朱建軍，付海強，汪長城

中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083

地表覆蓋層(植被層、沙漠層及冰雪層等)是地球表層系統(tǒng)的重要組成部分，包含眾多人類重點關(guān)注的自然資源要素，是生態(tài)環(huán)境的主要承載層，也是與人類交互最為密切的圈層。積極開展地表覆蓋層厚度及垂直結(jié)構(gòu)監(jiān)測對于人類揭示地球系統(tǒng)動態(tài)衍化規(guī)律，以及應(yīng)對全球氣候變化、自然資源開采、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等全球性戰(zhàn)略問題具有重要意義。例如，全球地表覆蓋層厚度是測量“裸地球”真實形狀的關(guān)鍵；植被層厚度及垂直結(jié)構(gòu)有利于發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)衍化規(guī)律及揭示碳循環(huán)機制；冰雪層厚度及垂直結(jié)構(gòu)有利于掌握冰雪凍融過程及預(yù)測海平面變化；沙漠層厚度及垂直結(jié)構(gòu)有利于剖析水分遷徙過程及掌控沙漠化進程。

利用傳統(tǒng)光學(xué)遙感手段對地表覆蓋層表面進行監(jiān)測，無法全面獲取地表覆蓋層厚度及垂直結(jié)構(gòu)信息，不能完全解決人類對地表覆蓋層認知進程中所需的全部知識，如植被覆蓋層的厚度、蓄積量、生物量及層下地形，以及冰雪及沙漠覆蓋層厚度、含水量等。這些信息的缺失無法滿足當(dāng)今全球政治、經(jīng)濟、環(huán)境等快速發(fā)展的需求。如伴隨我國“一帶一路”及“資源走出去”重大戰(zhàn)略的推進，沿線生態(tài)文明建設(shè)、自然資源普查、海外護僑等常態(tài)化業(yè)務(wù)需要高精度林下地形產(chǎn)品輔助戰(zhàn)略部署；“雙碳”國家戰(zhàn)略實施進程中需要全球生物量支撐我國在國際氣候博弈中奪取主動權(quán)、話語權(quán)；在我國搭建地表自然資源“兩統(tǒng)一管理”框架進程中，迫切需要地表覆蓋層厚度及垂直結(jié)構(gòu)屬性信息對自然資源全要素管理提供根本性數(shù)據(jù)輸入。

對地表覆蓋層的范圍、厚度、垂直結(jié)構(gòu)及其時空演變進行全方位監(jiān)測，是一個空間五維、“表面+穿透”的測量過程，本文將該過程定義為“穿透測繪”。傳統(tǒng)方法主要通過遙感結(jié)合人工野外調(diào)查進行，費時費力，僅能在局部區(qū)域開展。如何快速、大范圍、高精度實現(xiàn)這一過程是國內(nèi)外對地觀測領(lǐng)域不懈的追求。近年來，以極化合成孔徑雷達干涉測量(polarimetric SAR interferometry，PolInSAR)技術(shù)為代表的衛(wèi)星對地觀測技術(shù)可在一定程度上穿透地表覆蓋層，記錄幾何與物理信息，為解決快速、大范圍、高精度獲取地表覆蓋層厚度及三維結(jié)構(gòu)屬性信息這一全球性科學(xué)難題提供了契機，是目前穿透測繪的主要技術(shù)手段。本文從地表覆蓋層穿透測繪的需求出發(fā)，討論穿透測繪的基本內(nèi)涵；梳理PolInSAR穿透測繪的應(yīng)用進展，并總結(jié)了PolInSAR穿透測繪面臨的問題與挑戰(zhàn)。

1 極化干涉SAR地表覆蓋層穿透測繪

1.1 穿透測繪的概念與內(nèi)涵

穿透測繪概念的提出得益于星載LiDAR與SAR等新一代對地觀測系統(tǒng)的不斷升級，特別是SAR系統(tǒng)在波段、極化測量及干涉測量等方面的能力提升。傳統(tǒng)InSAR系統(tǒng)受微波波長短(穿透能力弱)、空間基線過短及重返周期過長等限制，主要用于地表形變監(jiān)測及地形測繪。隨著研究的深入，研究人員意識到長波SAR信號對地觀測的獨特優(yōu)勢。國外長波極化干涉SAR(L/P波段)系統(tǒng)地研究起步較早，研發(fā)了一系列系統(tǒng)，如德國宇航局的E-SAR系統(tǒng)[1]和F-SAR系統(tǒng)[2]、法國宇航局的SETHI系統(tǒng)[3]、美國的UAVSAR系統(tǒng)[4]等；上述系統(tǒng)在森林區(qū)、冰雪區(qū)及沙漠區(qū)開展了系列原理性試驗，證明了長波PolInSAR技術(shù)獲取地理信息的豐富性。在上述機載PolInSAR試驗的支撐下，為實現(xiàn)全球大尺度地表覆蓋層穿透測繪，德國宇航局、歐空局及美國宇航局分別提出了Tandem-L(L波段)、BIOMASS(P波段)及NISAR(L、S波段)衛(wèi)星計劃[5-6]。近年來，我國在SAR領(lǐng)域技術(shù)突破顯著，天繪二號、陸地探測一號01組A/B星的成功發(fā)射將全面提升我國對全球地理信息資源的采集能力。

基于此，穿透測繪可以定義為：利用長波雷達等現(xiàn)代對地觀測技術(shù)對植被、冰雪、沙漠等地表覆蓋層進行穿透測量，并反演地表覆蓋層空間幾何、內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬性及其動態(tài)變化過程。如在植被覆蓋區(qū)，利用具有一定空間基線的兩景長波極化SAR影像進行干涉，可以同時獲取森林覆蓋區(qū)植被類別、土壤濕度、森林高度、森林垂直結(jié)構(gòu)及林下地形等多維度幾何與物理屬性信息，(圖1)。地表覆蓋層包含眾多要素，穿透測繪可在植被生物物理參數(shù)反演、冰雪結(jié)構(gòu)參數(shù)反演、沙漠含水量及垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)反演、凍土活動層厚度估計、林下地表形變監(jiān)測、城市三維建模及多維形變監(jiān)測、次地表結(jié)構(gòu)及含水量探測、隱蔽軍事目標識別等多個領(lǐng)域展示出良好應(yīng)用前景。

圖1 植被覆蓋層穿透測繪

1.2 極化干涉SAR測高原理

全極化SAR對散射體的形狀、方向及介電特性敏感，因而具備區(qū)分同一分辨單元內(nèi)不同散射體的能力。區(qū)別于傳統(tǒng)單極化SAR獲取HH或VV極化影像，全極化SAR影像具有4種極化方式，可以表達為[7]

(1)

式中，HH、HV、VH及VV分別表示4種極化方式。極化SAR分解技術(shù)的本質(zhì)是利用極化測量、散射測量對散射目標的形狀、方向及介電屬性進行區(qū)分，進而實現(xiàn)識別不同散射目標的目的，如經(jīng)典Freeman三分量模型分解利用表面散射、二面角散射及體散射對地物散射過程進行描述[8]。

將PolSAR極化測量引入InSAR干涉測量，形成極化干涉SAR(PolInSAR)技術(shù)。PolInSAR技術(shù)既對散射體的形狀和方向敏感，又對散射體的空間分布和高度敏感，能夠區(qū)分同一分辨單元內(nèi)發(fā)生的混合散射機制對應(yīng)的不同散射中心，從而確定覆蓋層中不同介質(zhì)層對應(yīng)的高度。如圖2所示，上圖為InSAR、PolInSAR及TomoSAR測量模式；下圖為不同測量模式下同一分辨單元的測高示意圖。在森林覆蓋層中，PolInSAR能有效區(qū)別冠層、樹干及地面等不同層次的高度，因此具備直接獲取林下地形及準確提取植被高度等地表參數(shù)的能力。

圖2 PolInSAR測高原理

與InSAR干涉過程類似，當(dāng)傳感器以不同入射角對同一目標物進行兩次照射時，利用主輔兩張影像S矩陣所構(gòu)造的Pauli基矢量k，可以定義極化干涉測量表達形式為[9]

(2)

式中，*T表示共軛轉(zhuǎn)置；〈〉表示多視平均；T11和T22分別為兩張干涉影像對應(yīng)的極化相干矩陣，僅包含極化信息；Ω12為極化干涉相干矩陣，既包含極化信息又包含干涉測量信息。以T6矩陣為基礎(chǔ)，可求得PolInSAR復(fù)相干系數(shù)為[3]

(3)

式中，ω1和ω2分別表示兩景SAR影像對應(yīng)的極化方式。通過調(diào)整ω1和ω2，可以獲得不同極化方式的復(fù)相干系數(shù)，構(gòu)成極化相干集[10]。此外，由于PolInSAR測高是基于甄選特定的極化方式獲取特定散射機理的干涉信息，因此，PolInSAR測高的核心理論是極化相干最優(yōu)[10]，即尋求某種極化方式可以代表某種“純凈”的散射信號。在多基線PolInSAR配置下，通過收集同一場景、不同高度的多基線SAR數(shù)據(jù)，能夠在高度向上合成孔徑，具有垂直向分辨能力，稱為層析SAR(TomoSAR)技術(shù)，如圖3所示[11]。綜上可知，PolInSAR與TomoSAR技術(shù)的核心原理本質(zhì)上均為干涉測量，兩者分別通過極化測量及層析成像算法實現(xiàn)了對同一分辨單元內(nèi)不同散射體垂直向分布的測量。若在TomoSAR技術(shù)中引入極化測量形成Pol-TomoSAR技術(shù)，可對每個層析切片進行散射過程分解，有利于垂直結(jié)構(gòu)的精細化建模。作為多基線PolInSAR的一種協(xié)同數(shù)據(jù)處理方法，雖然Pol-TomoSAR因?qū)?shù)據(jù)量、基線排布的苛刻要求難以大范圍推廣，但其對目標垂直結(jié)構(gòu)的精細探測能力可以為PolInSAR散射機理解譯及干涉散射模型建模提供重要依據(jù)。

1.3 極化干涉SAR穿透測繪的原理

PolInSAR可以實現(xiàn)穿透測繪的本質(zhì)為：從極化維度而言，通過變換極化方式，SAR信號可獲取不同維度的幾何及物理信息，允許對地表覆蓋層幾何與物理屬性信息進行分類、分層次提??；從觀測信息層面而言，同時獲取4景極化SAR影像，觀測信息的增加允許建立地表覆蓋層參數(shù)與PolInSAR觀測量之間的函數(shù)關(guān)聯(lián)，進而實現(xiàn)參數(shù)反演。極化微波信號在穿透地表覆蓋層松散介質(zhì)(如植被、冰雪、沙層)的過程中會發(fā)生散射與折射過程，導(dǎo)致相干性降低、干涉相位偏移。進而，利用PolInSAR進行穿透測繪的核心是構(gòu)建地表覆蓋層垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)與PolInSAR觀測值的函數(shù)模型關(guān)聯(lián)。為此，針對植被、冰雪及沙漠覆蓋層，相關(guān)散射模型被提出用于反演地表參數(shù)，其主要思路是將地表覆蓋層抽象為二層模型，即各向同性且包含隨機分布粒子集合的體散射層及表面/層下散射層[10,12-13]，如圖3所示。

圖3 典型地表覆蓋層散射模型

這些模型分別考慮了表面散射和體散射過程，將PolInSAR復(fù)相干性刻畫為表面散射相干性eiφ0和體散射相干性γvol的加權(quán)平均。用φ0表示表面散射層對應(yīng)高度的相位值，如在森林區(qū)代表林下地形高程(DTM)相位，冰雪和沙漠區(qū)則代表面高程(DSM)相位。體散射相干性的建模思路為，沿垂直高度方向?qū)Ω魃⑸淞Ｗ迂暙I進行綜合積分，表征微波能量衰減過程，其核心是對穿透層幾何與物理信息的數(shù)學(xué)表達，即垂直結(jié)構(gòu)函數(shù)f(z)。對于不同的地表覆蓋層場景，其積分的區(qū)間有所差異。例如，對于森林區(qū)，由于長波SAR信號穿透能力強，能夠穿透森林冠層，體散射去相干積分范圍為地表高度至樹冠頂層高度；而對于冰雪區(qū)和沙漠區(qū)，由于積雪及沙層厚度較深，體散射層可以被假設(shè)為一個無限深的微波衰減介質(zhì)，因此積分下限為無窮大，上限為表面高程。特別地，通過建立消光系數(shù)σ和穿透深度的聯(lián)立關(guān)系，該模型可用于介質(zhì)層穿透深度的反演。

2 地表覆蓋層穿透測繪應(yīng)用進展

受限于已有星載、機載PolInSAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力有限、原理性試驗設(shè)計不足，目前PolInSAR穿透測繪研究主要集中在植被、冰雪及沙漠覆蓋層。為此，本文以上述3類要素為對象，梳理現(xiàn)有PolInSAR穿透測繪的研究現(xiàn)狀。

2.1 植被覆蓋層

2.1.1 植被高度反演

針對PolInSAR森林高度反演，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞散射模型建立和反演算法開展研究。在散射模型方面，文獻[12]提出了隨機地體兩層相干散射模型(random volume over ground,RVoG)，該模型建立了單極化InSAR觀測值與森林高度、密度等森林生物物理參數(shù)之間的函數(shù)表達；文獻[9]首次建立了RVoG模型與PolInSAR觀測量之間的關(guān)聯(lián)，形成了基于PolInSAR技術(shù)的森林高度反演方法。但是，經(jīng)典RVoG模型存在如下問題：①無法考慮時間去相干誤差；②未充分考慮地形坡度對參數(shù)反演的影響；③假定森林介質(zhì)層為隨機勻質(zhì)體。針對上述缺陷，現(xiàn)有研究相繼提出了RVoG+VTD[14-15]、RMoG[16]、S-RVoG[17-19]、OVoG[20-21]、高斯后向散射模型[22]、變消光系數(shù)模型[22-23]及傅里葉-勒讓德級數(shù)模型[24]等，補償時間去相干、地形坡度、森林垂直結(jié)構(gòu)變化對森林高度反演的影響。隨著研究的深入，研究人員意識到相比短波PolInSAR，長波PolInSAR穿透能力更強，可以記錄更為全面的森林垂直結(jié)構(gòu)信息，有利于森林參數(shù)的反演。但是，長波PolInSAR視野下，地形坡度引發(fā)的非反射對稱成分更為顯著，森林垂直結(jié)構(gòu)趨于異質(zhì)性等問題仍未得到全面解決，需要進一步深入研究。

在模型解算方面，文獻[9]將RVoG模型求解概括為六維非線性求解問題，之后引入一系列智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等[25-26]，但是這些方法仍難以克服非線性求解的自身缺陷。鑒于此，文獻[27]提出了三階段算法(three-stage method)，提高了森林高度反演的效率和穩(wěn)定性。但是，單基線PolInSAR條件下RVoG模型解算需假定某一極化方式的地體幅度比為零，該假設(shè)不適用于長波PolInSAR數(shù)據(jù)。為了解決上述問題，文獻[28]提出雙基線PolInSAR反演算法，該方法解決了單基線三階段算法中假定某種極化方式不包含地表貢獻這一假設(shè)，但其要求選取的兩條干涉基線具有足夠的區(qū)分度，以避免求解出現(xiàn)病態(tài)問題，且無法直接擴展到多基線模式。后續(xù)多基線PolInSAR聯(lián)合解算策略主要關(guān)注如何從多基線PolInSAR數(shù)據(jù)中選擇“最優(yōu)”的觀測基線進行森林參數(shù)反演，并相繼提出了基于PolInSAR觀測量統(tǒng)計特性的選擇方案[29-30]、基于機器學(xué)習(xí)的選擇方案[31]等。盡管該類方法有效考慮了影響樹高反演的關(guān)鍵因素——垂直向有效波數(shù)，但其本質(zhì)仍采用單基線RVoG解算策略，無法避免對先驗觀測信息的依賴。鑒于此，文獻[32]將多基線聯(lián)合解算過程概括為復(fù)數(shù)平差問題，提升了多余觀測的利用率并兼顧了觀測幾何多樣性，但函數(shù)模型的穩(wěn)定性及隨機模型的合理性仍有待深入研究。此外，伴隨LT-1、Tandem-L及BIOMASS等新一代星載PolInSAR系統(tǒng)的成功發(fā)射，如何利用多波段、重軌+雙站干涉模式、多基線、多軌道PolInSAR數(shù)據(jù)聯(lián)合反演大范圍森林高度需要進一步研究。

2.1.2 森林垂直結(jié)構(gòu)反演

森林垂直結(jié)構(gòu)是地上生物量的一項重要指標，準確獲取森林結(jié)構(gòu)信息對于了解林分固碳能力、生物群落演化等具有重要的意義。目前，針對森林垂直結(jié)構(gòu)信息的研究主要是利用TomoSAR技術(shù)實現(xiàn)對森林垂直結(jié)構(gòu)的提取。文獻[11]建立了L波段SAR信號隨森林高度的變化規(guī)律，驗證了TomoSAR技術(shù)獲取森林垂直結(jié)構(gòu)的可行性。但該方法要求在短時間內(nèi)獲取同一地區(qū)的大量影像，且影像基線空間排布均勻。為了消除非理想基線獲取對層析譜估計的影響，相關(guān)研究提出了一系列層析譜估計方法，如基于Capon譜估計的自適應(yīng)波束形成算法[33]、多重信號分類法[34]、基于協(xié)方差匹配原則的多基線反演方法[35]等，并將這些方法應(yīng)用于不同的極化通道[36-37]。盡管如此，TomoSAR技術(shù)要獲得高分辨率層析結(jié)果，對數(shù)據(jù)數(shù)量、質(zhì)量仍有較苛刻的要求，這對星載PolInSAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集提出了巨大挑戰(zhàn)，難以在大范圍推廣。針對該問題，文獻[38—39]基于森林散射過程的特點，通過引入傅里葉-勒讓德模型約束，提出了極化相干層析成像(polarization coherence tomography,PCT)技術(shù)，即利用少量PolInSAR數(shù)據(jù)可獲取森林區(qū)微波反射在垂直方向上的變化過程。但該類方法提取的垂直結(jié)構(gòu)的可靠程度依賴引入模型能否刻畫微波穿透過程。由此可知，對于植被垂直結(jié)構(gòu)的提取，TomoSAR不依賴散射模型，但對數(shù)據(jù)要求苛刻，PCT對數(shù)據(jù)要求不高，但對模型要求苛刻。因此，如何兼顧二者的優(yōu)勢形成大范圍垂直結(jié)構(gòu)提取方法值得深入研究。

隨著機器學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，相關(guān)學(xué)者對森林結(jié)構(gòu)的垂直分層進行了深入研究。文獻[40]利用PolInSAR相干集參數(shù)和LiDAR獲取的森林高度剖面，借助監(jiān)督機器學(xué)習(xí)算法對森林垂直結(jié)構(gòu)進行分類，實現(xiàn)了不同植被層的有效區(qū)分。之后，文獻[41]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)，將森林垂直結(jié)構(gòu)分為單層、兩層及三層。文獻[42]利用TomoSAR技術(shù)重構(gòu)了森林的三維反射率剖面，根據(jù)反射率剖面的局部極值分布獲取了森林的垂直和水平結(jié)構(gòu)信息，進而實現(xiàn)了復(fù)雜森林場景內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細分。綜上，隨著多基線PolInSAR數(shù)據(jù)的引入，森林分類已由樹種分類擴展為垂直結(jié)構(gòu)分類。該研究對于全面認知植被要素具有重要意義。

2.1.3 生物量估算

目前，通過SAR技術(shù)估算地上生物量的方法可以分為兩類：基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷墓浪惴椒ê突诋愃偕L模型估算方法。

在基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸浪惴矫?，文獻[43]結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了C、L、P波段后向散射系數(shù)與生物量之間的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)波長越長SAR信號對生物量越敏感，且交叉極化信號相比同極化信號對生物量更為敏感。之后，研究人員分別利用不同波段的SAR數(shù)據(jù)對不同樹種的生物量進行估計[44-45]，并提出了多種基于后向散射系數(shù)估計森林生物量方法，包括指數(shù)模型[46-48]、線性模型[49]、高階擬合模型[50]等。然而，無論是SAR后向散射強度還是相干強度都容易受森林屬性變化(枝干密度、葉片密度等)、雷達觀測幾何及地形等外部因素的干擾，且在高生物量區(qū)域易產(chǎn)生“飽和”現(xiàn)象。針對上述問題，文獻[51—53]通過引入HH/VV極化比或水云模型構(gòu)建了生物量估算的半徑經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，可在一定程度上抵御時間去相干和地形變化的干擾。盡管該類方法對SAR數(shù)據(jù)要求低，適合大范圍生物量估計，但在復(fù)雜地形條件下，如何排除非森林散射信號對生物量估計的干擾仍有待深入研究。

準確的森林高度可以作為森林生物量估計的重要輸入數(shù)據(jù)。文獻[54]利用森林高度與生物量之間的異速生長模型，實現(xiàn)了溫帶森林的生物量估算。之后，文獻[55]利用PolInSAR技術(shù)進行了森林高度反演，通過異速生長模型估算森林生物量。由于森林生物量不僅與森林高度有關(guān)，還與胸徑、林分密度等因素有關(guān)，因此僅依賴森林高度無法準確估算森林生物量。為了解決該問題，文獻[56]提出采用PCT技術(shù)獲取森林的垂直結(jié)構(gòu)，并將其融入異速生成方程從而進行生物量估計，與僅采用植被高度的生物異速生長估算方法相比，其精度提高了約37%。之后，文獻[57]通過TomoSAR技術(shù)提取了L波段的雷達反射率剖面信息，并將其作為森林的垂直結(jié)構(gòu)信息融入異速生長方程進行生物量估算。綜上，利用PolInSAR技術(shù)估計森林高度及垂直結(jié)構(gòu)更利于高精度森林生物量估計。但不同森林含水量、物候條件均會對PolInSAR垂直結(jié)構(gòu)提取產(chǎn)生干擾，如何準確構(gòu)建PolInSAR估計的森林垂直結(jié)構(gòu)信息與生物量之間的關(guān)系仍需進一步研究。

2.1.4 林下地形反演

在森林覆蓋區(qū)，由于微波強穿透能力及微波信號的衰減效應(yīng)，傳統(tǒng)InSAR測量技術(shù)所獲取的高程通常位于樹冠頂部與地表之間。在傳統(tǒng)InSAR測高技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過變換極化方式或增加不同基線觀測幾何，將InSAR技術(shù)擴展為PolInSAR及TomoSAR技術(shù)，為解決林下地形測繪提供了新的思路。文獻[58]對目前林下地形測繪的方法、進展進行了全面系統(tǒng)的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)PolInSAR與TomoSAR可以較好地應(yīng)用于森林區(qū)林下地形測繪。但是，森林幾何形態(tài)特征及其物理屬性具有高時變性，要在森林區(qū)開展InSAR測量要求星載系統(tǒng)重訪周期需足夠短，而目前的星載SAR系統(tǒng)仍難以提供可滿足PolInSAR或TomoSAR測量需要的試驗數(shù)據(jù)。為此，文獻[59]利用星載TanDEM-X雙站InSAR數(shù)據(jù)，結(jié)合相干電磁模擬與實測林下地形之間的關(guān)系，提出了一種短波InSAR林下地形提取方法。此外，文獻[60]針對雙站TanDEM-X數(shù)據(jù)，通過引入穿透深度模型與少量LiDAR樹高估計相位中心高度，并將其從高精度InSAR DEM中剔除得到林下地形。綜上，目前上述方法僅限于局部區(qū)域開展試驗，適用范圍均有一定限制，如何在復(fù)雜地形、復(fù)雜林分條件下獲取大范圍、高精度林下地形仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

2.2 冰雪覆蓋層

2.2.1 SAR信號冰雪區(qū)穿透深度估計

極化SAR信號在冰雪覆蓋區(qū)雖具備一定的穿透能力，但多數(shù)情況下難以穿透冰雪覆蓋層，無法直接獲取完整的冰雪覆蓋層厚度。但是，微波信號的穿透深度與冰雪層密度、含水量及垂直結(jié)構(gòu)有關(guān)，微波信號穿透深度的估計對于冰雪表面地形測繪、冰雪消融評估等具有重要意義。目前，冰雪區(qū)微波信號穿透深度的估計主要有兩類模型：經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚61-62]及物理散射模型[63-66]。經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕柚獠繑?shù)據(jù)估計空間少量、離散的SAR信號穿透深度，然后建立穿透深度與InSAR相干性及后向散射強度之間的函數(shù)關(guān)系，進而實現(xiàn)穿透深度的大范圍估計[61-62]。該類方法雖可避免對冰雪區(qū)復(fù)雜微波散射過程的建模，但是經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系不嚴密且通用性不強，不適用于大范圍、高分辨率穿透深度估計。利用物理模型實現(xiàn)穿透深度的估計需明確極化微波信號與冰雪覆蓋層的交互過程。文獻[63]提出將冰雪區(qū)極化SAR散射過程概括為粗糙冰雪界面的表面散射、冰雪內(nèi)部的體散射及冰浪散射；之后結(jié)合無限深散射模型并考慮微波信號折射過程[65]，提出了表征穿透深度的消光系數(shù)反演模型，建立了PolInSAR觀測量與冰雪區(qū)微波信號穿透深度之間的函數(shù)關(guān)聯(lián)[13]?；谏鲜隼碚撗芯浚墨I[65]利用機載F-SAR數(shù)據(jù)，估計了X、C、L、P波段極化微波信號在格陵蘭冰川不同滲流區(qū)的穿透深度，并證明了利用上述散射模型估計的穿透深度可用于校正冰雪區(qū)InSAR測高以獲得DSM。綜上，對于冰雪區(qū)幾何形態(tài)與物理屬性的獨特性及差異性(如海冰與陸地冰川幾何形態(tài)及物理屬性差異顯著)，現(xiàn)有極化SAR散射機理無法完全解釋極化微波信號的散射過程，是實現(xiàn)穿透深度估計的必要前提。此外，微波信號在穿透冰雪覆蓋層過程中不僅發(fā)生散射過程，還伴隨折射過程，且不同分層條件下散射、折射過程不相同，因此如何在考慮冰川垂直結(jié)構(gòu)的條件下對散射、折射過程進行建模仍需深入研究。

2.2.2 冰雪層屬性參數(shù)反演

光學(xué)遙感、極化SAR及InSAR技術(shù)已成功應(yīng)用于冰雪區(qū)分類、厚度變化監(jiān)測及冰川流速等方面。但為了更全面、系統(tǒng)地揭示冰雪覆蓋層消融規(guī)律，冰雪覆蓋層雪水當(dāng)量、密度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息極為關(guān)鍵。文獻[66—67]揭示了雪水當(dāng)量、介電常數(shù)、積雪厚度及密度等參數(shù)對極化SAR后向散射系數(shù)的影響規(guī)律，建立了陸地積雪參數(shù)反演模型。但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，相比X、Ku波段極化SAR信號，長波極化SAR信號對雪水當(dāng)量參數(shù)變化不敏感，導(dǎo)致上述方法估計雪水當(dāng)量的不確定性較大。針對上述問題，歐空局提出CoReH2O計劃，擬利用雙頻(X+Ku)及雙極化SAR數(shù)據(jù)對雪水當(dāng)量進行反演[68]，提出采用兩層緊致介質(zhì)輻射傳輸模型(dense medium radiative transfer,DMRT)對雪水當(dāng)量進行估計[68]。盡管長波極化SAR不利于雪水當(dāng)量估計，但長波極化SAR可以穿透冰層，記錄內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。鑒于此，文獻[13]利用無限深散射模型建立了PolInSAR數(shù)據(jù)估計消光系數(shù)的方法，為揭示冰層內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬性提供了可能。綜上，目前利用PolInSAR反演冰雪區(qū)物理參數(shù)的研究仍處于探索階段，明確微波信號與冰雪覆蓋層的交互機制是進一步挖掘參數(shù)反演能力的前提。此外，現(xiàn)有研究均假定積雪層或冰層為由球狀粒子構(gòu)成的各向同性介質(zhì)層。但探地雷達、層析等技術(shù)探測到冰雪區(qū)垂直結(jié)構(gòu)具有明顯分層現(xiàn)象，可見上述物理散射模型如何考慮冰雪垂直結(jié)構(gòu)分層現(xiàn)象對于精確參數(shù)反演至關(guān)重要。

2.2.3 冰雪覆蓋層垂直結(jié)構(gòu)探測

冰雪內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)是冰雪動力學(xué)模型的重要輸入?yún)?shù)之一，現(xiàn)有研究主要利用PCT[69]及TomoSAR技術(shù)[70-73]對冰層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探測?；赑CT技術(shù)的冰雪垂直結(jié)構(gòu)探測方法主要利用傅里葉-勒讓德多項式對垂直結(jié)構(gòu)進行自適應(yīng)擬合，進而建立PolInSAR復(fù)相干性與垂直結(jié)構(gòu)之間的函數(shù)關(guān)系[69]。該方法不依賴復(fù)雜散射模型，僅利用少量PolInSAR數(shù)據(jù)便可實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)的反演。但是該方法垂直向分辨率與多項式階數(shù)有關(guān)：低階求解穩(wěn)定，但垂直向分辨率有限；高階垂直向分辨率較高，但求解過程易出現(xiàn)病態(tài)問題。相對而言，TomoSAR獲取的垂直結(jié)構(gòu)更為精細?，F(xiàn)有冰雪區(qū)TomoSAR研究主要利用傅里葉變換、Capon等層析成像算法在冰雪區(qū)進行可行性驗證，利用L、P波段極化SAR數(shù)據(jù)已成功探測冰層下20～60 m深度的垂直結(jié)構(gòu)[70-73]。綜上，冰雪覆蓋區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測對于揭示冰雪覆蓋層消融過程、揭示成災(zāi)機理具有重要價值。隨著長波PolInSAR系統(tǒng)的陸續(xù)發(fā)射，面向冰雪覆蓋層如何利用星載TomoSAR/PolInSAR技術(shù)開展層析成像值得深入研究。面臨的主要挑戰(zhàn)為：由于冰雪區(qū)分布零散，利用星載SAR系統(tǒng)獲取多基線數(shù)據(jù)難度大，如何利用少量、基線非均勻分布的多基線極化SAR數(shù)據(jù)進行高分辨率層析成像需要深入研究；此外，如何在TomoSAR技術(shù)中充分引入極化測量，以揭示冰層內(nèi)部精細化結(jié)構(gòu)需要深入研究。

2.3 沙漠覆蓋層

2.3.1 SAR信號沙漠區(qū)穿透深度估計

目前SAR信號在沙漠區(qū)穿透深度的估計方法主要分為3類：人造目標埋設(shè)法[73-75]、多源DEM差分法[76-77]及散射模型反演法[78]。人造目標埋設(shè)法僅適用于局部區(qū)域，用于探究SAR信號在沙漠區(qū)的穿透規(guī)律。已有研究發(fā)現(xiàn)，X波段在埃及南部Selima沙層的穿透能力約為0.1～0.3 m，C波段約為0.2～0.5 m，L波段約為0.8～2.0 m[76-77]。多源DEM差分法雖可獲取大范圍、高分辨率穿透深度，但由于沙漠時變性顯著，難以獲取時空同步的多源數(shù)據(jù)進行穿透深度估計。文獻[78]將沙漠抽象為各向同性、無限深介質(zhì)，首次提出引入相干散射模型的InSAR沙漠區(qū)穿透深度反演模型，利用L波段InSAR數(shù)據(jù)估計庫夫拉盆地的穿透深度約為2.83 m[78]。綜上，微波信號穿透深度是沙介質(zhì)層沙粒大小、含水量、沙質(zhì)等屬性的綜合表現(xiàn)，如何建立可靠的穿透深度估計模型并揭示其與沙漠屬性參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)需要深入研究。此外，沙漠區(qū)極化SAR散射機理尚不明確，根據(jù)冰雪區(qū)極化SAR散射機理的研究經(jīng)驗，沙漠區(qū)散射過程同樣具備特殊性，不能利用現(xiàn)有散射機理進行描述。如由于風(fēng)力作用，沙漠表面形成沙浪，會引起極化SAR信號的變化；沙漠內(nèi)部的水分由于蒸發(fā)作用呈現(xiàn)水分分層現(xiàn)象，導(dǎo)致極化SAR穿透沙層發(fā)生折射、散射，上述過程如何考慮沙漠分層現(xiàn)象值得深入研究。

2.3.2 沙層水分含量反演

水分含量是反映沙層內(nèi)部物理屬性的重要表征參數(shù)之一，目前沙漠區(qū)沙層水分含量反演的研究尚處于探索階段。文獻[79]基于電磁波輻射傳輸原理提出積分方程模型(IEM)，適用于各種粗糙程度地表的后向散射系數(shù)模擬?；谏鲜隼碚撃Ｐ?，文獻[80]基于Radarsa-2 SAR數(shù)據(jù)建立了后向散射系數(shù)與含水量之間的關(guān)聯(lián)，結(jié)果表明渾善達克沙地平均含水量小于30%。上述方法主要面向單極化SAR數(shù)據(jù)，由于物理模型的復(fù)雜性，其需要借助先驗信息對相關(guān)長度或均方根高度等參數(shù)進行固定，限制了水分含量估計的精度。全極化SAR數(shù)據(jù)可以更全面地考慮地表粗糙度等參數(shù)，為水分含量反演提供了新思路。鑒于此，文獻[81]通過建立X-Bragg模型，成功地將耦合的土壤粗糙度與含水量分離。文獻[82]提出了一種極化雙尺度模型(PTSM)，能夠有效地描述真實沙漠場景中的去極化和交叉極化現(xiàn)象，可從極化相干矩陣中對含水量進行估計。基于上述理論模型，文獻[83]基于全極化機載P波段數(shù)據(jù)反演了摩洛哥沙漠的沙層水分含量，結(jié)果表明平均含水量在30%左右。綜上，由于微波信號可以穿透沙漠覆蓋層，為沙漠覆蓋層層下不同深度的含水量反演帶來了契機，但同時也為現(xiàn)有微波土壤水分反演模型帶來巨大挑戰(zhàn)：如何兼顧散射、穿透條件下含水量反演值得深入研究。

2.3.3 沙漠區(qū)次地表結(jié)構(gòu)探測

目前由于缺少沙漠區(qū)機載多基線PolInSAR數(shù)據(jù)，尚未有基于PCT或TomoSAR技術(shù)的垂直結(jié)構(gòu)探測研究。利用SAR技術(shù)探測沙漠次地表結(jié)構(gòu)的典型案例為：文獻[84]利用機載SIR-A影像發(fā)現(xiàn)了覆蓋在撒哈拉沙漠南部的古河道系統(tǒng)；文獻[85]分別利用AirSAR的C、L、P波段極化數(shù)據(jù)開展探測試驗，證實了亞利桑那州北部隱藏在沙層覆蓋下的基底巖石；文獻[86]利用L波段機載SAR數(shù)據(jù)探測干燥土壤下所埋藏的地雷；文獻[87]利用L波段PALSAR數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)埃及東南部Gallaba盆地存在隱藏斷層；文獻[88]利用L波段SAR數(shù)據(jù)揭示了埋藏在利比亞沙漠東南部的地下古河道系統(tǒng)；文獻[89]利用L波段全極化SAR數(shù)據(jù)探測了埋藏在埃及西部沙漠下的人造矩形目標。上述案例證明了極化SAR數(shù)據(jù)探測次地表結(jié)構(gòu)的潛質(zhì)，若引入PCT或TomoSAR技術(shù)，將會為沙漠區(qū)地下水資源探測、隱蔽軍事目標探測、礦產(chǎn)資源勘查等提供全新“觀測”視角。

3 PolInSAR穿透測繪面臨的挑戰(zhàn)

3.1 全極化SAR信號與地表覆蓋層的交互過程解譯與建模

明確極化SAR信號與地表覆蓋層的交互過程并建立相應(yīng)的散射模型是利用PolInSAR穿透測繪的前提。由于地表覆蓋層幾何結(jié)構(gòu)的多樣性及物理屬性的復(fù)雜性，現(xiàn)有全極化SAR散射機理無法全面揭示極化SAR信號散射規(guī)律。主要面臨的問題如下。

(1)散射機理方面：散射機理主要用于建立極化SAR后向散射系數(shù)與覆蓋層屬性參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)有極化SAR分解模型建模的研究重點主要放在散射體形狀及其空間分布規(guī)律上，尚未充分考慮冰雪、沙漠等特殊幾何形態(tài)與物理屬性對極化SAR散射信號的影響。此外，長波PolInSAR條件下，由坡度、覆蓋層復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)引發(fā)的非散射對稱成分更為顯著。盡管現(xiàn)有極化SAR分解技術(shù)已對非反射對稱成分進行建模，但在不同場景下，非反射對稱成分的物理解釋尚不明確，與覆蓋層幾何與物理屬性參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)尚不清楚。

(2)散射模型方面：干涉散射模型主要用于建立極化干涉SAR復(fù)相干性與覆蓋層屬性參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)有干涉散射模型主要假定穿透介質(zhì)為各向勻質(zhì)體，但是要精確提取地表覆蓋層垂直結(jié)構(gòu)信息需要充分考慮覆蓋層異質(zhì)性、多層、動態(tài)變化的特點。此外，目前散射模型主要是對PolInSAR復(fù)相干性進行參數(shù)化建模，由于復(fù)相干性對極化信息進行了抽象表達，因此不利于對非散射對稱成分進行精細化建模，如現(xiàn)有植被區(qū)RVoG模型難以對螺旋散射等非反射對稱成分進行表達。

3.2 多源PolInSAR地表覆蓋層空間幾何、結(jié)構(gòu)屬性信息反演方法

相比傳統(tǒng)InSAR相位測高，PolInSAR穿透測繪聯(lián)合相位、相干性及極化信息對監(jiān)測目標的幾何與物理信息進行反演，進而對反演方法提出了更高的要求。精細化的垂直結(jié)構(gòu)監(jiān)測需要多波段極化SAR協(xié)同觀測。例如，對于冰雪區(qū)，短波更適合對雪水當(dāng)量進行反演，長波更適合對垂直結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測；對于植被區(qū)，短波更能精細捕捉低矮、稀疏植被的垂直結(jié)構(gòu)，長波更有利于高大、茂密的雨林垂直結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。此外，由于散射模型的復(fù)雜性，要實現(xiàn)覆蓋層幾何與結(jié)構(gòu)信息的反演需借助多基線、多角度PolInSAR數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測。盡管雙站PolInSAR可以獲取不受時間去相干干擾的觀測數(shù)據(jù)，但是重軌干涉模式具有更高的機動性，如何聯(lián)合單站、重軌PolInSAR數(shù)據(jù)以滿足參數(shù)反演對多基線、多角度觀測的需求，需要深入研究。綜上，PolInSAR穿透測繪需要多源PolInSAR數(shù)據(jù)協(xié)同反演，積極發(fā)展通用性強、解算穩(wěn)定、誤差控制合理、參數(shù)精度評定可靠的反演策略對PolInSAR穿透測繪全面推廣至關(guān)重要。

3.3 PolInSAR系統(tǒng)研制與地面試驗場建立

穿透測繪理論與算法的研究尚處于探索階段，需要靈活機動機載、無人機載PolInSAR系統(tǒng)在標準化試驗場地開展原理性試驗支撐理論與算法研究。目前，我國機載、無人機載長波PolInSAR系統(tǒng)技術(shù)水平尚有待提高，原理性試驗十分匱乏，無法滿足穿透測繪理論與方法探索性研究的要求，導(dǎo)致相關(guān)研究過分依賴國外機載數(shù)據(jù)。因此，結(jié)合我國自然資源調(diào)查需求及我國在無人機載平臺的優(yōu)勢，研制長波無人機載PolInSAR系統(tǒng)及建立標準化試驗場對于提升我國穿透測繪領(lǐng)域的綜合競爭力具有重要意義。

4 總 結(jié)

現(xiàn)有遙感技術(shù)主要采集地表覆蓋層表面幾何及部分物理屬性信息，無法測量地表覆蓋層厚度及垂直結(jié)構(gòu)信息，已不能滿足眾多研究領(lǐng)域?qū)Φ乇砀采w層全方位地理信息的需求。鑒于此，本文結(jié)合國內(nèi)外PolInSAR發(fā)展動態(tài)，定義了穿透測繪的內(nèi)涵，并結(jié)合PolInSAR在植被、冰雪及沙漠覆蓋區(qū)的應(yīng)用闡明了穿透測繪的可行性與優(yōu)勢。但是受地表覆蓋層極化SAR散射機理不完備、散射模型不全面、硬件設(shè)施不穩(wěn)定等因素的限制，穿透測繪理論與算法研究尚處于探索階段。隨著以我國陸地探測一號01組A/B星為代表的新一代PolInSAR系統(tǒng)的成功發(fā)射，穿透測繪未來將成為對地觀測領(lǐng)域的研究重點。