空间微波遥感信息技术的研究进展

一、前言

电磁场与波是信息科学技术的物理基础。正是电磁场与波作为信息传输、信息获取和信息诠释的根本手段，才形成了空对地观测与地球空间遥感、现代通信、广播电视、雷达探测、遥控制导与电子对抗、目标成像与探测识别、全球定位系统GPS和地理信息系统GIS等信息高技术，也形成了地球观测与环境遥感的信息科学基础理论。

空间遥感是在空间平台上用电磁波与地球大气、地表、海洋环境相互作用的散射和辐射来进行观测。它从可见光摄影开始，经过红外热辐射探测，到20世纪70年代已发展到微波、毫米波遥感。由于微波的全天候特点，能穿过云层，还可探测地下结构，随着空间分辨率的不断提高，高分辨率合成孔径雷达(SAR)与多通道辐射计成像(如：特别微波成像辐射计SSMa)技术的发展，以及多源、多极化、多通道、多视角、多用途、主动与被动、多系列、连续多年的空间遥感计划的进行，微波遥感已成为空间遥感发展最前沿的技术。通过电磁波(微波、毫米波、红外与光波等)在地球环境中散射、辐射传输与传播，从多源海量数据获取到科学的定量信息转化要有更高层次的研究，包括复杂环境的理论建模、数值模拟与大规模计算、数据传输收集、数据验证、数据挖掘、多维数据同化、多源信息融合、反演算法与结构重构、图像自动智能化处理，数字化信息系统，以及个学科特定的应用问题。从信息定性诠释到信息定量评估，从多源观测融合到形成科学知识和全方位应用，这是现代电磁波信息科学与空间地球系统科学等多学科交叉的前沿科学技术。

空间遥感对于复杂环境时空不同尺度定量信息获取、信息处理与多学科应用发挥着重大的作用。在国家重点基础研究项目2001CB309400支持下，本文概述我们近年来在空间微波遥感信息获取与处理的理论、方法与应用的研究方向与研究成果。

二、遥感信息机理与数值模拟

讨论了三维非均匀散射层矢量辐射传输方程(VRT)的高阶散射与辐射求解。通常的VRT建模是平行分层随机介质的一维(1D)VRT、或2D或3D标量均匀散射介质的RT。三维非均匀散射介质VRT能计算空间非均匀分布随机散射元的高阶散射与辐射。

讨论了非均匀分层密集球粒子(积雪)或非均匀非球形粒子(植被)VRT矢量辐射传输高阶散射与辐射模拟。

讨论了VRT方程和RT方程的逆问题解析理论。与统计方法不同，逆问题的解析理论能揭示和建立问题内在的物理关系。

在全极化散射与SAR成像机理方面，提出了非均匀植被的极化脉冲回波VRT与时间相关的Mueller矩阵解，数值计算了脉冲入射下非均匀植被同极化和交叉极化的双站散射，并用于下垫地表的参数反演，以及非均匀植被下异常散射体的识别。提出了用脉冲波测定树林有效高度的概念性方法。

图1 、3D-非均匀植被遥感示意图

SAR全极化散射测量与成像是自20世纪九十年代以来最重要的空间遥感技术之一。讨论了SAR全极化散射的随机介质建模、相干矩阵及其特征值分析，相干矩阵特征值及其信息熵与同极化、交叉极化指数测量值的直接关系等；建立了全极化SAR地表分类的新方法。

图2、用脉冲波获取非均匀植被层的有效高度

讨论了单次飞行全极化SAR图像反演地面数字高程(DEM)，论证了lf，迁移是三个散射Stokes参数的函数。提出用倾斜地表水平方位排列产生的图像纹理作形态学细化算法来确定水平方位角，可用一次飞行的SAR图像数据得到地形数字高程(DEM)的反演。

图3、机载全极化SAR对地表的分类

讨论了多时相SAR图像双阈值算法自动识别城市多年发展的变化。

图4、机载全极化sAR地表植被目标取向识别

图5、由一次SAR飞行反演的DEM

此外，还讨论了SAR多视图像中Stokes参的统计特性与地表分类，散射与逆散射的基本理论和方法等。

三、数据验证与参数反演

空间遥感改变了人类认识自身地球环境的方式，实时连续地提供了海量般的全球数据与图像。如何由这些数据图像资源提取定量的科学信息、进行数据的标定与验证(Calibration and Validation)，特征性参数反演与重构，对于遥感实际应用是本质性的关键的工作，对于遥感科学技术进一步的发展也最具有说服力。我们寻求在特征性的重大关键事件的遥感数据验证，有新理论、新应用与示范方法的新突破。包括：进行在轨或将在轨遥感器数据试验与先后验证，讨论了星载被动微波遥感(如：SSM／I，AMSR．E，TMI等)数据特征，对于植被、土壤湿度、沙暴、洪涝、降雨等特征物理参数反演和特征重构，为关键遥感系统的性能仿真与预估，以及为未来空间遥感、特别对于我国下一代静止气象卫星微波辐射计性能指标有效载荷等进行了研究。

四、人工智能与图像处理

多源、多通道、多极化、多项空间计划、多年连续的遥感与对地观测对同一区域、同一事件，应表现出一致与互补的信息，这就是多源数据信息融合的任务，提取更为丰富更为准确的信息。多源数据信息融合的定义可为：多源数据与信息的自动识别、归类、相关、评估与组合的多层次、多方面的处理理论与算法。微波与光、红外多源遥感数据信息融合研究是计算机数据融合处理与地球定量遥感科学信息的综合技术，是今后长期的发展方向。

图6、2002．1996年SAR图像自动识别上海市区变化

我们开展人工生命、人工智能自动化技术在遥感中的应用研究， 比如：遥感图像中区域边缘和纹理的机器学习和人工生命模型和高性能算法；人工智能的地理信息系统GIS专家分析系统，开展分布式智能和非规范知识的决策模型研究。

五、对地监测的环境与目标特性

复杂地海环境电磁散射在空对地遥感中是信号，在目标识别中就是杂波。环境杂波与目标回波的散射机理、理论建模、数值模拟与空间遥感都是紧密相关的。随着计算机计算科学的发展，复杂问题如目标与环境复合建模的计算与模拟就成为仿真实验与理论评估不可缺少的关键之一，复杂地海环境与特定目标特性的研究有十分重要的应用。

内容包括：低掠角入射海面与船目标散射模拟的广义前后向迭代与谱积分加速方法，实现特别在低掠角条件下风驱海面杂波与船目标回波的数值模拟。大范围海面上舰船与低空目标的复合建模，讨论了含共形匹配层吸收边界的区域分解法，实现了大范围粗糙海面上舰船与低空目标的双站散射的数值模拟。提出了双级准静态法的有限元数值方法，数值模拟风驱动态海面上低飞目标的Doppler频谱。

图7、海面上舰船目标复合建模

作者：金亚秋，复旦大学波散射与遥感信息国家教育部重点实验室