罗布泊作为中国西部乃至全球典型极端干旱区之一，其变迁乃至干涸记录了干旱区环境变化的历程^{[1， 2]}.罗布泊湖盆区主要被第四纪以来的冲积、洪积、湖积和风力堆积物质所覆盖，被称作是“一个地质学的实验室"，对研究第四纪地质的许多科学问题具有重要意义^[3-5].

遥感影像宏观大尺度的特点对研究大空间范围地质现象具有较大的优势，可以作为传统实地考察和踏勘等手段的有力补充.光学遥感一般用于地表地物光谱特征的分析研究，而合成孔径雷达(SAR)对干燥介质层的穿透作用^[6-8]，使其不仅可以用于地表形态的研究，而且可以对地下目标及其隐伏特征进行探测，为干旱区次地表特征的信息提取与定量研究提供了理论与技术依据^[9-11].自从1972 年美国LANDSAT-1卫星发现罗布泊地区在遥感影像上酷似“大耳朵"的奇特地理现象以来，利用卫星遥感影像揭示环状条纹所反映的地表特征和形成原因，在学术界引起了广泛的关注与讨论.已有的研究结论中，较多数的观点认为“大耳朵"特征是湖水在干涸、退缩过程中形成的年、季韵律线，环状盐壳色调深浅变化取决于卤水层埋深、盐壳含沙量及地面粗糙度的变化^[12-15].然而，这些解释有些是在宏观层面上的推断和猜测，有些只是在少量地段进行了取样后进行定性分析得出的一些初步结论^{[16， 17]}；不仅没有充分考虑次地表沉积物质对“大耳朵"特征的贡献量，而且对遥感影像中蕴含信息的定量建模研究也十分匮乏.

基于上述分析，本文从对罗布泊湖盆区域复杂的散射机制分析入手，选择Fung 提出的双层散射结构模型，对该区域的散射特性进行描述和模拟^[18-21].在此基础上，利用ALOSPALSAR 影像和野外实地考察与室内测量的实验数据对模型的可用性进行验证分析和精度评价，同时开展了相关参数的扩展分析.最后，本文提出了罗布泊“大耳朵"特征形成根本原因的全新解释.

罗布泊及其临近地区位于塔里木盆地东部，新疆巴音郭楞蒙古自治区境内，东接甘肃省，西临塔里木河下游，北为天山前山带觉罗塔格山，南至阿尔金山北麓.地理位置处于东经88°~94°，北纬39°~41°，海拔780m, 面积约10万km².罗布泊湖盆区域的“大耳朵"遥感影像特征如图 1所示.可以看出，雷达影像上的“大耳朵"特征比光学影像上的范围更大，湖盆区域的雷达后向散射强度比周边区域也高很多.然而，上述现象在光学影像上却并不明显.可以推断，除地表结构形态之外，次地表隐含信息对“大耳朵"特征的贡献不容忽视.因此，选取SAR 影像揭示“大耳朵"形成的根本原因更有优势.

图 1

Fig. 1

图 1 罗布泊“大耳朵"湖盆区域的不同类型遥感影像 (a) RADARSAT-1 ； (b) LandsatETM+. Fig. 1 Remote sensing images from different sensors of Lop Nur “Ear" feature (a) RADARSAT -1 ；(b) Landsat ETM+.

本文使用2009 年获取的L 波段ALOSPALSAR 全极化数据对罗布泊湖盆区域的散射特性进行分析研究.对影像进行基本的辐射和几何校正处理后，利用Cloude分解方法对影像进行主要散射机制的分离^[22-25]，结果如图 2 所示.根据对SAR信号在罗布泊湖盆区域传播机制的分析，单次散射贡献主要包括地表与次地表介电性质差异界面处的面散射；二面角散射主要发生在地表，是地表各种微地貌形态的综合响应；多次散射主要发生在次地表干燥盐土混合层中，包括体散射和体散射与面散射的相互作用.从图 2 中可以看出，Cloude分解结果中的多次散射分量对“大耳朵"特征的表达更为清晰，纹理层次更为丰富，有利于次地表介质属性的分析研究.

图 2

Fig. 2

图 2 ALOSPALSAR全极化数据(2009年5月)Cloude分解结果图 (显示了各种散射机制对“大耳朵"特征的贡献量) (a)单次散射；(b)二面角散射；(c)多次散射. Fig. 2 Cloude decomposition results of ALOS PALSAR data and its contribution maps of different scattering mechanism (a) Single scattering； (b) Dihedral angle scattering； (c) Multiple scattering.

为了获取研究区地表和次地表物质和结构的详细信息，2006年10月和2008年11月，先后两次对罗布泊进行野外科学考察，具体的考察路线与样点分布如图 3所示.其中，采样点位置根据ALOSPALSAR 影像的纹理结构选择，采样路线贯穿“大耳朵"特征区域，典型实验区根据SAR 影像中的异常响应特征确定.野外考察中的实验项目主要包括地表粗糙度测量、探地雷达同步测量和土壤样品采集等.基于实地调查采集的土壤样本，在实验室内进行了全盐量、含水量、复介电常数、常见离子含量、机械组成(粒度分布)和PH 值项目的测定工作.上述考察和测量结果为后续数据分析和模型验证提供了有力的依据.

图 3

Fig. 3

图 3 罗布泊野外科学调查采样点位置示意图，以ALOS PALSAR影像作为背景图，绿色三角形表示2008年采样点位置，红色圆圈表示2006年采样点位置 Fig. 3 ALOS PALSAR image for Lop Nur, on which the sample points of field investigations are depicted, and the green triangles and red points represent the geographic location of sample points in 2008 and 2006 respectively.

罗布泊湖盆区域极粗糙的干燥地表形态和SAR 在干旱区独特的穿透能力，使得该区域的散射机制不仅包括单纯的面散射，而且包括次地表结构中复杂的信号传播机制.根据罗布泊古湖盆区域的高亮(强烈后向散射能量)雷达影像特征，结合野外考察和室内测量的数据，分析认为罗布泊湖盆区域次地表存在一层介电性质差异较大的界面.为了利用模型对该区域的散射特性进行定量刻画，将罗布泊次地表结构简化为双层介质^[26]，如图 4 所示.第一层介质的组成物质并不均一，有的是纯盐层，有的是盐土混合层，但是含水量都非常低，为干燥介质；SAR 信号在此层传播过程中的能量损耗就主要表现为与介质层组分相关的吸收衰减与体散射衰减作用.对于第二层介质及其往下的部分，介质含水含盐量比较大，SAR 信号基本无法穿透下去继续传播，因此本文主要考虑第二层界面及其以上部分的影响因素.

图 4

Fig. 4

图 4 罗布泊次地表双层结构与雷达信号散射机制简化示意图，其中d表示第一层介质的垂直厚度，ε表示介电常数，θ表示人射角，θt表示透射角 Fig. 4 Geometrical schematic diagram of the two-layer scattering processes, the scattering physical mechanisms of the upper layer is depicted, d is the depth of the tirst layer ，ε is the complex dielectric constant, θ and θt are the incident angle and transmission angle representatively.

从图 4中可以看出，SAR 信号在第一层介质中的散射作用主要包括三类:面散射作用(包括上层界面处面散射作用和透射到下层界面处的面散射作用)、体散射作用和面散射与体散射之间的相互作用.实际上，多次散射中的体散射与面散射相互作用的分量只有在介质层介电常数比较低时才比较明显，在罗布泊次地表介电常数较高的特殊情况下，该分量的回波相应值极小，可忽略不计.因此本文的后续研究中直接用多次散射贡献量代替能反映次地表介质特性的体散射分量进行模型的模拟与验证.

散射模型的建立和发展一直是雷达遥感基础研究领域的热点问题，也是正确认识和理解雷达遥感数据的基础.本文采用Fung 提出的双层散射结构模型对罗布泊次地表的体散射作用进行模拟^[18]，该模型曾被Lasne应用于美国干旱区地下含水层的探测研究中，取得了较好的效果^[21].体散射的计算公式可表示为

(1)

(1) 式中，σ_vpp⁰ 表示次地表体散射系数，κ_s 和κ_e 分别表示上层介质的散射系数和消光系数，κ_s/κ_e 表示上层介质的反照率，T_ij表示从j介质层到i介质层的Fresnel功率转换系数，其大小取决于入射和透射电磁波的极化模式，θ 和θ_t 分别表示电磁波的入射和透射角，而且它们之间的关系遵循Snell定律，d表示第一层介质的垂直厚度.其中，κ_e、κ_s 和T_ij可分别表示为

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

上述公式中，γ_s 表示介质层中(文中指上层干燥土壤)散射体(文中指盐晶体)的球半径，f表示散射体的体积分数，相当于含盐量，用于描述散射体在介质层中所占的比例，ε_s 和ε_b 分别表示散射体和背景介质层的介电常数，η_i 表示介质层的本征阻抗，N 表示介质层的数量密度，并且满足

(8)

此外，P_pp表示体散射的相位函数，当散射体球半径比入射电磁波的波长小的多时，可以用Rayleigh 相位函数表示体散射的相位函数，本研究中运用Rayleigh相位矩阵的极化分量进行模型的计算与模拟.

为了验证体散射模型的有效性和精度，选取稳定可靠的野外考察采样点作为样本，确定模型模拟所需相关输入参数后，根据样本点的野外和实验室测量结果，通过模型计算得到样本点对应的模型模拟值.同时，将Cloude极化分解方法分离的体散射分量作为标准数据，提取与样本点地理空间位置严格对应的影像像元数值，然后与模型模拟得到的结果进行比较分析.图 5 是模型精度验证中模拟数值与影像数值之间的对比关系图.可以发现，模型模拟结果与影像像元值拟合的整体效果比较好，水平极化(HH)方式的平均误差和均方根误差分别为4.05%和1.62%，垂直极化(VV)方式的平均误差和均方根误差分别为4.22%和1.68%，能够满足建模的目的与要求.需要说明的是，为了避免SAR 影像噪声的干扰与影响，影像提取值低于-21dB 的样本点没有采用.

图 5

Fig. 5

图 5 体散射模型精度验证过程中不同样本点模拟数值与影像像元数值之间的对比关系和精度误差 Fig. 5 Relationships between simulation and image value of different sample points for model validation with average error (AE) and root mean square error (RMSE)

同时，能够看到3号和9号样本点处的对比结果存在一定的偏差.通过查询3 号和9 号样本点的野外考察资料发现，3 号样本点地表突起盐壳下面有将近30cm 的空洞，9 号样本点的次地表结构非常破碎和不规则.两个样本点所处的介质层已经不是简单的双层结构，超出了双层散射结构模型的适用范围.这些特殊的次地表结构增加了SAR 信号多次散射分量在后向散射回波中的贡献量，造成了3号和9号样本点模拟值比实际影像像元值要小，这也充分说明了罗布泊湖盆区域地层结构和散射机制的复杂.

罗布泊是一个相对封闭的盐湖，在漫长的演化和干涸过程中，沉积物形成的纹理明晰的“大耳朵"特征记录了环境变迁的历程.在极端干旱的气候条件下，沉积物中的盐分结晶作用初步塑造了湖盆区域的地表形态，强烈的风化作用使得地表形态受到外营力的不断改造^[27-29].因此，利用稳定的次地表沉积物的参数信息揭示“大耳朵"特征的形成原因较为合理.

通过对3.2小节中公式(1)和(2)的分析，可以发现散射模型中的f，d，γ_s, ε_s, ε_b 和θ 是体散射模型构建的基本输入参数，在野外考察和实验室中对其进行了测量.对于不同的样本点而言，γ_s, ε_s, ε_b 和θ 可以认为是常量，而f和d是变量，因此f和d是罗布泊湖盆区域次地表体散射作用的影响因素.为了揭示f和d与体散射作用之间的关系，图 6给出了三者之间的变化响应关系三维图.根据所选样本点野外考察的结果，罗布泊湖盆区域上层干燥介质层的厚度基本在40~60cm 的范围内；从图中可以发现，在这一介质层厚度区间内，体散射作用随f的变化非常明显.从散射机制的角度来看，次地表介质中含盐量(f)越大，则在有限的次地表介质层厚度范围内，散射粒子的密集程度就越大，从而造成的体散射作用就越显著.因此，可以确定f是次地表体散射作用的直接影响因素.根据上文的分析，次地表体散射作用更能够清晰地表现罗布泊“大耳朵"纹理特征，可以推断次地表含盐量(f)是罗布泊“大耳朵"特征形成的根本原因.

图 6

Fig. 6

图 6 体散射模型参数变化响应关系三维图，可以发现随着含盐量(/)的变化体散射作用变化显著 Fig. 6 3-D plot of volume scattering component analysis, it can be seen clearly that the volume backj^cattering changes along with the f obviously

罗布泊作为中国西部乃至全球典型极端干旱区之一，其历史时期环境变迁的过程及其原因，一直受到科学家的关注.罗布泊“大耳朵"特征及其成因记录了该区域环境变迁的历程，因此，“大耳朵"形成根本原因的揭示对研究罗布泊环境演变过程具有重要的指示作用.本文针对以往研究仅从表观形态分析“大耳朵"成因的不足，基于SAR 数据对干燥地表的穿透性能，分析了次地表稳定沉积物的微波散射特性，结合野外考察和实验室测量的数据，使用双层散射结构模型对次地表体散射分量进行模拟，取得了较好的实验结果.同时，模型的参数分析结果表明，次地表稳定沉积物是罗布泊古湖盆演化结果的直接反映，沉积物中的含盐量是罗布泊“大耳朵"特征形成的根本原因.

虽然本文利用散射模型对罗布泊湖盆区域的次地表体散射特性进行了模拟，而且精度较高，但是模型构建过程中也存在对罗布泊复杂地表结构形态的简化与近似，仍有不足之处.在后续的研究中，期望获得更多野外样本采集数据和其他类型SAR 数据，利用多时相遥感影像对不同季节湖盆地表的变化规律进行对比研究，从而对模型进行更为广泛的验证.尽管如此，双层散射结构模型仍然可以用于罗布泊次地表体散射特性的描述，进行次地表隐伏特征的提取，为使用雷达遥感技术进行干旱区研究提供了科学依据.

本文中模型的建立与实现阶段得到了中国科学院地理科学与资源研究所付东杰博士研究生的帮助，在此表示感谢.