微波遥感的发展与应用_刘一良

第4卷第2期

2008年4月

沈阳工程学院学报(自然科学版)

JournalofShenyangInstituteofEngineering(NaturalScience)

Vol14No12Apr.2008

微波遥感的发展与应用

刘一良

(武汉大学遥感学院,武汉430072)

摘　要:微波遥感作为遥感技术的一个分支,是20世纪70年代发展起来的一门年轻的学科.着重以我国微波遥感发展的历程为例,回顾了三十多年来微波遥感领域学术与技术的迅速发展,比较分析了微波遥感对于可见光和红外遥感有着不可比拟的优越性,因而在海洋、冰雪、大气、测绘、农业、灾害监测等方面都有着广泛的应用.波遥感领域存在的若干不足并指出了今后的研究方向.关键词:微波遥感;发展;特点;应用

中图分类号:TP722.6　　　　　　　文献标识码:A:02-0171-03

0　引　言

所谓遥感,,借助其对电磁波的辐射、、别,从中选取特征信息,经过加工处理,变成人们可以直接识别的信号和图像,从而揭示被测物体的性质及变化规律,以期达到间接识别各种地物的目的.目前遥感技术已被广泛应用于宇宙太空、地球表面等情况的侦察和探索.获得遥感信息所用的电磁波主要是可见光、红外线和微波.其中针对微波波段(波长范围在1mm至30mm之间)进行遥感就称为微波遥感.

微波遥感按其工作原理可分为主动式和被动式2类.主动式是利用遥感器向地面发射微波脉冲,然后接受其散射波,包括成像雷达、微波散射计、微波高度计和降雨雷达;被动式是直接观测地面目标的微波辐射,包括微波辐射计等.

我国的微波遥感事业起步于上世纪70年代.在国家历次科技攻关中,遥感技术都作为重要项目列入.经过若干阶段的发展,近年来已取得了技术、理论及应用研究的全面发展.2002年,神舟四号多模态微波遥感系统的成功在轨飞行实现了我国航天微波遥感零的突破,使我国进入了航天微波遥感时代;2006年中国遥感卫星一号的成功发射实现了我国航天微波遥感全模态工作.多模态微波遥感器上天,推动了我国以微波遥感器为主要载荷的一系列应用卫星的发展[1].

微波遥感的特点

微波遥感除具有可见光和红外遥感所具有的可进行大范围动态、同步和快速观测的优点之外,还有其特殊的优点.

1)能穿云透雾,具有全天时全天候的工作能力.据统计,地球上有40%～60%的地区经常被云层覆盖,尤其在占地球表面3/5的海洋上,气候变化很大,常被云层遮蔽.在这种情况下,很难利用可见光或红外遥感来进行观测,唯有微波遥感才能担此大任.可以说,这种对云雨的透过能力以及不依赖于太阳作照明源的优势,正是微波应用于遥感的最重要理由.

2)对地表有一定的穿透能力.当电磁波照射到物体表面时,会有一部分电磁波能量进入物体内部,这就是电磁波的穿透性.电磁波对干沙可以穿透几十米,对潮湿土壤只能穿透几厘米到几米,而对冰层竟能穿透上百米[2].此外,电磁波还有利于有遮掩的军事目标、地下军事设施和矿藏等的勘测.

3)能提供可见光和红外遥感所不能获得的某些信息.由于被测目标表面的辐射特性和散射特性与目标参数和系统参数有关,使得微波遥感能提供其他波段遥感所不能提供的某些信息,从而更好地识别目标.另外,微波波段的最长与最短工作波长之比(倍频程)大于实际使用的最长红外波长与最短可见波长之比,也使微波遥感能得到更多信息,使地面目标的识别更容易.因此在无法用可见光和红外遥感识别地物时,可选

收稿日期:2007-12-05

作者简介:刘一良(1986-),女,辽宁铁岭人.

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择用微波的“色调”作为地面性质差异的判据.

4)探测精度高.微波遥感的主动方式(雷达遥感)不仅可以记录电磁波振幅信号,而且可以记录电磁波相位信息,由数次同侧观测得到的数据可以计算出针对地面上每一点的相位差,进而计算出这一点的高程,其精度可达几米[3].

灾害性天气预测、大气含水量测量、大气温度探测和大气成分探测是大气科学研究的主要工作,微波辐射计可以在这方面发挥重要的作用.例如利用液态水对微波信号的衰减和水蒸气对微波的吸收特性,可以准确发现风暴中心的位置;3mm波段遥感大气中的气态水和云中液态水,具有很高的灵敏度,可利用该波段对大气进行精确分析.214　测　绘

我国部分地区长年处于阴、云、雨天气中,可见光的遥感手段在这些地区都难以获取影像,导致了地形图更新周期长.,.,,.如我国SAR成像技术能通过大面,实现实用化和产品化,在国内外的军用、民用领域都有广阔的市场[19].215　农业应用

微波遥感在农业方面的应用主要涉及对农作物的识别、农作物生长状况的估计及土壤湿度的分析等.基于微波遥感的土壤水分监测方法主要分为主动法和被动法2种,所依据的微波原理就是液态水和干燥土壤之间介电性的明显差异.不同点在于它们手段的特点和它们对目标特征传感器的不同[21].2种方法各有优劣,主动微波具有较好的分辨率但运作费用也较高;被动法对表面土壤水分敏感,但其空间分辨率低.而主、被动微波结合则能够充分利用各自的优势.216　灾害监测

2　微波遥感的应用

微波遥感有着可见光和红外遥感不可比拟的特

点,正是基于其自身具有的独特的优越性,且具有迅速发展的相关技术的支持.微波遥感被广泛应用于研究人类活动对全球影响、探测非常事件、保卫国家安全的主导性遥感手段,其应用包括海洋、冰雪、大气、测绘、农业、灾害监测等方面.211　海洋应用研究

.渔业方面,技术方法,达法遥感技术[14].而在国内,据了解,2007年4月5日海洋二号卫星研制任务已正式启动.海洋二号卫星是获取海洋动力环境信息的专用对地观测卫星,是我国首颗海洋应用的微波遥感卫星,主要用于监测和调查海洋动力环境,开展灾害性海况预报,为研究全球气候变化等提供实测数据.该卫星的研制,对我国海洋环境监测与预报、海洋调查与资源开发、海洋环境污染监测与保护、维护海洋权益和海洋科学研究等具有重要意义[15].212　冰雪研究

研究和探测冰雪分布、生成、消融及演变十分重要,它关系到海洋洋流分析、水源水害分析、大气环流分析和气候演变分析,对人类生存环境和农业生态、经济发展关系极大.冰雪探测主要分为海冰微波遥感和冰川积雪、冻土微波遥感研究.南极海冰是影响全球气候的关键,由于海水和海冰具有明显的结构和温度差异,被动式微波遥感可通过它们在同一频率亮温的差异,以及频率不同时亮温的变化,来区分固态冰和开阔水域以及海冰的种类和密集度;而我国冰川冻土微波遥感现已广泛应用于青藏高原积雪面积、积雪深度及雪水当量等参数的监测与反演研究.目前常用的积雪深度被动微波算法是NASA的Chang的半理论、半径验算法[16].213　大气研究

由于微波遥感具有全天时、全天候的特点,因此可

在对突发性灾害的实时监测方面发挥重大的作用.利用干涉SAR提供的地面高程图建立的地面三维模型,可对各种防汛方案、地震预测等效果进行模拟,从而为科学决策提供依据.217　月球探测

举世瞩目的“嫦娥1号探月计划”也应用了微波遥感.据探月专家介绍,美国、欧空局、俄罗斯和日本等以前从未在探月过程中使用过可以全天候全天时工作并具有一定穿透能力的微波遥感技术,所以嫦娥1号上的微波探测仪是世界上首次在探月卫星上装载的微波遥感装置.它可实现对月面更为细致深入的探测,获取月壤厚度信息以及给出月球背面的亮度温度图和月球两极地面的信息,并将对所发回的数据进行反演和解析[22].

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3　总结与展望

经过30多年的努力,我国的微波遥感技术在理论

与实践上不断完善,已成为实用而且可持续发展的技术科学与应用体系.目前我国已具备了星载全模态探测的能力,在国家重大项目、863计划及其他计划的支持下,成像雷达的分辨率达几十厘米,星载高度计精度优于5cm,具备了全极化探测和三维干涉成像探测的能力;遥感探测频率已拓展到亚毫米波段,具备了进行空间太赫兹探测与成像的能力;多模态体制及信息融合与先进处理技术得到发展与广泛应用,大大提高了信息的深层次分析及信息的增强.

尽管这些年来我国微波遥感事业硕果累累,但距国际先进水平还存在一定的差距,主要表现在:①基础理论和技术能力薄弱;②展规划;③外的依赖;④,无法满;⑥缺乏对先进空间遥感数据获取、分析、提取的能力.

因此,我国微波遥感的发展仍然任重道远,在今后的发展过程中还需要注意解决以下几方面的问题:要加强基础理论研究以及基础器件的自主研发能力;制订科学、协调的发展规划;根据不同应用合理选择载荷技术;提高空间分辨率;发展先进数据处理技术;重视先进材料研究,使星载系统轻型化、小型化和低耗功化;重视海洋、陆地及空间的定标、校准场建设,加强真实性检验工作的智能处理技术和系统小型化;加强国际合作[24].参考文献

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TheDevelopmentandApplicationofMicrowaveSensing

LIUYi2liang

(WuhanUniversityRemoteSensingCollege,Wuhan,430072)

Abstract:Asabranchofremotesensingtechnology,microwavesensingisayoungsubjectthatdatesbackto1970s,pareandanalysisthesuperiorityofmicrowavesensingthatvisiblelightandinfraredremotesensingdon’thave,whichiswidelyusedintheaspectsofthemarineenviron2ment,icepackcoverage,atmosphericsounding,mapping,agriculture,disastermonitoring.Meanwhile,bringforwardtheshortagesinourcountry’smicrowavesensingfieldatpresent,andpointouttheresearchdirectioninthefuture.Keywords:microwavesensing;development;characteristic;application

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