一、前言

電磁場與波是信息科學技術的物理基礎。正是電磁場與波作為信息傳輸、信息獲取和信息詮釋的根本手段，才形成了空對地觀測與地球空間遙感、現代通信、廣播電視、雷達探測、遙控制導與電子對抗、目標成像與探測識別、全球定位系統GPS和地理信息系統GIS等信息高技術，也形成了地球觀測與環境遙感的信息科學基礎理論。

空間遙感是在空間平臺上用電磁波與地球大氣、地表、海洋環境相互作用的散射和輻射來進行觀測。它從可見光攝影開始，經過紅外熱輻射探測，到20世紀70年代已發展到微波、毫米波遙感。由于微波的全天候特點，能穿過云層，還可探測地下結構，隨著空間分辨率的不斷提高，高分辨率合成孔徑雷達(SAR)與多通道輻射計成像(如：特別微波成像輻射計SSMa)技術的發展，以及多源、多極化、多通道、多視角、多用途、主動與被動、多系列、連續多年的空間遙感計劃的進行，微波遙感已成為空間遙感發展最前沿的技術。通過電磁波(微波、毫米波、紅外與光波等)在地球環境中散射、輻射傳輸與傳播，從多源海量數據獲取到科學的定量信息轉化要有更高層次的研究，包括復雜環境的理論建模、數值模擬與大規模計算、數據傳輸收集、數據驗證、數據挖掘、多維數據同化、多源信息融合、反演算法與結構重構、圖像自動智能化處理，數字化信息系統，以及個學科特定的應用問題。從信息定性詮釋到信息定量評估，從多源觀測融合到形成科學知識和全方位應用，這是現代電磁波信息科學與空間地球系統科學等多學科交叉的前沿科學技術。

空間遙感對于復雜環境時空不同尺度定量信息獲取、信息處理與多學科應用發揮著重大的作用。在國家重點基礎研究項目2001CB309400支持下，本文概述我們近年來在空間微波遙感信息獲取與處理的理論、方法與應用的研究方向與研究成果。

二、遙感信息機理與數值模擬

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介質的一維(1D)VRT、或2D或3D標量均勻散射介質的RT。三維非均勻散射介質VRT能計算空間非均勻分布隨機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方程的逆問題解析理論。與統計方法不同，逆問題的解析理論能揭示和建立問題內在的物理關系。

在全極化散射與SAR成像機理方面，提出了非均勻植被的極化脈沖回波VRT與時間相關的Mueller矩陣解，數值計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反演，以及非均勻植被下異常散射體的識別。提出了用脈沖波測定樹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全極化散射測量與成像是自20世紀九十年代以來最重要的空間遙感技術之一。討論了SAR全極化散射的隨機介質建模、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、交叉極化指數測量值的直接關系等；建立了全極化SAR地表分類的新方法。

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圖像反演地面數字高程(DEM)，論證了lf，遷移是三個散射Stokes參數的函數。提出用傾斜地表水平方位排列產生的圖像紋理作形態學細化算法來確定水平方位角，可用一次飛行的SAR圖像數據得到地形數字高程(DEM)的反演。

圖3、機載全極化SAR對地表的分類

討論了多時相SAR圖像雙閾值算法自動識別城市多年發展的變化。

圖4、機載全極化sAR地表植被目標取向識別

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參的統計特性與地表分類，散射與逆散射的基本理論和方法等。

三、數據驗證與參數反演

空間遙感改變了人類認識自身地球環境的方式，實時連續地提供了海量般的全球數據與圖像。如何由這些數據圖像資源提取定量的科學信息、進行數據的標定與驗證(Calibration and Validation)，特征性參數反演與重構，對于遙感實際應用是本質性的關鍵的工作，對于遙感科學技術進一步的發展也最具有說服力。我們尋求在特征性的重大關鍵事件的遙感數據驗證，有新理論、新應用與示范方法的新突破。包括：進行在軌或將在軌遙感器數據試驗與先后驗證，討論了星載被動微波遙感(如：SSM／I，AMSR．E，TMI等)數據特征，對于植被、土壤濕度、沙暴、洪澇、降雨等特征物理參數反演和特征重構，為關鍵遙感系統的性能仿真與預估，以及為未來空間遙感、特別對于我國下一代靜止氣象衛星微波輻射計性能指標有效載荷等進行了研究。

四、人工智能與圖像處理

多源、多通道、多極化、多項空間計劃、多年連續的遙感與對地觀測對同一區域、同一事件，應表現出一致與互補的信息，這就是多源數據信息融合的任務，提取更為豐富更為準確的信息。多源數據信息融合的定義可為：多源數據與信息的自動識別、歸類、相關、評估與組合的多層次、多方面的處理理論與算法。微波與光、紅外多源遙感數據信息融合研究是計算機數據融合處理與地球定量遙感科學信息的綜合技術，是今后長期的發展方向。

圖6、2002．1996年SAR圖像自動識別上海市區變化

我們開展人工生命、人工智能自動化技術在遙感中的應用研究， 比如：遙感圖像中區域邊緣和紋理的機器學習和人工生命模型和高性能算法；人工智能的地理信息系統GIS專家分析系統，開展分布式智能和非規范知識的決策模型研究。

五、對地監測的環境與目標特性

復雜地海環境電磁散射在空對地遙感中是信號，在目標識別中就是雜波。環境雜波與目標回波的散射機理、理論建模、數值模擬與空間遙感都是緊密相關的。隨著計算機計算科學的發展，復雜問題如目標與環境復合建模的計算與模擬就成為仿真實驗與理論評估不可缺少的關鍵之一，復雜地海環境與特定目標特性的研究有十分重要的應用。

內容包括：低掠角入射海面與船目標散射模擬的廣義前后向迭代與譜積分加速方法，實現特別在低掠角條件下風驅海面雜波與船目標回波的數值模擬。大范圍海面上艦船與低空目標的復合建模，討論了含共形匹配層吸收邊界的區域分解法，實現了大范圍粗糙海面上艦船與低空目標的雙站散射的數值模擬。提出了雙級準靜態法的有限元數值方法，數值模擬風驅動態海面上低飛目標的Doppler頻譜。

圖7、海面上艦船目標復合建模

作者：金亞秋，復旦大學波散射與遙感信息國家教育部重點實驗室