雷達遙感成像

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、全天候對地觀測能力，並對雲霧、小雨、植被、及乾燥地物有一定的穿透性，此外，通過調節最佳觀測視角，其成像的立體效應可以有效地探測目標地物的空間形態特徵。

基本介紹

• 中文名：雷達遙感成像
• 外文名：Radar remote sensing imaging
• 主要套用領域：軍事、地址學、生態學
• 作用：有效地探測目標地物空間形態特徵
• 特點：主動發射電磁波
• 套用學科：測繪科學、電子科學、物理學

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、全天候對地觀測能力，並對雲霧、小雨、植被、及乾燥地物有一定的穿透性，此外，通過調節最佳觀測視角，其成像的立體效應可以有效地探測目標地物的空間形態特徵。

地質學是雷達遙感除了軍事偵察以外最早的套用領域，起始於20世紀60年代美國在雲霧覆蓋、林木繁茂的南美開展的大規模機載雷達地質套用試驗。進入80年代後，機載雷達遙感已作為一種成熟的技術套用於地質探測中，而星載雷達遙感也蓬勃發展起來。合成孔徑雷達圖像能提供十分豐富的地質構造、岩性、隱伏地質體等地質礦產信息，尤其在火山、隕擊、大斷裂等地質構造探測，以及構造帶控制下的金屬礦床探測等方面具有獨特的優勢。

隨著新型成像雷達遙感技術(極化雷達、干涉雷達)的出現及地質套用的深入，雷達遙感獲取的信息越來越多，越來越全面，數據處理方法和手段越來越完善，雷達遙感已經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)在北美和熱帶地區進行森林調查和製圖研究。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，在北美和歐洲開展了大量生態套用的相關試驗。在這些試驗的基礎上，藉助於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、生物量和森林結構參數估測等多方面的研究，同時也開始進行森林微波後向散射特徵的定量分析和模擬研究。

但至今，成像雷達遙感數據遠不如光學遙感數據套用廣泛，主要障礙在於套用者難以理解SAR數據中包含的強度、相位和極化信息，其特徵與光學遙感影像特徵顯著不同；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影像數據的套用推廣。近十多年來隨著計算機硬體和軟體的飛速發展，SAR遙感數據處理方法與微波散射理論及套用模型的不斷發展及完善，SAR遙感數據套用逐漸廣泛。成像雷達遙感在生態環境，災害監測及全球變化研究中已成為必不可少的對地觀測技術之一，且日漸發揮著愈來愈重要的作用。

地質學套用

在雷達遙感的發展過程中，單波段、單極化及多波段、多極化雷達圖像在地質學中套用非常廣泛。在岩性識別、構造分析、礦產調查、區域地質填圖中都曾經取得了重要的認識與發現，給傳統的地質學帶來了新的活力。

岩性識別

各類岩石物理化學性質及成分的差異，不僅使岩石具有不同的介電常數，重要的是經過長期的風化、剝蝕作用，岩石表面呈現了各自複雜的幾何形狀和表面粗糙度，從而為雷達識別岩性提供了可能。

在雷達圖像上識別和分析岩石類型，主要利用岩石的表面粗糙度、風化特點和地貌形態。粗糙度是岩石的表現特徵，它是決定岩石圖像色調的重要因素，不同岩性的岩石由於風化作用會形成不同的地表形態，反映在雷達圖像上則是不同的紋理，並具有特徵的水系網、植被、耕地等信息。例如，喀斯特地貌是潮濕地區石灰岩和白雲岩的主要解譯依據，這種地貌的雷達圖像特徵是乾草堆形或丘形。在丘形特徵的喀斯特地貌中，沒有水系圖型，只有因圓形類岩孔中可能有的積水形成無回波的圓點。再如乾燥地區的石灰岩常常有塊狀破裂，形成許多角反射器，在雷達圖像上表現強回波。在解譯過程中還可充分利用圖像處理與增強技術，提高對岩性的分辨能力。利用SAR圖像與TM圖像複合，結果獲得了既保留了地形地貌特徵和地質構造信息，又突出了圖像上不同岩性岩石的分布信息。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，從而使各類岩石的可分性得到增強。

地質構造解譯

SAR的側視成像對地表幾何形態的敏感，可對地質構造探測形成立體感較強的圖像，從而能直觀地分析地質構造，揭示構造現象；此外，SAR主動發射電磁波的工作方式，能使特定延伸方向的構造得到增強並得以發現。無論是機載、星載，還是不同波段的雷達圖像，線上性地質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造，雷達圖像用於礦產調查的關鍵就是識別控礦構造。

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、成層岩石和露頭，這類地表特徵常常會引起地貌、覆蓋類型和粗糙度的明顯變化。從雷達影像的色調、陰影，特別是中等和巨觀紋理的分析中，不僅可以得到地勢、地貌的信息，更直觀的信息是地質構造的方位與走向可以從雷達波束的方向和俯角等參數中得到反映，當雷達波束方向與占優勢的線性構造方向垂直或接近垂直時，線性構造的信息反映得最為豐富、詳盡，因為這種情況下線性構造在紋理上表現得十分明顯。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，地質構造的信息通過紋理分析則要容易表現出來。通過紋理分析，將地貌、地勢信息與地質構造信息綜合為一體，可更進一步為區域構造運動的信息和認識奠定基礎。

基岩及火山探測

由於成像雷達側視成像的特點，對識別火山作用形成的獨特地形地貌特徵極為有效。雷達遙感具有的獨特穿透特性使其在地學套用中具有重要意義。郭華東等利用太空梭成像雷達獲取的內蒙古阿拉善高原地區的圖像進行了分析，發現沙帶通過的基岩區仍清晰地呈現一亮回波體，並顯示了其內部的斷裂構造。

生態學套用

遙感影像在生態環境中的套用可分為直接和間接套用兩種。直接套用包括：①土地覆蓋/利用分類，解譯生態景觀模式；②估測或反演與生態系統密切相關的各種生物物理參數(如生物量、樹高、葉面積指數等)；③監測較大地理區域範圍內或較長時間內發生的生態事件和變化過程，如森林火災監測。間接的套用包括套用遙感數據研究與生態環境有關的其它過程，這些過程能夠直接影響生態系統的作用過程。如用遙感數據提取某一區域的植被指數變化信息，然後把植被指數作為某一生態過程模型的輸入參數進行計算。

美國NASA雷達遙感套用小組對星載SAR數據在監測生態環境中的作用作了總結評價，該專家小組一致認為成像雷達對於地球生態環境的套用可分為4類：①土地覆蓋分類。②森林生物量估計。③監測洪水發生的範圍④其它地表動態變化過程的探測。

土地覆蓋分類與植被製圖

很多生態學家把利用遙感技術進行土地覆蓋分類作為在特定研究區開展下一步研究工作的基礎。儘管可見光和紅外波段星載遙感數據廣泛套用於土地覆蓋分類，但雷達數據的套用仍是必要的。首先，成像雷達所獲取的原始信號完全不同於可見光和紅外感測器。如對於被洪水淹沒的森林和陸地森林，由於兩者都極其濃密，在可見光/近紅外圖像上表現出相同的光譜特徵，從而難以區分；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。雲層的連續覆蓋或正好出現於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、監測、製圖有植被覆蓋地表生態的唯一可靠數據源。此外，在大多數情況下，雷達影像數據是可見光/近紅外感測器所能獲取信息的有益補充。

利用成像雷達遙感數據進行森林類型識別、分類和製圖已經取得了許多成功的例子。

生物量測量

地球表面生物量的多少和分布對於全球碳循環極為重要。碳主要以森林生物量形式存在，所以，對生物量變化的監測可為了解全球碳循環提供最基本的信息。但由於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或某種生態類型的生物量十分困難。雷達生態研究的一個重要內容就是進行生物量的估測。大量的研究已經證明，光學遙感數據並不適合用來探測絕大多數生態系統，因為光學遙感數據的飽和生物量很低。研究表明，雷達的後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。

洪泛區與濕地探測

當植被覆蓋下的地表存在有水時，成像雷達發射的電磁波與它們的相互作用不同於與非泛洪區地表的相互作用。被水淹沒的生態系統能引起雷達後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—樹幹的二次反射，從而引起雷達後向散射強度的升高，這種典型的二次散射可用較長波段(L和P波段)來探測。對於長有草本植物的濕地生態系統，由於植被下滯水的存在使電磁前向散射增強，從而導致後向散射的降低。相對光學遙感影像，利用獲取的洪泛區的雷達遙感影像可更有效地監測被淹植被區洪水的時空分布。一般，經常性的洪泛區與濕地緊密相關，兩者是並存的。基於洪泛區與濕地探測開展的相關SAR遙感數據在生態學中的套用有很多。

生態系統動態過程監測

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的在成功運行，這為開展生態系統動態變化研究提供了保證。如可用成像雷達監測植被凍/融狀態的變化，在微波頻率，冰凍意味著土壤和植被介電常數的大幅度降低，因為凍的晶體結構阻止了土壤和植被內極性水分子的旋轉，這個狀態變化導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測以進行作物生長評估；森林火災監測，研究表明森林大火在SAR影像上有著非常明顯的特徵信號；對洪水淹沒分布調查評估，準確地查明洪災對生態系統的受損情況，如農作物、林草地、居民地等淹沒範圍與分布狀況，土地沙化的程度等，並精確地計算出受災面積，評估災情程度，從而及時組織救災，進行災後生態系統恢復和重建。