微波遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

姜韶 蔣紅彪

四川省冶金地質(zhì)勘查局測(cè)繪工程大隊(duì) 四川 成都 610212

引言

微波遙感是上個(gè)世紀(jì)末迅速發(fā)展起來(lái)的遙感技術(shù)。如今已經(jīng)形成了比較成熟的理論體系，其應(yīng)用也在全世界迅速普及。中國(guó)是個(gè)人口眾多的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化迫在眉睫。作為一種具有潛在優(yōu)勢(shì)的新興科技，微波遙感應(yīng)用于農(nóng)業(yè)無(wú)疑將加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的步伐[1]。

1 微波遙感原理

微波是電磁波的一種形式。從電磁波波譜可以看出，微波實(shí)際上也是一種無(wú)線電波，它的波長(zhǎng)從1mm到1000mm。微波遙感就是利用某種傳感器接受地面各種地物發(fā)射或者反射的微波信號(hào)，借以識(shí)別、分析地物，提取所需的信息。

微波遙感在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要是利用SAR（合成孔徑雷達(dá)）圖像，基于地物對(duì)微波的發(fā)射和散射不同，進(jìn)行農(nóng)作物的識(shí)別、監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)。本文主要介紹合成孔徑側(cè)視雷達(dá)的成像原理。合成孔徑側(cè)視雷達(dá)的基本思想是，用一個(gè)小天線沿一直線方向不斷的移動(dòng)。在移動(dòng)中的每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)信號(hào)，接受相應(yīng)位置的回波信號(hào)存儲(chǔ)下來(lái)。在存儲(chǔ)的同時(shí)保存接收信號(hào)的振幅和相位。由于它對(duì)同一地物目標(biāo)的信號(hào)不是在同一時(shí)刻得到，而是在每個(gè)位置上都要記錄一個(gè)回波信號(hào)，每個(gè)信號(hào)由于目標(biāo)到飛行器之間的距離不同，其相位和強(qiáng)度也不同。如此形成的圖像不是實(shí)際的地面圖像，而是相干圖像，需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理才能夠恢復(fù)成地面的實(shí)際圖像[2]。

2 微波遙感在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

微波遙感（主要是SAR（合成孔徑雷達(dá)）圖像）在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要是進(jìn)行農(nóng)作物類型的識(shí)別區(qū)分，對(duì)農(nóng)作物的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提取農(nóng)作物的種植面積信息從而可以對(duì)最終的產(chǎn)量進(jìn)行估算[3]。

2.1 微波遙感應(yīng)用的農(nóng)業(yè)分析

首先，由于不同的農(nóng)作物以及不同的農(nóng)田狀態(tài)其微波發(fā)射不同，而且對(duì)于不同的波長(zhǎng)、頻率、探測(cè)角以及極化方式，地物在雷達(dá)影像上所表達(dá)的信息就不一樣。從農(nóng)業(yè)目標(biāo)返回到儀器上的輻射特征則主要取決于生物量的大小、介電常數(shù)（主要與農(nóng)業(yè)目標(biāo)物的含水量緊密相關(guān)）和植物的幾何形態(tài)。因此，農(nóng)作物對(duì)微波的后向散射情況，是決定于作物的形態(tài)和大小，而這又取決于作物的種類和物候年齡。基于這些理論，可以對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行類別識(shí)別。加拿大遙感中心研究發(fā)現(xiàn)，用X波段（波長(zhǎng)2.4-3.8cm）探測(cè)，對(duì)農(nóng)作物類別可提供良好的區(qū)分。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)微波課題組在觀測(cè)玉米微波特性時(shí)看到，在玉米生長(zhǎng)的旺盛階段，總的特征是：微波的各主要波段內(nèi)，其微波的發(fā)射能力與其生物量成正比。美國(guó)堪薩斯大學(xué)在深入研究土壤的微波后向散射時(shí)指出：用C波段（波長(zhǎng)為3.8-7.5cm）同極化方式和入射角為7-17度探測(cè)時(shí)，在忽略土壤粗糙度干擾條件下，裸土的土壤濕度可以被很好地區(qū)分。這個(gè)研究組發(fā)現(xiàn)當(dāng)儀器特性與上述相似時(shí)，對(duì)有植被覆蓋的土壤濕度分析時(shí)也是適宜的。許多這方面的研究報(bào)告已經(jīng)指出，由于農(nóng)田土壤與作物在微波發(fā)射與反射的特點(diǎn)，使用多波段，多極化方式進(jìn)行探測(cè)，對(duì)作物分類的探測(cè)會(huì)有很大改善。其次，利用微波遙感圖像可以對(duì)農(nóng)作物的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。影響作物生長(zhǎng)的因素有病蟲(chóng)害、干旱、洪澇以及暴風(fēng)雨雪等，這些因素會(huì)改變農(nóng)作物的高度、密度、葉面積以及結(jié)構(gòu)等。一旦目標(biāo)作物的這些信息發(fā)生變化，那么在雷達(dá)影像上就會(huì)有相關(guān)的表達(dá)。比如遙感資料與輔助資料（地理、地形、氣象資料）以及物理或統(tǒng)計(jì)模式結(jié)合，可以求算諸如葉面積指數(shù)、物候時(shí)期等對(duì)農(nóng)業(yè)管理有用的作物參量。另外微波遙感對(duì)地面水分狀況特別敏感，且對(duì)地面有一定的穿透力，故用它來(lái)估算土壤濕度和植物水分狀況有著特別的潛力。由于含水量不同的土壤其介電常數(shù)不一樣，從而導(dǎo)致發(fā)射率也不一樣，這就使得利用被動(dòng)微波遙感技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)土壤水分成為可能。通過(guò)正確地選擇雷達(dá)傳感器參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中可以降低表面粗糙度的影響，提高雷達(dá)土壤水分探測(cè)的精度。同時(shí)通過(guò)多頻、多極化、多人射角數(shù)據(jù)可以建立合適的模型消除地表粗糙度的影響，達(dá)到反演地表土壤水分的目的[4]。

3 微波遙感在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展

在整個(gè)遙感技術(shù)的發(fā)展中，微波遙感占有越來(lái)越多的份額。其發(fā)展正在經(jīng)歷由真實(shí)孔徑雷達(dá)到合成孔徑雷達(dá)，由機(jī)載成像雷達(dá)到星載成像雷達(dá)，由單極化、單波段到多極化、多波段，由光學(xué)處理到數(shù)字處理，以及從SAR到SAR干涉測(cè)量（INSAR）的巨大變革。其主要的發(fā)展方向是需求更加完美的遙感機(jī)理，功能更強(qiáng)的遙感器，更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法以及更高頻技術(shù)。有了更先進(jìn)的技術(shù)才能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更充分的發(fā)揮微波遙感的作用。

近些年來(lái)在農(nóng)業(yè)信息提取中，如何考慮把光學(xué)遙感圖像與微波雷達(dá)圖像聯(lián)合加以應(yīng)用，是一些農(nóng)業(yè)遙感工作者所注意加以研究的問(wèn)題。不同圖像的聯(lián)合使用，目前主要有三種方式：①主要利用兩種圖像對(duì)同一地物的反映信息具有或詳細(xì)或粗略的差別，有利于人工進(jìn)行目視解譯：②在農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，如果天氣情況不利于其他波段的遙感手段，就可以利用雷達(dá)影像來(lái)彌補(bǔ)光學(xué)影像的不足；③可以把雷達(dá)圖像的信息作為一個(gè)新的電磁波探測(cè)波段，使其與光學(xué)影像資料中幾個(gè)波段聯(lián)合組合，用數(shù)學(xué)方法變換成新的復(fù)合信息。這一新的復(fù)合信息在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中能表征農(nóng)作物狀態(tài)的重要參量，為定量分析農(nóng)業(yè)問(wèn)題提供了方便[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的大國(guó)，在微波遙感方面的技術(shù)比不上一些發(fā)達(dá)國(guó)家。因此，在發(fā)展微波遙感時(shí)必須突出重點(diǎn)，制定有限目標(biāo)。從我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防的需求來(lái)看，發(fā)展航天微波遙感應(yīng)該是最好的選擇。只要抓住機(jī)遇，充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，微波遙感技術(shù)將會(huì)迎來(lái)一個(gè)新的紀(jì)元，從而也將帶動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為整個(gè)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。