面对雷达遥感多模式、多极化和高分辨率等发展趋势,结合考古学对空间技术的迫切需求,从雷达遥感工作特性出发,阐述了雷达遥感考古的机理。在回顾雷达遥感考古取得成就的基础上,围绕考古目标探测与发现、监测与诊断等现实需求,提出了一种适应于考古研究的雷达遥感实施框架;并对当前所面临的科学问题及研究内容进行了深入探索与分析。应用实践认为以项目实施为牵引,建立典型示范案例地,开展雷达遥感机理、方法与模型等考古适应性研究刻不容缓,并可着实推进我国文明探源与遗产地可持续化发展。

从永久散射体(PS,Persistent Scatterer)和分布式目标(DS,Distributed Scatterer)机理出发,以四川都江堰世界文化遗产地为例,利用2008~2010年的23幅ENVISAT ASAR图像提取了PS候选点和DS候选区;选取4个样本研究两者时空分布模式,并结合阴影叠掩图和土地分类图对所提取的相干目标进行了分析。实验结果表明,使用振幅离散度阈值法提取的PS候选点总体表现为高相干,主要分布在城区,且在水体和叠掩区有少量分布;设定了提取DS候选区的识别原则提取DS候选区,并确定相干系数数据集最佳的计算窗口大小为7×35。DS候选点主要分布在裸露地表和耕地等区域,其相干性在时间序列上抖动,揭示了人类活动和季节变换对其的影响。利用PS和DS时空分布模式及特性,可有效实现两者相干目标的区分与辨识。
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近年来可见光—近红外反射光谱已被广泛应用于估算土壤全氮含量,为大范围区域土壤全氮含量获取提供了一种快速、有效的方法。基于实验室测定的三江源区146个表层土壤(0~30 cm)样品的反射光谱数据(350~2 500 nm)与全氮含量数据;利用偏最小二乘回归(PLSR)和反向传播神经网络(BPNN)两种模型方法与光谱反射率(REF)及其4种数学预处理变换相结合,分别建立分土壤类型样本和总体样本全氮估算模型;评估利用可见光—近红外光谱技术预测三江源区土壤全氮含量的能力。结果表明:BPNN模型的R ²cal R²val及验证RPD的平均值分别为0.87、0.81与2.28;而PLSR模型则相应为0.75、0.72和1.95;表明BPNN模型预测能力整体上要优于PLSR模型。BPNN与光谱各种形式的结合均具有良好、或接近良好预测全氮的能力;而PLSR与REF、倒数对数(Log(1/R))及波段深度(BD)的结合仅少部分具有良好估算能力、大部分则为粗略估算能力,一阶微分(FDR)和二阶微分(SDR)估算精度均较低,尤其是SDR(R²<0.5,RPD=1.10~1.27)均不具备估算能力。总体样本所建模型稳定性好于分土壤类型,分土壤类型建模差异性明显;此外,总体来看,BPNN模型比PLSR建模精度高、模型稳定性好,但PLSR模型可操作性强于BPNN模型。

以黄土高原半干旱区定西为试验区,利用Radarsat-2/SAR和MODIS数据,将由MODIS NDVI估算的植被含水量(VWC)应用到微波散射Water-Cloud模型中校正植被的影响。采用交叉极化(VV/VH)组合方案对植被覆盖下土壤水分的反演进行初步探讨,结果表明:在植被影响校正前,模型反演土壤水分值出现明显低估现象;校正植被影响后,相关系数R由0.13提高到0.44,且通过α=0.01的显著性检验,标准差SD由5.02降低到4.30,有效提高了模型反演土壤水分的准确度。卫星反演的研究区土壤含水量大部分介于10%~30%之间,与实地考察情况一致,较好地反映出区域土壤湿度分布信息。表明,光学和微波协同遥感反演对于提高农田土壤水分遥感反演精度具有较大的应用潜力。

基于2014年8月15日的Landsat 8影像,通过劈窗算法反演西安中心城区地表温度,定量测算热岛中心范围。估算多种地表能量分量,分析热环境格局与地表能量分量的关系。结果表明:(1)西安中心城区城市热岛集中分布在人口、居住、商业密集区、经济技术开发区以及植被覆盖较差的区域;(2)感热、波文比与地表温度呈正相关,人为热与温度呈不显著正相关,净辐射、潜热与地表温度呈显著负相关;(3)城市热岛的地表能量结构中感热与潜热差异是构成城市热岛差异的主要原因。
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在回顾和总结国际微波遥感近50年发展和中国微波遥感发展30余年的基础上,着重分析中国微波遥感技术发展现状,分析了中国在未来几十年对微波遥感发展的广泛需求。提出适应这些需求并进一步提高微波遥感发展水平的若干战略设想和一些应着重研究的前沿技术领域,指出了当前我国在发展微波遥感中值得重视的几个问题。

探测月球和其它外星球是我国空间遥感与深空探测的又一轮新课题。研究地球遥感中星载被动遥感辐射计、主动遥感高分辨率合成孔径雷达等如何应用于月球和其它外星球的探测是一项十分有意义的工作。了解月球表层的月壤与月岩的物质状态及其分布,对于月球资源的科学认识、以及未来月球探测、登月与月球开发,以及其它外星球探测均具有十分重要的意义。先讨论微波被动遥感月球表面辐射的模拟和由微波辐射反演月壤厚度。由月球表面数字高程和月壤厚度实测点数据建立月球表面高度与月壤厚度的一种对应关系,构造整个月球表面月壤厚度的试验性分布。根据克莱门汀的紫外可见光光学数据,计算整个月球表面月壤中FeO+TiO2含量分布,给出整个月球表面月壤介电常数分布。由月球表层温度的观测结果以及月壤的导热特性,给出月尘层与月壤层温度随纬度分布的经验公式。在这些条件基础上,建立月尘、月壤、月岩3层微波热辐射模型。由起伏逸散定理,模拟计算月壤低耗散介质层多通道辐射亮度温度。以此辐射亮度温度模拟加随机噪声为理论观测值,按3层模型提出月壤层厚度反演方法。由于高频通道穿透深度小,由高频通道的辐射亮度温度按照两层尘—月壤微波热辐射模型反演月尘层与月壤层的物理温度。并以此为已知参数,由穿透深度较大的低频通道的辐射亮度温度反演月壤层厚度,对于反演的相对误差也进行了讨论。在研究微波主动遥感方面,提出低空飞行全极化L波段雷达窄脉冲探测月壤层厚与层结构的建议。此时采用一层具有上下随机粗糙界面的有耗
介质层月壤层模型,在下垫月岩粗糙界面上有一层随机分布的碎石散射体。推导了包含面散射、体散射,以及面体相互作用7种散射机制的全极化脉冲波Mueller矩阵解。以月壤特征参数(月壤层厚、FeO+TiO2金属含量、介电常数,界面粗糙度、碎石分布等)为函数,用时域Mueller矩阵解数值模拟来验证方法可行性。L波段窄脉冲极化回波波形能用于反演或估算月壤厚度与分层结构。

合成孔径雷达(SAR ) 对地观测与成像技术是近20 年来空间微波遥感技术最重要的进展。JPL 的SIR-C SAR 与加拿大Radarsat SAR-2 等星载或机载SAR 的全极化散射测量提出了自然地表全极化散射信息获取与处理的关键性科学问题。充分理解自然地表极化散射特性, 进而发展自然地表特征信息的分类、识别和反演算法是SAR 遥感应用的关键问题。近年来, 对于极化SAR 遥感已有广泛的研究。自然地表全极化散射的数值建模与M ueller 矩阵模拟解、相干矩阵及其特征值分析、信息熵等都有了研究与应用。但是, 如何将SAR 图像相干矩阵特征值和信息熵的全极化散射测量与自然地表特征参数直接关联, 并由此发展地表的分类、识别与参数反演等信息获取与处理还有待于大量的研究。本文将论述我们在SAR 全极化散射理论与应用的若干研究进展。第一个问题是如何将SAR 图像相干矩阵特征值和信息熵与同极化、交叉极化后向散射系数的测量直接关联, 与M ueller 矩阵解一起研究地表的分类与识别。第二个问题是如何有全极化散射测量反演地面数字程(DEM )。第三个问题是如何利用多时相SAR 遥感识别、获取与评估地面特征时间上的变化。

空对地海目标的监测、识别是用电磁波(可见光、红外、微波、毫米波等) 与处于地海环境中的目标相互作用的散射和辐射来获取信息、制导和目标截获的。作为空间遥感信息机理基础的地海环境中电磁散射辐射传输的研究直接在国家安全、军事环境监测、导弹制导、背景中目标识别与跟踪、军事预警、电子对抗等军事高科技中有着十分关键的应用。介绍近年来对于地海环境中目标监测的研究, 包括: 雷达监测与截获海杂波环境中舰船目标的双站电磁散射数值仿真, 弹道导弹寻的雷达目标跟踪时地表散射杂波的模拟与多普勒频移的仿真,SAR 图像中船行尾迹对舰船目标的识别, 从空间微波遥感SAR, SSM/I 等图像数据中反演特定区域的气象等环境特征的研究等。