一、前言

電磁場(chǎng)與波是信息科學(xué)技術(shù)的物理基礎(chǔ)。正是電磁場(chǎng)與波作為信息傳輸、信息獲取和信息詮釋的根本手段，才形成了空對(duì)地觀測(cè)與地球空間遙感、現(xiàn)代通信、廣播電視、雷達(dá)探測(cè)、遙控制導(dǎo)與電子對(duì)抗、目標(biāo)成像與探測(cè)識(shí)別、全球定位系統(tǒng)GPS和地理信息系統(tǒng)GIS等信息高技術(shù)，也形成了地球觀測(cè)與環(huán)境遙感的信息科學(xué)基礎(chǔ)理論。

空間遙感是在空間平臺(tái)上用電磁波與地球大氣、地表、海洋環(huán)境相互作用的散射和輻射來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。它從可見(jiàn)光攝影開(kāi)始，經(jīng)過(guò)紅外熱輻射探測(cè)，到20世紀(jì)70年代已發(fā)展到微波、毫米波遙感。由于微波的全天候特點(diǎn)，能穿過(guò)云層，還可探測(cè)地下結(jié)構(gòu)，隨著空間分辨率的不斷提高，高分辨率合成孔徑雷達(dá)(SAR)與多通道輻射計(jì)成像(如：特別微波成像輻射計(jì)SSMa)技術(shù)的發(fā)展，以及多源、多極化、多通道、多視角、多用途、主動(dòng)與被動(dòng)、多系列、連續(xù)多年的空間遙感計(jì)劃的進(jìn)行，微波遙感已成為空間遙感發(fā)展最前沿的技術(shù)。通過(guò)電磁波(微波、毫米波、紅外與光波等)在地球環(huán)境中散射、輻射傳輸與傳播，從多源海量數(shù)據(jù)獲取到科學(xué)的定量信息轉(zhuǎn)化要有更高層次的研究，包括復(fù)雜環(huán)境的理論建模、數(shù)值模擬與大規(guī)模計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸收集、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)挖掘、多維數(shù)據(jù)同化、多源信息融合、反演算法與結(jié)構(gòu)重構(gòu)、圖像自動(dòng)智能化處理，數(shù)字化信息系統(tǒng)，以及個(gè)學(xué)科特定的應(yīng)用問(wèn)題。從信息定性詮釋到信息定量評(píng)估，從多源觀測(cè)融合到形成科學(xué)知識(shí)和全方位應(yīng)用，這是現(xiàn)代電磁波信息科學(xué)與空間地球系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)技術(shù)。

空間遙感對(duì)于復(fù)雜環(huán)境時(shí)空不同尺度定量信息獲取、信息處理與多學(xué)科應(yīng)用發(fā)揮著重大的作用。在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目2001CB309400支持下，本文概述我們近年來(lái)在空間微波遙感信息獲取與處理的理論、方法與應(yīng)用的研究方向與研究成果。

二、遙感信息機(jī)理與數(shù)值模擬

討論了三維非均勻散射層矢量輻射傳輸方程(VRT)的高階散射與輻射求解。通常的VRT建模是平行分層隨機(jī)介質(zhì)的一維(1D)VRT、或2D或3D標(biāo)量均勻散射介質(zhì)的RT。三維非均勻散射介質(zhì)VRT能計(jì)算空間非均勻分布隨機(jī)散射元的高階散射與輻射。

討論了非均勻分層密集球粒子(積雪)或非均勻非球形粒子(植被)VRT矢量輻射傳輸高階散射與輻射模擬。

討論了VRT方程和RT方程的逆問(wèn)題解析理論。與統(tǒng)計(jì)方法不同，逆問(wèn)題的解析理論能揭示和建立問(wèn)題內(nèi)在的物理關(guān)系。

在全極化散射與SAR成像機(jī)理方面，提出了非均勻植被的極化脈沖回波VRT與時(shí)間相關(guān)的Mueller矩陣解，數(shù)值計(jì)算了脈沖入射下非均勻植被同極化和交叉極化的雙站散射，并用于下墊地表的參數(shù)反演，以及非均勻植被下異常散射體的識(shí)別。提出了用脈沖波測(cè)定樹(shù)林有效高度的概念性方法。

圖1 、3D-非均勻植被遙感示意圖

SAR全極化散射測(cè)量與成像是自20世紀(jì)九十年代以來(lái)最重要的空間遙感技術(shù)之一。討論了SAR全極化散射的隨機(jī)介質(zhì)建模、相干矩陣及其特征值分析，相干矩陣特征值及其信息熵與同極化、交叉極化指數(shù)測(cè)量值的直接關(guān)系等；建立了全極化SAR地表分類(lèi)的新方法。

圖2、用脈沖波獲取非均勻植被層的有效高度

討論了單次飛行全極化SAR圖像反演地面數(shù)字高程(DEM)，論證了lf，遷移是三個(gè)散射Stokes參數(shù)的函數(shù)。提出用傾斜地表水平方位排列產(chǎn)生的圖像紋理作形態(tài)學(xué)細(xì)化算法來(lái)確定水平方位角，可用一次飛行的SAR圖像數(shù)據(jù)得到地形數(shù)字高程(DEM)的反演。

圖3、機(jī)載全極化SAR對(duì)地表的分類(lèi)

討論了多時(shí)相SAR圖像雙閾值算法自動(dòng)識(shí)別城市多年發(fā)展的變化。

圖4、機(jī)載全極化sAR地表植被目標(biāo)取向識(shí)別

圖5、由一次SAR飛行反演的DEM

此外，還討論了SAR多視圖像中Stokes參的統(tǒng)計(jì)特性與地表分類(lèi)，散射與逆散射的基本理論和方法等。

三、數(shù)據(jù)驗(yàn)證與參數(shù)反演

空間遙感改變了人類(lèi)認(rèn)識(shí)自身地球環(huán)境的方式，實(shí)時(shí)連續(xù)地提供了海量般的全球數(shù)據(jù)與圖像。如何由這些數(shù)據(jù)圖像資源提取定量的科學(xué)信息、進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)定與驗(yàn)證(Calibration and Validation)，特征性參數(shù)反演與重構(gòu)，對(duì)于遙感實(shí)際應(yīng)用是本質(zhì)性的關(guān)鍵的工作，對(duì)于遙感科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展也最具有說(shuō)服力。我們尋求在特征性的重大關(guān)鍵事件的遙感數(shù)據(jù)驗(yàn)證，有新理論、新應(yīng)用與示范方法的新突破。包括：進(jìn)行在軌或?qū)⒃谲夁b感器數(shù)據(jù)試驗(yàn)與先后驗(yàn)證，討論了星載被動(dòng)微波遙感(如：SSM／I，AMSR．E，TMI等)數(shù)據(jù)特征，對(duì)于植被、土壤濕度、沙暴、洪澇、降雨等特征物理參數(shù)反演和特征重構(gòu)，為關(guān)鍵遙感系統(tǒng)的性能仿真與預(yù)估，以及為未來(lái)空間遙感、特別對(duì)于我國(guó)下一代靜止氣象衛(wèi)星微波輻射計(jì)性能指標(biāo)有效載荷等進(jìn)行了研究。

四、人工智能與圖像處理

多源、多通道、多極化、多項(xiàng)空間計(jì)劃、多年連續(xù)的遙感與對(duì)地觀測(cè)對(duì)同一區(qū)域、同一事件，應(yīng)表現(xiàn)出一致與互補(bǔ)的信息，這就是多源數(shù)據(jù)信息融合的任務(wù)，提取更為豐富更為準(zhǔn)確的信息。多源數(shù)據(jù)信息融合的定義可為：多源數(shù)據(jù)與信息的自動(dòng)識(shí)別、歸類(lèi)、相關(guān)、評(píng)估與組合的多層次、多方面的處理理論與算法。微波與光、紅外多源遙感數(shù)據(jù)信息融合研究是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)融合處理與地球定量遙感科學(xué)信息的綜合技術(shù)，是今后長(zhǎng)期的發(fā)展方向。

圖6、2002．1996年SAR圖像自動(dòng)識(shí)別上海市區(qū)變化

我們開(kāi)展人工生命、人工智能自動(dòng)化技術(shù)在遙感中的應(yīng)用研究， 比如：遙感圖像中區(qū)域邊緣和紋理的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工生命模型和高性能算法；人工智能的地理信息系統(tǒng)GIS專(zhuān)家分析系統(tǒng)，開(kāi)展分布式智能和非規(guī)范知識(shí)的決策模型研究。

五、對(duì)地監(jiān)測(cè)的環(huán)境與目標(biāo)特性

復(fù)雜地海環(huán)境電磁散射在空對(duì)地遙感中是信號(hào)，在目標(biāo)識(shí)別中就是雜波。環(huán)境雜波與目標(biāo)回波的散射機(jī)理、理論建模、數(shù)值模擬與空間遙感都是緊密相關(guān)的。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算科學(xué)的發(fā)展，復(fù)雜問(wèn)題如目標(biāo)與環(huán)境復(fù)合建模的計(jì)算與模擬就成為仿真實(shí)驗(yàn)與理論評(píng)估不可缺少的關(guān)鍵之一，復(fù)雜地海環(huán)境與特定目標(biāo)特性的研究有十分重要的應(yīng)用。

內(nèi)容包括：低掠角入射海面與船目標(biāo)散射模擬的廣義前后向迭代與譜積分加速方法，實(shí)現(xiàn)特別在低掠角條件下風(fēng)驅(qū)海面雜波與船目標(biāo)回波的數(shù)值模擬。大范圍海面上艦船與低空目標(biāo)的復(fù)合建模，討論了含共形匹配層吸收邊界的區(qū)域分解法，實(shí)現(xiàn)了大范圍粗糙海面上艦船與低空目標(biāo)的雙站散射的數(shù)值模擬。提出了雙級(jí)準(zhǔn)靜態(tài)法的有限元數(shù)值方法，數(shù)值模擬風(fēng)驅(qū)動(dòng)態(tài)海面上低飛目標(biāo)的Doppler頻譜。

圖7、海面上艦船目標(biāo)復(fù)合建模

作者：金亞秋，復(fù)旦大學(xué)波散射與遙感信息國(guó)家教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室