[科普中国]-雷达遥感成像

简介定义及特点

雷达遥感成像，一般即指合成孔径雷达遥感，其显著特点是主动发射电磁波，具有不依赖太阳光照及气候条件的全天时、全天候对地观测能力，并对云雾、小雨、植被、及干燥地物有一定的穿透性，此外，通过调节最佳观测视角，其成像的立体效应可以有效地探测目标地物的空间形态特征。

地质学是雷达遥感除了军事侦察以外最早的应用领域，起始于20世纪60年代美国在云雾覆盖、林木繁茂的南美开展的大规模机载雷达地质应用试验。进入80年代后，机载雷达遥感已作为一种成熟的技术应用于地质探测中，而星载雷达遥感也蓬勃发展起来。合成孔径雷达图像能提供十分丰富的地质构造、岩性、隐伏地质体等地质矿产信息，尤其在火山、陨击、大断裂等地质构造探测，以及构造带控制下的金属矿床探测等方面具有独特的优势。

随着新型成像雷达遥感技术(极化雷达、干涉雷达)的出现及地质应用的深入，雷达遥感获取的信息越来越多，越来越全面，数据处理方法和手段越来越完善，雷达遥感已经深入到可以进行地壳形变、地震孕育、板块运动及地面沉降的测量和研究。

研究历史早在20世纪70年代初期，国外就开始利用单波段真实孔径雷达(RAR)在北美和热带地区进行森林调查和制图研究。70年代末，特别是80年代以来，以美国宇航局喷气推进实验室(NASA/JPL)，CV-990/980AIRSAR和加拿大遥感中心(CCRS)CV-580SAR为代表的多波段、多极化合成孔径雷达(SAR)系统，在北美和欧洲开展了大量生态应用的相关试验。在这些试验的基础上，借助于光学遥感的图像处理方法和解译方法，开展了森林类型识别、森林砍伐地与再生地评价、生物量和森林结构参数估测等多方面的研究，同时也开始进行森林微波后向散射特征的定量分析和模拟研究。

但至今，成像雷达遥感数据远不如光学遥感数据应用广泛，主要障碍在于应用者难以理解SAR数据中包含的强度、相位和极化信息，其特征与光学遥感影像特征显著不同；此外，SAR影像具有独特的几何畸变和斑点噪声，极大地影响了SAR影像数据的应用推广。近十多年来随着计算机硬件和软件的飞速发展，SAR遥感数据处理方法与微波散射理论及应用模型的不断发展及完善，SAR遥感数据应用逐渐广泛。成像雷达遥感在生态环境，灾害监测及全球变化研究中已成为必不可少的对地观测技术之一，且日渐发挥着愈来愈重要的作用。1

地质学应用在雷达遥感的发展过程中，单波段、单极化及多波段、多极化雷达图像在地质学中应用非常广泛。在岩性识别、构造分析、矿产调查、区域地质填图中都曾经取得了重要的认识与发现，给传统的地质学带来了新的活力。

岩性识别各类岩石物理化学性质及成分的差异，不仅使岩石具有不同的介电常数，重要的是经过长期的风化、剥蚀作用，岩石表面呈现了各自复杂的几何形状和表面粗糙度，从而为雷达识别岩性提供了可能。

在雷达图像上识别和分析岩石类型，主要利用岩石的表面粗糙度、风化特点和地貌形态。粗糙度是岩石的表现特征，它是决定岩石图像色调的重要因素，不同岩性的岩石由于风化作用会形成不同的地表形态，反映在雷达图像上则是不同的纹理，并具有特征的水系网、植被、耕地等信息。例如，喀斯特地貌是潮湿地区石灰岩和白云岩的主要解译依据，这种地貌的雷达图像特征是干草堆形或丘形。在丘形特征的喀斯特地貌中，没有水系图型，只有因圆形类岩孔中可能有的积水形成无回波的圆点。再如干燥地区的石灰岩常常有块状破裂，形成许多角反射器，在雷达图像上表现强回波。在解译过程中还可充分利用图像处理与增强技术，提高对岩性的分辨能力。利用SAR图像与TM图像复合，结果获得了既保留了地形地貌特征和地质构造信息，又突出了图像上不同岩性岩石的分布信息。另外，比值变换和HIS变换也是多波段图像处理中对地质体识别十分有效的方法，它可以减少地形坡度、坡向的影响，从而使各类岩石的可分性得到增强。2

地质构造解译SAR的侧视成像对地表几何形态的敏感，可对地质构造探测形成立体感较强的图像，从而能直观地分析地质构造，揭示构造现象；此外，SAR主动发射电磁波的工作方式，能使特定延伸方向的构造得到增强并得以发现。无论是机载、星载，还是不同波段的雷达图像，在线性地质体的分析中都起到了很大的作用。雷达图像可以识别褶皱构造，雷达图像用于矿产调查的关键就是识别控矿构造。

雷达成像对大面积的地表地形变化很敏感，如断层、裂隙、沙丘、成层岩石和露头，这类地表特征常常会引起地貌、覆盖类型和粗糙度的明显变化。从雷达影像的色调、阴影，特别是中等和宏观纹理的分析中，不仅可以得到地势、地貌的信息，更直观的信息是地质构造的方位与走向可以从雷达波束的方向和俯角等参数中得到反映，当雷达波束方向与占优势的线性构造方向垂直或接近垂直时，线性构造的信息反映得最为丰富、详尽，因为这种情况下线性构造在纹理上表现得十分明显。而如果俯角适中，就不会因为阴影、叠掩过多、透视收缩过大等造成图像信息的损失或变形，那么，地质构造的信息通过纹理分析则要容易表现出来。通过纹理分析，将地貌、地势信息与地质构造信息综合为一体，可更进一步为区域构造运动的信息和认识奠定基础。2

基岩及火山探测由于成像雷达侧视成像的特点，对识别火山作用形成的独特地形地貌特征极为有效。雷达遥感具有的独特穿透特性使其在地学应用中具有重要意义。郭华东等利用航天飞机成像雷达获取的内蒙古阿拉善高原地区的图像进行了分析，发现沙带通过的基岩区仍清晰地呈现一亮回波体，并显示了其内部的断裂构造。2

生态学应用遥感影像在生态环境中的应用可分为直接和间接应用两种。直接应用包括：①土地覆盖/利用分类，解译生态景观模式；②估测或反演与生态系统密切相关的各种生物物理参数(如生物量、树高、叶面积指数等)；③监测较大地理区域范围内或较长时间内发生的生态事件和变化过程，如森林火灾监测。间接的应用包括应用遥感数据研究与生态环境有关的其它过程，这些过程能够直接影响生态系统的作用过程。如用遥感数据提取某一区域的植被指数变化信息，然后把植被指数作为某一生态过程模型的输入参数进行计算。

美国NASA雷达遥感应用小组对星载SAR数据在监测生态环境中的作用作了总结评价，该专家小组一致认为成像雷达对于地球生态环境的应用可分为4类：①土地覆盖分类。②森林生物量估计。③监测洪水发生的范围④其它地表动态变化过程的探测。1

土地覆盖分类与植被制图很多生态学家把利用遥感技术进行土地覆盖分类作为在特定研究区开展下一步研究工作的基础。尽管可见光和红外波段星载遥感数据广泛应用于土地覆盖分类，但雷达数据的应用仍是必要的。首先，成像雷达所获取的原始信号完全不同于可见光和红外传感器。如对于被洪水淹没的森林和陆地森林，由于两者都极其浓密，在可见光/近红外图像上表现出相同的光谱特征，从而难以区分；然而，雷达影像能轻易地探测出被淹森林，从而可方便地区分这两种不同的森林。光学遥感受气候与日照的影响是造成需要使用雷达影像的第二个原因。云层的连续覆盖或正好出现于当植被生长到最适宜为可见光/近红外辨别时，在这些情况下，成像雷达是获取、监测、制图有植被覆盖地表生态的唯一可靠数据源。此外，在大多数情况下，雷达影像数据是可见光/近红外传感器所能获取信息的有益补充。

利用成像雷达遥感数据进行森林类型识别、分类和制图已经取得了许多成功的例子。1

生物量测量地球表面生物量的多少和分布对于全球碳循环极为重要。碳主要以森林生物量形式存在，所以，对生物量变化的监测可为了解全球碳循环提供最基本的信息。但由于在地面测量生物量不仅耗时、耗力，有时还受自然条件的限制而不能进行，因此，要准确获取某一地区或某种生态类型的生物量十分困难。雷达生态研究的一个重要内容就是进行生物量的估测。大量的研究已经证明，光学遥感数据并不适合用来探测绝大多数生态系统，因为光学遥感数据的饱和生物量很低。研究表明，雷达的后向散射对生物量极为敏感。当前，成像雷达遥感为估计生物量提供了最有前景方法手段。1

洪泛区与湿地探测当植被覆盖下的地表存在有水时，成像雷达发射的电磁波与它们的相互作用不同于与非泛洪区地表的相互作用。被水淹没的生态系统能引起雷达后向散射的显著加强或减弱，例如，在有森林冠层的地带，冠层下水的存在将会形成地表—树干的二次反射，从而引起雷达后向散射强度的升高，这种典型的二次散射可用较长波段(L和P波段)来探测。对于长有草本植物的湿地生态系统，由于植被下滞水的存在使电磁前向散射增强，从而导致后向散射的降低。相对光学遥感影像，利用获取的洪泛区的雷达遥感影像可更有效地监测被淹植被区洪水的时空分布。一般，经常性的洪泛区与湿地紧密相关，两者是并存的。基于洪泛区与湿地探测开展的相关SAR遥感数据在生态学中的应用有很多。1

生态系统动态过程监测目前国际上有许多全天时、全天候观测的星载成像雷达系统的在成功运行，这为开展生态系统动态变化研究提供了保证。如可用成像雷达监测植被冻/融状态的变化，在微波频率，冰冻意味着土壤和植被介电常数的大幅度降低，因为冰的晶体结构阻止了土壤和植被内极性水分子的旋转，这个状态变化导致了雷达影像强度的急剧降低(约降低2～4倍)。

还有如对作物长势进行监测以进行作物生长评估；森林火灾监测，研究表明森林大火在SAR影像上有着非常明显的特征信号；对洪水淹没分布调查评估，准确地查明洪灾对生态系统的受损情况，如农作物、林草地、居民地等淹没范围与分布状况，土地沙化的程度等，并精确地计算出受灾面积，评估灾情程度，从而及时组织救灾，进行灾后生态系统恢复和重建。1