[科普中國]-雷達遙感成像

簡介定義及特點

雷達遙感成像，一般即指合成孔徑雷達遙感，其顯著特點是主動發(fā)射電磁波，具有不依賴太陽光照及氣候條件的全天時、全天候?qū)Φ赜^測能力，并對云霧、小雨、植被、及干燥地物有一定的穿透性，此外，通過調(diào)節(jié)最佳觀測視角，其成像的立體效應(yīng)可以有效地探測目標地物的空間形態(tài)特征。

地質(zhì)學是雷達遙感除了軍事偵察以外最早的應(yīng)用領(lǐng)域，起始于20世紀60年代美國在云霧覆蓋、林木繁茂的南美開展的大規(guī)模機載雷達地質(zhì)應(yīng)用試驗。進入80年代后，機載雷達遙感已作為一種成熟的技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)探測中，而星載雷達遙感也蓬勃發(fā)展起來。合成孔徑雷達圖像能提供十分豐富的地質(zhì)構(gòu)造、巖性、隱伏地質(zhì)體等地質(zhì)礦產(chǎn)信息，尤其在火山、隕擊、大斷裂等地質(zhì)構(gòu)造探測，以及構(gòu)造帶控制下的金屬礦床探測等方面具有獨特的優(yōu)勢。

隨著新型成像雷達遙感技術(shù)(極化雷達、干涉雷達)的出現(xiàn)及地質(zhì)應(yīng)用的深入，雷達遙感獲取的信息越來越多，越來越全面，數(shù)據(jù)處理方法和手段越來越完善，雷達遙感已經(jīng)深入到可以進行地殼形變、地震孕育、板塊運動及地面沉降的測量和研究。

研究歷史早在20世紀70年代初期，國外就開始利用單波段真實孔徑雷達(RAR)在北美和熱帶地區(qū)進行森林調(diào)查和制圖研究。70年代末，特別是80年代以來，以美國宇航局噴氣推進實驗室(NASA/JPL)，CV-990/980AIRSAR和加拿大遙感中心(CCRS)CV-580SAR為代表的多波段、多極化合成孔徑雷達(SAR)系統(tǒng)，在北美和歐洲開展了大量生態(tài)應(yīng)用的相關(guān)試驗。在這些試驗的基礎(chǔ)上，借助于光學遙感的圖像處理方法和解譯方法，開展了森林類型識別、森林砍伐地與再生地評價、生物量和森林結(jié)構(gòu)參數(shù)估測等多方面的研究，同時也開始進行森林微波后向散射特征的定量分析和模擬研究。

但至今，成像雷達遙感數(shù)據(jù)遠不如光學遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛，主要障礙在于應(yīng)用者難以理解SAR數(shù)據(jù)中包含的強度、相位和極化信息，其特征與光學遙感影像特征顯著不同；此外，SAR影像具有獨特的幾何畸變和斑點噪聲，極大地影響了SAR影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用推廣。近十多年來隨著計算機硬件和軟件的飛速發(fā)展，SAR遙感數(shù)據(jù)處理方法與微波散射理論及應(yīng)用模型的不斷發(fā)展及完善，SAR遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用逐漸廣泛。成像雷達遙感在生態(tài)環(huán)境，災(zāi)害監(jiān)測及全球變化研究中已成為必不可少的對地觀測技術(shù)之一，且日漸發(fā)揮著愈來愈重要的作用。1

地質(zhì)學應(yīng)用在雷達遙感的發(fā)展過程中，單波段、單極化及多波段、多極化雷達圖像在地質(zhì)學中應(yīng)用非常廣泛。在巖性識別、構(gòu)造分析、礦產(chǎn)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)填圖中都曾經(jīng)取得了重要的認識與發(fā)現(xiàn)，給傳統(tǒng)的地質(zhì)學帶來了新的活力。

巖性識別各類巖石物理化學性質(zhì)及成分的差異，不僅使巖石具有不同的介電常數(shù)，重要的是經(jīng)過長期的風化、剝蝕作用，巖石表面呈現(xiàn)了各自復(fù)雜的幾何形狀和表面粗糙度，從而為雷達識別巖性提供了可能。

在雷達圖像上識別和分析巖石類型，主要利用巖石的表面粗糙度、風化特點和地貌形態(tài)。粗糙度是巖石的表現(xiàn)特征，它是決定巖石圖像色調(diào)的重要因素，不同巖性的巖石由于風化作用會形成不同的地表形態(tài)，反映在雷達圖像上則是不同的紋理，并具有特征的水系網(wǎng)、植被、耕地等信息。例如，喀斯特地貌是潮濕地區(qū)石灰?guī)r和白云巖的主要解譯依據(jù)，這種地貌的雷達圖像特征是干草堆形或丘形。在丘形特征的喀斯特地貌中，沒有水系圖型，只有因圓形類巖孔中可能有的積水形成無回波的圓點。再如干燥地區(qū)的石灰?guī)r常常有塊狀破裂，形成許多角反射器，在雷達圖像上表現(xiàn)強回波。在解譯過程中還可充分利用圖像處理與增強技術(shù)，提高對巖性的分辨能力。利用SAR圖像與TM圖像復(fù)合，結(jié)果獲得了既保留了地形地貌特征和地質(zhì)構(gòu)造信息，又突出了圖像上不同巖性巖石的分布信息。另外，比值變換和HIS變換也是多波段圖像處理中對地質(zhì)體識別十分有效的方法，它可以減少地形坡度、坡向的影響，從而使各類巖石的可分性得到增強。2

地質(zhì)構(gòu)造解譯SAR的側(cè)視成像對地表幾何形態(tài)的敏感，可對地質(zhì)構(gòu)造探測形成立體感較強的圖像，從而能直觀地分析地質(zhì)構(gòu)造，揭示構(gòu)造現(xiàn)象；此外，SAR主動發(fā)射電磁波的工作方式，能使特定延伸方向的構(gòu)造得到增強并得以發(fā)現(xiàn)。無論是機載、星載，還是不同波段的雷達圖像，在線性地質(zhì)體的分析中都起到了很大的作用。雷達圖像可以識別褶皺構(gòu)造，雷達圖像用于礦產(chǎn)調(diào)查的關(guān)鍵就是識別控礦構(gòu)造。

雷達成像對大面積的地表地形變化很敏感，如斷層、裂隙、沙丘、成層巖石和露頭，這類地表特征常常會引起地貌、覆蓋類型和粗糙度的明顯變化。從雷達影像的色調(diào)、陰影，特別是中等和宏觀紋理的分析中，不僅可以得到地勢、地貌的信息，更直觀的信息是地質(zhì)構(gòu)造的方位與走向可以從雷達波束的方向和俯角等參數(shù)中得到反映，當雷達波束方向與占優(yōu)勢的線性構(gòu)造方向垂直或接近垂直時，線性構(gòu)造的信息反映得最為豐富、詳盡，因為這種情況下線性構(gòu)造在紋理上表現(xiàn)得十分明顯。而如果俯角適中，就不會因為陰影、疊掩過多、透視收縮過大等造成圖像信息的損失或變形，那么，地質(zhì)構(gòu)造的信息通過紋理分析則要容易表現(xiàn)出來。通過紋理分析，將地貌、地勢信息與地質(zhì)構(gòu)造信息綜合為一體，可更進一步為區(qū)域構(gòu)造運動的信息和認識奠定基礎(chǔ)。2

基巖及火山探測由于成像雷達側(cè)視成像的特點，對識別火山作用形成的獨特地形地貌特征極為有效。雷達遙感具有的獨特穿透特性使其在地學應(yīng)用中具有重要意義。郭華東等利用航天飛機成像雷達獲取的內(nèi)蒙古阿拉善高原地區(qū)的圖像進行了分析，發(fā)現(xiàn)沙帶通過的基巖區(qū)仍清晰地呈現(xiàn)一亮回波體，并顯示了其內(nèi)部的斷裂構(gòu)造。2

生態(tài)學應(yīng)用遙感影像在生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用可分為直接和間接應(yīng)用兩種。直接應(yīng)用包括：①土地覆蓋/利用分類，解譯生態(tài)景觀模式；②估測或反演與生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)的各種生物物理參數(shù)(如生物量、樹高、葉面積指數(shù)等)；③監(jiān)測較大地理區(qū)域范圍內(nèi)或較長時間內(nèi)發(fā)生的生態(tài)事件和變化過程，如森林火災(zāi)監(jiān)測。間接的應(yīng)用包括應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)研究與生態(tài)環(huán)境有關(guān)的其它過程，這些過程能夠直接影響生態(tài)系統(tǒng)的作用過程。如用遙感數(shù)據(jù)提取某一區(qū)域的植被指數(shù)變化信息，然后把植被指數(shù)作為某一生態(tài)過程模型的輸入?yún)?shù)進行計算。

美國NASA雷達遙感應(yīng)用小組對星載SAR數(shù)據(jù)在監(jiān)測生態(tài)環(huán)境中的作用作了總結(jié)評價，該專家小組一致認為成像雷達對于地球生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用可分為4類：①土地覆蓋分類。②森林生物量估計。③監(jiān)測洪水發(fā)生的范圍④其它地表動態(tài)變化過程的探測。1

土地覆蓋分類與植被制圖很多生態(tài)學家把利用遙感技術(shù)進行土地覆蓋分類作為在特定研究區(qū)開展下一步研究工作的基礎(chǔ)。盡管可見光和紅外波段星載遙感數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于土地覆蓋分類，但雷達數(shù)據(jù)的應(yīng)用仍是必要的。首先，成像雷達所獲取的原始信號完全不同于可見光和紅外傳感器。如對于被洪水淹沒的森林和陸地森林，由于兩者都極其濃密，在可見光/近紅外圖像上表現(xiàn)出相同的光譜特征，從而難以區(qū)分；然而，雷達影像能輕易地探測出被淹森林，從而可方便地區(qū)分這兩種不同的森林。光學遙感受氣候與日照的影響是造成需要使用雷達影像的第二個原因。云層的連續(xù)覆蓋或正好出現(xiàn)于當植被生長到最適宜為可見光/近紅外辨別時，在這些情況下，成像雷達是獲取、監(jiān)測、制圖有植被覆蓋地表生態(tài)的唯一可靠數(shù)據(jù)源。此外，在大多數(shù)情況下，雷達影像數(shù)據(jù)是可見光/近紅外傳感器所能獲取信息的有益補充。

利用成像雷達遙感數(shù)據(jù)進行森林類型識別、分類和制圖已經(jīng)取得了許多成功的例子。1

生物量測量地球表面生物量的多少和分布對于全球碳循環(huán)極為重要。碳主要以森林生物量形式存在，所以，對生物量變化的監(jiān)測可為了解全球碳循環(huán)提供最基本的信息。但由于在地面測量生物量不僅耗時、耗力，有時還受自然條件的限制而不能進行，因此，要準確獲取某一地區(qū)或某種生態(tài)類型的生物量十分困難。雷達生態(tài)研究的一個重要內(nèi)容就是進行生物量的估測。大量的研究已經(jīng)證明，光學遙感數(shù)據(jù)并不適合用來探測絕大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)，因為光學遙感數(shù)據(jù)的飽和生物量很低。研究表明，雷達的后向散射對生物量極為敏感。當前，成像雷達遙感為估計生物量提供了最有前景方法手段。1

洪泛區(qū)與濕地探測當植被覆蓋下的地表存在有水時，成像雷達發(fā)射的電磁波與它們的相互作用不同于與非泛洪區(qū)地表的相互作用。被水淹沒的生態(tài)系統(tǒng)能引起雷達后向散射的顯著加強或減弱，例如，在有森林冠層的地帶，冠層下水的存在將會形成地表—樹干的二次反射，從而引起雷達后向散射強度的升高，這種典型的二次散射可用較長波段(L和P波段)來探測。對于長有草本植物的濕地生態(tài)系統(tǒng)，由于植被下滯水的存在使電磁前向散射增強，從而導(dǎo)致后向散射的降低。相對光學遙感影像，利用獲取的洪泛區(qū)的雷達遙感影像可更有效地監(jiān)測被淹植被區(qū)洪水的時空分布。一般，經(jīng)常性的洪泛區(qū)與濕地緊密相關(guān)，兩者是并存的?；诤榉簠^(qū)與濕地探測開展的相關(guān)SAR遙感數(shù)據(jù)在生態(tài)學中的應(yīng)用有很多。1

生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測目前國際上有許多全天時、全天候觀測的星載成像雷達系統(tǒng)的在成功運行，這為開展生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化研究提供了保證。如可用成像雷達監(jiān)測植被凍/融狀態(tài)的變化，在微波頻率，冰凍意味著土壤和植被介電常數(shù)的大幅度降低，因為冰的晶體結(jié)構(gòu)阻止了土壤和植被內(nèi)極性水分子的旋轉(zhuǎn)，這個狀態(tài)變化導(dǎo)致了雷達影像強度的急劇降低(約降低2～4倍)。

還有如對作物長勢進行監(jiān)測以進行作物生長評估；森林火災(zāi)監(jiān)測，研究表明森林大火在SAR影像上有著非常明顯的特征信號；對洪水淹沒分布調(diào)查評估，準確地查明洪災(zāi)對生態(tài)系統(tǒng)的受損情況，如農(nóng)作物、林草地、居民地等淹沒范圍與分布狀況，土地沙化的程度等，并精確地計算出受災(zāi)面積，評估災(zāi)情程度，從而及時組織救災(zāi)，進行災(zāi)后生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建。1