1 引言
遥感科学涉及通过物理场探测地物属性与变化规律的交叉科学与技术，起源于20世纪50年代末，基于电子材料、计算机、通讯、地球科学等领域的发展。遥感科学包括科学和技术两个维度，前者研究遥感现象和规律，后者指获取、处理和分析遥感数据的手段和方法。遥感科学的基础是物理学，但具有特定的研究对象与模式，如尺度效应问题。2022年，遥感科学与技术被正式列入研究生教育学科专业目录中的交叉学科门类一级学科，显示其在国家科技体系中的重要地位。近年来，以深度学习为代表的人工智能技术的发展，引发了数据驱动的遥感数据分析与应用新范式的变革。遥感科学的基础性问题可以归结为地物的内在属性表达和外在观测条件变化引起的差异性，即地物遥感的3大特性（辐射特性、波谱特性、时相特性）和5大效应（尺度效应、大气效应、角度效应、邻近效应、传递效应）。深入分析和系统性探讨遥感科学的内涵与基础性问题，对推动遥感科学的系统化与规范化具有重要意义，有助于科研人员在新兴技术背景下找到更具创新性和实用性的研究思路，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。
2 地物的3大遥感特性
地物辐射特性是遥感科学中的关键概念，它描述了地物在不同电磁波段的辐射强弱变化，并与地物理化特性紧密相关。地物辐射特性包括可见至短波红外辐射、中长波红外辐射和微波辐射等。可见至短波红外辐射的光谱区间涵盖从可见光到短波红外，地物反射辐射的综合特性可以用地表反照率来描述，该参数是陆表能量平衡、农业、生态和全球变化等领域的重要参数。地表反照率受土壤湿度、植被、冰/雪覆盖和人类活动等因素影响，不同地物如冰/雪、沙漠、森林和海洋的反照率各不相同。城市化进程对地表反照率的影响也引起了研究关注，城市地表反照率通常低于周边自然地表，导致地表吸收更多太阳辐射，进而影响全球温度。
太阳诱导叶绿素荧光（SIF）是太阳光照下植被发射的辐射信号，与植被冠层结构和生长状态密切相关，是植被总初级生产力的良好指标。SIF信号的探测与反演随着遥感技术的发展变得可能，但自然光照下SIF信号与植被冠层反射光谱的分离存在挑战。中国首颗碳卫星（TanSat）具有高光谱分辨率，能够实现全球SIF的高精度反演。
激光雷达技术利用其三维信息探测优势，通过高密度、高分辨率、非接触的方式采集高精度、高密度三维点云数据，重构目标场景的真三维几何模型。激光雷达方程描述了激光接收功率和发射功率、接收机孔径、目标反射率、入射角、大气衰减、仪器衰减和距离目标的距离之间的关系，对目标几何三维成像质量有直接影响。
中长波红外辐射是地表常见物体发射的辐射，与地物表面状态、物质内部组成和温度有关。在遥感辐射传输过程中，3—5 μm和8—14 μm是两个常用的大气窗口。地表温度是太阳辐射—大气—地表相互作用的能量平衡结果，与地表辐射特性以及地表热力学性质等因素密切相关。热红外遥感在地表温度和地表比辐射率反演、地物目标识别等领域具有重要应用。
微波辐射与后向散射是微波遥感的两个方面，微波遥感具有全天候监测能力和穿透云雨大气的能力。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，介电常数和地物温度是影响地物微波辐射的最重要参数。地物表面结构和立体结构对微波的反射和散射产生影响，进而影响地物的微波散射强度。
地物波谱特性描述了地物反射和发射信号随波长变化的特性，包括太阳、地物自身和其他发射源。地物因物质成分、结构和状态差异在不同波段间表现出明显差异性。地物光谱特性与地物的内在理化特性紧密相关，可以利用光谱曲线的反射峰、吸收谷、斜率等主要形态特征来定量提取地物参量信息。地物的主要化学色基和典型吸收峰位置对理解不同地物独特的光谱特征至关重要。矿物和植被的光谱特征与它们的成分和结构密切相关，可以用于遥感科学中地物的识别和分类。SIF信号的光谱形状和峰值比值与植物受胁迫程度和叶绿素含量有关，可以用于预测植被长势、监测植被胁迫和进行植物生理状态的研究。全波段SIF光谱遥感反演及其应用机理的研究具有重要的科学价值。
3 地物的5大遥感效应
尺度效应是遥感科学中的关键概念，它描述了在不同空间分辨率或点扫描密度下地物遥感特性和参量的变化。这种效应对地理空间数据分析至关重要，因为它影响地表特征在不同尺度下的变化规律及对遥感信息提取结果的影响。地物在不同尺度下会展现出不同的空间模式和结构，尺度转换包括从低分辨率到高分辨率的降尺度和从高分辨率到低分辨率的升尺度。
在水文遥感研究中，小尺度研究关注植被和土壤，中尺度研究侧重水文单元对地表变化的响应，而大尺度研究关注大气和地表的相互作用。尺度效应在不同波段如可见—短波红外、热红外、激光和微波波段中表现出不同特点，如地表反射率和地物温度分布的差异性。尺度效应源于地表空间异质性，影响地物空间结构、辐射特性和像元内部组分等，可通过高分辨率影像和地统计学方法分析。尺度差异的存在可能影响真实性检验结果，未考虑尺度差异可能导致对模型、数据或分析结果的错误评估。
在可见—短波红外辐射中，尺度效应包括分辨率尺度效应、生态尺度效应和信息尺度效应。分辨率尺度效应指不同空间分辨率影像对同一地物呈现不同细节特征，生态尺度效应关注不同生态尺度上地物间关系和生态过程的表现差异，信息尺度效应指尺度选择影响遥感图像信息提取的准确性和完整性。SIF信号在冠层尺度和光系统尺度存在差异，需要消除荧光方向球面度量纲，定量估算荧光逃逸概率，将冠层水平的方向性荧光降尺度到光系统水平的总荧光。
激光雷达的尺度效应指在不同空间采样或分辨率下，激光雷达对同一目标成像存在细节层次上的差异。受采样密度、分辨率、测量范围等参数影响，目标特征信息随空间尺度不同而变化，导致对目标解译产生偏差。激光雷达尺度效应主要特点包括空间分辨率依赖性和特征信息变化，需要根据应用场景和目标特征选择适当的空间尺度进行测量和分析。实际应用中常需融合多尺度激光雷达数据，以满足不同应用场景的需求。
中长波红外辐射的尺度效应指在中长波红外波段中，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变化。尺度效应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，尤其在多尺度观测时对数据解释和应用至关重要。不同空间分辨率下，红外波段的尺度效应显著影响发射率和温度的观测结果，高空间分辨率提供更细致的发射率和温度信息，低空间分辨率下地物细节被混合，导致发射率和温度的空间分辨率降低。理解尺度效应有助于识别和校正数据误差，提升数据质量，并选择最合适的分辨率以实现最佳数据处理和分析效果。
微波辐射与后向散射中的尺度效应涉及遥感器如何根据空间分辨率和地表特征的空间变异性捕捉地表信息。空间分辨率决定了微波遥感器能区分的最小地表单元尺寸，直接影响对地表特征的认识。被动微波遥感空间分辨率较低，而主动微波遥感如SAR利用雷达信号相位信息产生高分辨率图像。低分辨率微波数据覆盖范围大，数据易获取，而高分辨率微波数据覆盖范围小，数据量大，处理复杂。尺度效应的研究促进不同学科和领域间的协作，推动跨学科研究的深入发展。
4 遥感基础研究的意义与重要性
遥感基础研究关注地物辐射、光谱、时相特性等科学问题，对遥感科学机理研究至关重要。深入研究这些问题为遥感技术及其应用提供理论支撑，推动持续创新。遥感基础研究是新型遥感载荷论证的基础，如卫星图像模拟仿真技术，通过数字化建模模拟地物特性和环境因素，优化遥感器指标参数。矿物应用中，通过图像模拟优化遥感器指标，提高矿物信息提取精度。遥感科学研究地表环境特性和遥感器观测效应，发展多谱段辐射传输模型，为遥感数据处理和信息反演提供理论依据。双向反射率分布（BRDF）建模是地表反照率等参数定量反演的基础。热红外辐射尺度效应和方向性建模提高地表辐射估算精度。微波遥感基础科学研究改进定量参数反演算法。经典辐射传输理论与电磁学Maxwell方程的联系被探讨，以改进辐射传输过程。了解电磁波与地物、大气圈层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。大气成分、气溶胶、云层对电磁波的影响被分析，以提高地表参数反演精度。微波遥感技术被用于测量森林高度、估算农作物种植面积和预测产量等。遥感大数据成为遥感科学与技术发展前沿方向，人工智能与地学知识结合，充分利用地学知识设计模型和算法。构建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体系，挖掘遥感数据价值，服务国家战略需求。遥感科学基础问题研究加深对数据特性的理解，利用人工智能技术设计更符合遥感机理的模型与方法，提高信息挖掘和智能提取能力。物理驱动的模拟软件DIRSIG用于生成多样化的图像块，训练深度学习算法。深度卷积神经网络（CNN）框架提出新的SAIR成像方法，提高图像质量、计算效率和噪声抑制。多模态数据融合利用不同数据源的特点和限制，如高空间、多光谱和热红外数据，进行大豆粮食产量预测。
5 结语
遥感科学与技术作为交叉学科，其理论发展对系统化和规范化具有重要意义。遥感科学关注遥感现象和规律，以地物辐射、波谱和时相特性为核心。遥感技术基于遥感科学理论，将知识转化为实践工具。技术发展推动科学和应用研究手段革新，实现地球表面全面观测和监测，支持环境保护、资源管理和灾害监测，是可持续发展战略的重要技术支撑。遥感科学和遥感技术相互促进、依赖，科学发展为技术进步提供理论基础，技术创新为科学研究提供新工具。基础研究在遥感科学与技术快速发展中至关重要，特别是在模型驱动到数据驱动科学范式转变背景下。本文提出的三大特性与五大效应理论框架为遥感数据获取、处理和应用提供方向性指导。随着技术进步，需深入理解遥感数据物理和数学基础，挖掘数据背后潜在信息，提升实际应用效能。将遥感专业知识融入深度学习，构建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，是提升遥感科学应用水平的关键。遥感研究范围广泛，涉及遥感器性能、大气条件、地物分布及观测平台尺度等多个复杂因素。综合考虑多因素耦合的基础研究不足，特别是在遥感辐射传输过程中，不同因素的复杂耦合关系使得对全谱段、全天候、全链路、空天地人多尺度平台及多类型地物交错分布因素的理解变得尤为重要。为应对挑战，需建立系统完善的多因素耦合遥感辐射传输基础理论体系，整合遥感物理模型和地学知识，融入人工智能新技术，构建精准高效遥感数据处理和信息提取框架。新型航空航天遥感载荷和系统的发展为遥感科学基础研究带来新机遇和挑战。这些系统具有更丰富遥感物理特征捕捉、更高分辨率数据获取、更宽广高频次地表观测和更强数据实时处理能力，能及时获得更详尽全面遥感信息。但这也要求建立更先进算法、技术和系统，通过智能解译有效处理复杂庞大数据集。定量遥感与人工智能结合将成为未来发展重要方向。通过数理、信息、地球等科学更深层次交叉融合，提高数据解析精度，在海量数据中迅速识别关键信息，为各种应用场景提供精准技术支撑。未来遥感基础研究还需关注遥感数据在不同应用场景中的实际需求，如环境监测、资源管理、灾害预警等领域，遥感数据应用将直接影响决策科学性和及时性。为更好服务国家战略需求，需不断提升遥感数据应用水平，挖掘遥感数据价值。这不仅要加强基础理论研究，还需在技术应用方面创新突破。通过构建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体系，实现高效精准遥感数据应用，国家为环境保护、资源管理和应急响应提供强有力支持。遥感基础问题研究在遥感科学与技术发展中发挥至关重要作用。未来需在深入理解遥感物理机理基础上，结合先进人工智能技术，推进遥感科学前沿研究发展，提升遥感技术应用水平，更好满足国家战略需求。在不同学科深度交叉融合背景下，遥感科学与技术必将为地球系统科学认知和可持续发展提供强有力科技支持。
论文原文：张兵, 柳钦火, 李晓明, 刘良云, 杨必胜, 胡斯勒图, 高连如, 张文娟, 张浩, 卞尊健, 齐梦佳, 陈驰, 尚华哲. 2025. 遥感科学的内涵与基础性问题. 遥感学报, 29(1):1-48. doi: 10.11834/jrs.20244503