主编综述 | 去繁求简、追本溯源：遥感科学的内涵与基础性问题

科学与技术一直以来都是人类文明发展的重要组成部分，在遥感领域同样包括科学和技术两个维度，前者用于研究遥感现象和规律，后者是指用于获取、处理和分析遥感数据的各种手段和方法。尽管遥感科学基础是物理学 (比如，地物与电磁波的相互作用完全遵循物理学规律)，但遥感又有特定的研究对象与研究模式。比如，在遥感技术与应用中非常关键的尺度效应问题:1 m、10 m、1 km像元尺度下的同一块小麦田在不同电磁谱段下的反射和发射特性是什么？这对于基于遥感技术的地物认知，尤其是定量化参量反演极为重要，这就形成了遥感科学存在的依据。因此，遥感科学是研究发现遥感领域中所涉及的自然规律并总结形成相关理论以及可定量化描述的模型、公式等。深入分析和系统性探讨遥感科学的内涵与基础性问题具有重要意义和价值，特别是对推动遥感科学的系统化与规范化尤为重要。通过梳理遥感科学的3大特性和5大效应，本文试图提供对遥感科学基础性问题的结构性理解，帮助科研人员在新兴技术，尤其是人工智能背景下，找到更具创新性和实用性的研究思路。

首先，可帮助科研人员更好地把握遥感技术的发展方向和研究重点，推动遥感技术的进步和创新，更好地应对遥感领域中的挑战和问题，提出创新性的解决方案。其次，在推动遥感技术方面可以更好地指导遥感数据的获取、处理和应用，为地球科学、环境保护、资源管理等领域提供更准确、更可靠的信息支持。此外，深入探讨遥感科学的基础性问题有助于推动遥感技术与其他领域的融合与创新，随着人工智能、大数据等新兴技术的发展，遥感科学与这些领域的结合将会开辟出更广阔的应用前景和研究领域，为人类社会的可持续发展提供更多可能性和机遇。

地物的辐射特性 反映地物在不同特性电磁波段区间（如可见光、近红外、短波红外、中波红外、长波红外、荧光、微波等）的辐射强弱整体性变化，与地物的理化特性密切相关。在可见—短波红外区间，地物反射辐射的综合特性可采用地表反照率来描述，用于衡量不同地物对于太阳光谱整体反射的强弱；作为太阳光照下植被发射波长范围为0.65—0.85μm的荧光信号，其强弱受到太阳入射光照、植被冠层结构和生长状态的影响；激光反射强度与目标的物理属性高度相关，可用来区分地物表面的材质属性。在中长波区间，发射辐射不仅与地物表面状态有关，而且是物质内部组成和温度的函数，地物的热红外辐射特性主要由温度和发射率两个因素决定，不同地物热红外辐射特性的差异正是热红外遥感的基础。地物在微波波段的辐射特性取决于其物理特性和结构特征，前者受介电常数和地物温度影响，后者受地物表面结构和立体结构影响。

地物的光谱特性 表现为地物反射和发射信号强弱随着波长的变化，辐射源上包括太阳、地物自身和其他发射源，从可见光到微波谱段，地物因物质成分、结构和状态差异造成吸收、反射和发射特性在不同波段间出现明显差异性，即“谱”特性。在可见—短波红外区间，地物的光谱特性与其内在的理化特性紧密相关，由于物质成分和结构的差异造成物质内部对不同波长光子的吸收和散射，表现出明显的特征光谱；中长波红外波谱由于不同地物由于成分、结构和状态存在差异，表现出不同发射波谱特性；地物的介电常数及其结构特征的差异决定了地物的微波辐射在各频段的响应各不相同，可归结为各类地物微波辐射的典型波谱和地物结构特征对微波辐射波谱特征的影响。

地物的时相特性 是地物的光谱反射或发射特性随时间呈现的规律性变化，可用作地物遥感识别或特性反演，往往蕴含着日变化、季节变化、天气变化、生物生长周期、人类活动等不同驱动因子导致的地物组成、结构及其功能变化。在可见光—短波红外谱段，时相特性主要表现为地物反射光谱随时间的变化规律；中长波红外谱段时相特性是指在物体红外波段辐射特性随时间的变化规律，与物体的物理和化学性质、环境条件及时间变化等因素密切相关；微波的反射和辐射特性也随地物温度、介电常数、湿度、几何形态和性质等在时间上的变化而变化。

尺度效应 一般是指在同等成像条件下由于空间分辨率或点扫描密度不同导致的地物遥感特性和参量的变化，是地理空间数据分析中的重要概念，旨在探究不同尺度下地表特征的变化规律，以及这种变化对遥感信息提取结果的影响。在可见—短波红外区间，尺度效应是指同一地区、同一时间、同一观测几何、同一谱段的遥感数据因遥感器成像空间分辨率不同而存在明显的图像结构和辐射信息值差异；中长波红外区间，由于观测尺度、物体尺寸及其表面结构等因素的变化导致红外辐射特性发生变化，在传感器空间分辨率、几何关系和温度、发射率关系中具有重要影响，特别是在多尺度观测时，对数据解释和应用至关重要；在微波遥感中，尺度效应涉及到遥感器如何根据空间分辨率和所观测地表特征的空间变异性来捕捉地表信息。

大气效应 是指遥感成像过程中电磁波受到各类大气粒子吸收、散射和发射的影响，造成图像信息发生辐射畸变的现象。可见—短波红外光谱区间，大气对地物的反射辐射信号产生显著影响，表现为云粒子散射与吸收效应、气溶胶散射与吸收效应、水汽、臭氧等气体分子的散射和吸收效应等；中长波红外谱段的大气效应，不仅要考虑大气对红外辐射的吸收和散射作用，还要考虑大气自身的红外辐射；在微波区域，大气中的水汽、云雾和其他悬浮粒子引起大气吸收、散射和延迟，可能改变信号的强度和相位，从而影响微波数据的质量和解释。

角度效应 是指地物与电磁波的作用时具有明显方向性，是地表与光线作用的基本宏观现象，辐射值随入射辐射角度、遥感器观测角度、电磁波波长不同而存在差异。在可见—短波红外谱段，角度效应表现为地球表面的反射在不同的太阳入射与遥感器观测角度条件下存在差异，呈现方向性；地物在中长波的热辐射由于地表的非均质性、三维结构和地形变化而表现出显著的方向性特征，热红外波段的方向性主要由地表属性决定，而在中红外波段则还受到太阳反射的影响；在微波波段，不同的入射角度和观测方向，对微波信号的反射强度、极化特性、以及目标物的散射特性产生显著影响。

邻近效应 是指在一定遥感成像模式下地物空间结构的异质性分布，使得不同地物间形成入瞳交叉辐射，即非目标像元对目标像元辐射贡献，它受地物空间分布和遥感观测模式的双重影响。在可见—短波红外谱段的邻近像元效应主要源于大气分子和气溶胶的多次散射造成的交叉辐射；热红外辐射的邻近效应表现为大气和地物三维结构两个方面，前者在中波红外相对显著，后者在复杂的场景，特别是在城市区域较为明显，邻近建筑由于自身温度高、发射辐射强造成传感器观测辐射受到邻近像元的影响较大；许多散射体（如森林、粗糙表面）的集合比离散点状物体更常见，造成微波信号也表现出显著的邻近效应，而理解所有散射体的贡献如何叠加非常重要。

传递效应 是指到达遥感器入瞳处的地物电磁波进入遥感器系统后，经过信号传输、光电转换、数字化记录等过程引起的成像质量变化。可见—短波红外和中长波红外的传递效应类似，辐射信号进入遥感器系统后通常经过前置光学系统后被分解成不同波长的谱号，然后被光电探测器接收并转变成电信号，实现光电转换，最后通过模数转换记录成为DN信号；在合成孔径雷达中，调制传递函数是从成像系统的遥感器、信号处理链以及成像算法等各个方面共同作用的结果，用来描述系统对细节特征的响应能力，即系统对空间频率的传递能力。

遥感观测中的地物辐射、光谱、时相特性以及尺度、大气、角度、邻近、传递效应等基础性科学问题，是遥感科学机理研究的核心内容，涉及了地表环境特性、大气状况、遥感器性能、观测平台及电磁波的作用。对遥感科学问题的深入研究构成了遥感科学技术及其应用的基础，并为推动其持续创新提供了坚实的理论支撑。遥感科学针对地表环境自身特性以及遥感器观测效应方面的辐射传输机理开展深入研究，发展和完善典型地物在不同尺度上的多谱段辐射传输模型，是遥感数据处理、信息反演与定量化应用的理论依据。了解电磁波与地物、大气圈层以及遥感器平台间的相互作用，是定量反演地表参数的重要基础。例如，只有充分认知大气成分、气溶胶、云层对电磁波的衰减和散射效应以及对于图像质量的影响，才可以更加精确地校正这些影响，提高地表参数反演精度。针对遥感科学基础问题的研究可以加深对数据特性的理解，以便使用人工智能技术时可更加充分利用先验知识，从而设计更符合遥感机理的模型与方法，提高对遥感数据的信息挖掘和智能提取能力。

遥感科学与技术已经成为交叉一级学科，其理论发展对推动遥感科学的系统化和规范化具有重要意义。站在从模型驱动到数据驱动 科学范式的转变的背景下，遥感科学的研究显得愈发重要和复杂。本文提出的3大特性与5大效应 的理论框架为遥感数据获取、处理和应用提供了方向性的指导。随着遥感技术的不断进步，不仅需要深入理解遥感数据的物理和数学基础，还必须充分挖掘数据背后的潜在信息，提升其在实际应用中的效能。为此，将遥感领域的专业知识融入深度学习，构建一个多模态遥感大数据驱动和知识引导下的智能化遥感信息处理、反演与推测体系，将成为提升遥感科学应用水平的关键。随着新型航空航天遥感载荷和系统的不断涌现和发展，遥感科学的基础研究将迎来新的机遇和挑战。定量遥感与人工智能的结合，将会成为未来发展的重要方向。通过这种数理、信息、地球等科学的更深层次交叉融合，不仅能够提高数据的解析精度，还能够在海量数据中迅速识别出关键信息，从而为各种应用场景提供更为精准的技术支撑。

总之，遥感基础问题的研究在遥感科学与技术的发展中发挥着至关重要的作用。未来，需要在深入理解遥感物理机理的基础上，结合先进的人工智能技术，推进遥感科学的前沿研究发展，提升遥感技术的应用水平，以更好地满足不断增长的国家战略需求。在不同学科的深度交叉与融合越来越深入的背景下，遥感科学与技术也必将为地球系统的科学认知和可持续发展提供强有力的科技支持。

第一作者 ： 张兵 ，中国科学院空天信息创新研究院，研究员、副院长，IEEE Fellow、中国地理学会（GSC）会士，国家杰出青年科学基金获得者、国家万人计划科技创新领军人才，现任中国科学院大学岗位教授、博士生导师，同时担任 《遥感学报》主编 、中国地理学会遥感地理专委会主任委员等学术职务。

研究方向：高光谱遥感与遥感大数据

E-mail: [email protected]

编辑：周骏、奔奔

审校/指导：梧桐君

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