从散射辐射传输成像到定量精细遥感的信息

星载遥感是电磁波与环境目标相互作用散射辐射传输获取数据图像,并进而反演诠释环境目标物理特征的信息技术。随着星载遥感多任务、多频段、多极化、高分辨率等多源多模式的发展与融合,星载遥感定量精细信息的需求提出了一系列新的信息链科学问题。本文概述本实验室在近十多年里在星载遥感领域的电磁散射辐射传输理论到定量精细遥感信息链的研究,包括：矢量辐射传输与星载微波遥感数据定标与验证（CAL/VAL）、极化电磁散射与全极化多模式合成孔径雷达（SAR）成像信息、高分辨率遥感与自动目标识别（ATR）技术、月球火星等外星遥感信息获取等。     

Multiple-Scattering Formulation of Pulsed Beam Waves in Hydrometeors and Its Application to Millimeter-Wave Weather Radar

This letter deals with the backscattering of millimeter pulsed beam waves from hydrometeors. A new approach is presented for a solution of time-dependent three-dimensional vector radiative transfer equation for the Stokes vectors to study the multiple-scattering effects of beam waves on radar echoes. General solutions for beam waves are derived in an integral form without any approximation. They are given in numerically tractable forms representing the scattering process in the space and time domain. Time-dependent second-order solutions for radar echoes of pulsed beam waves are straightforwardly obtained to predict multiple-scattering effects depending on the variation of an incident beam size. It is shown that the inhomogeneity of the radial direction of beam waves causes the mode coupling of waves between the azimuth directions in the scattering matrix, and that the mode coupling depends on the ratio of the incident beam size to the total mean free path length of the medium     

面向LAI 反演的参数化SAILH 模型

建立了一种基于植被冠层辐射传输模型SAILH 的参数化模型。该模型首先对SAILH 模型中用到的9 个 中间变量的计算过程进行简化, 然后用一个明确的表达式计算光照冠层的单次散射贡献。分别用模拟数据和2008 年黑河地区星-机-地同步实验中获取的地面测量数据对该参数化模型的反演精度和效率进行了评价。评价结果表明 该参数化模型能在保证反演精度的基础上极大的提高反演效率; 利用模拟数据进行的模型稳定性评价表明, 参数 化模型的稳定性优于SAILH 模型。     

临边遥感大气辐射传输的宽光谱快速计算模型

为解决目前临边遥感大气辐射传输模型存在计算光谱窄和计算速度慢等问题,基于HITRAN2008数据库、带模式算法和临边辐射传输方程建立了0.2—20μm波段大气临边辐射传输的宽光谱快速计算模型FALTRAN。建立了含有散射辐射和热辐射的临边辐射传输方程,并依据临边几何特征提出了一种基于有限差分的半球辐射累加HRA解算方法。利用FALTRAN计算分析了几个常用的遥感波段内典型大气条件和切向高度时大气的临边辐射特性,并定量分析了左、右半球辐射对总辐射的贡献情况。模型校验结果表明,FALTRAN与CDI模型的计算结果相对差异在2%以内,并与MIPAS的测量结果符合很好,验证了FALTRAN在临边遥感中大气传输计算的可靠性。     

3维场景植被冠层多波段模拟研究进展

植被冠层辐射散射信号中蕴含了丰富的植被信息,通过构建植被冠层辐射散射模型,可以实现植被结构等生物物理参数的遥感定量反演。迄今为止,可见光/近红外、热红外、微波波段均已发展了大量的模型,这些模型在参数反演方面各具优势,但不同波段的模型又有其自身的局限性。跨波段的联合模拟可以实现模型间的优势互补,进而提高地表参数的反演精度,近年来已有学者专注于可见光/近红外与热红外模型,热红外与微波模型,主被动微波模型,以及可见光/近红外与微波模型的联合模拟和协同反演,但多是两两联合,且主要是基于经验模型或解析模型。基于3维场景的植被冠层辐射散射特性模拟模型可以细致刻画不同组分的结构和空间分布特征,对于由植被结构引起的多次散射和组分比例变化的考虑具有优势。本文主要介绍了3维模拟模型在可见光/近红外、热红外和微波波段,以及跨波段联合模拟方面的研究进展,从模型机理、场景统一、以及组分理化参数的统一的角度,探讨了构建多波段3维模拟系统的可行性,展望了多波段3维模拟模型的发展趋势。     

适用于遥感应用的辐射传输高精度快速计算方法

准确的散射辐射方向特征与辐射传输能量守恒的物理要求是一切算法的有效性准则。在有限计算资源的限制下,寻找最优的有限展开算法,获得能量守恒物理要求下的散射方向特征的准确性,是多年来辐射传输算法的追求目标。在以有限流数离散化辐射传输方程进行数值求解过程中,要保证数值计算中的积分守恒,流数有限要求粒子散射相函数必须截断,而不合适的截断容易导致解的误差,尤其是当大气中存在强前向散射的大粒子时（如云滴、沙尘暴事件过后的沙尘）,截断的相函数会出现振荡,从而导致解的虚假振荡特性。散射相函数无限扩展可以消除这种虚假振荡,但容易导致数值积分能量不守恒和解的不稳定。本文从原理上对这种虚假振荡和不稳定现象进行了分析,并给出两种用较少流数达到较高的计算精度的高效计算方法,这些算法对于遥感方法研究、GCM气候模式中辐射强迫的参数化研究以及地气系统的能量收支研究,尤其是目前研究较多的云和沙尘等大粒子气候效应有重要意义。     

Simulation of the Ku-band Radar altimeter sea ice effective scattering surface

A radiative transfer model is used to simulate the sea ice radar altimeter effective scattering surface variability as a function of snow depth and density. Under dry snow conditions without layering these are the primary snow parameters affecting the scattering surface variability. The model is initialized with in situ data collected during the May 2004 GreenIce ice camp in the Lincoln Sea (73/spl deg/W; 85/spl deg/N). Our results show that the snow cover is important for the effective scattering surface depth in sea ice and thus for the range measurement, ice freeboard, and ice thickness estimation.     

全天空偏振模式及其影响因素初探

太阳光入射与地表、大气相互作用,会在天空中出现较为稳定的天空偏振模式图,即以太阳为中心,天空中的偏振信号呈现一定的规律分布。影响天空偏振模式图的强度及形态主要由地表反射性质、空气分子散射性质及气溶胶光学性质共同影响。本研究利用矢量辐射传输模型,以海洋下垫面为例,在获取沙尘非球形与煤烟非球型气溶胶单次散射性质的基础上,模拟了不同气溶胶光学厚度情况下的全天空偏振模式图。结果表明,天空以太阳入射方向为中心呈现一个较为稳定的天空偏振模式图。沙尘型散射气溶胶光学厚度的增大会减弱该模式图的强度,而煤烟型吸收气溶胶光学厚度的增大会增大该模式图的强度。利用双模态(沙尘型与煤烟型混合)气溶胶模型,系统分析不同气溶胶比例情况下的天空偏振模式图,结果表明全天空偏振模式图的基本模态依旧存在,但是其强度受气溶胶模型与光学厚度双重影响。因此在利用全天空偏振模式图进行气溶胶光学性质反演时需要注意气溶胶模态信息的选择。     

单视SAR图像相干斑回波的特征分析与统计

高分辨率合成孔径雷达的相干斑是由雷达信号的干性引起的，并存在于所有相干图像中。根据SAR成橡机理，分析了产生的原因特征，给出了SAR相干斑的确切定义、统计方法。实验表明统计结果与传统方法相比更加精确。     

植被遥感辐射传输建模中的异质性研究进展

遥感辐射传输建模是在研究电磁波与地物相互作用机理的基础上,建立遥感观测信号与地物属性、地物结构和观测几何等参量之间定量关系的模型,是理解遥感观测信号和反演地表参量的理论基础。近年来空间异质性问题引起了定量遥感领域的高度关注,高分辨率卫星及激光雷达等数据的日益丰富给研究空间异质性提供了有力支撑。在异质性植被场景遥感辐射传输建模过程中,像元内部的组分比例、3维结构、空间格局以及端元边界处的阴影效应与散射过程等方面是需要重点考虑的因素。本文在总结非均质地表空间异质性描述的基础上,分别总结了植被二向性反射与热红外辐射方向性建模研究的发展历程,以及非均质地表植被遥感建模研究的最新进展,并指出了地表遥感建模中研究异质性问题的发展方向。     

广东肇庆地区SIR-C森林雷达后向散射特征分析

森林雷达后向散射特征的研究是森林微波遥感应用的重要前提。本文利用不连续树冠森林微波后向散射模型模拟了肇庆地区松树林的雷达后向散射特征,并与从ＳＩＲ－Ｃ图像提取的雷达后向散射特征进行对比,从而分析和探讨了该区松树的雷达后向散射机制。     

全卷积网络和条件随机场相结合的全极化SAR土地覆盖分类

针对经典全卷积网络(fully convolution network,FCN)分类精度低、效果差,以及传统的极化合成孔径雷达(PolSAR)土地覆盖分类方法未充分考虑地物散射特性的问题,提出了一种结合改进FCN和条件随机场(conditional random field,CRF)的全极化SAR土地覆盖分类算法。首先,利用Freeman分解和Pauli分解建模全极化SAR影像,同时提取各分解对应的散射特征,参考Freeman分解散射功率获取其主散射分量对应的主散射地物;同时,借鉴在图像分类领域中具有卓越表现的FCN-Vgg19-8s网络,考虑其高层卷积参数量大和低层卷积模型参数优化程度不足,通过在高层和中层分别构建多尺度卷积组和代价函数设计了FCN-MD-8s网络,保证对整体模型参数进行降维和优化;以Freeman分解散射机理特征为基准,采用级连式迁移学习结构,实现FCN-MD-8s网络的模型训练和测试;然后,根据主散射分量所对应的主散射地物,在各分量预测图中提取出主特征地物,得到分量地物分类结果,并将其进行叠加得到全局粗分类;最后,利用全连接CRF结合Pauli相干分解重建假彩色图,对全局粗分类进行全局像素类别转移获得细分类结果。通过对分类结果定性和定量分析,可知提出算法具有有效性和可行性。     

SAR稀疏成像模型参数自适应选择

合成孔径雷达(SAR)稀疏成像模型中的参数选择对于SAR稀疏成像的性能有重要影响,也是当前SAR稀疏成像研究中的难点问题。已有参数选择方法普遍存在适用于个别模型或者运算量大的缺点。基于最大后验概率估计和贝叶斯推理,提出了一种无需额外先验信息的自适应参数选择方法,所有需要的参数都可从已知的数据中获取。通过推导得到模型参数与信号、噪声方差的关系,避免了对数据进行一系列的训练处理,因此极大地减小了计算量。仿真数据和实测数据处理表明,本文方法在实现了较为精确的参数优化选择的前提下,其计算量远低于贝叶斯信息论准则、L-曲线等已有参数选择方法。     

MODIS产品估算复杂地形下的光合有效辐射

提出基于MODIS大气和地表产品反演高精度复杂地形下的光合有效辐射模型。该方法是对普通的大气传输模型进行简化, 在模型中分别考虑了削减光合有效辐射的5个主要因子: 瑞利散射、臭氧和水汽吸收、气溶胶散射以及地表和大气间的多次反射。从3个方面考虑了复杂地形对于光合有效辐射的影响: (1) 坡度和坡向; (2) 天空可视角; (3) 邻近地形的附加辐射。提取2006年晴空条件下的估算结果与中国生态网络山东禹城站和长白山站的实测值的比较, 得到相关系数分别为0.924和0.9, 表明模型反演结果能够较好地解译实际光合有效辐射的变化。通过比较考虑地形和不考虑地形2种情况得到的光合有效辐射, 定量地分析了地形对光合有效辐射的影响。     

基于3D真实植被场景的全波段辐射传输模型研究

本文基于3D真实场景CLAMP模型模拟的植被冠层，对冠层在可见一近红外波段和热红外波段的辐射传输进行了综合建模。针对CLAMP模型生成场景的通用和近似特征，在可见一近红外波段，对植被和土壤的单次散射贡献利用光子逆向追踪算法进行了精确计算，多次散射的贡献则采用四流近似理论来计算，以提高运算效率。模型结果与SAILH模型结果进行了比较，具有较好的一致性，并且体现出了优于一维辐射传输模型的模拟结果。在热红外波段，采用几何光学原理，冠层方向亮度温度由可视光照叶片、遮荫叶片、光照土壤和遮荫土壤的比例与对应组分亮温乘积之和得到，模拟结果体现了合理的变化趋势。对冠层主要结构参数LAI和ALA的敏感性进行了比较分析，不同波段模型模拟的方向性辐射结果，很好地反映了结构参数对冠层辐射特性的影响。     

特高压输电铁塔聚束模式SAR干涉特性研究与覆冰试验

本文基于多幅TerraSAR卫星聚束模式SAR影像,研究了武汉特高压试验基地内特高压输电铁塔的雷达散射机制和干涉特性。利用高精度LiDAR扫描铁塔并进行三维建模,基于SAR几何成像关系分析了铁塔不同部位的散射几何关系。对比分析了基于散射强度和投影几何关系量测的铁塔横担间的高差,以及干涉图中相位变化反演的高差。结果表明相位推算的高差受噪声的干扰较大。本文对覆冰铁塔构件的雷达影像进行了理论分析和数据统计。结果表明,10 cm覆冰厚度破坏了铁塔构件二面角散射条件,造成雷达散射信号强度衰减了约8 dB,这表明输电铁塔雷达散射强度的变化可用于量化评估铁塔的覆冰状态。     

光学遥感大气校正研究进展

大气校正是光学遥感信息定量化研究中必不可少的一步,将各种大气校正方法归纳为基于图像特征的相对校正法、基于地面线性回归模型法、基于大气辐射传输模型法和复合模型法4类,详细分析了每一类方法的优缺点、适用范围或影响因素,并对大气校正的未来发展做了几点思考.     

Efficient Calculation of Born Scattering for Fixed-Offset Ground-Penetrating Radar Surveys

A formulation is presented for efficient calculation of linear electromagnetic scattering by buried penetrable objects, as involved in the analysis of fixed-offset ground-penetrating radar (GPR) systems. The actual radiation patterns of the GPR antennas are incorporated in the scattering calculation by using their plane-wave transmitting and receiving spectra     

可见光-近红外波段大气上行与下行辐射分量参数化方法

可见光-近红外波段大气上行、下行辐射是辐射传输建模、成像模拟及大气校正关键的输入参数,根据四流辐射传输理论给出了与二者相关大气参量的数值模型及计算方法,针对Landsat 5 TM 6个波段建立了大气参量与水汽含量、能见度距离和太阳入射天顶角间的参数化模型,在此基础上对各参量间敏感性进行了分析,结果表明参数化模型具备较高精度。同时,计算了各波段大气上行、下行漫射辐射值,对二者在植被和裸土覆盖条件下的差异进行了定量分析。     

Monitoring dam structural health from space: Insights from novel InSAR techniques and multi-parametric modeling applied to the Pertusillo dam Basilicata,Italy

The availability of new constellations of synthetic aperture radar (SAR) sensors is leading to important advances in infrastructure monitoring. These constellations offer the advantage of reduced revisit times, providing low-latency data that enable analysis that can identify infrastructure instability and dynamic deformation processes.In this paper we use COSMO-SkyMed (CSK) and TerraSAR-X (TSX) data to monitor seasonal induced deformation at the Pertusillo dam (Basilicata, Italy) using multi-temporal SAR data analysis. We analyzed 198 images spanning 2010–2015 using a coherent and incoherent PS approach to merge COSMO-SkyMed adjacent tracks and TerraSAR-X acquisitions, respectively. We used hydrostatic-seasonal-temporal (HST) and hydrostatic-temperature-temporal (HTT) models to interpret the non-linear deformation at the dam wall using ground measurements together with SAR time-series analysis. Different look geometries allowed us to characterize the horizontal deformation field typically observed at dams. Within the limits of our models and the SAR acquisition sampling we found that most of the deformation at the Pertusillo dam can be explained by taking into account only thermal seasonal dilation and hydrostatic pressure. The different models show slightly different results when interpreting the aging term at the dam wall. The results highlight how short-revisit SAR satellites in combination with models widely used in the literature for interpreting pendulum and GPS data can be used for supporting structural health monitoring and provide valuable information to ground users directly involved in field measurements.