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我所认知的遥感测量

已有 3666 次阅读 2014-2-7 04:45 |系统分类:科研笔记

再复杂和高级的科技(technology),本质上只是更加精准的测量而已。科技本身并不是科学(science)或者知识(knowledge),而只是作为工具推动了后两者发展。从某种角度 上而言,人并没有变的比2000年前的希腊时代更加聪明,思维模式也没有更加出众,比如像埃拉托斯尼特那样测量地球半径。人只是因为有了进步了的科技而有了更加准确的测量 而已。在国外,science和technology是两个分开的部分,只不过相辅相成而已。我们不妨将知识上新探索和发现基于的是1)假设2)测量两个过程。


假设的过程是对于问题定量化的过程。这里,我们不讨论形而上的存在论问题,比如,上帝,精神(spirit)和概念(Concept)等目前超出当前科学认知的范畴的存在。这里不讨 论,是因为既无法证有也无法证伪。但是,物质(或者说,实体)都是经过不断发现才能证明其存在的,比如原子,电子等。那么,物质存在的一个基本特性是可以被感知或者观 测到。感知,是一种主观的经验主义的体验。既然是主观的,那么就融合了经验主义和神秘学的色彩。像佛教里的顿悟或者修灵等感知行为,大大依赖于修行者本身的能力。因此 ,这样一种体验是很难移到另一个人的经验上的。所以,更加令大多数人接受,或者说更稳健的存在性讨论,便是对其进行测量。


I come, I see, I measure


测量,根据牛津词典的定义:ascertain the size, amount, or degree of (something) by using an instrument or device marked in standard units or by comparing it with an object of known size。


测量设计到几个问题。一是被测的属性;就是这里的size, amount or degree of something。这是一个可以被量化的东西:如果其不能被量化,那么便不能被测量。数学上 表示为其测度不能为0。二是测量标准;牛津词典中给出,要么是根据一定的标准单位,要么是根据另外的已知物体的属性作为标准。


那么测量的结果是什么?是被测物体的定量化的属性。还有什么?是误差!

误差的存在是有其必然性的,包括系统误差和随机误差。这里不详细讨论误差的来源,但是要着重讨论一下误差的后果。其最直接的后果就是测不准!

系统误差可以通过后续的操作进行校正。而随机误差,通常的办法是取多次测量的平均值。用数学形式表达测得的属性变为了 $\overline{X}$ + $\overline{X}+\varepsilon$ $\overline{X}+\varepsilon$ $\varepsilon$ 。这里的测量,就变成了统计上的估计。因此,从另一个角度来说,每一次单独的测量都可能是不准确的。联想到考虑到著名的海森堡测不准原理:一个微观粒子的某些物理量(如速度和位置)不可能同时具有确定的数值。其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。上帝在和宇宙玩骰子!


既然一切都测不准,那么为何航天飞机照样上天,高楼大厦照样盖的起来?

不妨回归到测量的目的上,我们需要知道的测量结果是在一定程度或者尺度上的准确,而是符合我们一个大致预期的观测目的。这就意味着不是任何时候我们都必须要知道Pi的后面1百位,1千位的。建一栋楼,我们只需要精确到厘米或者毫米就可以了;航天飞机的核心材料就要精确的多;而纳米已经在化学界流行。这些对于精确度的要求都是因测量目的和对象的不同而变化。理论上说,牛顿力学是错误的,但是我们一直在用,因为在目前的人类活动范围的尺度上,其精确度是试用的。爱因斯坦是正确的,但是我们绝不会在造房子的时候用到,因为那么高的精度要求并没有意义。

这里的精度,直接反应在测量的尺度上。


回归到遥感上来,遥感并不是万能的,其主要优势在于大范围的动态测量。遥感的测量目的不是仅仅为了精确测出这一小块的地方,而是为了整体(或者较大的区域)提供估计。比如我们需要知道的是一个乡镇,一个省乃至全国的粮食估计产量,理论上需要的是最小的稳定种植地表单元。尺度过大,可能会导致土地利用分类不够精确而引入误差。如果测量尺度过小,会增加分类的复杂程度,反而会增加误差。那么适合的尺度是多大?这个问题很难一下子解决,因为不同地表特征差异性很大。


我的认知是核心应该侧重于统计方法的消除误差,而非纠结于维度复杂度上的消除误差。这里我比较倾向于马大地理Matthew Hansen的做法,即建立不同尺度的传感器之间的联系。既然观测的是同一地物,在不同尺度上观测的结果理论上应该是一致的。从高分辨的ikonos或rapideye到30m的Landsat,再到更高的MODIS。在校准了的情况下,就能利用粗象元进行大范围的估计。

I measure, I know, I advance


至于测量的维度问题,我们可以考虑分形是否最为额外的维度信息而存在?类似于地理信息数据中的源数据的概念。但是作为纯应用而言,我觉得分形几何还没有到那个阶段。分形的直接表达可以是递归函数,在不同尺度间是不是直接建立实际的联系?不知道数学界有没有新的进展。比如皮亚诺曲线,于我而言,更像是把一维的测量变换到了二维。因为涉及到无限的概念,容易让人乐此不疲而忘记了测量的初衷。 因此个人感觉这是一个很酷很炫的概念,但是真正如何利用好,还需要更多的机理性的研究。








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1 吕洪波

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