中国科学院老科学技术工作者协会

简 报

﹝2025﹞ 第四十五期（总第1228期）

中国科学院老科协办公室      2025年4月27日

中国科学院老科协空天院遥感数字地球分会举办

“遥感辐射传输的数字孪生研究”学术沙龙活动

2025年4月18日，由中国科学院老科协主办，空天院遥感数字地球分会承办的“遥感辐射传输的数字孪生研究”学术沙龙活动在奥运园区空天院503会议室举行。

院老科协副理事长曹以玉，以及院老科协力学所、大气物理所、理化所、过程工程所、地理与资源所、地质与地球物理所、国家天文台、空天信息创新研究院电子分会的专家学者出席。沙龙活动由原遥感所副所长田国良研究员主持，邀请了博士生导师、长期从事定量遥感反演机理和模型、遥感试验、遥感数据产品真实性检验研究的肖青研究员作题为“遥感辐射传输的数字孪生研究”的报告。

田国良在致辞中介绍，遥感辐射传输数字孪生研究是结合遥感技术、辐射传输理论和数字孪生技术的前沿交叉领域，旨在通过高精度建模与动态仿真实现对地球系统辐射传输过程的实时监测、预测和优化，通过多元遥感数据融合与物理模型驱动，构建实时系统的虚拟影象、虚拟镜像，支持知识交互与动态预测，两者结合旨在构建辐射传输过程的动态高保真数字模型，实现从数据到知识的闭环。近几年，肖青研究团队在国家自然科学重点基金的支持下，以空天信息创新研究院怀来遥感综合科学试验站为基地，在遥感辐射传输的孪生研究方面做了大量的探索研究工作，取得了令人满意的成果。

肖青的报告围绕遥感辐射传输与反演方法的发展现状、遥感辐射传输与反演方法的发展现状、研究与进展、发展与展望四个方面展开。

报告指出：数字孪生是指通过数字技术创建物理实体和系统的虚拟复本实时反应其状态行为和性能，利用传感器、物联网、大数据、人工智能等技术持续采集物理实体的数据并在虚拟模型中进行同步更新和优化。数字孪生的核心要素为：一是物理实体实现实际中设备系统和过程；二是虚拟模型物理实体的数字化表示通常通过3D，三维建模和仿真软件的构成；三是数据连接，通过传感器和物联网技术实时传输物理实体的数字虚拟模型；四是数据分析与反馈，利用人工智能和大数据分析数据优化物理实体的运行。数字孪生的优势是实时监控、实时掌握物理实体的状况、预测性维护，提前预测设备故障减少停机时间、通过模拟和优化提升系统性能、降低成本、减少维护和运营成本、提高资源利用。

数字孪生是个普遍适用的理论技术体系，可以在众多领域应用，如产品设计 、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造。最近这些年也引入地学领域研究中，如数字孪生地球、数字孪生城市、数字流域等等。

数字孪生相当于把零散得到的知识，无论观测和模拟的数据形成一个虚实相应体，把所有的知识都串联起来、集成起来进行打包，这也是发展趋势。但是辐射传输是开放的系统，对于辐射孪生机理的认知将观测和模型结合起来。数字孪生和过去三维展示最大的区别是，三维可视化是静态的，看上去很漂亮的三维实体，但是它不能对其发展进行预测，数字孪生建立起来以后作为一个活体，能够往前预测，这是最大的区别。

遥感辐射传输机理涉及大气辐射传输的三个步骤:计算气体的吸收系数、计算不同波段的光学性质、累加不同波段各层大气的辐射通量。遥感传感器通过获取目标物反射和辐射的电磁波能量来获得信息。辐射能量在空间中的分布被称为辐射场,几乎所有物体都可以作为辐射源。

遥感机理模型构建、地表参数反演、遥感产品生产以及真实性检验等均离不开完备的地面先验知识支持，然而目前实验观测、模型模拟等均难以满足观测的完备性需求。目前，基于遥感实验场的数字孪生体生成遥感先验知识以支持遥感基础研究的思路逐渐成熟。遥感实验场数字孪生体构建方法有望成为小尺度地球系统数字孪生体构建理论的雏形，进而推动地球科学各个学科全面、协同发展。

单纯的观测或模拟都无法解决先验知识不完备的问题，观测与模拟结合是一个有效的途径，数字孪生体则提供了一种实现途径。

遥感实验场数字孪生体的构建，一方面充分利用遥感实验场站观测数据积累及观测能力，将较为离散稀疏的观测整合起来；另一方面可以将观测与模型结合，通过观测约束与驱动遥感实验场数字孪生模拟平台的运行，实现遥感实验站光学与红外波段长时间序列、多角度、多尺度、多参数的高精度模拟，为模型驱动、数据驱动以及两者的结合的遥感算法研究提供先验知识和训练样本。

遥感实验场的数字孪生体能输出更为完备的样本图像与配套输入、更加精准的遥感模型、更加科学的物理观测，其主要优势有：一是实现对遥感实验场几何、物理属性与辐射传输过程一体化的精准复刻；二是通过协同观测，驱动与约束辐射传输模拟的运行，模拟结果是真正的物理量，而不是相对量；三是可以通过模拟参数的调整产生大量合理分布的训练样本。如此得到的模拟数据，以及对应的模拟各种输入与控制变量，可以视作一套完备的先验知识来使用。

遥感实验场数字孪生体的具体实现可依托既有遥感实验站，实施以实验站无线传感器网络和无人机观测为主的协同观测，制备模型驱动和约束的观测数据集，开展变量的时空变异分析和全局敏感性分析；利用多模型耦合的方法建立以真实结构计算机模拟模型为核心的动态建模体系，进行从组分（叶片、土壤）到冠层再到像元尺度，从瞬时到日尺度再到植被全生长周期的模拟，制备地表多尺度、全时序的模拟数据集；构建遥感实验场数字孪生系统，进行观测数据与模拟数据的同化，生成地面遥感真值及其完备性信息，实现数据的运算、存储与管理，并从多方面开展遥感实验场应用示范。

讨论中，专家们认为，肖青团队以怀来遥感综合实验站为基地，踏踏实实做了大量的、有创意的工作，在遥感辐射传输的数字孪生研究方面做出了成绩，令人钦佩。同时希望继续做好三件事：

一是在怀来扎下去把事情做深做透，要在动态研究上做些工作。华北平原属于暖温带，气候季节变化很清晰。如果要做三维气候动态的话，就应该把地表的场景季节变化体现出来，目前只做了夏季孪生模型。但华北人民更关心冬季和春季的气候情况，如春季的沙尘暴，冬季的冰雪。按照你们现有的技术手段是可以做成季节动态变化的。同时希望将生态系统结构做得更为清晰一些。除了反映树木、农作物、还应该反映草地、土壤、水体等。

二是通过实验场协同观测驱动与约束数字孪生体的运行，实现光学与红外波段长时间序列、多角度、多尺度、多参数的高精度模拟，为遥感基础研究提供先验知识，推动遥感科学基础研究与应用的发展，具有重要的科学意义和应用价值。希望除研究遥感辐射传输中可见光、近红外和热红外光波段外，还要考虑研究微波波段。

三是建议今后的研究工作，力争和科学院主抓的生态网络保护体系的工作结合起来，这样可以互补，从而发挥更大的作用。

四是我国是一个自然灾害频发的国家，建议在地质灾害、洪涝灾害、灾害性天气预报、农业虫害、核辐射等等做一些预报工作。这些与人民群众生命财产紧密相关的问题，希望引起关注。

曹以玉总结发言指出，本次沙龙活动准备充分，主旨报告精彩，讨论热烈，组织规范严密，开得很成功，体现了前沿性、探索性和引导性，符合科学技术前沿沙龙的学术定位。参加活动的8个研究所、20余位专家从不同侧面、不同领域进行了充分的探讨，很有收获，达到了预期的目标要求。

（中国科学院老科协空天院遥感数字地球分会供稿）