合成孔径雷达（SAR）在地球科学应用中的尺度效应研究

As unambiguous stated in the Research Opportunity Announcement of 2014, National Science Foundation of China, attention must be given to the evolution among factors/elements that are of inter- and intra- connections in scale and scale transform when scientists explore their interactions, and spatial patterns and distributions. When remote sending techniques are used to study the factors/elements, scientists are unavoidably involved with issues of scale and scale effect. The issues are related to the image-formation mechanisms, temporal resolution, and spatial resolution as well as other system parameters of a remote sensor. The insufficiency of in-depth understanding of the scale and scale effect in remote sensing, and the unavailability of systematic frameworks and methodologies hamper the advancement in remote sensing science and application. In result, remote sensing cannot meet national and fundamental research needs. Thus, based on the progresses made on studies of scales and scale effects in geography and optical remote sensing arenas, we plan to develop and then verify the systematic framework that scales and their effects on SAR theory and application are investigated. In the development and verification, the uniqueness of acquisition or formation in SAR imagery that is based on azimuth synthesis, side-looking and ranging in slant range will be considered. Thousands of available SAR images accumulated from previous research projects in USA will be analyzed using geo-spatial statistics,and techniques in image information extraction. In particular, the heterogeneity and azimuth symmetry of radar targets, the optimum spatial resolution of a SAR sensor, and the spatial correlation before and after scale transformation of SAR images will be accessed. Consequently, we will further the understanding of the scale and scale effect on the SAR application in Earth science, and potentially resolve the problems related to scales and scale effects.

2014年基金指南提出在探讨自然环境各个要素之间的相互关系以及空间分布规律时，应注重各要素不同空间尺度演化过程。当利用遥感去研究各自然环境要素时，必然要涉及到传感器成像机理、时相及空间和其它传感器系统参数等多尺度效应问题。正因为对遥感观测的尺度效应了解不够，缺乏解决该问题的系统构架，以致遥感科学与应用不能满足国家和基础研究的需求，阻碍了其自身发展，因此我们拟借鉴地学和光学遥感界在解决尺度、尺度效应问题取得的成果，构建多尺度效应下SAR理论和应用发展的系统框架。结合SAR方位合成、侧视、测斜距的独特成像机理，用在美国多年科研项目积累的数千幅多平台SAR数据集、几何-空间统计和图像信息提取技术，通过量化不同地物雷达目标的非均匀特性、方位对称性、最佳空间分辨率、数据尺度转换前后的空间相关性，验证和完善这个框架，从而认知尺度效应对SAR在地球科学应用的影响，力争解决尺度、尺度效应的难题。

由于对遥感观测的尺度效应了解不够，缺乏解决该问题的系统构架，以致遥感科学与应用不能满足国家和基础研究及应用的需求，阻碍了其自身发展，因此我们拟借鉴地学和光学遥感界在解决尺度、尺度效应问题取得的成果，构建多尺度效应下SAR 理论和应用发展的系统框架。. 在项目的实施中，我们针对人造建筑物目标的方位尺度效应进行研究。城区建筑目标多为方位非对称，所以随着雷达照射波与建筑物墙面之间的夹角的改变，建筑物后向散射的雷达信号也会相应改变。当城区目标具有较大方位角时，将产生强的体散射能量。由于城区目标的分类识别主要是根据强偶次散射能量，所以具有较大方位角的城区目标极易被误分类为林区目标。为了正确提取城区目标的散射特征以及正确对城区目标进行分类识别，对具有较大方位角的城区目标，需要增加该类目标的偶次散射能量，减少体散射能量。我们首先利用干涉系数来修正体散射模型，建立了极化方位角补偿算法；为了避免极化干涉的复杂性，我们利用相关系数来校正体散射模型，并建立相应补偿算法。两种算法下，城区目标无论具有多大方位角，都表现出强偶次散射的散射特征。从而提高了城区目标的分类识别精度，加深了对城区目标雷达回波其复杂性的认知、扩展了极化分解算法的应用范围。. 对于大型桥梁而言，由于水面和桥的相互作用，SAR 图像中往往会出现多条桥的像，桥面的位置、桥面宽度以及桥梁高度都可以根据像的位置关系进行判断和估算。但是，由于方位角的不同，桥面的成像数量、位置都会有很大不同，所以桥面的判断、桥面宽度和桥梁高度的估算也都大不相同。我们选择了美国加州圣地亚哥的科罗纳多大桥作为研究对象，该大桥的桥身弯曲、桥下的净高变化，是研究大型桥梁在不同方位角下的散射特征的理想目标，我们详细地解释了随着方位角的变化，桥面散射特征的变化情况以及相应地桥面宽度和桥梁高度估算方法，弥补了目前基于SAR “三影线”反演桥面宽度、桥梁净空高反演算法失效的这一不足。

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