合成孔徑雷達(dá)在濕地制圖研究方面的進(jìn)展

劉麗娟，吳文淵，張登榮，龐 勇，范文義，王 巖

（1．杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院，浙江杭州311121；2．中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京100091；3．東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040；4．赤峰市國土資源局，內(nèi)蒙古赤峰024000）

0 引 言

濕地是地球上處于水域和陸地過渡地帶的特殊生態(tài)系統(tǒng)，在全球生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，被稱為地球的“腎臟”．據(jù)濕地國際北美部1999年研究表明，占全球陸地總面積6%的濕地儲(chǔ)存了約7 700億噸碳，占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的35%，其固碳量和潛力明顯高于其他生態(tài)系統(tǒng)．但由于種種原因，現(xiàn)存濕地面積在不斷縮減，因此對(duì)濕地的范圍、面積、地表覆蓋類型等現(xiàn)狀的調(diào)查是尤為重要的．

由于濕地內(nèi)交通不便，對(duì)其資源的調(diào)查很難采用地面方式進(jìn)行，衛(wèi)星遙感技術(shù)以其大范圍、準(zhǔn)確、快速、周期性等優(yōu)勢(shì)成為濕地監(jiān)測(cè)的主要研究手段．但因濕地地表覆蓋類型較復(fù)雜，如水面上多有植被覆蓋、水文周期內(nèi)水位變化比較大等，限制了光學(xué)遙感對(duì)濕地資源調(diào)查的準(zhǔn)確性．而合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）工作在微波波段（0．1～100cm），自身發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，接收并測(cè)量返回雷達(dá)信號(hào)的強(qiáng)度，不受天氣影響，具有一定的穿透性［1］，能夠全天候、全天時(shí)地獲取數(shù)據(jù)，因此，雷達(dá)主動(dòng)性探測(cè)濕地研究已成為學(xué)者們目前研究的熱點(diǎn)．

SAR接收到的后向散射信號(hào)主要受到波長、入射角、極化方式等參數(shù)的影響，不同含水量、粗糙度的地物經(jīng)過與傳感器不同參數(shù)的發(fā)射信號(hào)相互作用，表現(xiàn)為不同的成像特征．如何利用各種雷達(dá)參數(shù)，獲取特定地物的后向散射特性，從而有效區(qū)分濕地地物類型是一大難點(diǎn)．本文在綜述前人應(yīng)用SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行濕地制圖的方法及進(jìn)展的基礎(chǔ)上，側(cè)重于總結(jié)各種雷達(dá)參數(shù)對(duì)濕地地物類型分類的能力，為SAR數(shù)據(jù)的濕地制圖研究提供更客觀、更科學(xué)的參考依據(jù)．

1 不同波長數(shù)據(jù)的濕地制圖研究

應(yīng)用SAR對(duì)濕地的研究主要集中在C、L和P 3個(gè)波段．C波段波長（3．75～7．5cm）較短，其穿透能力弱于L（15～30cm）、P（30～100cm）波段，可用于識(shí)別禾本植被區(qū)濕地或稀疏森林濕地中灌叢植被及水體［2］．Castan″e(cuò)da等［3］應(yīng)用多時(shí)相C波段ERS數(shù)據(jù)，基于雷達(dá)信號(hào)分布的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)西班牙東北部的Monegros Saline濕地進(jìn)行紋理特征的分類，并通過雷達(dá)與光學(xué)數(shù)據(jù)的融合表明雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的景觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)光學(xué)數(shù)據(jù)是個(gè)很好的補(bǔ)充，提高了分類精度．L、P波段穿透力強(qiáng)，可用于森林濕地的識(shí)別［4］．Musick等［5］在利用機(jī)載合成孔徑雷達(dá)（AirSAR）對(duì)新墨西哥半干旱牧場的研究中發(fā)現(xiàn)，Lhv能夠從灌草混合覆蓋類型中有效地分離出木本灌叢，說明了L波段后向散射對(duì)干莖尺寸的敏感性．Bwangoy等［6］采用波長23．5cm的L波段JERS－1雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用輻射傳輸方程，將總后向散射分解為入射信號(hào)與樹冠、樹干和地面相互作用的結(jié)果，并結(jié)合光學(xué)Landsat TM、ETM＋以及高程（SRTM）數(shù)據(jù)，應(yīng)用多源統(tǒng)計(jì)監(jiān)督分類法，得到了剛果盆地1986－2000年間的濕地范圍圖．

由于發(fā)射信號(hào)的波長不同，對(duì)地物識(shí)別的敏感性不同，針對(duì)不同濕地類型，應(yīng)選擇特定的波長，如以禾本植被為主的濕地選擇C波段，而森林濕地選擇L波段等，從而更加有效地實(shí)現(xiàn)濕地制圖．

2 不同極化數(shù)據(jù)的濕地制圖研究

極化方式也是影響雷達(dá)后向散射信號(hào)的因素之一．極化是指電磁波中電場向量的方向，一般同極化（HH或VV）比交叉極化（HV或VH）穿透植被的能力更強(qiáng)．Yamagata等［7］分析了C波段ERS－1（VV）和L波段JERS SAR（HH）圖像對(duì)濕地植被的分類能力，圖像獲取時(shí)間均為濕地植被生物量最大時(shí)期．通過紋理分析法分類表明，JERS－1數(shù)據(jù)可以很好地區(qū)分兩種類型的濕地泥炭沼澤（bog和fen），而ERS－1能夠區(qū)分fen沼澤．Grings等［8］利用Envisat（HV、HH）和ERS－2（VV）SAR圖像，對(duì)阿根廷Parana河三角洲濕地制圖，并比較了濕地植被在生長周期內(nèi)對(duì)不同極化方式的響應(yīng)．Jones等［9］采用不同入射角和極化方式的C波段RADARSAT－1和ASAR數(shù)據(jù)，得到了開闊水面和有植被覆蓋水面的濕地制圖產(chǎn)品．廖靜娟等［10］對(duì)Envisat ASAR雙極化數(shù)據(jù)利用決策樹分類法提取鄱陽湖濕地變化區(qū)域．研究顯示，同極化比交叉極化數(shù)據(jù)具有更大的動(dòng)態(tài)范圍，HH極化更適合水信息的提?。焘ǖ龋?1］通過分析ENVISAT ASAR影像的后向散射系數(shù)，得出多時(shí)相、同極化、交叉極化波段合成的雷達(dá)影像對(duì)東洞庭湖濕地地物的區(qū)分能力最強(qiáng)的結(jié)論．

盡管多數(shù)的研究認(rèn)為，同極化比交叉極化能更好地區(qū)分濕地植被和水體，但對(duì)于不同濕地類型在不同的水文周期中，能否從交叉極化中獲取到有利于濕地制圖的信息，還有待于進(jìn)一步的研究．

3 不同入射角數(shù)據(jù)的濕地制圖研究

不同入射角的雷達(dá)信號(hào)對(duì)開闊水面和植被覆蓋下水面有不同的響應(yīng)．因此，雷達(dá)圖像能夠?qū)崿F(xiàn)濕地水域范圍的檢測(cè)．Hess等［12］通過大量文獻(xiàn)總結(jié)認(rèn)為小入射角的雷達(dá)信號(hào)易于穿透森林濕地的冠層，產(chǎn)生二次回波．但提出雷達(dá)波入射角對(duì)于冠層下水淹程度檢測(cè)的能力還需要更進(jìn)一步的研究．為評(píng)估不同入射角對(duì)加拿大Umiujalik湖區(qū)地物的分類效果，Shelat等［13］利用多種極化分類器對(duì)RADARSAT－2極化數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類試驗(yàn)．結(jié)果表明，中等入射角（FQ12）的總體分類精度最好（48．7%），而中等和較大的入射角利用Freeman－Wishart非監(jiān)督分類法可以獲得比小入射角更好的分類結(jié)果．考慮到開闊水面在有風(fēng)條件下與小入射角裸露地面信號(hào)易混淆的問題，Kandus等［14］建議用小入射角雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)冠層下或禾本植被覆蓋的水面，而較大入射角用于開闊水面的監(jiān)測(cè)．Lang等［15］使用C波段HH極化的Radarsat－1數(shù)據(jù)，探討了不同入射角（23．5°，27．5°，33．5°，39．0°，43．5°和47．0°）對(duì)不同森林類型水淹程度的檢測(cè)能力．

不同入射角與濕地地物作用時(shí)，會(huì)發(fā)生非常復(fù)雜的散射過程．僅通過單一入射角區(qū)分復(fù)雜濕地類型，必然會(huì)有誤分問題．為此，需要對(duì)不同濕地類型研究各入射角的敏感性，擇優(yōu)選出適宜該類型識(shí)別的入射角．

4 多時(shí)相數(shù)據(jù)的濕地制圖研究

濕地環(huán)境隨時(shí)間推移變化較大，很難通過單一時(shí)相數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取植被或水體的時(shí)空分布狀況，多時(shí)相數(shù)據(jù)可以提供更多的信息做為補(bǔ)充．為了明確多時(shí)相RADARSAT－1雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)濕地分類的能力，Parmuchi等［16］對(duì)阿根廷Paraná三角洲濕地進(jìn)行試驗(yàn)，基于雷達(dá)信號(hào)與冠層的交互作用機(jī)理，并考慮植被物候和水文狀況，進(jìn)行信息的提?。诸惤Y(jié)果與1998年厄爾尼諾事件兩個(gè)洪水區(qū)的比較表明，多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)有效地識(shí)別了洪水淹沒區(qū)．Wang等［17］利用不同極化（ENVISAT ASAR HH，HV，VV極化、ALOS PALSAR HH極化）數(shù)據(jù)分析了洪河國家自然保護(hù)區(qū)不同時(shí)相的植被類型區(qū)分能力，結(jié)果表明多時(shí)相數(shù)據(jù)提高了水和沼澤的識(shí)別能力，分類精度達(dá)到79．55%，而冬季相的HV極化適合森林的識(shí)別；在中歐合作的“龍計(jì)劃”洪水項(xiàng)目中，Andreoli等［18］在利用低分辨率全球監(jiān)測(cè)模式（GMM）ASAR數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域景觀特征和水體監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，又將103幅中低分辨率的MERIS和ASAR時(shí)間序列數(shù)據(jù)應(yīng)用于鄱陽湖水域范圍制圖和監(jiān)測(cè)中，并基于水域范圍提取和淹沒時(shí)間估算得出鄱陽湖2004－2006年3年內(nèi)的波動(dòng)狀況．

SAR信號(hào)不同參數(shù)可以獲得不同的后向散射回波，可以實(shí)現(xiàn)地物的多角度描述，這會(huì)大大豐富參與濕地制圖的信息，但如果僅憑借單一時(shí)相，反而會(huì)由于數(shù)據(jù)來源于單一參數(shù)而獲得片面性的信息，導(dǎo)致分類誤差的增大．因此多時(shí)相數(shù)據(jù)的融合也是實(shí)現(xiàn)濕地準(zhǔn)確制圖的必然趨勢(shì)．

5 結(jié)語與展望

利用SAR技術(shù)研究濕地制圖是極具潛力的．很多研究已經(jīng)表明，目前應(yīng)用SAR技術(shù)進(jìn)行濕地的研究已經(jīng)越來越普遍，而未來SAR數(shù)據(jù)應(yīng)用于濕地研究的空間會(huì)非常大．濕地制圖的方法在不斷完善，制圖的精度也在逐步提高．特別是對(duì)于空氣濕度大、濕地水面有植被覆蓋的地區(qū)，SAR數(shù)據(jù)可能是最優(yōu)選擇．濕地是特殊的生態(tài)系統(tǒng)，由于SAR主動(dòng)發(fā)射的信號(hào)具有穿透性，對(duì)濕地地物目標(biāo)的探測(cè)能力要優(yōu)于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，使得準(zhǔn)確的濕地制圖成為可能．但SAR不同參數(shù)（波段、角度、極化等）數(shù)據(jù)與濕地地物交互的散射機(jī)理非常復(fù)雜．因此應(yīng)更多地開展?jié)竦豐AR回波后向散射特性的研究，從而準(zhǔn)確識(shí)別濕地水域范圍、面積、植被類型和分布，為濕地的保護(hù)、管理和退化濕地的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)決策依據(jù)，對(duì)濕地資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義．

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