜性問題（“同物異譜”與“異物同譜”的存在、較大像元尺度混合像元的存在）；反演策略與方法問題（針對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)所含信息量不足及相關(guān)性大、反演參數(shù)不敏感、不確定性大等問題，需要開展的研究）等。

5）人們對(duì)遙感的認(rèn)識(shí)尚具局限性，即對(duì)遙感過程、遙感機(jī)理、遙感對(duì)象特征和遙感數(shù)據(jù)特征及其之間的聯(lián)系，還缺乏基礎(chǔ)性的、深入的認(rèn)識(shí)。如電磁波與實(shí)體相互作用是如何攜帶實(shí)體所含信息的？攜帶的信息量與所含的信息量有什么關(guān)系？對(duì)這些最基本的問題至今并沒有滿意的答案。這是影響遙感發(fā)展的重要障礙。近年來，量子遙感概念的提出，可能為人們更深入認(rèn)識(shí)遙感機(jī)理、更深刻掌握遙感的物理和化學(xué)以及信息性能等規(guī)律，從而為利用這些規(guī)律服務(wù)于遙感理論、技術(shù)和應(yīng)用開辟新的途徑。

7 討論

綜上所述，可以認(rèn)為：

1）航天遙感是認(rèn)識(shí)客觀世界的重要手段，幾十年來在對(duì)地觀測(cè)、天文觀測(cè)和深空探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，獲得了長(zhǎng)足發(fā)展；與此同時(shí)，航天遙感也面臨著前進(jìn)中的許多問題，關(guān)鍵是進(jìn)一步實(shí)用化、提高遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的有效性。航天遙感的發(fā)展任重道遠(yuǎn)。

2）航天遙感獲取遙感信息是為了應(yīng)用。如果將后遙感任務(wù)理解為遙感信息的深加工和獲取知識(shí)作為遙感信息的應(yīng)用，一般意義上定義的遙感系統(tǒng)的任務(wù)即是獲取遙感信息（類似于近感系統(tǒng)獲取的信息）。遙感系統(tǒng)由遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)即遙感信息模型組成。航天遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)由包含遙感器的衛(wèi)星系統(tǒng)和對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與處理的地面系統(tǒng)共同組成。為了遙感信息的有效應(yīng)用，需要提高遙感解譯的質(zhì)量，同時(shí)需要解決好遙感信息模型與遙感應(yīng)用模型的連接問題。

3）遙感解譯的質(zhì)量不僅與遙感解譯性能，即解譯方法和解譯人員水平有關(guān)，還與遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)。目前，對(duì)于遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量和遙感解譯質(zhì)量都有所規(guī)定，也有一些不同的評(píng)價(jià)方法。但對(duì)于它們的定量表征仍不夠完善，如何更科學(xué)地定義和表征它們、如何更嚴(yán)格地界定它們之間的關(guān)系和評(píng)價(jià)它們，是需要進(jìn)一步認(rèn)真研究的課題。關(guān)于如何進(jìn)一步提高遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量和遙感解譯質(zhì)量是亟待解決的問題：提高遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量需要全面提高遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的性能；提高遙感解譯質(zhì)量需要進(jìn)一步提高遙感信息模型的性能。

4）提高遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用有效性的關(guān)鍵在于提高定量遙感的水平，要努力提高從遙感數(shù)據(jù)中提取有用信息的能力。建立定量遙感反演模型目前面臨的主要問題有：方向性問題、尺度效應(yīng)與尺度轉(zhuǎn)換問題、地物波譜特征復(fù)雜性問題、反演策略與方法問題等。為解決反演模型的適定求解問題，要使遙感數(shù)據(jù)內(nèi)涵更多的有效信息，減少虛假信息；需要獲取盡量多的對(duì)所需遙感信息敏感的、且自身又是非相關(guān)或弱相關(guān)的遙感數(shù)據(jù)，盡量增加數(shù)據(jù)維數(shù)（多種空間分辨率、多角度、多譜段、多譜段和高譜段分辨率、多極化、多時(shí)相等），要提高信噪比、減少混疊和其他干擾影響。這不僅需要提高現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的性能，包括遙感器和數(shù)據(jù)處理的性能，還需要開發(fā)新的遙感器和新的數(shù)據(jù)處理方法。

5）無論對(duì)于遙感機(jī)理、遙感前向模型、反演模型、遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量和解譯質(zhì)量的深化研究，還是開發(fā)新的航天遙感系統(tǒng)，加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)性研究是至關(guān)重要的。

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