面向应用的航天遥感科学论证理论、方法与技术

本书以航天遥感系统为研究对象，探索面向应用的航天遥感科学论证理论、方法与技术。在对航天遥感系统状态与变化分析和理解基础上，重点考察航天遥感系统设计、制造中与应用紧密相关的因素的论证，特别是对遥感信息、遥感数据、遥感软硬件系统的发展规律进行了探讨；同时，也分析了航天遥感系统发展动力，以及支撑航天遥感系统发展的能力体系。其通过在国家重大项目论证中发挥作用，体现出其科学性，也为提升我国航天遥感论证能力做出了初步贡献。

序一王希季i
序二孙家栋iii
序三王礼恒v
前言vii
第1章航天遥感科学论证理论概要1
1.1科学论证基本概念1
1.1.1论证定义、作用和形式1
1.1.2验证、认证、实证与科学论证4
1.2科学论证的关注对象、作用与方法8
1.2.1科学论证的关注对象8
1.2.2人造事物的特征表现15
1.2.3科学论证的目的和作用20
1.2.4科学论证的一般方法22
1.3航天遥感与航天遥感系统32
1.3.1航天遥感基本概念32
1.3.2航天遥感系统34
1.4面向应用的航天遥感科学论证44
1.4.1遥感论证概念与特征44
1.4.2遥感论证作用与意义47
1.4.3遥感论证结构模式分析49
1.4.4遥感论证过程研究分析53
1.4.5本书研究内容57
第2章航天遥感信息论59
2.1航天遥感信息初步认知59
2.1.1信息基本概念59
2.1.2地球信息66
2.1.3航天遥感信息68
2.1.4航天遥感信息的多层次应用72
2.1.5航天遥感系统信息76
2.2地球信息与地球信号信息的场分布特性77
2.2.1地球系统观测对象特征参量的场表现形式77
2.2.2大气目标特征参量的时空场分布特点78
2.2.3陆表目标特征参量的时空场分布特点81
2.2.4水体目标特征参量的时空场分布特点82
2.2.5观测对象信息场与信号信息场的关系分析83
2.3航天遥感信息的采样本质84
2.3.1地理学尺度与观测学尺度概念84
2.3.2不同应用类型下的遥感尺度分析86
2.3.3理想条件下变化检测类型应用中遥感信息量的计算90
2.3.4遥感信息强度概念94
2.4航天遥感信息的满意度分析97
2.4.1航天遥感信息过程的信息状态与变化表现98
2.4.2信息传递一致性分析102
2.4.3地球信息的复杂性105
2.4.4航天遥感信息的局限性与不完备性106
2.4.5信息转化传递中推理与演绎过程的不确定性109
2.4.6航天遥感信息的满意度概念与属性设定112
2.5航天遥感信息工程实现117
2.5.1航天遥感信息工程117
2.5.2航天遥感信息工程实现的作用意义120
2.5.3航天遥感信息工程的实现121
第3章航天遥感数据工程论124
3.1遥感数据与遥感数据工程124
3.1.1数据124
3.1.2遥感数据126
3.1.3遥感数据工程131
3.1.4遥感数据工程意义135
3.2航天遥感标准数据产品品种模型137
3.2.1遥感产品基本分类137
3.2.2基于应用层次的遥感数据产品品种分类模型140
3.2.3统一遥感数据产品分级模型141
3.3UPM的规格标准化模型154
3.3.1UPM规格模型概念154
3.3.2图像空间分辨率与成图比例尺关系分析155
3.3.3面向工程化的遥感数据空间分辨率标准化分级模型159
3.3.4空间分辨率标准化分级的作用166
3.4遥感数据与空间信息关系的现状及其发展趋势167
3.4.1遥感数据标准现状167
3.4.2空间信息组织标准现状结构168
3.4.3遥感数据工程标准化发展趋势170
第4章新型遥感器应用技术发展过程与程度评价模型172
4.1新型遥感器应用技术成熟度概念172
4.1.1遥感应用技术发展规律与评价方式的认识172
4.1.2ATRL作用与意义178
4.1.3ATRL研究内容180
4.2新型遥感器ARTL模型构建182
4.2.1面向满意度的应用技术发展阶段分析182
4.2.2ARTL的标准化结构183
4.2.3基于ATRL模型的新型遥感器研发流程与多要素协同189
4.3新型遥感器IDSH研发与遴选模式构建192
4.3.1新型遥感器ATRL与HTRL关系分析193
4.3.2基于ATRL与HTRL协同的新型遥感器研发方法195
4.3.3基于ATRL与HTRL协同的新型遥感器遴选方法197
4.3.4新型遥感器应用技术状态评价技术发展200
第5章卫星星群组网与载荷配置模型202
5.1面向应用产品集的卫星组网与载荷配置概念202
5.1.1概念与内涵202
5.1.2作用203
5.1.3研究内容203
5.2标准化卫星观测模型204
5.2.1卫星星座轨道模型204
5.2.2遥感器探测指标模型207
5.3面向应用产品集的卫星种类与载荷配置设计210
5.4体系化卫星星群组网设计技术211
5.4.1M-N-P星座设计及优化方法212
5.4.2M-N-P星座设计优化策略214
5.5卫星星群发展现状及发展趋势215
5.5.1遥感卫星组网体系日渐成熟216
5.5.2微小卫星的爆发式发展217
5.5.3高轨大卫星的迫切需求218
第6章网络化航天遥感地面应用系统模型219
6.1基于遥感GRIDCube的航天遥感地面应用系统概念219
6.1.1概念与内涵219
6.1.2作用221
6.1.3研究内容222
6.2GRIDCube构建模型224
6.2.1数据组织模型224
6.2.2数据规格化230
6.2.3数据标识编码结构233
6.2.4数据存储结构238
6.3航天遥感网络化地面应用系统模型244
6.3.1基于GRIDCube的SDIKWa闭环流程结构模型244
6.3.2基于SPID的软件系统总体架构246
6.3.3基于COGON的网络服务框架247
6.3.4多级并发的遥感数据高效处理架构249
6.3.5无缝嵌入的灵活信息生产系统构建254
6.3.6基于GRIDCube的系统应用服务模式257
6.4航天遥感地面应用系统发展趋势260
第7章新型遥感器应用在轨综合评价技术261
7.1面向满意度的在轨卫星ATRL评价概念261
7.1.1卫星应用状态评价定义261
7.1.2卫星应用状态评价的作用与意义263
7.1.3卫星应用状态评价关注的主要因素264
7.1.4卫星应用状态评价的研究内容266
7.2在轨卫星技术工程测试评价技术269
7.2.1功能测试269
7.2.2遥感原始数据质量评价270
7.2.3在轨定标270
7.2.4卫星遥感1～5级数据信息产品初步评价271
7.3在轨卫星试应用阶段1～5级数据信息产品质量评价技术272
7.3.1遥感数据产品几何特性272
7.3.2遥感数据产品辐射特性275
7.3.3遥感数据产品综合特性277
7.3.41～5级共性产品真实性检验278
7.3.5基于地面实测数据的目标信息产品质量评价280
7.3.6多星目标信息产品的质量交叉评价282
7.3.7数据信息产品真实性检验的关键问题分析284
7.4在轨卫星业务化服务质量评价技术288
7.4.1遥感专业应用质量评价288
7.4.2遥感应用服务质量评价289
7.5卫星应用后评价方法296
7.5.1卫星应用后评价概念296
7.5.2卫星应用后评价方法298
7.5.3卫星应用后ATRL评价指标体系299
7.5.4卫星应用市场综合后评价方法304
7.5.5卫星应用企业综合评价方法310
7.6卫星应用评价研究发展现状与趋势316
7.6.1卫星应用评价国外研究现状和趋势316
7.6.2卫星应用评价国内研究现状319
7.6.3遥感数据产品的工具软件321
第8章面向综合应用的航天遥感系统需求论证方法322
8.1面向综合应用的遥感卫星体系需求论证概念322
8.1.1概念322
8.1.2体系需求论证作用与意义325
8.1.3体系需求论证过程研究326
8.2体系需求定义与论证模型构建327
8.2.1需求关注要素分析328
8.2.2应用需求提出到应用需求满足的论证方法331
8.3遥感应用综合UPM构建与体系需求汇总332
8.3.1应用观测对象与产品化分析332
8.3.2UPM属性确定334
8.3.3基于UPM的体系指标分配设计335
8.4基于UPM的体系需求评估与认证337
8.4.1基于UPM的新型卫星设置评价337
8.4.2基于UPM的体系技术需求满足度预测分析340
8.4.3基于UPM的体系效能效益预测分析343
8.5体系需求分析技术工具347
8.5.1UML和SysML系统建模技术347
8.5.2SA、OSCAR、SETE系统仿真技术348
第9章航天遥感产业政策与国际合作分析方法350
9.1概念认识350
9.1.1航天遥感产业概念认识350
9.1.2航天遥感产业的作用与意义357
9.2我国航天遥感产业发展现状分析与主要研究内容358
9.2.1起步的“三大战役”358
9.2.2现阶段的“三大战役”359
9.2.3富有持续竞争力的产业发展关注要素分析362
9.2.4我国航天遥感产业研究主要内容363
9.3航天遥感产业状态与评价研究364
9.3.1航天遥感产业市场与价值体系364
9.3.2航天遥感产业生态系统与竞争力分析366
9.3.3航天遥感产业周期与成熟度评价方法375
9.4航天遥感产业发展战略377
9.4.1航天遥感产业发展战略概念377
9.4.2航天遥感产业发展战略探讨379
9.5航天遥感产业发展的技术创新发展战略380
9.6航天遥感产业发展的政策研究381
9.6.1产业政策等软环境系统的作用381
9.6.2我国航天遥感产业表现形态383
9.6.3基于利益平衡的数据政策分析385
9.7航天遥感国际合作策略研究方法391
9.7.1航天遥感国际合作概念认识391
9.7.2国际合作层次分析与评价395
9.7.3国际合作综合集成研讨厅分析方法399
9.7.4我国航天遥感国际合作状态综合分析403
第10章面向创新的航天遥感能力体系分析方

    章 航天遥感科学论证理论概要
    航天遥感技术发展到现今已经成为一个庞大的体系，呈现出丰富多彩的状态与无限发展的前景。对其有效的认识、理解、预测与应用有赖于认知水平的提高、改造能力的提升及大量的实践活动。科学论证是直接提高认知水平、形成基于共识的有效方法，同时也是促进技术进步与实践活动开展的技术手段。
    1.1 科学论证基本概念
    1.1.1 论证定义、作用和形式
    1.论证是一种理性思维方式
    论证，是用一个或一些真实命题确定另一命题真实性的思维过程，即有关“根、据、观点”的逻辑过程。《辞海》中“论证”的定义是“证明论题和论据之间的逻辑关系。它通过推理形式进行，而且有时是一系列的推理形式，论证必须遵守推理的规则”(孙万国等，2006)。这些定义规定了论证主要要素及结构是论据、推理和论题的关联。论据是论证的基础与依据，是论证所关注对象的已知为真的特性、观点、形式等。推理是论据与论题之间的逻辑联系方式，即用论据来确定论题真假时所采用的形式。论题是其真实性或虚假性需要被确定的判断，即论证者在立论时要证明的观点或主张，或者是在驳论时要批判的观点或主张。论题可以是已被证实或证伪了的判断，也可以是还没有被证实或证伪了的判断。一个论证的论题具有专享性。
    论证的作用在于提供了一种理性的探究论题的思维方式与方法，通过具有共识的逻辑途径使人相信、认可或接受某个观点，帮助人们发现哪些观点优于其他观点，评估不同观点的说服力如何。同时，其也有助于形成批判性的思维方式和怀疑精神，提高判断能力，支撑人对世界的认识与利用。简单地说，即预测、解释、决定和说服。一方面是需要对“说的对吗？”进行分析与评判；另一方面，通过论证，我们提出理由和证据，以及阐明自己的观点，对观点进行解释和辩护，使得其他人接受这个结点，即对“凭什么？”进行详细描述及回答(安东尼 韦斯顿，2011)。这样不仅对观点进行了论证，同时也对论证过程进行了评价。
    论证普遍存在于人们的社会生活和生产活动中，涉及人的认知与活动的方方面面，一直是逻辑学的重要关注对象，而人们通常也把逻辑学看做是一门研究论证的科学。逻辑学界围绕论证的概念长期存在着论争，在非形式逻辑兴起之前，论证概念大致归于传统逻辑和现代形式逻辑两个理论传统中(陈波，2003；谢耘，2006)。传统逻辑的论证概念往往对“论证”作一种序列化、结构化的理解，是一系列语句、陈述或命题的组合，具有“前提-结论”结构，体现着一种关系性的要求，即论证要求一种“得来、支持、推出或基于”的关系，其是传统论证概念很本质的特征。20世纪以来，现代形式逻辑的理论和方法已经成了逻辑研究的主要范式，其关注论证的形式有效性，忽视论证的其他非形式因素。现代形式逻辑以推理形式及其有效性为研究对象，把对论证概念的理解置于形式化框架中。
    2.面向实践过程的图尔敏模型
    非形式逻辑理论兴起于逻辑学数学化、形式化的20世纪七八十年代，其以实际论证分析与评估的非形式方法和规范为理论基础。图尔敏(S.E.Toulmin)、佩雷尔曼(Ch.Perelman)等通过对20世纪纯形式化、数学化倾向的形式逻辑论证理论进行批判，吸收当代西方哲学中语用学成果，重新复活了长久以来为论证研究所忽略的环境条件与过程实践维度。作为该领域很有影响力的哲学家之一，图尔敏有感于实践推理的内在价值及评价标准与形式逻辑所提供的形式规范之间的明显不同，提出了有名的论证分析的图尔敏模型，发展出一套非形式逻辑体系，开启了逻辑学的二次转向——逻辑实践转向。这种实践性论证思想对论证领域产生了极其重要和深远的意义。在非形式逻辑及当代论证理论的论域中，论证已成为一个在具体情境中展开的基于过程的实践活动(谢耘，2006)。
    图尔敏模型按照不同命题在论证中的不同功能将其分为6种要素，分别是前提(data)、保证(warrant)、支援(backing)、限定(qualifier)、反驳(rebuttal)和主张(claim)，图尔敏论证模型把论证解释为由被前提支持的主张、依赖于保证的推理组成，保证本身可能被支援所支撑。支持主张时往往会遇到一些限定，当然也有可能出现反驳性的因素。其中，保证、支援、限定、反驳共同形成了论证过程，而前提和主张则表明了论证的起点与终点(张晓娜，2013)。
    前提是论证的基础和依据，是已知为真并被用来作为论点真实性或虚假性判断的根本支撑，即论据，用来回答“凭什么”的问题。前提作为论证的起点，有多种来源，可以是事实论据，即通常所说的“摆事实”。事实前提种类丰富多样，有历史的、有现实的，有具体的、有概括的，有科学定义、定律、公理和原理等反映客观事物本质和规律，经过实践的反复检验的认知。经过全面分析，选择反映典型事实的真实判断作为前提，提供详实的论据，“事实胜于雄辩”，这样的论证才有说服力、有效性。由于前提是论点的出发点，论点不会比为其提供支撑的前提有更强的合理性。
    论据要支撑论点就需要一个有效的过渡过程，保证正是这一起到桥梁和正当担保作用的一个特定推导规则与步骤，即通常所说的“讲道理”。道理在不同情境和条件下各有不同，但均是为了构建一种以合理、有效、可靠为诉求的可信关联。通过构建这种可信关联性，作为对一些“事实”的陈述，可以“合理正当”地转化为有力支持观点的根据，即合理事实保真地传递。理由在论证中是不可或缺的，具有普遍性，它提供的这种关联性可以以显性或隐性的方式出现，若没有不同意见，则无需描述这个理由。当然，这不等于它没有，仅仅是隐形了。
    支援是对保证的强化与调节。这种支持可以由一个事实或一个包括论点论据的完整论证组成，即“雄辩”中要包括“事实”。不同论证领域需要有不同类型、不同强度的支持，如科学规律的实践彻查性要求、技术方法适用性范围的性要求等。
    限定是对论点强度、程度、范围的量化调节。论点的强度、程度、范围、说服力和可信度是由论据和理由共同赋予、客观确定的，通过引入一些附加的条件和，可以对导出的确定进行更加客观地描述，提升论点的正确性和合理有效性。
    反驳是针对论点中的特例、例外进行的说明。即使对论点加上了程度说明，也不排除论点中包含一些不能从论据和理由导出的成分，针对这些“例外”“不合法”情况要加以承认，从而确保论点的有效范围仅仅在所允许的有限时空范围内以有限方式运行。
    通过以上几个环节的组合与过程迭代，形成论证的充分性，确保在一定环境与条件下论据与主张的等价性与一致性，有效保证主张的正确性。同时，对这种等价性进行强弱、软硬、直接间接地区分，可以是因果关系，也可以是相关关系，或者是某种条件下的综合关系等。
    主张，即论题、观点、论点、建议、声明、判断、结论等，是提出者试图在论证中证明其正确并对其进行辩护的一个断言，是论证的终点。合理、有效、可信的论点建立在正确基础、充分理由等组成的完整逻辑过程基础上。这里要进一步注意与论据的区别，论点是我们试图确定的主张、设想，而论据是作为主张所依靠的基础和根据，是一种已经确定的“事实”。
    以上对论证要素及相互作用的描述突出了现代论证中“把一切送上理性的法庭”的批判性理念。论证中的任何组成要素都可以受到质疑和评判，只有清晰明确的输入、有条理可靠的过程，追求合理有效性的方向，才能保证与之相适应的论点的有效性和合理性，这也是论证过程中体现实际的一种哲学态度。
    关注对象与目标的不同决定着论证评价标准依赖于所处的领域，即一定程度上的领域依赖性。关注对象各具特性、方式方法不同、准确度要求不同等导致了论证只有合适的，没有很好的，追求“合理的信及信的程度”。在实际环境下，关注对象所处的时空状态及其自身发展阶段等因素均是在“合适”的论证中加以考虑，合适的论证是建立与各关联方相洽的“友好型”论证。图尔敏论证模型能够刻画较为复杂的论证，但也不能够刻画所有的论证。例如，对于含有多个前提或者含有对反驳的反驳等类型的论证，图尔敏论证模型由于元素种类的有限性而不能很好地揭示这种类型的论证。
    论证的一个显著特点是唯物理念贯穿始终，其在科学研究中表现为“求真”，通常把数学逻辑的形式有效性标准化、普遍化为广泛领域实际论证的专享评判标准，建立在量化逻辑基础上的论证系统与世界事实间存在着某种或明或暗相呼应的一致性或同构关系，有效对关注对象本体系统状态、过程、行动、现象、规律形成一种“镜像”，既体现在翔实的前提数据上，又体现在实际论证的程序、步骤、环节中。
    “论”本身是一种“证”，包含着被实践“证”的内容。这种逻辑的实践转向，使得论证更加结合实际，更具有批判性、实用性和合理有效性，同时也具有了明确的检验标准与依据。支持、限定、反驳功能要素的引入，形成了支持“或然性”观点的机制，更加发挥出经验的、历史的、比较的、认知的作用，而这些在直观上可行且在客观上也是必要的，更进一步支持了在不同领域科学研究中，结合实际面向未知进行“大胆而冒险”的归纳分析与演绎推理。
    1.1.2 验证、认证、实证与科学论证
    并行于论证，在人的活动中大量接触验证、认证、实证等多个有关“证”的概念。长期以来，人们认为科学是一种被客观证实为“可信”与“真”的知识，“证”是基于人对科学的认识，是伴随人要解决“科学的信”的问题，以及“真实性”的问题而产生的方式与方法。基于理性和真理追求的西方科学哲学的基本概念构成了人对现代科学的信念。20世纪60年代，科恩提出了一种全新的观点，即科学是一种确定指明找到系统性认识的范式(科恩，1999)。现代科学合理性的核心包括了知识所运用的批判性方法，即科学作为知识体系包括知识所运用方法，是一种理性认识加工具方法组合的过程实践。
    1.验证
    验证是指针对某种关注对象的观点、主张或理论，假设开展正确性或精准性证明的一系列活动(朱少均，2006)。验证是理性思维的直接表现，其伴随人类科技的发展而发展，没有固定的单一模式。亚里士多德等提出的逻辑实证主义精细研究的归纳-演绎模式，反映的是科学累积发展的情况。按照亚里士多德模式，科学假说从经验事实中归纳得来，然后借助于演绎法推出预见，预见经受新的经验的检验。预见与新的经验如果不符合，则对假说进行修改，如果符合，则假说被证实。这种为提出理论假设或检验理论假设而展开的研究过程是一种实证性研究，是通过对关注对象进行大量的观察、实验和调查，获取客观材料，从个别到一般，归纳出事物的本质属性和发展规律的一种研究。针对同一问题，笛卡儿、孔德和波普尔等提出的猜想——反驳模式，反映的是科学否证发展的情况。萨伽德等倡导计算科学哲学，他们提出的概念革命模式反映的是科学理论认知框架的变化。库恩和拉卡托斯认识到科学理论的复杂性，提出的结构范式反映了科学理论变化的历史性和社会性。
    验证作为一种现代科学研究思维范式，产生于培根的经验哲学和伽利略-牛顿的自然科学研究。伴随现代科学发展，验证思维演化出实验、理论和计算三大分类，即以实验物理等学科为基础的实验验证、以数学物理为基础的量化模拟验证和以计算机科学为基础的计算验证。这是人取得共识并相信、认可的3个开展未知探索的途径。
    实验验证是建立在对现实条件主动控制的基础上，通过实验工具和表现方式开展的评判与证明。它是对逻辑推论和数理演绎过程的客观求证，用以证明推测的不/可行性、不/可信性和不/正确性。这是在一定时空范围以实证方式支撑的可信性。
    量化模拟验证是建立在一系列假设、已被接受的定理，以及用于分析、预测、解释关注对象的程序规则的基础上，通过逻辑和数学等抽象推理与思辨辅助工具和表现方式开展的评判与证明，其形成一种由现代逻辑与经验知识共同支撑的可信性。
    计算机计算验证是建立在关注对象及其所在环境与条件可计算性及模型化的基础上，按照系统工程方式构建并通过数值分析工具和表现方式开展的评判与证明。仿真检验具有更多系统工程的理念，不受时空，可以观察和研究正在发生或尚未