现代科技综述知识文库：大气和地表的定量遥感理论

1、现代科技综述系列大气和地表的定量遥感理论科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“大气和地表的定量遥感理论”的解读，以供大家了解。大气和地表的定量遥感理论遥感是指不通过直接接触而进行测量和识别的信息技术。现代遥感技术是通过地对空探测或空对地航空航天等运载手段，利用天线电子学技术和计算机技术，在可见光、红外、微波等电磁波频段上，对地球表面、大气和自然环境进行监视、探测、记录、成像，并进行数据和图象的传递、处理和分析应用的综合性的科学技术。遥感技术已成为人类探索自然环境，监视和估计地球资源，了解大气地表海洋全球性物理、化学和生物系统变化的高技术成

2、就和最为有效的手段之一。对大气温度、氧、水汽、气溶胶、臭氧、微量气体成份、风场、云和降水、以及地表的植被、农作物和森林、土壤、冰雪、海冰、海洋等，进行多频段、多通道、全极化、主被动联合的遥感，执行全球范围的连续的多系列的星载遥感计划，从实验走向业务实用，已是现代遥感发展至今的特点。电磁热辐射和入射电磁波(可见光和红外太阳辐射，激光、毫米波和微波的雷达波等)作为遥感信息载体，通过大气、地表遥感对象及其环境的相互作用，为我们提供了被动和主动遥感的大量数据和图象，要充分理解和利用这些遥感图象和数据所包含的丰富的信息，必须要深入地理解和阐明电磁波与复杂各异的遥感对象和环境相互作用的物理机制，精细地模拟

3、遥感对象及其环境，发展定量的遥感理论和数值计算仿真方法。自然界中的遥感对象(大气、湍流、云雨、土壤、植被、森林、冰雪、海冰、海洋等)可以看成是离散的散射体组成的随机介质，或者是介电常数随机起伏的连续随机介质。比如，雨是大气中随雨强有大小分布的随机水滴粒子；积雪是冰晶粒子和空气的随机混和物；植被是盘状的叶、杆状的茎等组成的随机介质层等等。散射体的介电特性、大小、形状、空间取向及其分布，介电常数的起伏统计方差、相关函数，以及随机介质多层复杂的结构或多成份的混和组成，平坦或粗糙的界面等等，构成了随机介质基本的物理模型。研究这些随机介质中电磁波散射、热辐射及其传输的数学物理学理论及其数值计算方法，可以

4、得到主动遥感中各种极化的后向散射、双站散射，被动遥感中的辐射亮度温度，并建立这些量与遥感对象及其环境本身介电的、几何结构的、以及其它重要的物理生物特征性参数(如湿度、雨强、植被含水量、积雪融解，海冰层厚等)之间的定量的函数关系，为遥感图象和数据定量的数值特征的获取及特征参数的反演、分析和利用，提供理论依据。这就是现代定量遥感理论的任务。它对于进一步发展遥感仪器、提出遥感的新方法新手段也具有十分重要的意义。现今定量的遥感理论主要包括矢量辐射传输理论、波的解析理论和随机粗糙界面的散射理论。作为理论模式的反向问题，则是遥感特征参数的反演方法。1矢量辐射传输(VRT)理论：辐射传输(RT)理论研究电磁

5、辐射强度在随机介质中的散射、吸收、多次散射和传输。它从能量守恒的传输方程出发，考虑辐射强度的迭加，包括了散射体和背景的吸收、多次散射和辐射源的贡献，物理意义明确，并且能计算包括多次散射的数值解。RT理论是由1905年斯恰斯特(Schuster)在解释恒星谱中吸收和发射线时提出来的。在这之后，主要讨论点散射元的标量的RT理论，在天体物理、中子扩散输运理论，燃烧热辐射的工程热物理、大气中光传播等问题中得到广泛的研究。20世纪70年代以来遥感技术的发展，提出了定量遥感理论的要求。这就促使了研究复杂的随机介质中矢量(极化)辐射传输(VRT)的发展。对于各种遥感对象，建立物理模型，如球形散射粒子(雨、云

6、)，多成份混和的非球形粒子层(植被)，密集分布的球形粒子(冰雪、多年海冰)，或连续随机介质(植被、大气湍流)，还包括随机粗糙的下垫地表界面、风驱粗糙海面等等。研究这些模型中VRT的求解，比如球形粒子VRT的迭代法、非均匀散射介质的不变嵌入法、球形粒子的离散坐标一特征值特征矢量法、VRT方程关于的傅利叶展开求解、散射和辐射的蒙特卡洛(Monte Carlo)法等等，并且讨论多层构造的耦合辐射的VRT方程组、水平非均匀的多维的VRT、散射相干的密集粒子的VRT等等。这些工作已取得了很好成功，对实际大气和各种地表主被动遥感数据作了很好的预言、比较和分析。然而，遥感信息的深层次理解要求发展更为精细的复

7、合模型，要尽可能与真实的遥感对象的物理结构相对应，理论中的参数系统应是可以测量得到的最感兴趣的生物物理参数(如植被含水量，叶面指数等)。理论要有明确的、较宽的应用范围，参数系统对各频段主被动遥感均应有一致的选取规范。连续随机介质的相关函数和相关长度是比较抽象的统计概念，如何明确复杂各异各向异性的随机介质相关函数和相关长度，还需进一步的研究。合成孔径雷达(SAR)高分辨率成像是主动遥感和成像技术的重要成就。目前的空间计划，如美国SIRC、欧洲ERS、日本J-ERS等，都运用了SAR遥感成像技术。研究SAR成像全极化散射的理论分析，以及多成份非球形散射体VRT全极化数值解是十分有意义的工作。目前非

8、球粒形粒子VRT还只限于瑞利(Rayleigh)低频近似下的一阶二阶穆勒(Mueller)矩阵解。进一步研究VRT全极化数值解，有大量有意义的工作可做。VRT方程考虑辐射强度的独立迭加，即各粒子散射是不相干的。VRT应用到密集散射粒子介质，如冰雪、多孔岩石等，独立散射的假定就不能成立。从波的解析理论出发，由非线性近似的场阶矩的代森(Dyson)方程，和梯形近似的场二阶矩的倍特萨尔培多(Bethe-Salpeter)方程，可推导出包括散射相干的修正的VRT方程。在这种密集粒子VRT(DVRT)中，有效波传播常数考虑了密集粒子散射的相干性。当粒子大小与波长可相比时，如米氏(Mie)球形粒子，散射相

9、干和DVRT的求解还有待于进一步的研究，这对于高频率遥感冰雪是十分重要的。随着毫米波、亚毫米波器件和技术近年来的进展，尚未充分利用的毫米波频段的遥感开始引起人们的注意，但这方面的理论研究工作几乎还未开始。此外，蒙特卡洛法、有限元法、矩量法等都可以在VRT中得到应用。2波的解析理论：随机介质中波的解析理论从基本的麦克斯韦方程出发，求解随机介质中平均场和散射的平均场强。它包括了场的相干性，能解释由于场的相干作用而产生的后向散射增强等现象。它作为散射场的基本理论，是VRT的理论基础，也是随机粗糙面散射的理论基础。由平均散射场强的广义玻恩(Born)近似，可以得到一层或多层各向同性或各向异性随机介质一

10、阶和二阶散射场强，得到双站和后向散射系数。并由互易性定理，可计算热辐射发射率。这些理论和方法在地表遥感中有不少应用。同时，波的解析理论也为激光在大气中传播、固体地球物理介质介电廓线反演、逆散射理论等等，提供了基本的理论出发点。对于复合模型的波解析理论，还有大量的工作要做。3随机粗糙面的散射理论：在遥感领域中大致有：适用于高频近似下大尺度起伏的基尔霍夫(Kirchhoff)切平面近似和稳相法的几何光学解；适用于低频近似下小尺度起伏的微扰法；以及迭加这二种尺度起伏成为复合双尺度界面的双尺度法。下垫陆地界面、风驱动的海面等，都是随机的粗糙面。还有在这些基础上所作的周期性的随机粗糙面，倾斜的随机粗糙面

11、等。利用海面随机起伏波谱函数皮尔森(Pierson)谱的实验研究，双尺度粗糙面散射已成功地应用于风驱海面的后向散射和热辐射。在这基础上，研究了风场(风速、风向)反演的经验性公式。海面上泡沫白帽散射效应也可由有粗糙界面边界条件的离散粒子的VRT方程求解。粗糙界面的潮湿土壤的热辐射，以及在植被积雪等问题中作为边界条件的粗糙土壤界面，常作为高斯(Gauss)型粗糙面来求解散射。随机粗糙面散射的上述理论方法成功地解释了由于界面粗糙对散射和热辐射的遥感数据产生的显着影响。但是，在这些粗糙面散射理论的推导中存在不少的假定，实际参数的选取有令人不满意的地方，对复杂各异的遥感对象的数据尚还缺少较为一致的完善的

12、解释。基尔霍夫近似和微扰法是二种极限条件下的解。双尺度法则仅是将二种尺度的近似迭加起来的一种方便的方法。近些年来，还出现了介于基尔霍夫近似和微扰法二者之间的相位微扰法、用计算机模拟随机粗糙面的散射解、全波法等，但是这些理论与方法还不完善。还有傅利叶变换法，积分方程法等等，都还仅限于解析形式的讨论，还无法得到数值解。因此，随机粗糙面散射理论的研究及其在遥感中的应用，有大量的工作可做。遥感理论的反向问题，是遥感对象特征参数的反演。由于测量误差，参数反演问题往往是一个病态问题，即观察数据的微小的误差，可能引起很大的反演误差。反演方法在大气温度和水汽的垂直廓线、气溶胶粒子分布等问题中得到了相当广泛的研

13、究，并达到了实用阶段。这包括晴空大气温度和水汽廓线线性和非线性反演的光滑法、带初始猜值的逐次迭代的物理反演法、贝克斯吉尔伯特(Backus-Gilbert)法、统计反演D矩阵法等。但是，这些反演方法尚未广泛应用于地表参数反演的问题中。这主要由于地表散射和辐射的VRT中参数反演与晴空大气积分RT方程反演垂直廓线的问题有所不同。但是，如何应用这些方法研究地表特征参数的反演是值得研究的问题。近年来人工神经网络系统的研究和应用，引起了众多广泛的注意。人工神经网络已应用于遥感图象的识别和分类等，它也极可能应用于遥感参数的反演问题。发展定量的遥感理论，建立一个进行各种大气地表遥感对象的数据和图象信息的定量预言、信息特征的数值分析和重要参数反演的计算机专家系统一定是可