筆者最近一周之內(nèi)連續(xù)聽了四場(chǎng)關(guān)于定量遙感前沿進(jìn)展的講座（內(nèi)容遍布目前定量遙感的諸多熱點(diǎn)領(lǐng)域）。
這四場(chǎng)講座分別從定量遙感信息技術(shù)整體的前沿進(jìn)展、氣溶膠（民眾最關(guān)心的PM2.5）定量遙感、植被生態(tài)環(huán)境定量遙感（高光譜遙感、多光譜遙感）到最后一個(gè)雷達(dá)遙感（SAR）?？梢哉f十分豐富，信息量也非常大。所以聽完之后，有些想法和思考來談一談關(guān)于從定性遙感到定量遙感的發(fā)展以及必然。
首先會(huì)有很多人會(huì)疑惑什么是定量遙感？和普通的遙感有啥區(qū)別？那么我想還是先從遙感的起源和定義說起。遙感，也就是Remote Sensing。最早是由這位美國(guó)海軍的老太太提出的，具體的故事看下圖介紹。
從廣義來說，遙感就是以非直接接觸形式探測(cè)物體的一種方法，最廣泛的一種方式就是以電磁波來進(jìn)行探測(cè)。物體之間的差異，造成了對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波反射特性不盡相同，通過這個(gè)特點(diǎn)，通過傳感器接收物體反射回來的電磁波信息，就是典型的遙感探測(cè)，當(dāng)然我們也可以稱之為被動(dòng)遙感。而通過傳感器主動(dòng)發(fā)射電磁波并接收物體反射回來的電磁波，同樣是遙感探測(cè)，也可以稱之為主動(dòng)遙感（有點(diǎn)像海豚的超聲波定位原理）。被動(dòng)遙感的典型案例包括目前多數(shù)光學(xué)衛(wèi)星遙感，主動(dòng)遙感則是近年來興起的微波遙感、激光雷達(dá)遙感等。當(dāng)然從廣義角度來說，無人機(jī)航拍這類也可以算是遙感的一類，但是從狹義來說，我認(rèn)為它還算不上遙感。而遙感的狹義定義就是定量遙感的基礎(chǔ)，遙感的狹義定義應(yīng)當(dāng)是指通過接收記錄物體反射電磁波特性來探測(cè)物體性質(zhì)的方法。所以狹義的遙感的關(guān)鍵是物體反射的電磁波特性。嗯，敲黑板、劃重點(diǎn)。三個(gè)字：電磁波！電磁波！電磁波！重要事情說三遍。
遙感的價(jià)值就在于遙感探測(cè)得到的電磁波信息，那么電磁波信息能帶給我們什么呢？
初中老師（也有可能是高中老師吧）曾經(jīng)曰過：“太陽光是白光（其實(shí)它五顏六色），物體在人的視覺里呈現(xiàn)不同顏色，就是因?yàn)樗樟瞬糠止?，反射了部分光，這一部分信息被人的視覺所接收并生成圖像?！笔聦?shí)上，衛(wèi)星遙感同樣是這個(gè)道理，衛(wèi)星遙感大部分接受的電磁波信息就是地物反射的太陽光波譜信息，所以，不了解遙感的人總覺得它就是在給地球拍照。
圖片來源：ArcGIS Earth
其實(shí)準(zhǔn)確說來也沒錯(cuò)。人類視覺接收到的也是地物反射的太陽光波譜信息，相機(jī)和衛(wèi)星接收到的也是如此，只不過人類視覺接收的信息可能以某種生物信息或者信號(hào)方式記錄存在，而相機(jī)（RGB值）和衛(wèi)星則均使用數(shù)字來記錄。所以我們會(huì)覺得衛(wèi)星遙感影像有時(shí)候很直觀，看著跟眼睛看到的真實(shí)事物或者拍出來的照片一樣，三者者事實(shí)上也是一樣的道理（盜用知乎的一句話：傳感器接受到外界光子，要么形成電壓信號(hào)，要么形成電流信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成我們所熟悉的pixel，盡管三者有些許差別，總的來說核心的問題并沒有太大差異，文末貼鏈接）。
一個(gè)很核心的問題在于，人類視覺可以接受的波譜信息有限制，也就是我們說的可見光部分。但是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收的范圍則遠(yuǎn)比這廣得多——微波（合成孔徑雷達(dá)）、熱紅外等。
但是無論是可見光部分或者非可見光部分，衛(wèi)星所接收的都是用來描述電磁波的信息，而電磁波的信息又是反映物體的物理特性的（前面提到過，物體間的差異導(dǎo)致的反射波譜不同）。所以遙感技術(shù)應(yīng)用的核心就是將電磁波信息轉(zhuǎn)化為對(duì)人類有用的Knowlegde。那么如何轉(zhuǎn)化呢？熟悉遙感的同學(xué)會(huì)知道目視解譯這個(gè)詞。也就是說看圖識(shí)物。就像前面提到的，由于遙感成像原理與人眼成像原理類似，我們可以把它當(dāng)?shù)厍蚺牡囊幌盗姓掌?，通過看著一系列照片，我們可以做監(jiān)測(cè)（就像警察叔叔看監(jiān)控找犯人一樣），監(jiān)測(cè)地球發(fā)生的變化，也可以監(jiān)測(cè)某種地物的變化（從監(jiān)控視頻中找出犯人）。就像下面的圖片。
圖片來源：Google Earth Engine
然而一切的發(fā)明都是從偷懶開始的，一定會(huì)開始想方設(shè)法降低自己看照片的工作量。這就出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)上面的一大分支——圖像識(shí)別與圖像分類。正如我上文提到的，衛(wèi)星遙感的原理跟相機(jī)成像原理最核心部分是類似的。那么也就是說衛(wèi)星遙感影像某種程度上也可以看成是特殊的“圖片”。
嗯，講了很久。貌似都是遙感的基礎(chǔ)概念。
接下來?。?！敲黑板，再次劃重點(diǎn)。
什么是定性遙感？什么是定量遙感？
定性遙感就是類似于看圖識(shí)物，通過將遙感影像當(dāng)做特殊的“圖片”，通過諸如計(jì)算機(jī)的圖像識(shí)別、分類的方法去進(jìn)行分析和處理得到我們所需要的Knowledge。比如簡(jiǎn)單的土地利用分類、面向?qū)ο蟮姆指钆c分類或者監(jiān)測(cè)變化等，僅僅是定性的劃分。
GLC30 m土地覆被
而定量遙感，我就套用一下李傳榮老師講座時(shí)的定義：向社會(huì)和公眾提供有用信息的技術(shù)。要精準(zhǔn)描述構(gòu)成地物狀態(tài)特征的物理化學(xué)要素，以及導(dǎo)致地物目標(biāo)變化的物理化學(xué)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
事實(shí)上，它的核心就是第一個(gè)重點(diǎn)，遙感目前的根本在于電磁波。那么電磁波這么一個(gè)物理現(xiàn)象，要做的不僅僅是將電磁波譜映射成普通圖像去做解譯、分類。既然我們通過衛(wèi)星接收到了很多人類無法肉眼觀測(cè)到的電磁波信息，那么我們就希望通過建立具有物理意義的方程以及模型，將電磁波信息轉(zhuǎn)化為對(duì)人類更有用的Knowledge。這就是定量遙感所要做的事情。
而定量遙感的典型分析方法就是耳熟能詳?shù)倪b感定量反演。為什么叫反演？其實(shí)就是我想知道B的具體值，但是我無法直接觀測(cè)B的具體值，但是我能觀測(cè)到A的具體值，而A和B相互之間的關(guān)系，可以通過物理學(xué)意義的模型或者是其他模型進(jìn)行表達(dá)，那么我就同過A的值去反推出B的值，這就是反演。相信大家就會(huì)很清楚，在定量遙感里，A就是傳感器接受的波譜信息，而B則可以有很多種東西。比如：
1.二氧化碳探測(cè)——溫室氣體
來源：GOSAT衛(wèi)星反演結(jié)果。
動(dòng)圖鏈接：https://pan.baidu.com/s/1hsNyTrY
去年我們國(guó)家在12月26日剛剛發(fā)射了TanSAT衛(wèi)星，使得中國(guó)成為了第三個(gè)發(fā)射監(jiān)測(cè)溫室氣體排放衛(wèi)星的國(guó)家（前兩個(gè)是美國(guó)和日本，分別是OCO-2衛(wèi)星和GOSAT衛(wèi)星），這件事對(duì)于我們的意義是什么呢？過去我們沒有自己的碳衛(wèi)星，發(fā)達(dá)國(guó)家在氣候變化和談上說中國(guó)排放多，我們難以反駁?，F(xiàn)在我們有了自己的碳衛(wèi)星，我們就有了談判的手段。同時(shí)TanSAT衛(wèi)星盡管有些方面不如前兩個(gè)衛(wèi)星，但是有些方面性能遠(yuǎn)超前兩個(gè)衛(wèi)星。
2.地表溫度
地表溫度反演，探究城市熱環(huán)境的影響因素與空間格局分布。探究冷熱島效應(yīng)成因分布。
MODIS的LST產(chǎn)品
3.氣溶膠反演
氣溶膠，可能如PM2.5，PM10這些更耳熟能詳。但是要注意的就是氣溶膠光學(xué)厚度≠PM2.5，它是介質(zhì)消光系數(shù)在大氣垂直方向上的積分（簡(jiǎn)單說它沒有分離PM2.5、PM10等氣溶膠物質(zhì)）。所以不做垂直訂正和濕度訂正就拿來跟PM2.5建立關(guān)系的AOD都是耍流氓。
PM2.5分布圖，來源：網(wǎng)絡(luò)
MODIS氣溶膠產(chǎn)品
4.生態(tài)環(huán)境定量遙感
植被動(dòng)態(tài)變化與生態(tài)環(huán)境相關(guān)要素如葉面積指數(shù)、NDVI、光合有效輻射、NPP、GPP等。
VPM模型求算的GPP
除了以上四個(gè)，還有很多對(duì)應(yīng)的定量遙感產(chǎn)品——水體葉綠素濃度產(chǎn)品、雪深產(chǎn)品等等。
那么定量遙感的核心就是如何通過衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù)和具有實(shí)際物理意義的模型去反演得到我們所需要的產(chǎn)品。而從模型來說，主要分為幾類：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑽锢砟Ｐ汀?br>
經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢员徽J(rèn)為是統(tǒng)計(jì)意義上的模型，即無視具體的物理過程，單純靠統(tǒng)計(jì)方法建立的模型。
半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话闶墙Y(jié)合了部分的物理意義的統(tǒng)計(jì)模型。
物理模型則是嚴(yán)格按照電磁波譜和輻射傳輸特性經(jīng)過推導(dǎo)的到的機(jī)理模型。
可以說物理模型才是定量遙感真正的核心，因?yàn)榍懊鎯蓚€(gè)模型建立之后通常無法復(fù)制。物理模型其實(shí)有兩大部分，即包括了輻射傳輸方程推導(dǎo)的模型以及幾何光學(xué)模型（普及下，這就是布鞋院士李小文院士從事的研究）。
然而，定量遙感的研究已經(jīng)有一段時(shí)間，卻依舊處在一個(gè)不為人知的和無法廣泛應(yīng)用的時(shí)代。主要是由于地表的復(fù)雜性、定量遙感反演目前出現(xiàn)的病態(tài)反演問題、定量遙感產(chǎn)品缺乏驗(yàn)證和質(zhì)量控制的多重因素影響。復(fù)雜性——地表非朗伯體特性、地形起伏等影響；
病態(tài)反演問題——參數(shù)求解過程大部分是求解參數(shù)大于方程數(shù)；
缺乏驗(yàn)證和質(zhì)量控制——不確定性，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等。
當(dāng)然可以說現(xiàn)在這些問題開始有逐步的改善——畢竟一句話，問題都解決了，還要搞研究的人干什么。
但是可以肯定的是，目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、衛(wèi)星載荷的發(fā)展、傳感器的發(fā)展、多顆衛(wèi)星共同監(jiān)測(cè)、高光譜遙感、激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)的普及的情況下，定量遙感的很多問題將會(huì)得到改善。
所以是時(shí)候從定性遙感走向定量遙感，因?yàn)檫@是必然。隨著技術(shù)的發(fā)展和模型精度提高，遙感應(yīng)用產(chǎn)品也將更加普及。畢竟現(xiàn)在是大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們不斷強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)即服務(wù)和軟件即服務(wù)，定量遙感作為地球觀測(cè)的客觀載體，將會(huì)迸發(fā)出更大的潛力。
很多人都會(huì)這么說，遙感數(shù)據(jù)是GIS里面的天生大數(shù)據(jù)，確實(shí)遙感數(shù)據(jù)滿足了大數(shù)據(jù)的4V或者說5V的特征，但是它又跟計(jì)算機(jī)意義上的大數(shù)據(jù)有所不同。計(jì)算機(jī)上的大數(shù)據(jù)普遍的格式是什么呢？比較典型包括像文本、圖片、視頻，而甚至像LBS這樣的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)而言之，它是高頻數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔非常短（諸如5min這樣的時(shí)間間隔）。而遙感數(shù)據(jù)卻不同，衛(wèi)星的重訪周期基本上很難達(dá)到5min，所以它非高頻數(shù)據(jù)，那么從這個(gè)角度來說，很多大數(shù)據(jù)算法是否適用呢？同時(shí)它具有非常豐富的物理信息，所以就像老師們說的，我們更應(yīng)該考慮的是這個(gè)不太一般的大數(shù)據(jù)如何去用，不是簡(jiǎn)單的拿來主義，用這些所謂的機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)去看圖識(shí)物，可能更值得考慮的事如何將定量遙感的物理模型與大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段相結(jié)合。
最后的最后，回到主題——大數(shù)據(jù)時(shí)代的空間數(shù)據(jù)科學(xué)。對(duì)于空間數(shù)據(jù)科學(xué)來說，這可能是個(gè)最好的時(shí)代。因?yàn)槲覀儾蝗睌?shù)據(jù)，但是可能也是個(gè)最壞的時(shí)代，因?yàn)槲覀兌嗟氖呛谙涞乃惴ǎ鄙俚氖莾?nèi)在機(jī)制的理論研究。
畢竟，科學(xué)家還是要有夢(mèng)去追。
關(guān)于衛(wèi)星遙感影像與相機(jī)成像原理差異知乎解答：
后記——
從這四場(chǎng)講座中，了解到很多前沿，對(duì)于定量遙感了解可能會(huì)更透徹。也了解到自己很多不足。一些簡(jiǎn)單的想法。就當(dāng)是學(xué)習(xí)之后的囈語。
最后的最后，推薦兩本定量遙感的書吧（京東和當(dāng)當(dāng)有滿減活動(dòng)，不用謝，叫我雷鋒）。
