定量遥感尺度效应刍议
地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第68卷第9期
2013年9月V ol.68,No.9Sept.,2013
收稿日期：2013-04-16;修订日期：2013-05-30
基金项目：国家973项目(2013CB733401)[Foundation:National "973"Program,No.2013CB733401]
作者简介：李小文，中国科学院院士，中国地理学会会员(S110001110M)。E-mail:lix@https://www.360docs.net/doc/e16126560.html,
1163-1169页
定量遥感尺度效应刍议
李小文1,王祎婷1,2
(1.遥感科学国家重点实验室,北京师范大学,北京100875;
2.国家海洋信息中心,天津300171)
摘要：目前定量遥感在面向国家需求、面向基础研究方面，存在海量遥感数据无法有效利
用、定量遥感研究缺乏普适性和系统性、遥感应用难以再上新台阶等主要问题。因此，目前
的遥感科学研究需要整合，需要向前迈出一大步。由于地表的异质性，我们如果只停留在演
绎普适的机理模型在特定地点作个性化的处理，是不能适合地学的应用和研究的。必须在已
有的反演和实验数据的基础上，用归纳的方法，总结出一些规律性的东西。走我国自然地理
学“自上而下的演绎方法和自下而上归纳方法的结合”研究“尺度综合”的路子，在解决遥
感科学核心问题“尺度效应”方面先搭建一个方法框架，同时建立几个开放的相关平台(如数
据，反演，计算机模拟，等等)，与有关学科的专家共享。
关键词：定量遥感；尺度效应；计算机模拟
DOI:10.11821/dlxb201309001
1引言
定量遥感利用遥感传感器获取的地表地物的电磁波信息，在先验知识、普适性较强的机理模型和计算机系统支持下，定量获取观测目标参量，并用这些目标参量，通过链接模型生产出满足用户(地学或生物学模型运行)需要的时空尺度和精度的产品。定量遥感是当前遥感研究与应用的前沿领域。遥感信息的定量化首先要求对地表特征的合理描述。由于地球表面空间作为一个巨系统的复杂性，在某一尺度上人们观察到的性质、总结出的原理或规律，在另一尺度上可能有效、可能相似，也可能需要修正。加之遥感观测信息多空间分辨率并有的特点，从定量遥感出发的地学描述必然存在多尺度的问题[1]。
美国科学家比较早认识到遥感的多分辨率特点用于解决传统地理学中尺度问题的优势。如“美国地理遥感之父”Simonett 教授在1970年代末期，就指出“尺度问题是遥感科学的核心问题”。NASA 也相应在1980年代初期，推出了“遥感科学计划”。但是该计划执行两期，在遥感尺度效应问题上进展不大。如该计划在执行第一期(共15年)总结大会上，展示的成果主要只是25个机理模型。其原因很多，我就不在这儿逐一例举。至少一个原因是美国地理学界本身分为“计量革命”派和“定性描述”传统派，而另一个原因是Simonett 教授早逝。总之，遥感科学和遥感尺度效应研究在美国的停滞不前，并不能就天然证明“遥感只是一种高新技术在地学的应用、遥感没有自己的科学问题”这种观点。恰恰相反，这给我们提供了创新和领先的机会。
这里也许有必要简单介绍一下，为什么尺度效应对自然地理学那么重要？答曰：因为地表的空间异质性。追问，什么是“地表的空间异质性”？简答曰：橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳，叶徒相似，其实味不同。所以然者何？水土异也。这是大家都知道的故事，不是定义，但的确是理解地表的空间异质性一个很好的例子。
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68卷再以最近Nature子刊“全球变化”，罕见地发表了遥感方面新发现的文章[2]为例，这篇文章有趣之处在于生动说明了：
(1)陈述彭先生关于没有遥感，就没有全球变化研究的观点；
(2)中国遥感人不笨；
(3)没有在遥感尺度效应研究上的突破，中国遥感机构在作者单位排名上严重偏后。这大体客观反应了遥感界的现状、我们的地位和我们力求突破的方向。
伴随着我国社会经济的发展，国家的宏观决策、资源调查、环境及灾害监测等影响国民经济发展的关键领域急需遥感数据支持。与此同时，一系列重大的全球性环境问题等国际热点问题上中国的话语权也必须有数据的支持。遥感的优势在于频繁和持久的提供地表特征的面状信息，这对于传统的以稀疏离散点为基础的对地观测手段是一场革命性的变化。
国家中长期科学和技术发展规划中专门设立了“高分辨率对地观测系统”重大专项，国家高技术研究发展计划(863计划)成立了“地球观测与导航技术”新领域，遥感事业进入了迅速发展的时期。我国在2003年底，挂牌成立了遥感科学国家重点实验室。实验室依托中科院遥感所(IRSA，现合并新建科学院遥感与数字地球研究所)和北师大(两单位按2:1分配国家投入和考核产出)，形成了我国定量遥感研究的核心团队。10年中，实验室作了大量的工作，不是笔者几千字就能全面介绍的。本文仅以实验室作为核心执行者的国家连续三个973项目和若干863重点项目(如三尺度典型地物波谱库建设等)为例简单说明。这里三个973项目指的是：已经完成的：地球表面时空多变要素的定量遥感理论及应用(G2000077900)、陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法(2007CB714400)，和刚开始执行的复杂地表遥感信息动态分析与建模(2013CB733400)。简单讲，第一个973，重点是瞬间的遥感机理建模与反演；第二个973重点是多源(因此非瞬间、非单一空间分辨率)遥感的机理建模与反演，并开始研究时间序列遥感的反演。第三个973，则刚开始执行。笔者建议要围绕建立普适性遥感建模方法框架来开展。
在第一个973中，针对尺度效应制约定量遥感发展这一关键问题，在国际上初步提出了与遥感尺度相关的定量遥感理论体系：初步解释了地表时空多变要素遥感由点向面的尺度效应，在尺度转换模型和信息转换模型研究方面均取得了有意义的进展[3]。由遥感信息的时空尺度效应研究(点面信息转换、瞬时与过程信息转换)为主要出发点，成功地组织了顺义“应用驱动星—机—地遥感综合实验”和山江湖地区综合遥感实验，通过多学科交叉研究，发展定量遥感理论，推动定量遥感科学与农学、大气科学等相关学科的交叉发展。第二个973中，联合中国科学院西部行动计划在我国黑河流域开展了大型综合遥感实验WATER，获取了一套多尺度、高质量的综合观测数据集，从根本上改变了定量遥感模型和集成研究长期受制于系统观测数据缺乏的状况，有力地促进了定量遥感模型的发展、改进、标定和验证[4]。前两个973使得定量遥感基础理论、方法应用和数据积累等方面的研究稳步前进，定量遥感研究的核心团队也得以顺利延续和发展。但总体上，尺度问题这一遥感科学中的关键问题，其理论和实践挑战依然艰巨，尺度效应和尺度转换的机理、异质像元的真实性检验、多尺度数据的联合应用等方面的研究仍较薄弱。因此，在第三个973中，尤其需要以尺度效应和尺度转换研究为出发点，围绕普适性遥感建模方法框架，整合目前的定量遥感科学研究，推动定量遥感向前迈出一大步。
2存在的问题
定量遥感在面向国家需求、面向全球问题研究上存在几个主要问题：
(1)不同分辨率、不同遥感数据所生成出来的定量遥感产品，相互之间不一致，又多
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1165与传统的点观测不一致；
(2)遥感应用面越来越广，但很难满足不同遥感产品用户不同的时空分辨率和跨度的要求。
这就导致了：
(1)与遥感卫星获取数据的能力相比，遥感数据的自动化、定量化处理乃至对遥感数据信息的理解能力与对遥感数据的有效利用远远不足。
(2)定量遥感的研究缺乏系统性和普适性，分散各领域的研究者们各搞各的，显得非常零碎，很难形成系统性的大成果。
在遥感科学方面，从认识上我们往往觉得搞电磁波与地物的相互作用机理，才算基础研究，所以花了很大力气，作机理模型。那当然是遥感基础研究的一个层次，但是，地球表层的时空异质性是普遍存在的。就算我们零敲碎打，在特定地区，特定的产品，作出一些改进了的模型，能发文章；但对我们解决上述问题究竟能有多大帮助呢？
由于对遥感观测的尺度效应了解不够，对一些基本物理定理、定律、概念在遥感像元尺度上的适用性不清，对在一个遥感像元尺度上建立的模型在另一像元尺度的适用性不清，对用地面测量的点上数据验证像元尺度的遥感反演结果的适用性不清，使得对遥感观测的像元尺度上的信息缺乏理解，难以进行像元尺度之间及其与传统点信息之间的转换。这也是导致海量遥感数据无法有效利用、定量遥感研究缺乏普适性和系统性、遥感应用难以再上新台阶的根本原因之一。
不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，需要适当的距离和比例尺，才能有效完整的观察。对海岸线长度的测量问题是地学描述中尺度效应最典型的例子，并在20世纪70年代中期启发形成了分形理论和分数维这样全新的数学概念，进而发展成为分形几何。遥感科学中尺度效应的研究更为困难。陆地遥感中不同地物光学性质的尺度效应很少得到研究。已故的美国地理遥感之父David Simonett坚持认为，遥感不仅是一门应用技术，还是一门科学。它的多分辨率或多尺度是现代技术无法解决的科学问题。不同分辨率遥感图像之间不是简单平均的关系，而是与地表状况和目标(地学)参数的性质相关。因此，遥感图像的尺度问题本质上是地学与其他学科的交叉。
如前所述，在遥感科学发展的初期(20世纪70年代末到80年代初)，遥感科学的先驱者们就已经认识到，遥感的多尺度性可以用来解决长期以来困扰自然地理学发展的尺度问题[5]。但只是不久前，笔者才认识到我国自然地理学家在尺度问题上已有大量的研究，而且在“尺度综合”上的研究具有世界一流的水平[6]。只要我们遥感科学与综合自然地理学合作更紧密，在这方面有所创新，领先国际水平，是有基础的。这里也许也有必要介绍一下自然地理的“尺度综合”和我们遥感科学的尺度转换的差别。简言之，多尺度(分辨率等)的遥感图像能够提供从“点观测”尺度(代表区间)到地理现象尺度之间多级差的尺度。但是，遥感图像各有自己的分辨率、幅面、重访周期和波段选择。必须有可靠、便捷、自洽的尺度转换，才能满足用户的需求。
在国家基金委、科技部20多年的持续支持下，遥感基础研究的中国学派已经有了一个雏形。定量遥感研究的核心团队，在宏观尺度上以几何光学模型为主，局地尺度上吸取辐射传输理论和其他理论，形成适用于像元尺度的遥感科学理论；并以信息论为基础，在遥感反演中强调先验知识的积累、合理表达和利用，支持在不同尺度上目标参数的定量估计[7]。在定量遥感领域，中国学者具有自身的优势，可望以尺度效应这一基础理论研究为突破点，获得更多的原创性成果。基于中国学派的学术思想，尺度效应研究需要回答两个重要问题：
第一，在像元尺度上的基本物理定律是否仍然适用，适用的条件及如何修正？20年前，普遍流行一个误解，就是：如果像元内所有元素都是各项同性的漫反射表面，则像元
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68卷一定也是漫反射表面。当时，作者为David Simonett的研究生，用一个简单的几何光学模型说明了像元的非漫反射特性主要是像元尺度上地表的三维结构决定的，从而奠定了李小文-Strahler几何光学模型系列的基础。进一步地，李小文等从物理学原理、定律在遥感像元尺度上的适用性出发，探讨了Beer定律[8]、Helmoholtz互易原理[9-10]、Planck定律的尺度效应[11-12]。Beer定律认为光在均匀介质中传播按照负指数衰减，但在植被遥感中，当遥感图像分辨率与叶片之间空隙大小相当和更精细时，光要么穿过植被，要么被叶片截获，则必须借助二项式分布或其他方法描述光的衰减。当分辨率大于植株、植株间存在明显间隙时，Beer定律必须进行向上的尺度纠正。Helmholtz互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基石。李小文等澄清了互易原理用于遥感像元尺度的认识，论证了即使像元内处处满足互易原理，但若空间的均匀入照产生空间不均匀的反射且明暗两区之间串线不对称，互易原理在像元尺度上失效。并采用计算机模拟和实测数据对上述理论进行了成功的验证[13]。相似地，假设像元内处处为黑体表面，处处满足Planck定律，像元作为一个整体，可以不满足Planck定律。国外虽然已经看到尺度效应存在，但尚未抓住物理本质。
第二，不同分辨率尺度上目标(地学)要素存在何种规律及联系，如何进行尺度转换？如前所述，国内外遥感研究者在实践中普遍认识到了尺度效应的存在，并在各自的研究中对尺度效应分析、尺度转换方法、模型尺度不变性作出了有意义的探索。如Woodcock和Strahler提出用局部方差描述遥感图像尺度效应的方法，发现图像的局部方差随像元空间尺度变化的规律[14]。Hay等人的研究则表明，不考虑地学描述的经典图像处理方法会使遥感图像的升尺度转换产生严重偏差[15]。Raffy利用计算几何外包络线的模型空间化方法，削减尺度变化给测量值和模型非线性带来的影响[16]。随后又将此模型与最小平方模型相结合，将在小尺度上验证的半经验模型系数升尺度至全球辐亮度的计算[17]。Hu 等人通过加入辐亮度方差和协方差作为尺度因子的修正项，对植被指数在亚像元尺度上的地表异质性进行参数化，从而达成了植被指数算法的尺度不变性[18]。目前，国外研究者以点-面信息转换的统计方法为主，国内学者在尺度效应物理本质、遥感与地学描述相结合方面具有优势。模型尺度效应纠正方面，李小文等在研究了非同温黑体表面普朗克定律尺度效应的基础上，将普朗克定律的尺度纠正推广到一般的非同温三维结构非黑体表面，对其热辐射在像元尺度上的方向性和波谱特征建立了概念模型[3,19-21]。陈军等通过遥感像元八邻域分布方差的计算，分别对悬浮泥沙浓度估算的线性模型、对数模型和指数模型进行了尺度修正[22]。研究了地物波谱、NDVI等地表特性在不同空间尺度上的异同，说明了尺度转换的可行性[23-24]。开展遥感反演地表时空多变要素的尺度转换方法的研究：提出了直方变差图的概念，成功地利用直方图变差图得到的空间分布信息进行了分类面积的降尺度转换[25]和热红外遥感像元上地表贡献和大气贡献的分离[1]；分析比较了选用不同尺度因子的统计回归模型、调制分配模型、和线性光谱混合模型在地表温度降尺度转换中的性能和适应性[26]；利用半变异函数[27]、泰勒级数展开[28]和计算几何[29]等尺度转换模型，研究不同源LAI之间的尺度转换方法；通过尺度转换规律，从多尺度遥感图像系列中同时计算出作物播种面积和LAI[30]；提出结合混合像元和支撑向量机的方法用于净初级生产力的降尺度转换[31]。尺度效应和尺度转换的研究已有一定基础，但还缺少系统性、整体性的研究。[32]中给出了应用于地理学、生态学领域的尺度转换的通用方法及其精度评价。遥感科学中的尺度转换虽有别于地理学、生态学领域的尺度转换，但其本身依赖地学描述的特点又使得我们可以借鉴自然地理学等领域的尺度转换方法，形成自己的创新和突破。另外，一些尺度效应研究的新思路也值得我们关注。如李新①用代表性误差的概念统一由尺度代表性所
①李新.陆地表层系统模拟和观测的不确定性及其控制.中国科学(地球科学),2013,接受.
9期李小文等：定量遥感尺度效应刍议
1167引起的观测误差，从不确定性的角度考虑地表参数的高度空间异质性，提出应以随机的观点对待复杂的陆地表层系统(如数据同化方法)并发展描述动力学系统统计分布的新一代模型。
在刚开始执行的黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验(HiWATER)中，明确了需要在观测和专题试验两方面开展尺度效应的研究，提出了度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性的观测要求和在专题试验环境开展非均匀下垫面地表蒸散发尺度扩展的要求[33]。HiWATER是继第二个973后在黑河流域开展的新一轮的、以“方法论”研究为主要目标的大型综合遥感试验，这将从数据和方法论两方面有力地促进尺度效应和尺度转换的研究。
作为遥感科学中的关键问题，尺度问题自提出后至现在已有三十年，已经得到了研究者的普遍关注，但这些已取得的方法和结果距离实际应用还有较大的差距，对尺度效应的认识和方法论还不够系统，严重制约了定量遥感突破非普适性的瓶颈、再上新台阶的发展。目前，定量遥感第三个973和HiWATER试验刚刚开始执行，定量遥感的基础研究和数据积累都可望有更大的突破。笔者认为，定量遥感研究已经到了向前迈出一大步，冲击遥感产品“尺度效应”和“尺度转换”的时候了。但是要走这一步，工作量是很大的。
3研发普适性时空尺度转换方法
先谈谈笔者对怎么冲击的一些基本构想。“普适性时空尺度转换方法”的框架是：
先在一些分区中取得一些遥感产品参数(机理模型)反演结果随分辨率变化的情况，再试图归纳出一些假说(组)。这里“分区”本身又要用到自然地理学分区与分类的概念。目前，只能假定这些“分区”小到土壤、水分、植被、气候等要素在区内相对匀质，但又大到可以进行遥感尺度效应的分析，和定量遥感产品的生产。
根据这些假说(组)，演绎推断出其他分区参数反演结果随分辨率变化的情况。与实际结果比对，亦可根据地理地带性和分异特征进行归纳和演绎，修改或增减第一阶段的假说(组)。如此反复，尝试得到比较普适的、可运行化的结论(第二阶段的假说(组))。
然后扩大分区的范围，缩减分区的的总数，为第2层次的分区，再重复前两步，直到第N层次，当分区总数已经无法再减少的时候，暂时停止，再研究下一步怎么走。
4讨论
本文仅涉及遥感科学基础研究目前面临的尺度问题。遥感科学与其它学科的交叉，不是不重要，但与国外先进水平相比，遥感与综合自然地理学的交叉在我国科学界长期以来未受足够的重视。目前已有一定基础到解决这个问题的时候了。
科学创新，方法先行。本文仅是一个方法的框架，有很多问题还需要具体化。希望各位尊贵的读者批评指教。
鸣谢：感谢傅伯杰、徐冠华、刘昌明院士(时间先后为序)和宋长青研究员对本文的修改意见，蔡运龙教授在成文过程中的讨论；感谢课题2013CB733401的经费支持和课题组成员，以及科学网网友在理顺思路和文字上的帮助。
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Institute of Remote Sensing Applications of CAS,Beijing100875,China;
2.National Marine Data and Information Service,Tianjin300171,China)
Abstract:With regard to the national needs and basic research,several critical issues should be addressed in quantitative remote sensing:inefficient use of mass remote sensing data, inadequate universality and systematicness of quantitative remote sensing research,and limits in remote sensing applications.Therefore,Remote Sensing Science(RSS)research subjects need to be integrated with other disciplines in order to advance our understanding of RSS.In the authors'opinion,due to the heterogeneity of the geo-surface,generalization and modeling on the basis of experimental data,as opposed to individual interpretation of a specific location,could be the key for the future https://www.360docs.net/doc/e16126560.html,bining"a top-down deduction method" with"a bottom-up induction method"in integrative physical geography in China,we want to build a methodological framework to resolve the central issues of RSS,for instance,the "scale effect",and to create several open platforms(such as data,inversion and computer simulation),and to bring together experts from different disciplines.
Key words:quantitative remote sensing;scale effect;computer simulation
遥感影像的分类处理
摘要 在面向对象的影像分类方法中，首先需要将遥感影像分割成有意义的影像对象集合，进而在影像对象的基础上进行特征提取和分类。本文针对面向对象影像分类思想的关键环节展开讨论和研究，(1) 采用基于改进分水岭变换的多尺度分割算法对高分辨率遥感影像进行分割。构建了基于高斯尺度金字塔的多尺度视觉单词，并且通过实验证明其表达能力优于经典的词包表示。最后，在词包表示的基础上，利用概率潜在语义分析方法对同义词和多义词较强的鉴别能力对影像对象进行分析，找出其最可能属于的主题或类别，进而完成影像的分类。 近些年来，随着航空航天平台与传感器技术的高速发展，获取的遥感影像的分辨率越来越高。高分辨率遥感影像在各行业部门的应用也越来越广泛，除了传统的国土资源、地质调查和测绘测量等部门，还涉及到城市规划、交通旅游和环境生态等领域，极大地拓展了遥感影像的应用范围。因此，对高分辨率遥感影像的处理分析成为备受关注的领域之一。高分辨率遥感影像包括以下三种形式：高空间分辨率（获取影像的空间分辨率从以前的几十米提高到1 至5 米，甚至更高）；高光谱分辨率（电磁波谱被不断细分，获取遥感数据的波段数从几十个到数百个）；高时间分辨率（遥感卫星的回访周期不断缩短，在部分区域甚至可以连续观测）。本文所要研究的高分辨率遥感影像均是指“高空间分辨率”影像。 相对于中低分辨率的遥感数据，高空间分辨率遥感影像具有更加丰富的空间结构、几何纹理及拓扑关系等信息，对认知地物目标的属性特征更加方便，如光谱、形状、纹理、结构和层次等。另外，高分辨率遥感影像有效减弱了混合像元的影响，并且能够在较小的空间尺度下反映地物特征的细节变化，为实现更高精度的地物识别和分类提供了可能。 然而，传统的遥感影像分析方法主要基于“像元”进行，它处于图像工程中的“图像处理”阶段（见图1-1），已然不能满足当今遥感数据发展的需求。基于“像元”的高分辨率遥感影像分类更多地依赖光谱特征，而忽视影像的纹理、形状、上下文和结构等重要的空间特征，因此，分类结果会产生很严重的“椒盐(salt and pepper)现象”，从而影响到分类的精度。虽然国内外的很多研究人员针对以上缺陷提出了很多新的方法，如支持向量机(Support Vector Machine，SVM) 、纹理聚类、分层聚类(Hierarchical Clustering) 、神经网络(Neural Network, NN)等，但仅依靠光谱特征的基于像元的方法很难取得更好的分类结果。基于“像元”的传统分类方法还有着另一个局限：无法很好的描述和应用地物目标的尺度特征，而多尺度特征正是遥感信息的基本属性之一。由于在不同的空间尺度上，同样的地表空间格局与过程会表现出明显的差异，因此，在单一尺度下对遥感影像进行分析和识别是不全面的。为了得到更好的分类结果，需要充分考虑多尺度特征。 针对以上问题，面向对象的处理方法应运而生，并且逐渐成为高空间分辨率遥感影像分析和识别的新途径。所谓“面向对象”，即影像分析的最小单元不再是传统的单个像元，而是由特定像元组成的有意义的同质区域，也即“对象”；因此，在对影像分析和识别的过程
纳米尺寸效应
纳米尺寸效应 纳米是长度单位，原称毫微米，就是10^-9米（10亿分之一米）。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2*10^-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 （1）特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 （2）特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0．1～
第二章-材料的断裂强度
第二章 2.1固体的理论结合强度 2.2 材料的断裂强度 2.3 裂纹的起源与快速扩展 2.4 材料的断裂韧性 2.5显微结构对脆性断裂的影响 2.6无机材料强度的统计性质 2.7材料的硬度 第二章 材料的脆性断裂与强度 2.1固体的理论结合强度 无机材料的抗压强度约为抗拉强度的10倍。所以一般集中在抗拉强度上进行研究，也就是研究其最薄弱环节。 要推导材料的理论强度，应从原子间的结合力入手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。如果知道原子间结合力的细节，即知道应力-应变曲线的精确形式，就可算出理论结合强度。这在原则上是可行的，就是说固体的强度都能够根据化学组成、晶体结构与强度之间的关系来计算。但不同的材料有不同的组成、不同的结构及不同的键合方式，因此这种理论计算是十分复杂的，而且对各种材料都不一样。 为了能简单、粗略的估计各种情况都适应的理论强度，Orowan 提出了以正弦曲线来近似原子间约束力随原子间距离X 的变化曲线（见图2.1），得出 λ πσσX th 2sin ?= 2-1 式中，σ th 为理论结合强度；λ为正弦曲线的波长。 图2.1 原子间约束力与距离的关系 将材料拉断时，产生两个新表面，因此单位面积的原子平面分开所做的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能，材料才能断裂。设分开单位面积原子平面所做的功为w,则
π λπλλ πσλ πσσλ λ th th th x dx x w ===-?]2cos [2 20 22sin 2-2 设材料形成新表面的表面能为γ（这里是断裂表面能，不是自由表面能），则w=2γ,即 γπλο2=th ,λ πγ σ2= th 2-3 接近平衡位置o 的区域，曲线可以用直线代替，服从虎克定律: E a x E ==εσ 2-4 a 为原子间距。X 很小时 sin λ πλ πx x 22≈ 2-5 将（2.3），（2.4）和（2.5）式代入（2.1）式，得 a E th γ σ = 2-6 式中a 为晶格常数，随材料而异。可见理论结合强度只与弹性模量、表面能和晶格距离等材料常数有关，属于材料的本证性能。（2.6）式虽然是粗略的估计，但对所有固体均能应用而不涉及原子间的具体结合力。通常γ约为aE/100,这样，（2.6）式可写成 10 E th = σ 2-7 更精确的计算说明（2.6）式的估计稍偏高。 一般材料性能的典型数值为：E=300GPa,/1J =γm 2 ,a=3?10-10 m,代入（2.6）式算出 σ th =30GPa ≈10 E 2-8 要得到高强度的固体,就要求E 和γ大,a 小。实际材料中只有一些极细的纤维和晶须其强度接近理论强度值.例如熔融石英纤维的强度可达24.1GPa,约为E/3(E,72Gpa),碳化硅晶须强度 6.47GPa,约为E/70(E,470Gpa),氧化铝晶须强度为15.2GPa,约为E/25(E,380Gpa)。尺寸较大的材料实际强度比理论强度低的多,,约为E/100-E/1000,而且实际材料的强度总在一定范围内波动,即使是用同样的材料在相同的条件下制成的试件,强度值也有波动。一般试件尺寸大，强度偏低。为了解释这种现象，人们提出了各种假说，甚至怀疑理论强度的推导过程等，但都没有抓住断裂的本质。直到1920年，Griffith 为了解释玻璃的理论强度与实际强度的差异，提出了微裂纹理论，才解决了上述问题。后来经过不断的发展和补充，逐渐成为脆性断裂的主要理论基础。 §2.2 材料的断裂强度
遥感技术在城市规划中的应用
遥感技术在城市规划中的应用 ——遥感读书报告 摘要：伴随着现代遥感技术的不断发展和完善,遥感数据具有的信息丰富、准确、现势性强等突出特点,使之成为城市规划中一种重要的潜在的数据源。本文总结了遥感在城市规划中的必要性和意义，介绍了遥感的特点和在分析城市规划布局信息中的应用，并总结了一些应用实例。 关键词：遥感；城市规划；空间布局； 0遥感在城市规划中的必要性和意义 城市是一个多维动态空间结构实体，面临着人口、资源、环境、发展的压力，城市可持续发展是国家、区域实现可持续发展的基础。现代化城市发展是以信息技术、智能技术、自动化技术等为基础的规划与管理，信息化是城市规划与管理发展的必然。遥感影像表达的信息内容十分丰富，包括了人们肉眼可分辨的显性信息和难以分辨的隐性信息以及线划图不能表达或被加工去掉的信息，它不但具有同线划图等量的数学精度，而且可用于专业判读、影像解译、资源调查等。这些综合信息经计算机图像增强处理，加上专业人员的释图，得到各种专题图件，如植被分布图、土地利用现状图等，为城市规划设计提供依据。 １遥感数据的特征 (1)空间准确性。遥感都是地面物体的真实反映，空间准确。 (2)时效性。对于采集到的海量的城市规划数据需要高效、迅速和准确的处理,以便尽快提供给规划师和决策者。 (3)多源性。应尽量拓展城市规划数据和信息来源。 (4)直观性。城市规划数据应具有较高的可视化程度,有利于规划管理。绘制及更新土地利用地图及专题地图。利用高分辨率的遥感数据可以对许多城市地物在水平方向上进行准确地判读和空间定位,通过影像处理技术提取丰富而准确的土地利用信息,并绘制土地利用图和各种专题地图。这些地图都是进行城市规划管理和研究的重要依据性资料或基础底图。 (5)视野广。一幅卫星影像涵盖了广阔的地表范围,如一幅SPOT卫星影像扫描地表的范围是3600km2(60*60km),这样对获取大范围的地表信息和数据极为有利。 (6)数字化。卫星遥感数据是数字化信息,可以直接供计算机进行数据的处理、分析和存储,如能够方便快捷地进行面积的量算和统计。 (7)多种比例。卫星影像可以制成不同比例(从1:1,000,000到1:50,000)的各种专题地图。 2遥感应用于城市空间布局信息分析 2.1城市建成区范围及城镇体系分析 由于城市建成区范围反映城市的宏观特性,因此,它的分析并不需要很高空间分辨率的遥感图像,相反,空间分辨率过高,在轮廓界线的提取时就需要 较多的制图综合。一般来说,TM或SPOT图像用来分析城市建成区范围比较合适,一方面,它能比较精确地反映建成区的范围,另一方面,由于成像过程中存在的制图综合,能较容易地提取出轮廓界线。如果要分析一个城市与周围城市或城镇的关系,同样,选择TM或SPOT图像比较合适,如在上海地区的TM图像上,所有乡(镇)政府所在地的城镇都能明显地反映出它们的大小和形状。 2.2城市内部用地结构分析
纳米材料四大效应
1.小尺寸效应：当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应 我的理解是尺寸小了就会出现一些新的现象、新的特性。从理论层面讲主要是由于尺寸变小导致了比表面的急剧增大。由此很好地揭示了纳米材料良好的催化活性。 2.表面效应：是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。 其实质就是小尺寸效应。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。 3. 量子尺寸效应：当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。 可否直接说连续的能带变成能级。 宏观量子隧道效应：微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。因为表面原子数目增多，比表面积大，原子配位不足，表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键，表面能高，因而导致这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面原子的活性不但易引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化，同时也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。纳米材料由此具有了较高的化学活性，使得纳米材料的扩散系数大，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将
影响金属材料疲劳强度的八大因素
影响金属材料疲劳强度的八大因素 Via 常州精密钢管博客 影响金属材料疲劳强度的八大因素 材料的疲劳强度对各种外在因素和内在因素都极为敏感。外在因素包括零件的形状和尺寸、表面光洁度及使用条件等，内在因素包括材料本身的成分，组织状态、纯净度和残余应力等。这些因素的细微变化，均会造成材料疲劳性能的波动甚至大幅度变化。 各种因素对疲劳强度的影响是疲劳研究的重要方面，这种研究将为零件合理的结构设计、以及正确选择材料和合理制订各种冷热加工工艺提供依据，以保证零件具有高的疲劳性能。 应力集中的影响 常规所讲的疲劳强度，都是用精心加工的光滑试样测得的，然而，实际机械零件都不可避免地存在着不同形式的缺口，如台阶、键槽、螺纹和油孔等。这些缺口的存在造成应力集中，使缺口根部的最大实际应力远大于零件所承受的名义应力，零件的疲劳破坏往往从这里开始。 理论应力集中系数Kt ：在理想的弹性条件下，由弹性理论求得的，缺口根部的最大实际应力与名义应力的比值。 有效应力集中系数（或疲劳应力集中系数）Kf：光滑试样的疲劳极限σ-1与缺口试样疲劳极限σ-1n的比值。 有效应力集中系数不仅受构件尺寸和形状的影响，而且受材料的物理性质、加工、热处理等多种因素的影响。 有效应力集中系数随着缺口尖锐程度的增加而增加，但通常小于理论应力集中系数。 疲劳缺口敏感度系数q：疲劳缺口敏感度系数表示材料对疲劳缺口的敏感程度，由下式计算。 q的数据范围是0-1，q值越小，表征材料对缺口越不敏感。试验表明，q并非纯粹是材料常数，它仍然和缺口尺寸有关，只有当缺口半径大于一定值后，q值才基本与缺口无关，而且对于不同材料或处理状态，此半径值也不同。 尺寸因素的影响
多尺度方法在复合材料力学研究中的进展
多尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展 摘要简要介绍了多尺度方法的分量及其适用围，详细论述了多尺度分析方法在纤维增强复合材料弹性、塑性等力学性能中的研究进展，最后对多尺度分析方法的前景进行了展望。 关键词多尺度分析方法，复合材料，力学性能，细观力学，均匀化理论 1 引言 多尺度科学是一门研究不同长度尺度或时间尺度相互耦合现象的跨学科科学，是复杂系统的重要分支之一，具有丰富的科学涵和研究价值。多尺度现象并存于生活的很多方面，它涵盖了许多领域。如介观、微观个宏观等多个物理、力学及其耦合领域[1]。空间和时间上的多尺度现象是材料科学中材料变形和失效的固有现象。 多尺度分析方法是考虑空间和时间的跨尺度与跨层次特征，并将相关尺度耦合的新方法，是求解各种复杂的计算材料科学和工程问题的重要方法和技术。对于求解与尺度相关的各种不连续问题。复合材料和异构材料的性能模拟问题，以及需要考虑材料微观或纳观物理特性，品格位错等问题，多尺度方法相当有效。 复合材料是由两种或者两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一个多相材料系统[2]。复合材料作为一种新型材料，由于具有较高的比强度和比刚度、低密度、强耐腐蚀性、低蠕变、高温下强度保持率高以及生物相容性好等一系列优点，越来越受到土木工程和航空航天工业等领域的重视。 复合材料是一种多相材料，其力学性能和失效机制不仅与宏观性能（如边界
条件、载荷和约束等）有关，也与组分相的性能、增强相的形状、分布以及增强相与基体之间的界面特性等细观特征密切相关，为了优化复合材料和更好地开发利用复合材料，必须掌握其细观结构对材料宏观性能的影响，即应研究多尺度效应的影响。 如何建立起复合材料的有效性能和组分性能以及微观结构组织参数之间的关系，一直是复合材料研究的重点，也是复合材料研究的核心目标之一。近年来，随着细观力学的发展和渐近均匀化理论的深化，人们逐渐认识并开始研究复合材料宏观尺度和细观尺度之间的联系，并把二者结合起来。本文综述了多尺度分析法在纤维增强复合材料力学性能中的研究进展，并对多尺度分析方法的发展进行了展望。 2 纤维增强复合材料力学性能分析中的多尺度方法 目前，纤维增强复合材料的研究方法可分为宏观力学和细观力学方法两种。复合材料宏观力学方法[3]是从唯象学的观点出发，基于均匀化假设，将复合材料当做宏观均匀介质，视增强相和基体为一体，不考虑组分相的相互影响，仅考虑复合材料的平均表现性能。宏观力学方法中的应力、应变不是基体和增强相的真实应力、应变，而是在宏观尺度上的某种平均值。 复合材料细观力学[4]的目的是建立复合材料宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系，是将微观结构形态特征量与宏观力学分析相综合，来建立两个不同尺度之间的联系，细观力学是介于宏观力学与微观力学之间的重要分支学科，对研究跨尺度效应的力学问题，既有重要的理论价值，也有重要的工程应用前景，是当前力学研究的国际前沿性问题。
遥感技术与应用考试资料
遥感技术与应用考试资料
第一、二章 1.遥感： 广义:遥远的感知。 狭义:不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。 2.主动遥感：由探测器主动发射一定电磁波能量并接受目标的后向散射信号； 被动遥感：传感器步向目标发射电磁波，仅被动接受目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。 3.电磁波：由振源发出的电磁振荡在空气中传播。 4.电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。 5.辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量。 6.黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射
的吸收系数等于1（100%）的物体。 7.灰体：没有显著的选择吸收，吸收率虽然小于1，但基本不随波长变化的物体。 8.维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。 9.瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射。 10.米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。 11.辐射度：被辐射的物体表面单位面积的辐射通量。 12.大气窗口：电磁通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段。 13.发射率（比辐射率）：实际物体的辐射出射度Mi于同一温度、统一波长绝对黑体辐射出射度的关系（比例）M=εM0 14、光谱反射率：物体反射的辐射能量占总入射能量的百分比； 15、光谱反射波普曲线：在平面坐标上表示地物
反射率随波长变化规律的曲线。 遥感的特点 视域范围大，具有宏观特性。 光谱特性：探测的波段从可见光向两侧延伸,,扩大了地物特性的研究范围。 周期性：周期成像，有利于进行动态研究和环境监测。 多源性：多平台、多时相、多波段((多尺度))遥感的特性航空与航天飞行器运行快、周期短，可获得多时相数据。例如Landsat 遥感数据 太阳辐射经过大气层到达地面，一部分与地面发生作用后反射或地表辐射，再次经过大气层，到达传感器。传感器将这部分能量记录下来，传回地面，即为遥感数据。 遥感系统是一个从地面到空中乃至整个空间，从信息收集、存储、传输、处理到分析、判读、应用的技术体系， 眼睛的延伸：空间位置的延伸（距离的延伸），光谱的延伸 MSS：多光谱扫描仪 TM：专题制图仪 ETM+：再增强型专题制图仪 太阳同步轨道：卫星轨道平面绕地球运动的角速度与地球绕太阳运动的角速度一致。这一特征使卫星在地球的向光面，以基本相同的当地时间 （9:30a.m~10:00am)通过赤道上空。 全球参考系统（WRSWRS）:LandsatLandsat系统轨道运行的特性产生了一种基于轨道编号和行号的坐标系统。该参考系统可以用于定位获取地球上任一地点的
遥感水文应用中的尺度问题
第16卷第6期2001年12月 地球科学进展 A DVAN C E I N E AR T H S C I E N CE S V o l.16 N o.6 D e c.，2001 文章编号：1001-8166（2001）06-0755-06 遥感水文应用中的尺度问题 傅国斌，李丽娟，刘昌明 （中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101） 摘 要：遥感技术在水文科学中的广泛应用，极大地拓宽了其研究的领域和范围，增加了其研究的深度。但同时也应该看到，遥感信息的空间分辨率和时间分辨率，以及水文科学自身尺度问题的复杂性，一方面对遥感水文的应用产生困难和问题，限制了水文遥感的应用；另一方面又对水文尺度问题提供了新的技术手段，为遥感水文应用增添了新的亮点。从水文机理与空间尺度、遥感信息的空间分辨率、水文参数的空间延拓，以及遥感技术与水文科学的发展等4个方面探讨了遥感水文的空间尺度问题；从瞬时遥感信息的时间拓展和遥感信息的时间分辨率2个方面讨论了遥感水文的时间尺度问题。 关 键 词：遥感；水文科学；尺度问题；空间分辨率；时间分辨率 中图分类号：P33；T P79 文献标识码：A 1 遥感技术在水文学中的应用 1.1 遥感技术在水文学中已经发挥了巨大的作用 虽然到目前为至，还没有专门为水文学研究而发射的卫星，但自1957年人造地球卫星发射成功之后，水文工作者利用气象卫星、陆地资源卫星、微波技术等遥感手段进行水文科学的研究，并且取得了巨大的成就。国内外许多学者都对遥感技术在水文水资源中的应用作过论述［1～4］。 一般而言，遥感技术在水文学中的应用可大致分为2个方面［4］：一是利用遥感资料推求各种水体（如湖泊、湿地等）的面积变化、监测冰川和积雪的融化状态，以及洪水过程的动态监测等，这是遥感技术在水文学中的直接应用。其中最具有代表性的就是洪水过程的动态监测［5］。二是利用遥感资料进行有关水文过程中的参数和变量的推求。通常是利用一些经验公式、统计模型和概念性水文模型等来获取诸如径流、土壤水分、区域蒸发等水文变量。因为这些水文变量不是由遥感资料直接获得，同时在目前的科技水平下也不可能直接获得，所以这种类型又称遥感技术在水文学中的间接应用。如对于区域尺度上的蒸发估算，遥感技术不仅具有常规手段无法比拟的，对大面积地面特征信息同时快捷获得的手段，而且也是目前最经济和最准确的手段［6］。 1.2 遥感技术是水文科学发展的必要手段 未来水文科学的发展在很大程度上取决于水文数据的获得及其精度。尽管目前遥感在水文学中的应用还受到传感器、分辨率（时空）以及释译图像精度等的影响，但遥感图像可以为水文学提供大量有关数据已是无可辨驳的事实。遥感技术可以提供面状信息而非点状信息，可以在直接或间接测量常规手段无法测量到的水文变量和参数（如区域土壤湿度），可以提供长期、动态和连续的大范围资料，因此，在水文学上有着广泛的应用前景。C a s t r u cc i o等估计［7～9］，遥感在水文学中应用的投入产出比为1∶75～1∶100，这主要是指遥感用于防洪抢险、水资源规划与管理中的效率，利益驱动将推动遥感在水文水资源研究中的应用。 收稿日期：2001-01-12，修回日期：2001-04-18. *基金项目：国家重点基础研究发展规划项目“黄河流域水循环动力学机制与模拟“（G1999043601）和“黄河流域水资源演化规律与二元演化模型”（G1999043602）资助． 作者简介：傅国斌（1966-），男，山西临猗人，副研究员，主要从事水文水资源方面的研究．E-m a i l：f ugb ＠i g s n r r. a c. c n
复合材料板弯曲行为分析的高阶多尺度方法
复合材料板弯曲行为分析的高阶多尺度方法 王自强 摘要 复合材料具有良好的物理、力学性能，在航空航天和日常工业用品中已得到广泛应用， 它们经常被制备成板或者壳的形式。因此，针对复合材料板的宏‐细观模型、性能预测、优化设计，以及复合材料板在各种物理和力学荷载作用下的弯曲行为分析已经成为一个十分重要的研究领域。本文主要研究复合材料板静、动力弯曲行为分析的高阶多尺度方法，其结果将为复合材料板的设计和性能预测提供理论支持。 本文的第一部分研究周期性复合材料板在静力作用下弯曲行为分析的高阶双尺度方法。首先，从三维的线弹性方程出发，在细观上定义三维的局部单胞函数，并利用它求出均匀化系数和定义出均匀化方程。其次，利用Reissner-Mindlin位移模式求解均匀化方程后，把得到的局部单胞函数和均匀化解组装成复合材料板弯曲问题位移场的二阶双尺度逼近解。然后，分析了该近似解在点点意义下的对原始方程的近似性和在能量模意义下的整体近似性。最后，给出了典型算例，其数值结果说明了算法的有效性。 本文的第二部分研究周期性复合材料板在稳态热‐力耦合作用下弯曲行为分析的高阶双尺度方法。首先，从三维的稳态热‐力耦合方程出发，在细观上定义能够反映温度增量对位移场影响的三维的局部单胞函数，并利用它求出均匀化系数和定义均匀化方程。其次，对于均匀化的温度场采用积分投影近似，均匀化位移场采用Reissner-Mindlin位移模式求解。然后，由它们组装出温度和位移场的高阶双尺度渐近展开式并给出计算温度场和位移场的二阶双尺度算法，进一步得到温度梯度、位移、应变和应力的二阶双尺度算法。分析了二阶双尺度近似解在点点意义下对原始方程的近似性和在能量模意义下的整体的近似性。最后，给出了数值算例，其数值结果表明算法的有效性。 本文的最后一部分研究周期性复合材料板在瞬态热‐力耦合作用下的弯曲行为分析的高阶双尺度方法。首先，从三维的瞬态热‐力耦合方程出发，在细观上定义能够反映应变率对温度场影响以及温度增量对位移场影响的三维局部单胞函数，并利用它们求出均匀化系数和定义均匀化方程。其次，对于均匀化温度场采用积分投影近似和均匀化的位移场采用Reissner-Mindlin位移模式求解。最后，由高阶的双尺度渐近展开式给出计算温度场和位移场的二阶双尺度算法，进一步可以得到温度梯度、应变和应力的二阶双尺度算法。并分析了二阶双尺度近似解在点点意义下的对原始方程近似性和在能量模意义下的整体的近似性。 高阶多尺度方法可以作为解决类似问题的一个有效工具，可以应用新型复合材料结构的研究、设计及其工程实践。 关键词：复合材料板，弯曲问题，热‐力耦合问题，高阶多尺度方法，近似性分析
当前遥感技术与应用的基本现状
我国遥感发展概况 目前，大量的遥感应用需求，对遥感技术提出了很高的要求，一是对遥感信息的精度要求越来越高，二是对遥感获取的数据量处理越来越大——海量遥感数据。因此，遥感科学发展和应用需求都需要遥感从定性过渡到定量。在这个体系中，主要包括：初具规模的国家对地观测系统；具有较高运行水平的国家级资源环境遥感信息服务；具有一定服务能力的重大自然灾害遥感监测评估系统；具有良好实效的农作物遥感估产系统；已见效益的全国土地资源遥感监测业务运行系统；初步的国民经济辅助决策系统；稳定运行的卫星气象应用系统；比较完善的海洋遥感立体监测系统；以及其它应用系统等。虽然说我们已经是遥感应用的大国，但应用主要是范围外延，项目扩大，技术方法不成熟，精度不足，遥感技术突破不多。主要原因是基础研究薄弱，缺乏多学科人才的共同研究。从应用、技术研究两个层面和技术与应用之间的联结来分析，我们可以进一步研究当前存在的问题。 应用层面：（1）已建立不同规模的卫星数据接收和处理系统，业务运行系统基本上都是基于RS和GIS的集成应用系统，但应用模型开发还很不够。缺少面向评估和决策的专业应用模型。（2）缺乏强有力的基础理论和运行性工具的支撑，不能很好地满足应用需求。（3）在网络应用环境下各种软件、工具和数据库不能很好地集成。（4）自主的高精度数据资源缺乏，需要更高分辨率数据的应用技术，但必须考虑业务化运行系统的运行成本的可承受性。（5）遥感业务运行系统建设的规范化和标准化还不够。在不同部门和不同应用领域中数据缺少连续性和一致性。新的数据源和技术难以嵌入应用于原有应用系统。（6）数据资源是共同面临的大问题，包括遥感数据的稳定性和连续性问题及对基础地理、地质等数据存在公共需求问题。必须在管理层面上走数据邦联的道路，相互自愿，形成机制，共同受益。（7）针对不同的业务，应由权威部门牵头，多家参与。当前存在重复投入和重复建设问题，加重了投资的浪费，加剧了数据来源间的不一致性。 技术研究层面：（1）不同的遥感业务、不同的数据源都需采用不同的技术路线。（2）目视解译仍是遥感图像解译的主要手段，必须发展专家系统技术（3）基于多时相、多源遥感数据的变化检测、估计与分类是遥感应用处理中的共性关
复合材料中的尺寸效应
复合材料中的尺寸效应 复合材料本身就是一种广义的结构，这种结构的破坏问题与结构的尺寸效应有 着必然的联系，复合材料中很多都属于准脆性材料，因此尺寸效应显得尤其重要， 从尺度律和尺寸效应角度研究强度问题是个重要的观点，比如一个长细杠件它的稳定性能一定较差，这也是一种较常见的尺寸效应问题。强度随机性引起的尺寸效应，能量释放的尺寸效应和微裂纹和断裂的分形特性产生的尺寸效应都对复合材料结构的强度的影响有着重要意义。 目前,固体力学中有三种有关尺寸效应的基本理论 : (1)随机强度统计理论 ; (2)长裂纹引起的应力重新分布和断裂能量释放理论 (3)裂纹分形理论,它可分为两大类 : (a) 裂纹表面的侵入式分形特性理论(即表面粗糙度的分形属性) (b) 间隙分形特性理论(代表着微裂纹的分形分布)
这些基本理论概括表现为材料的四种尺寸效应： (l)边界层效应:它是由材料的非均匀性和泊松效应造成的.前者可以混凝土之类的材料为例,由于各种骨料不能穿透表面而使表面层具有不同的成分;而泊松效应指的是,在试样内部可能存在平面应变的状态,它们发生在与试件表面平行的平面上 ,但不是发生在试样的表面，而是发生在试件的中心部位 . (2)表面与裂纹边缘连接处存在三维应力的奇异性: 这也是由于泊松效应引起的.这就造成了断裂扩展区域靠近表面的那一部分的力学行为不同于试样内部 的力学行为 . (3)由扩散现象引起的时间相关的尺寸效应, 所谓扩散可以是多孔介质中热的输运或湿气和化学物质的输运，这一点已在收缩和干燥蠕变现象的尺寸效应中显示出来,原因是半干燥期依赖于尺寸，以及这种尺寸效应对收缩致裂的影响。 (4)材料本构关系的时间相关性 ,特别是材料应变软化的粘性特征,这一特征包含了材料时间相关的特征长度。
!遥感尺度问题研究进展
第16卷第4期2001年8月 地球科学进展 ADVANCE IN EAR TH SCIENCES Vol.16 No.4 Aug.,2001 文章编号:100128166(2001)0420544205 遥感尺度问题研究进展Ξ 苏理宏1,李小文1,3,黄裕霞2 (1.北京师范大学遥感与地理信息系统研究中心,北京 100875; 2.中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101; 3.Depart ment of Geography and Center f or Remote Sensi ng,Boston U niversity,Boston,M A02215,US A) 摘 要:尺度是与空间现象有关的术语,在地学研究中更是一个重要的概念。忽视遥感观测的尺度效应,使得对地观测难以获得精确的地表参数。这一问题已经引起国际遥感界的重视。遥感物理建模和遥感数据应用都有尺度问题,像元尺度上地表参数的定量描述是建立遥感尺度转换模型和信息转换模型的基础。试图从尺度的定义、遥感尺度问题所涉及的内容和遥感尺度效应研究常用的技术方法等三个方面论述遥感尺度问题的研究进展,像元尺度上地表参数的定量描述是遥感信息尺度转换的基础。 关 键 词:遥感模型;尺度问题;尺度转换;地表参数 中图分类号:TP75;P237 文献标识码:A 遥感的优势在于频繁和持久地提供地表特征的面状信息,这对于传统的以稀疏离散点为基础的对地观测手段是一场革命性的变化。由于对遥感观测的尺度效应了解不够,以至于对一些基本物理定理、定律、概念在遥感像元尺度上的适用性不清,对在一个遥感像元尺度上建立的模型在另一像元尺度的适用性不清,这使得对遥感观测的面状信息缺乏理解,难以进行面状信息与传统点信息之间的转换。这也是导致95%的海量遥感数据无法有效利用、前期卓有成效的遥感应用难以再上新台阶的根本原因之一。 尺度是一个广泛使用的术语,在不同的领域有着不同的内涵。Lam等[1]定义了四种与空间现象有关的尺度:①制图尺度或地图尺度,指地图比例尺,大比例尺地图提供更详细信息;②地理尺度,即研究区域的空间扩展,大的研究区域具有更大尺度; ③分辨率,指空间数据集中最小的可区分部分,越细的区分单位具有越小的尺度;④运行尺度,指地学现象发生的空间范围,如森林具有比单个树更大的运行尺度。G oodchild等[2]从地理学的视角出发,认为有关尺度的科学研究应回答这样几个问题:①尺度在空间模式和地表过程检测中的作用,以及尺度对环境建模的冲击;②尺度域(尺度不变范围)和尺度阈值的识别;③尺度转换,尺度分析和多尺度建模方法的实现。可以看出尺度问题是广阔而复杂的。 1 与遥感有关的尺度问题 尺度问题在遥感和GIS中同样受到广泛的关注,1993年在法国召开了热红外遥感尺度问题国际会议,认为尺度问题是对从天空观测地球的首要挑战[3]。地表信息在时间上和空间上的分辨率都有极大的跨度,在某一个尺度上人们观察到的性质,总结出的原理或规律,在另一尺度上可能仍然是有效的、可能是相似的、也可能需要修正。例如一张树叶到一片森林的空间尺度是数量级,很难想像在叶片上适用的模型会同样适用于森林。 从遥感的角度,尺度是从天空测量地球的空间 Ξ 收稿日期:2001201202;修回日期:20012022191E2m ail:lihongsu@https://www.360docs.net/doc/e16126560.html, 3基金项目:国家“九五”攀登预选项目(95-预-38);国家重点基础研究发展规划项目(编号:G2000097700);国家自然科学基金项目“用热点卫星数据研究地表的热点效应”(编号:49971059)和美国NASA NA G5-7217,NA G5-31369项目资助1 作者简介:苏理宏(19652),男,新疆石河子人,博士后,主要从事遥感成像机理和资源与环境信息系统信息共享研究1
微细加工中的尺度效应 整理
微细加工中的尺度效应 在科技飞速发展的今天，人类对机械产品的性能有了许多更高的要求，在通讯、电予、航天、微系统技术、微机电系统等领域，产品微型化已成为人类所追求的同时也是工业界不可阻挡的一个发展方向。这些微小精密产品的制造离不开微细加工技术。而在微细加工中，尺度效应对加工的整个过程有着极大的影响。同时，也正是尺度效应，使得加工后的微小精密零部件有着非常好的性能。所以，尺度效应是微细加工过程中至关重要的可行性评估依据和理论基础。在下面的论述中，将对微细加工中尺度效应的定义、对加工过程的影响以及它的重要意义与实际应用进行简要的阐述。 1.微细加工中的尺度效应的定义 尺度效应是一个很广泛的概念，在不同的学科领域中有着相应的定义。在机械工程领域，尺度效应主要体现在微细加工过程中。如果对尺度效应做一个概括性质的定义，是指:在微细加工的过程中，由于被加工材料整体或局部尺寸的微小化，引起的成形机理、材料变形规律以及材料性能表现出不同于传统成形过程的现象。 2.微细加工中尺度效应的作用机理与影响 在微细加工过程中，由于切削层厚度已经十分薄，尺寸与微观尺度相近，尺度效应对加工精度的影响是十分明显的。传统的制造精度理论和分析方法将不再适用。在加工过程中，尺度效应的作用并非仅仅是将传统加工在尺寸上简单缩小，其主要可以表现为两个方面。 （1）在物理学方面，当切削加工的尺寸减小到一定的程度进入纳米量级时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致多个物理性质呈现新的小尺寸效应。在微米量级或该量级以下时，金属材料的硬度值急剧上升，转剪应力---剪应变曲线、弯曲应力---应变曲线明显升高。由此可见，制造中工件的受力与变形特征与传统构件情况是大不相同的。这主要是由于尺寸的缩小使得切削过程中起主导作用的力发生了变化。 对于微细加工中的工件，随着线性尺寸的减小，其表面积与体积的减小程度是不同的。实际上，随着尺寸减小，微构件表面积与体积之增大。因此，分别与
(完整版)纳米材料四大效应及相关解释
纳米材料四大效应及相关解释 四大效应基本释义及内容： 量子尺寸效应：是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。 宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。 四大效应相关解释及应用： 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱
纳米材料的小尺寸效应
纳米材料的小尺寸效应 吴顺康四川大学生命科学学院2016级生命科学拔尖班 小尺寸现象产生的原因： 纳米粒子的特性当粒子的尺寸进入纳米量级时，微粒内包含的原子数仅为100 ～10000 个，其中有50 ％左右为界原子，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。 小尺寸效应导致的性质（以及部分应用） 由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。例如，金属由于光反射显现各种颜色，而金属纳米微粒都呈黑色，说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。⑵利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。⑴此外，金属超微颗粒的光反射率极低，可低于1%，大约几毫米就可以完全消光。可以利用此特性，高效持续的将太阳能转化为热能和电能。 在物质超细微化之后，纳米材料的熔点显著降低，犹在颗粒直径为10纳米时较为明显，例如金（Au）常规熔点在1064度；然而在颗粒尺寸减少到2纳米时仅为327度；由此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时的基片可以仅仅使用塑胶而不是高温陶瓷。使用超细银粉，可以使膜厚均匀，覆盖面积大，省料而质量高。 纳米小尺寸效应的应用： 纳米材料作为功能材料与产业技术的结合，具有很多潜在的应用价值。小尺寸超微颗粒的磁性与大尺寸材料显著不同，在颗粒尺寸下降到0.02微米以下之后，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小尺寸，其矫顽力反而可以降到0，呈现出超顺磁性。利用超顺磁性颗粒的矫顽力特性，可以将磁性材料制造为用途广泛的液体。⑶21世纪的信息社会，要求记录材料高性能化和高密度化，而纳米微粒能为这种高密度记录提供有利条件。磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图象质量，如日本松下电器公司已制出纳米级微粉录像带，其图像清晰、信噪比高、失真十分小；还可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。将磁性纳米微粉通过界面活性剂均匀分散于溶液中制成的磁体，在宇航、磁制冷、显示及医药中已广泛应用。⑴纳米粒子的高比表面积、高活性使之在传感器方面成为最有前途的材料。外界环境(如温度、光、湿度等)的改变会迅速引起材料表面或界面离子价态和电子输运的变化，利用其电阻的显著变化可以制成传感器，而且响应速度快，灵敏度高。20世纪80年代初，日本已研制出SnO，纳米薄膜传感器，纳米陶瓷材料传感器也具有很大潜力。例如利用纳米LiNbO，LiTiO，PZT和SrTiO的热电效应，可制成红外检测传感器。 纳米材料由于具有特殊的光学性能，可作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸电磁波隐形飞机军舰材料等。如用纳米微粒制成的光纤材料可以降低光导纤维的传输损耗；红外线反射膜材料可用于节能方面等。 陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性，(由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱)，纳米金属同体的硬度比一般粗晶体材料高3～5倍，由氟化磷酸钙等纳米材料构成的人的牙齿具有很高的强度，当材料或那挚特性产生的机制被限制在小于某些临界长度尺寸的空间之内时特性就会改