金亚秋
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收稿日期: 2016-05-19; 修改日期: 2016-06-07;
优先数字出版日期: 2016-09-25
第一作者简介:
金亚秋(1946-),男,教授,中国科学院院士,IEEE会士,研究方向为电磁波散射辐射传输、空间微波遥感与对地观测信息技术、目标与环境计算电磁学等。E-mail:yqjin@fudan.edu.cn
中图分类号: O441;TP7
文献标识码: A
文章编号: 1007-4619(2016)05-0768-07
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摘要
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。
关键词
散射辐射传输 , 微波遥感 , SAR成像 , 目标识别 , 遥感信息链
JIN Yaqiu
Abstract
Satellite-borne remote sensing is a type of information technology that retrieves the physical characteristics of the environment/targets via scattering and radiative transfer by electromagnetic waves. A series of novel information trends for fine quantitative retrievals have emerged with the advancements of high-resolution remote sensing technology with multi-mission, multi-frequency, multi-polarization, multi-source, and multi-mode characteristics. This paper presents a general profile of the research progress during recent decades. It includes a discussion of vector radiative transfer theory of natural media and satellite-borne microwave remote sensing CAL/VAL, electromagnetic scattering theory and fully polarimetric multi-mode SAR imagery, high-resolution monitoring and ATR technology, and extraplanetary remote sensing (e.g., Moon and Mars).
Key words
scattering and radiative transfer , microwave remote sensing , SAR imagery , target recognition , information train of remote sensing
1 矢量辐射传输(VRT)与星载微波遥感数据CAL/VAL
辐射传输RT(Radiative Transfer)理论是研究随机散射介质中能量多次散射、吸收与传输，在科学与工程领域中有着十分重要和广泛的应用。空间遥感技术的发展促进并深化了极化电磁辐射强度的自然介质矢量VRT的发展。与数据统计为驱动基础的研究不同，VRT的参数化建模、正向数值模拟、逆向的参数反演，及其在可见光VIS、红外IR、微波MW遥感中的应用，构成了由VRT驱动的定量遥感物理信息的研究，及其在多通道多源CAL/VAL(Calibration/Validation)的业务性应用。同时，VRT也是今后毫米波、太赫兹、高层大气成分精细遥感、同化、长期遥感数据的全球变化等研究的计算理论基础。
在遥感VRT理论与应用方面开展的研究工作参见图 1，其中黑框是研究背景，红框是我们的研究成果(以下各节标注相同)，参见Jin(1994，2000，2011)和金亚秋(1993，1994，2005)的文献。我们建立了大气温湿廓线与降水模型的VRT计算，研究了统计D矩阵、人工神经网络ANN (Artificial Neural Network)反演、非线性协同物理反演，以及包括下垫陆地界面的大气地表VRT正演与反演。提出了非均匀分层、多成分非球形、密集、3维VRT，及其在积雪冻融、植被生物量等定量遥感问题中的应用。结合粗糙面散射的研究，VRT也应用于海冰厚度与冻融、海面风场浪场分布的微波主被动遥感。尽管有不同分辨率的问题，在同一参数模型下，VRT主被动遥感对于信息融合是十分有意义的。在VRT指导下，由多通道微波辐射亮度温度定义的各类物理特征指数，如极化指数、散射指数等，表征了地表特征性的物理状态，并建立起全球特征事件(暴雨、积雪、旱涝、植被、土壤湿度、海面风场等)CAL/VAL统计性判据、多类参数反演与业务应用。
这些工作对于从20世纪70年代的SMMR，80、90年代的DMSP SSM/I，到近年的AMSR-E多通道微波遥感数据，以及结合中国近年的FY-3、HY-2微波遥感数据的研究，形成了多源微波遥感CAL/VAL的系统应用(Jin 等，2010)。VRT建模与反演在中国嫦娥微波辐射探月中起着重要的作用，参见第5节(姜景山和金亚秋，2011；欧阳自远和李春来，2011)。
在今后发展气象卫星大气精细通道微波辐射遥感、高层大气成分临边探测、毫米波与太赫兹遥感、大气CO2与地表碳排放状态的IR/MW遥感等方向，VRT参数化精细建模，IR/MW多通道辐射计算、融合与反演的理论方法都将有重要的应用。特别是在全球变化大数据研究中，如利用几十年的遥感数据提取全球变化的特征信息、以及具有重大影响特征事件的遥感定量信息知识化描述方面，遥感VRT起着十分重要的基础作用。为此，收集了30多年SMMR、SSM/I、AMSR数据，以VRT驱动为基础，提出全球变化中几十年多通道遥感信息与全球变化要素对应关系的研究建议(金亚秋，2015)，相信这项工作从理论方法到数据处理都将得到尽早开展。
2 极化电磁散射与全极化多模式SAR成像信息
继光学摄影、红外辐射、微波辐射遥感以来，对地观测遥感近几十年最主要的技术发展是全极化合成孔径成像雷达(POL-SAR)技术。图 2描绘了SAR的发展过程，指出SAR民用技术的发展，对于各类参数的定量精细信息的需求，促进了全极化(2×2维复散射矩阵)高分辨率HR(High Resolution)与甚高分辨率VHR(Very HR)(米、分米量级)的多源SAR技术的发展。2×2维复散射矩阵及其所构成的空间域极化域的各类物理函数(如协方差矩阵、Poincare球等)，为SAR遥感能提取环境目标多维细节特征的丰富信息。
高分辨率(HR)多维度(MD)多模式(MM)POL-SAR对环境目标内涵物理信息获取与处理有别于定性表象性判读与普适性图像处理，这促进了SAR精细定量信息获取处理的研究。这一技术又进一步促进与提升了智能监测侦察ISR(Intelligence Surveillance and Reconnaissance)与目标自动识别ATR(Automatic Target Recognition)技术。
复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室早在1990年NSFC基金项目中就提出POL-SAR信息研究，第一次星载POL-SAR是1994年的SIR-C计划。以此为基础，近十多年里，依据HR MD MM POL-SAR的发展，研究工作主要归纳为图 3(标注框与图 1相同)，(Jin，2005；Jin和Xu，2013；金亚秋和徐丰，2008)。
从复杂环境目标极化电磁散射理论开始，提出环境目标复散射矩阵S和Mueller实矩阵M的参数化数值建模，研制了复杂自然场景目标的SAR成像计算模拟MPA(Mapping Projection Algorithm)，形成完全自主产权的POL-SAR Eyes成像计算模拟软件。对于多站SAR成像信息、多时相SAR变化识别、多方位SAR目标重构AMAR(Automatic Multi-Aspect Reconstruction)、干涉SAR、多次相干飞行的层析SAR(Tomo-SAR，tomographic SAR)稀疏成像与建筑目标多维特征重构，SAR与IR、VIS的融合与城市状态遥感等，均提出了对应的理论、方法与应用(Jin，2005；Jin和Xu，2013；金亚秋和徐丰，2008；Wang 等，2014)。
VHR POL-SAR 2×2维复和4×4维实矩阵构造目标环境在空间域和极化域的各类特征性函数，对于随机分布的自然地表物和确定性的立体目标物，提出环境目标分类与识别的ATR新理论新技术(Xu 等，2016；Chen 等，2016)，对于复杂电大目标的物理构造组分的分解提出识别方法(Li和Jin，2016a)。
环境中目标信息与特征识别的研究成为VHR SAR图像判读的重要应用。我们发展了环境中立体目标复合散射的计算电磁学CEM(Computational Electromagnetics)。通过目标建模与轨道模拟，数值计算空间目标电磁散射，实现ISAR(Inverse SAR)成像。由压缩感知在低采样率条件下实现3D ISAR成像重构，应用于多轨多角度空间目标的立体重构与行为状态监测(Wang 等，2015)。
SAR遥感也为外星(月球、火星等)提出了新的科学问题与应用技术的研究。
这些研究也直接推动了新型SAR技术的发展，从的技术指标拟定、技术参数选取、信号处理、成像算法与质量评估，校飞验证，以及最后的工程和业务应用，均起着十分关键的作用。
HR/VHR MDMM POL-SAR雷达波与环境目标相互作用，构成了环境目标深层次的内涵信息感知，必须摆脱单一的目视处理和统计性图像处理手段。从“看见(Vision)”到“感知(Sensing)”，从有什么(一维1D信号)、象什么(2D图)到是什么(3D信息)、是多少(定量)、在干什么(姿态)，从统计比对到函数运算(智能识别)，形成VHR POL-SAR多模式条件下目标精细特征信息感知的研究新方向。
3 高分辨率遥感与ATR技术
由Maxwell方程可推导为电磁场(EM)积分方程或EM微分方程，由环境目标(分布性目标随机介质、确定性立体电大目标、粗糙面，面-体复合等)建模及其边界条件构成，用以计算散射场。在一定近似条件下，由解析近似方法求解散射场。但是，在一般复杂条件下，EM散射场必须有数值方法求解，如求解积分方程的矩量法MOM(Method of Moment)，求解微分方程的有限元FEM(Finite Element Method)法，求解时间域的时域有限差分方法FDTD(Finite Difference Time Domain)等，这就是计算电磁学CEM的研究(Chew 等，2015；金亚秋 等，2008)。
对于粗糙面与立体目标共存时复合电磁散射数值求解，我们提出对应问题的理论建模、边界条件，发展了一系列的CEM算法，如图 4所述(金亚秋 等 ，2008)。特别是，我们提出了双向射线解析跟踪方法BART(Bidirectional Analytic Ray Tracing)，有效地数值计算复杂场景与立体电大目标的散射场(Xu和Jin，2009)。进一步地，CEM方法在VHR多方位稀疏成像的电大目标的组分分解及其识别、多轨多角度立体目标稀疏成像与目标重构和识别等，结合上一节POL-SAR，得到了在成像、信息提取、目标分解与识别重构的ATR应用(Xu 等，2016；Li和Jin，2016a，2016b；Wang 等，2015)。
进一步地，我们发展了运动海面上运动舰船尾迹的POL-SAR散射成像，水下运动目标驱动水体的POL-SAR散射成像与识别理论模拟与应用技术(Liu和Jin，2016b)。
散射与逆散射问题的研究将极大地促进各类物理问题CEM求解与遥感探测的工程应用。
4 外星遥感信息科学探测
中国嫦娥(CE)探月计划极大地促进了中国航天对外星探测的科学探索。我们提出，区分“外星探测”与“外星遥感”在于获取信息的层次不同，遥感更在于内涵信息的反演与感知，而不止于测量值的本身。在提出科研究目标时，我们更倾向于用“外星遥感”一词。
对于CE-1、2多通道微波(MW)辐射计测量全月球表面微波辐射亮度温度，提出了分层介质辐射传输理论建模、数值模拟、数据处理与月壤厚度的反演，实现月壤中氦3含量的估算(姜景山和金亚秋，2011；欧阳自远和李春来，2011；Jin，2012)。结合以Clementine，LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)为代表的VIS、IR对月球表面温度探测，用CE MW数据研究了全月球月壤层温度廓线及其昼夜变化特征表现(Jin，2012；Gong 等，2015；Gong和Jin，2012)。对CE-3落月过程中多角度雷达测速和高度计算等进行了数值模拟与分析(Ye和Jin，2015)。
特别是，对于月球两极永久阴影区、火星夏日白昼表面是否存在水的问题，进行了数值模拟和mini-SAR，SHARAD数据验证(Liu和Jin，2016a)。对于火星VHF，UHF雷达探测，提出了分层介质雷达探测模拟与分层介电常数和厚度参数的反演(Liu和Jin，2016b)。小行星、彗星的探测自欧空局Rosetta彗星探测器开始受到关注，我们提出了雷达探测小行星体内部非均匀介电特征反演的理论方法(Su 等，2016)。
我们期望，在中国空间遥感发展战略和对外星体探测中，应规划遥感信息的研究，实现从外星探测测量到外星遥感信息感知的科学任务的转化，这将极大地丰富外星遥感科学目标的实现。
5 结 语
遥感信息获取的物理基础在于从散射辐射传输成像到定量精细遥感信息的转化，这是一个物理的数值的正与逆的信息链。星载遥感技术在广大的时间和空间尺度上，提供了电磁波(MW，IR，VIS等)与地球环境目标相互作用的散射辐射数据和图像，但是，从数据图像到精细定量信息，再从这些信息到科学知识与应用，是一个极具挑战的科学研究过程。经验直觉性的判读与普适性的图像处理，并不能给出环境目标精细定量信息和科学知识。
本文简述在该领域本实验室的研究工作，包括：以微波散射辐射为特点的矢量辐射传输和星载微波遥感数据定标与验证(CAL/VAL)，以POL-SAR为主要对象的极化电磁散射与多源多模式SAR成像信息研究，以目标监测识别为主要目标的环境目标电磁散射的CEM与ATR技术，以外星(月球、火星、小行星等)遥感为主要任务的等外星与深空微波遥感信息获取的理论与方法等。具体的理论论述和应用可参见本文的参考文献以及这些论文中曾引用的文献。
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