[科普中國]-遙感模型

遙感信息特征

遙感技術(shù)所獲得的信息，除極少數(shù)表觀形態(tài)的描述，可以直接應(yīng)用外，絕大多數(shù)需要經(jīng)過某種模型完成信息轉(zhuǎn)換后才能被應(yīng)用。根據(jù)地面特征在遙感影像上的表現(xiàn)能力，其相應(yīng)的提取技術(shù)可分為直接信息提取和隱藏信息提取。直接信息提取是指根據(jù)影像的波譜特征以及色調(diào)、顏色、紋理、空間布局等提取信息的方法。而隱藏信息則需根據(jù)其本身的內(nèi)在規(guī)律和周圍要素的關(guān)系，才能確定，如土壤肥力的差異性只能根據(jù)其地表植被長勢好壞、周圍環(huán)境或參考其他輔助信息予以確定。所以建立地面特征的遙感信息模型時應(yīng)充分注意這種差異性，以確定模型的復(fù)雜性及構(gòu)成。1

另一方面根據(jù)信息處理的復(fù)雜程度，可將遙感信息分為一次性信息、再加工信息。例如土壤含水量、海洋溫度、土地利用信息等，屬于一次信息資源；而洪澇災(zāi)情、作物產(chǎn)量等是二次信息資源，需要復(fù)雜的信息加工過程。1

分類一般分為三類：

1，物理模型：以事物發(fā)展的機(jī)制為根基，研究遙感信息同傳輸介質(zhì)、目標(biāo)相互作用的定量過程和結(jié)果，它是基于物理定律的確定性模型。例如大氣校正、散射方程等。

2、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停焊鶕?jù)大量的遙感信息和其相應(yīng)的地面實(shí)況的統(tǒng)計結(jié)果所得的模型。例如判讀標(biāo)志。

3、統(tǒng)計模型：介于物理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g的一種類型，它的根基還來組于物理機(jī)制，但由于自然界的影響因素太多，從一定的時空尺度衡量，變化時隨機(jī)的，因此兩者結(jié)合。例如監(jiān)督分類。

物理模型是以事物發(fā)展的機(jī)理為根基，研究遙感信息同傳輸介質(zhì)、目標(biāo)相互作用的定量過程和結(jié)果，它是基于物理定律的確定性模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)大量重復(fù)的遙感信息和其相應(yīng)的地面實(shí)況的統(tǒng)計結(jié)果所得的模型。統(tǒng)計模型是介于物理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g的一種類型，它的根基還來自于物理機(jī)制，但由于自然界的影響因素太多，從一定時空尺度衡量，變化是隨機(jī)的，因此兩者相結(jié)合。目前三種模型各有其發(fā)展的背景和應(yīng)用范圍，是并行發(fā)展的。1

建模方法傳統(tǒng)的非監(jiān)督分類和監(jiān)督分類是基于統(tǒng)計特征的對整幅圖像反演的信息模型，但其僅僅利用了最直接的光譜信息，而后來在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上加入的空間特征和知識數(shù)據(jù)，實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行初分類的后處理，并未對相應(yīng)的遙感信息模型進(jìn)行擴(kuò)充。在此我們提出一種逆向思維方式來進(jìn)行地物信息提取，拋開傳統(tǒng)分類方法，即從特定的圖像空間進(jìn)行特定地物識別的正向思維方式，首先根據(jù)分析已有地物的遙感特征建立地物的遙感信息模型，結(jié)合到圖像上進(jìn)行地物光譜分析，形態(tài)結(jié)構(gòu)分析，調(diào)整和修改模型參數(shù)。這種采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思路，使整個模型具有可繼承性，可進(jìn)行多種地物多種傳感器的推廣應(yīng)用。

從影像理解的角度建立遙感信息模型關(guān)鍵是多種知識模型的建立，可以分別選用產(chǎn)生式、框架、語義網(wǎng)絡(luò)、邏輯、判定表、過程和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等知識表示模型，為不同應(yīng)用領(lǐng)域和不同方向構(gòu)造各自的知識庫，建立知識表達(dá)模型(Gahegan等，1996)。建立地面特征遙感信息模型的關(guān)鍵在于首先對各種地面特征，特別是環(huán)境獨(dú)立因子的波譜特性及其在不同傳感器上的表現(xiàn)有深刻的認(rèn)識，通過大量具有代表性的樣本的分析，總結(jié)出內(nèi)在規(guī)律，充分反映地面特征的屬性、空間分布及時相變化特征。1

由于地球表層景觀的高度復(fù)雜性，地學(xué)現(xiàn)象空間分布的差異性與時域的變異性，針對一定地面特征在一定時空條件下所建立的遙感信息模型需要進(jìn)行大量驗(yàn)證試驗(yàn)，并進(jìn)一步從遙感信息機(jī)理，模型因子與構(gòu)造等方面給予修改和完善，從而生成可實(shí)用模型。

應(yīng)用已經(jīng)研究的遙感信息模型，主要是水、土、泥沙領(lǐng)域內(nèi)的一些模型。實(shí)際上涉及到大氣圈(降水、蒸散)、水圈(水溫、熱擴(kuò)散)、土圈(土壤侵蝕、土壤含水量)、生物圈(作物受旱)、巖石圈(地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場)各個圈層?；蛘哒f，遙感信息模型是突破了圈層結(jié)構(gòu)、涉及各個圈的可視化的、定量的地理模型。因此，它具有地學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的共性。根據(jù)估計，在地學(xué)領(lǐng)域內(nèi)將可產(chǎn)生數(shù)百個遙感信息模型。例如

1．農(nóng)作物類

各類農(nóng)作物估產(chǎn)的遙感信息模型，農(nóng)作物受水旱災(zāi)害影響的遙感信息模型，農(nóng)作物受病蟲害的遙感信息模型；農(nóng)作物生產(chǎn)潛力的遙感信息模型；農(nóng)業(yè)管理的遙感信息模型；農(nóng)業(yè)規(guī)劃設(shè)計的遙感信息模型；農(nóng)業(yè)政策與實(shí)施的遙感信息模型；等等。2

2．林草類

各林種生長率的遙感信息模型，森林蓄積量的遙感信息模型；森林長勢與變遷的遙感信息模型；森林火災(zāi)的遙感信息模型；森林病蟲害的遙感信息模型；森林管理的遙感信息模型；森林規(guī)劃設(shè)計的遙感信息模型；森林監(jiān)測的遙感信息模型}草原監(jiān)測的遙感信息模型；產(chǎn)草量的遙感信息模型l載畜量的遙感信息模型；等等。2

3．水利類

洪水監(jiān)測遙感信息模型，洪水淹沒損失遙感信息模型；洪水預(yù)報遙感信息模型；行洪過程的遙感信息模型；防洪決策遙感信息模型；旱情強(qiáng)度監(jiān)測遙感信息模型；灌溉管理遙感信息模型；水庫淹沒損失遙感信息模型；等等。

4．地質(zhì)礦產(chǎn)類

巖性識別遙感信息模型，構(gòu)造識別遙感信息模型；各類礦產(chǎn)成礦遙感信息模型；各類礦產(chǎn)控礦遙感信息模型；地下三維巖體模擬影像模型；礦產(chǎn)品位與儲量計算的模擬影像模型；地震監(jiān)測遙感信息模型；地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)影像模擬模型；等等。2

5．土地類

土地利用類型識別遙感信息模型，土地資源評價遙感信息模型；土地類型規(guī)劃遙感信息模型；地籍管理遙感信息模型；等等。

6．城市類

為了縮小城鄉(xiāng)差別，我國農(nóng)村改造將出現(xiàn)1萬個鎮(zhèn)級小城市，4萬個鄉(xiāng)級小城市，再加上近千個中級城市和上百個大城市。城市體系的規(guī)劃、設(shè)計、實(shí)施和管理都將用到遙感信息模型。每一個城市內(nèi)的布局規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)也將會用到影像模擬的技術(shù)。2

7．環(huán)保類

地球經(jīng)歷了天文期、地文期、生文期、人文期，現(xiàn)在已經(jīng)又回歸宇宙自然，稱為地球村了。人類的工業(yè)化給地球帶來了各種污染，大到臭氧空洞，小到一個工廠的煙塵、污水排放。在這個領(lǐng)域中有許多遙感信息模型等待去開發(fā)。例如：酸雨的遙感信息模型，湖泊與沿海水域中的各種污染物的遙感信息模型；等等。

8．災(zāi)害類

除了洪水、旱災(zāi)、火災(zāi)、地震、病蟲害外，還有：風(fēng)暴潮遙感信息模型，滑坡、泥石流遙感信息模型；土層侵蝕遙感信息模型；土地沙漠化遙感信息模型；土地鹽堿化遙感信息模型；土地沼澤化遙感信息模型；等等。

9．通信、交通類

通信與交通都是線性網(wǎng)絡(luò)，因此，這是一種特殊的遙感信息模型。但是在鐵道的選線、橋梁的選址上都是可能建立遙感信息模型的。

10．軍事類

軍事上主要是識別各種軍事目標(biāo)。目標(biāo)的分類是分層次和等級的。根據(jù)軍事上的特殊需要，完全可以做出各種軍事遙感信息模型。這里不再展開。

11．經(jīng)濟(jì)類

經(jīng)濟(jì)方面的數(shù)據(jù)，大都是按行政區(qū)域劃分的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以影像化、可視化，在我們的系統(tǒng)中一樣可以進(jìn)行影像信息模型計算。例如：國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值影像信息模型；人均產(chǎn)值影像信息模型；人均收入影像信息模型；人均消費(fèi)影像信息模型；等等。從這些可視化的影像圖，可以直接看到全國的分布情況。這比一般的統(tǒng)計報表形象化、直觀化，有利于決策。2

12．政策類

高層決策時，根據(jù)政治、經(jīng)濟(jì)、軍事方面的可視化信息，建立人工智能模型，預(yù)計也是可以進(jìn)行影像信息模型計算的。例如：不同經(jīng)濟(jì)區(qū)開發(fā)政策的影像信息模型；不同地區(qū)的人口政策影像信息模型；不同地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影像信息模型；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動的影像信息模型；等等。2

地球表面的現(xiàn)象是非常交錯復(fù)雜的，上面只是就國民經(jīng)濟(jì)中的一些主要方面作了一些分析。人類社會與地球環(huán)境間的人地系統(tǒng)，隨著社會發(fā)展不斷地變化，遙感信息模型與其派生出來的影像信息模型也是發(fā)展變化的，研究的前景令人十分樂觀。2

不確定性遙感模型在此之前，討論的完全是定量化的遙感信息模型和影像信息模型。但是在實(shí)際問題中還有許多不確定性的定性問題存在。這就要用地理專家系統(tǒng)來解決。地理專家系統(tǒng)中，以遙感信息和地理信息系統(tǒng)中的圖像、圖形數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)作為綜合數(shù)據(jù)庫，另外還要建立知識庫和邏輯庫。在地理專家系統(tǒng)的支持下，才能解決不確定性的遙感信息模型。在此只是提出研究方向，而不作深入討論。2

1．知識形式化與知識庫

所謂知識是指定性描述的一些規(guī)律、目前還不能定量表達(dá)的一類問題，而且常常是不確定的，即在一定的條件下可能是這樣的，在另外的一定條件下可能是那樣的。這種不確定性有時還不知道條件，不確定的可能性又是多值的。例如：人類社會的發(fā)展與資源環(huán)境的開發(fā)之間的關(guān)系問題，總趨勢是可以預(yù)見的，但是其中每一個月的預(yù)測就十分困難。又例如：市場經(jīng)濟(jì)的調(diào)控，影響因素也是很多的，預(yù)測十分困難。無論是自然界還是社會現(xiàn)象，目前有一種新的混沌學(xué)的觀點(diǎn)，其中有一種叫做蝴蝶效應(yīng)的現(xiàn)象，某地的一個小小的變化，不斷地擴(kuò)散，不斷地放大，傳到很遠(yuǎn)的地方去會形成爆炸性的效應(yīng)。由此可見，人類研究世界的水平還是很有限的．人類的知識表達(dá)也還是很有限的。但是，我們必須要把不確定性的知識數(shù)據(jù)化，并建立知識庫。由于知識是有層次的，因此知識庫內(nèi)的數(shù)據(jù)層次是至關(guān)重要的。2

要在計算機(jī)中存儲知識，必須要將知識形式化。換句話說，必須將知識轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)。在《遙感與地理信息科學(xué)》一書中闡述這樣一種思想，即地理知識形式化是通過地理信息編碼模型來實(shí)現(xiàn)的。地理知識形式化后，自然，地理知識庫的建立就迎刃而解了。2

2．地理邏輯與邏輯庫

地理邏輯繼承了數(shù)理邏輯，也還有非數(shù)理邏輯的演繹、歸納與類比?？傊@部分的邏輯問題是要專門討論的，在此不再深究。解決了邏輯問題，當(dāng)然邏輯庫的問題也就迎刃而解了。在《地理信息科學(xué)》一書中闡述地理邏輯問題。

在地理知識庫與地理邏輯庫的支持下，遙感與地理信息系統(tǒng)才能做地理專家系統(tǒng)的工作。

這里要強(qiáng)調(diào)出，在地理信息系統(tǒng)中，利用條件概念模型，以專家打分的方法得到的一些結(jié)論，只能稱做地理專家打分概念模型，而不是地理專家系統(tǒng)。目前，一些論文，在地理信息系統(tǒng)中，既沒有知識庫，又沒有邏輯庫，只有一個專家打分的概念模型，就自稱為專家系統(tǒng)。這與計算機(jī)領(lǐng)域中共識的專家系統(tǒng)概念相距甚遠(yuǎn)。2

3．管理與決策模型庫

在地理專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可建立各種確定性與不確定性的管理與決策影像信息模型。管理的本質(zhì)是根據(jù)規(guī)律(模型)去協(xié)調(diào)各有關(guān)部門的工作，從而達(dá)到目的；決策的本質(zhì)是根據(jù)規(guī)律(模型)提出傾向性的管理方略，以便徑直達(dá)到目的。由此可見，我們的研究目標(biāo)自下而上，最終是要為決策服務(wù)的。2

黃淮海地區(qū)的灌溉系統(tǒng)與水源不足以滿足作物的需水量要求，則需要做出決策：從長江三峽水庫引水到丹江口水庫，再沿著太行山向北，進(jìn)行南水北調(diào)的工程設(shè)計。這就是決策影像信息模型。

由此可見，管理影像信息模型和決策影像信息模型都是要建立在遙感信息模型基礎(chǔ)上的。沒有遙感、影像信息模型的基礎(chǔ)，所做的管理數(shù)學(xué)模型和決策數(shù)學(xué)模型都不能達(dá)到可視化的程度。

對地學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)遙感信息模型對地學(xué)的發(fā)展是具有突破性意義的。首先是突破圈層結(jié)構(gòu)，深入到獨(dú)立因子層上去研究地學(xué)問題，使許多定性問題定量化。這是還原論的觀點(diǎn)，也就是使研究問題深入到較為微觀的層次上去。其次是從系統(tǒng)論的高度，對獨(dú)立因子進(jìn)行因子團(tuán)的分析，擴(kuò)展到宏觀的層次上來。系統(tǒng)論與還原論的結(jié)合、宏觀與微觀的結(jié)合、定性與定量的結(jié)合、抽象數(shù)理邏輯的推理與形象可視化的表達(dá)結(jié)合，促使地學(xué)科學(xué)向更深入、更實(shí)用的方面發(fā)展。具體的分析可從以下幾方面考慮。2

1．提出了一類新模型

即指繼地形模型、物理模型、數(shù)學(xué)模型之后，建立的一類新模型。它繼承了上述各類模型實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容，又發(fā)展了上述模型。用這類模型有可能簡明地解決一批地學(xué)中的定量問題。2

2．全面地描述了地理現(xiàn)象

這類模型解決了地學(xué)現(xiàn)象中的必然性與偶然性結(jié)合的問題。因?yàn)?，在地學(xué)現(xiàn)象中都包含著必然的規(guī)律性和偶然的隨機(jī)性，因此，一定要成因分析與統(tǒng)計分析相結(jié)合。在遙感信息模型中區(qū)別了物理因子團(tuán)和地理地帶性分形參數(shù)。這樣就比較全面地反映了地理現(xiàn)象的規(guī)律。2

3．可操作，便于應(yīng)用

在地理信息系統(tǒng)處理遙感圖像的支持下，遙感信息模型是可用計算機(jī)軟件操作的。這就是說，所建立的遙感信息模型都是可以計算的，都是可以得到預(yù)期成果的。物理因子團(tuán)的多少取決于可測量因子的多少，地理參數(shù)則包含了未測定量因子的總和。遙感信息模型的精度取決于測量數(shù)據(jù)的多少：測量到的數(shù)據(jù)密集，精度會提高。但也不是數(shù)據(jù)越多越好，達(dá)到了一定的精度，就沒有必要測量太多的數(shù)據(jù)。2

4．為地理信息科學(xué)奠定了基礎(chǔ)

遙感信息模型是地理信息科學(xué)中的重要組成部分。地理信息科學(xué)除了遙感信息模型外，還包括地理數(shù)據(jù)、地理知識、地理邏輯、地理現(xiàn)象的可視化問題等等。但無疑模型是核心問題。遙感信息模型正是地理信息科學(xué)中的核心之一。2

5．為理論地理學(xué)奠定了基礎(chǔ)

當(dāng)前對理論地理學(xué)的認(rèn)識，還有許多不同的觀點(diǎn)。地理學(xué)界從不同的角度出發(fā)，都意識到理論地理學(xué)的重要。我們從還原論和系統(tǒng)論出發(fā)，對微觀與宏觀的結(jié)合、理論的可操作性等方面比較重視，尤其是遙感信息模型是非常具體的、可視的。這為理論地理學(xué)提供了一方面的理論支柱。2

未來發(fā)展1．空間技術(shù)發(fā)展對遙感信息模型的影響

在空間技術(shù)的發(fā)展中，我們關(guān)心的是衛(wèi)星技術(shù)和應(yīng)用。衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展方向，一方面趨向衛(wèi)星體積越來越大，衛(wèi)星中搭載的設(shè)備越來越多，人也要搭載進(jìn)去；另一方面趨向衛(wèi)星重量越來越小，成批的小衛(wèi)星相繼出現(xiàn)。

衛(wèi)星的應(yīng)用主要是遙感(RS)、遙測(DCS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和衛(wèi)星通訊系統(tǒng)(CS)。大家已經(jīng)知道，1994年美國提出了國家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NII)的建設(shè)問題，在電纜、光纜的信道基礎(chǔ)上，開發(fā)衛(wèi)星的無線通訊。我國相應(yīng)地正在考慮“金橋工程”，即信息高速公路。

由此可見，來自空間的信息量越來越多，世界各地的信息交換的速度越來越快。這對遙感、影像信息模型的要求也越來越迫切，它無疑會給遙感信息模型的理論、方法和應(yīng)用帶來巨大的推進(jìn)。

2．計算機(jī)技術(shù)發(fā)展對遙感信息模型的影響

計算機(jī)技術(shù)從差分計算、數(shù)據(jù)庫(DB)、輔助制圖(CAM)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、多維地理信息系統(tǒng)(3～4D GlS)、面向?qū)ο蟮牡乩硇畔⑾到y(tǒng)(00GIS)，逐步擴(kuò)展到多媒體地理信息系統(tǒng)(MMGIS)、模塊式地理信息系統(tǒng)(MGIS)，等等。發(fā)展的前景是非常令人振奮的。

日本的第六代計算機(jī)，美國的“虛擬現(xiàn)實(shí)”(VR)等，都是當(dāng)今計算機(jī)發(fā)展中最前沿的研究。以VR(virtual Reality)為例，利用計算機(jī)自動模擬(simulation for Autonomy)、交互操作(Handling for Interaction)、表演顯現(xiàn)(Renfering for Presence)，即AIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)VR功能，使人身臨其境(時、空環(huán)境)地進(jìn)行創(chuàng)作。這在RS、GIS、GEs、MIS、PMS等系統(tǒng)中都將具有突破性的發(fā)展。