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中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院地理科学与资源研究所遥感中的尺度问题遥感中的尺度问题————现状现状与李召良李召良,,吴骅吴骅Tel:[phone]Tel:[phone]Email:Email:[e-mail]@[e-mail][e-mail]地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究2引言引言经典的牛顿力学只适用于宏观世界宏观世界而不适用于微观世界微观世界便是一个典型的尺度问题尺度问题！地理学、生态学、水文学、气象学、物理学、天文学和信息学等众多学科众多学科和领域都存在尺度问题尺度问题。80年代后期，用AVHRR估算中国耕地面积2424亿亩亿亩（当时统计数据为1515亿亩亿亩），成为“笑柄”，其实这也是一个典型的尺度问题尺度问题。地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究3LC\SCALE30m960mforest:11.91%8.98%crop:44.42%45.31%building:23.07%23.83%water:9.89%8.98%bare:10.30%12.11%road:0.42%0.78%原始TM影像30m分辨率分类图960m分辨率分类图引言引言遥感分类过程中的尺度问题地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究4原始SPOT影像NDVI图像引言引言遥感反演过程中的尺度问题0.00%1.00%2.00%3.00%4.00%5.00%6.00%7.00%8.00%9.00%LAI估算50×50100×100200×200500×5001000×1000不同聚合尺度下的LAI反演相对误差地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究5尺度研究的重要性尺度研究的重要性))数据解译和模型应用的需要数据解译和模型应用的需要¾地学信息都具有区域尺度的概念，例如：从小块农田计算出的土壤含水量不能用于大范围的农业干旱监测；¾遥感反演算法和模型都隐式包含尺度，难以想象叶片尺度上适用的定律和算法会同样适用于冠层尺度。地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究6尺度研究的重要性尺度研究的重要性))数据与模型同化的需要数据与模型同化的需要耦合耦合地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究7尺度研究的重要性尺度研究的重要性))遥感产品真实性检验的需要遥感产品真实性检验的需要点观测点观测遥感产品遥感产品面状信息面状信息尺度扩展真实性检验?地面仪器测量数据的尺度和卫星接收数据的尺度存在很大的差异，要想验证卫星遥感数据及其产品的准确性和精确性，必须首先研究、解决尺度问题地面仪器测量数据的尺度和卫星接收数据的尺度存在很大的差异，要想验证卫星遥感数据及其产品的准确性和精确性，必须首先研究、解决尺度问题地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究8提纲提纲尺度的基础理论研究尺度效应与机理研究尺度转换方法研究尺度发展趋势与展望异质性的定量化描述方法研究趋势展望趋势展望地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究9提纲提纲尺度的基础理论研究尺度效应与机理研究尺度转换方法研究尺度发展趋势与展望异质性的定量化描述方法研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究10尺度的基础理论研究尺度的基础理论研究‹‹尺度的概念尺度的概念‹‹尺度的特性尺度的特性‹‹尺度的分类尺度的分类‹‹尺度域和尺度阈值尺度域和尺度阈值地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究11尺度的概念尺度的概念))尺度是一个广泛使用的术语，在不尺度是一个广泛使用的术语，在不同的领域有着不同的内涵。尺度既可以同的领域有着不同的内涵。尺度既可以表征表征研究的幅度研究的幅度（如地理范围），也可（如地理范围），也可以作为刻画以作为刻画细节的度量细节的度量（如分辨率）。（如分辨率）。地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究12尺度的特性尺度的特性))尺度具有尺度具有多维性多维性、、层次性层次性和和变异性变异性。。¾¾多维性多维性99空间空间99时间时间99光谱光谱99方向方向99极化极化小空间尺度的事件通常与短时间尺度相联系，小空间尺度的事件通常与短时间尺度相联系，小尺度事件比大尺度事件呈现出更多的变异性小尺度事件比大尺度事件呈现出更多的变异性CanopyProcessesEcosystemModelsGlobalVegetationDistributionModels注意尺度的多维性不是尺度的多维性不是独立存在的，独立存在的，相互直接可能存在相互直接可能存在着联系着联系地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究13尺度的特性尺度的特性))尺度具有尺度具有多维性多维性、、层次性层次性和和变异性变异性。。¾¾层次性层次性不同尺度的现象和过程之间会相互作用、相不同尺度的现象和过程之间会相互作用、相互影响。互影响。例如：许多大尺度上的全球和区域性生物多样例如：许多大尺度上的全球和区域性生物多样性变化、污染物行为、温室效应等，都根源于性变化、污染物行为、温室效应等，都根源于小尺度上的环境问题。同样，大尺度上的改变小尺度上的环境问题。同样，大尺度上的改变（如全球气候变化和大洋环流异常）也会反过（如全球气候变化和大洋环流异常）也会反过来影响小尺度上的现象和过程来影响小尺度上的现象和过程地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究14尺度的特性尺度的特性))尺度具有尺度具有多维性多维性、、层次性层次性和和变异性变异性。。¾¾变异性变异性不同尺度现象和过程的主导因素不一样，不同尺度现象和过程的主导因素不一样，导致了表现出不同的特征导致了表现出不同的特征例如：在较细的分辨率上（例如：在较细的分辨率上（3030--100m100m），植），植被长势的变化主要受坡度角以及太阳辐射的影被长势的变化主要受坡度角以及太阳辐射的影响，说明了局部尺度的地形走向对植被生产力响，说明了局部尺度的地形走向对植被生产力的重要性；当分辨率变粗时，高程逐渐成为描的重要性；当分辨率变粗时，高程逐渐成为描述植被长势和区域尺度植被生产力的主要因子述植被长势和区域尺度植被生产力的主要因子地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究15尺度的基础理论研究尺度的基础理论研究‹‹尺度的分类尺度的分类尺度尺度BBFFCCDDAA观测尺度模型尺度地理范围尺度过程尺度制图尺度EE决策尺度地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究16尺度的分类与联系尺度的分类与联系zz观测尺度观测尺度（（MeasurementScaleMeasurementScale））::依赖于观测的手段和仪器依赖于观测的手段和仪器的特性，如传感器的瞬时视场（空间分辨率）。由于数据采集的特性，如传感器的瞬时视场（空间分辨率）。由于数据采集和存储的限制，通常观测尺度越小，地理范围尺度也越小，反和存储的限制，通常观测尺度越小，地理范围尺度也越小，反之亦然；之亦然；zz模型尺度模型尺度（（ModelingScaleModelingScale））::模型建立或者推导时所对应的模型建立或者推导时所对应的尺度，只有在这个尺度下，模型输出的结果才合理可信。模型尺度，只有在这个尺度下，模型输出的结果才合理可信。模型为了解释过程，模型尺度需要同观测尺度和过程尺度相吻合；为了解释过程，模型尺度需要同观测尺度和过程尺度相吻合；zz过程尺度过程尺度（（OperationalScaleOperationalScale）：表征了特定过程发生、发）：表征了特定过程发生、发展的尺度，它也被称为作用尺度（展的尺度，它也被称为作用尺度（scaleofactionscaleofaction）。由于时空）。由于时空特定的转换机制，如果过程发生在较大的时间尺度之上，那么特定的转换机制，如果过程发生在较大的时间尺度之上，那么相应的它也多半发生在较大的空间尺度之上；相应的它也多半发生在较大的空间尺度之上；zz地理范围尺度地理范围尺度（（GeographicScaleGeographicScale）：指客体对象延展或持）：指客体对象延展或持续的时间或者空间，它决定了研究的时间、空间范围大小。通续的时间或者空间，它决定了研究的时间、空间范围大小。通常，大尺度常，大尺度((地理地理))研究覆盖大区域，反之，小尺度研究覆盖大区域，反之，小尺度((地理地理))研究研究覆盖小区域；覆盖小区域；zz决策尺度决策尺度（（PolicyScalePolicyScale）：制定决议、执行方针的尺度。为）：制定决议、执行方针的尺度。为了制定可信服的决议，决策尺度需要大于过程尺度；了制定可信服的决议，决策尺度需要大于过程尺度；zz制图尺度制图尺度（（CartographicScaleCartographicScale）：也称为比例尺，即图上距）：也称为比例尺，即图上距离与实地距离之比。通常而言，大比例尺图覆盖的区域小，能离与实地距离之比。通常而言，大比例尺图覆盖的区域小，能反映地物的详细情况；小比例尺图覆盖的区域大，反映的地物反映地物的详细情况；小比例尺图覆盖的区域大，反映的地物情况较概括。情况较概括。zz注意注意：在实际研究过程中要根据研究的目的和可获取资源等：在实际研究过程中要根据研究的目的和可获取资源等要素来确定对应于此的最佳尺度，要素来确定对应于此的最佳尺度，并不是一味的认为尺度越细并不是一味的认为尺度越细越好越好。例如，遥感影像的分类，太高的分辨率会凸现类内差异。例如，遥感影像的分类，太高的分辨率会凸现类内差异，从而造成分类误差增大。，从而造成分类误差增大。SCALESpatialTemporalSpectralDirectionalPolarizationMeasurement(observation)Modeling(transformation)Operational(processing)Geographic(extent)Policy(decision-making)Cartographic(mapping)LowtranLowtran光谱分辨率光谱分辨率20cm20cm--11ModtranModtran光谱分辨率光谱分辨率22－－20cm20cm--114A/OP4A/OP光谱分辨率是光谱分辨率是0.25cm0.25cm--11地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究地表温度、地表比辐射率的尺度转换技术研究17尺度域和尺度阈值尺度域和尺度阈值))尺度域尺度域是特定的现象或结构随尺度不变或单调变是特定的现象或结构随尺度不变或单调变化的区域，化的区域，尺度阈值尺度阈值则是剧烈变化的尺度拐点，则是剧烈变化的尺度拐点，尺度阈值被用来分割尺度域。尺度阈值被用来分割尺度域。原因原因过程变化的主导因素也在随过程变化的主导因素也在随着尺度的变化而变化着尺度的变化而变化尺度域的认识有助于对过程进行透彻分析，把握主导因素，抓住影响尺度域的认识有助于对过程进行透彻分析，把握主导因素，抓住影响过程的本质。在同一尺度域内，由于决定过程的主导因素相似或者相过程的本质。在同一尺度域内，由于决定过程的主导因素相似或者相近，尺度转换容易，模型适用性强，预测的准确性高；而跨越尺度域近，尺度转换容易，模型适用性强，预测的准确性高；而跨越尺度域时，则由于不同尺度域的主导因素不同，且主导因素之间的相互作用时，则由于不同尺度域的主导因素不同，且主导因素之间的相互作用就可能使得尺度转换更加复杂。