微波遥感技术在农业监测中的应用研究

姜韶 蒋红彪

四川省冶金地质勘查局测绘工程大队 四川 成都 610212

引言

微波遥感是上个世纪末迅速发展起来的遥感技术。如今已经形成了比较成熟的理论体系，其应用也在全世界迅速普及。中国是个人口众多的农业大国，农业的现代化迫在眉睫。作为一种具有潜在优势的新兴科技，微波遥感应用于农业无疑将加速农业现代化的步伐[1]。

1 微波遥感原理

微波是电磁波的一种形式。从电磁波波谱可以看出，微波实际上也是一种无线电波，它的波长从1mm到1000mm。微波遥感就是利用某种传感器接受地面各种地物发射或者反射的微波信号，借以识别、分析地物，提取所需的信息。

微波遥感在农业中的应用主要是利用SAR（合成孔径雷达）图像，基于地物对微波的发射和散射不同，进行农作物的识别、监测和估产。本文主要介绍合成孔径侧视雷达的成像原理。合成孔径侧视雷达的基本思想是，用一个小天线沿一直线方向不断的移动。在移动中的每个位置上发射一个信号，接受相应位置的回波信号存储下来。在存储的同时保存接收信号的振幅和相位。由于它对同一地物目标的信号不是在同一时刻得到，而是在每个位置上都要记录一个回波信号，每个信号由于目标到飞行器之间的距离不同，其相位和强度也不同。如此形成的图像不是实际的地面图像，而是相干图像，需要经过相应的处理才能够恢复成地面的实际图像[2]。

2 微波遥感在农业中的应用

微波遥感（主要是SAR（合成孔径雷达）图像）在农业上的应用主要是进行农作物类型的识别区分，对农作物的健康状况进行监测，提取农作物的种植面积信息从而可以对最终的产量进行估算[3]。

2.1 微波遥感应用的农业分析

首先，由于不同的农作物以及不同的农田状态其微波发射不同，而且对于不同的波长、频率、探测角以及极化方式，地物在雷达影像上所表达的信息就不一样。从农业目标返回到仪器上的辐射特征则主要取决于生物量的大小、介电常数（主要与农业目标物的含水量紧密相关）和植物的几何形态。因此，农作物对微波的后向散射情况，是决定于作物的形态和大小，而这又取决于作物的种类和物候年龄。基于这些理论，可以对农作物进行类别识别。加拿大遥感中心研究发现，用X波段（波长2.4-3.8cm）探测，对农作物类别可提供良好的区分。北京农业大学微波课题组在观测玉米微波特性时看到，在玉米生长的旺盛阶段，总的特征是：微波的各主要波段内，其微波的发射能力与其生物量成正比。美国堪萨斯大学在深入研究土壤的微波后向散射时指出：用C波段（波长为3.8-7.5cm）同极化方式和入射角为7-17度探测时，在忽略土壤粗糙度干扰条件下，裸土的土壤湿度可以被很好地区分。这个研究组发现当仪器特性与上述相似时，对有植被覆盖的土壤湿度分析时也是适宜的。许多这方面的研究报告已经指出，由于农田土壤与作物在微波发射与反射的特点，使用多波段，多极化方式进行探测，对作物分类的探测会有很大改善。其次，利用微波遥感图像可以对农作物的健康状态进行监测。影响作物生长的因素有病虫害、干旱、洪涝以及暴风雨雪等，这些因素会改变农作物的高度、密度、叶面积以及结构等。一旦目标作物的这些信息发生变化，那么在雷达影像上就会有相关的表达。比如遥感资料与辅助资料（地理、地形、气象资料）以及物理或统计模式结合，可以求算诸如叶面积指数、物候时期等对农业管理有用的作物参量。另外微波遥感对地面水分状况特别敏感，且对地面有一定的穿透力，故用它来估算土壤湿度和植物水分状况有着特别的潜力。由于含水量不同的土壤其介电常数不一样，从而导致发射率也不一样，这就使得利用被动微波遥感技术来监测土壤水分成为可能。通过正确地选择雷达传感器参数，在实际应用中可以降低表面粗糙度的影响，提高雷达土壤水分探测的精度。同时通过多频、多极化、多人射角数据可以建立合适的模型消除地表粗糙度的影响，达到反演地表土壤水分的目的[4]。

3 微波遥感在我国农业生产中的发展

在整个遥感技术的发展中，微波遥感占有越来越多的份额。其发展正在经历由真实孔径雷达到合成孔径雷达，由机载成像雷达到星载成像雷达，由单极化、单波段到多极化、多波段，由光学处理到数字处理，以及从SAR到SAR干涉测量（INSAR）的巨大变革。其主要的发展方向是需求更加完美的遥感机理，功能更强的遥感器，更先进的数据处理方法以及更高频技术。有了更先进的技术才能在农业生产中更充分的发挥微波遥感的作用。

近些年来在农业信息提取中，如何考虑把光学遥感图像与微波雷达图像联合加以应用，是一些农业遥感工作者所注意加以研究的问题。不同图像的联合使用，目前主要有三种方式：①主要利用两种图像对同一地物的反映信息具有或详细或粗略的差别，有利于人工进行目视解译：②在农作物生长的关键时期，如果天气情况不利于其他波段的遥感手段，就可以利用雷达影像来弥补光学影像的不足；③可以把雷达图像的信息作为一个新的电磁波探测波段，使其与光学影像资料中几个波段联合组合，用数学方法变换成新的复合信息。这一新的复合信息在农业监测中能表征农作物状态的重要参量，为定量分析农业问题提供了方便[5]。

4 结束语

我国是一个发展中的大国，在微波遥感方面的技术比不上一些发达国家。因此，在发展微波遥感时必须突出重点，制定有限目标。从我国国民经济建设和国防的需求来看，发展航天微波遥感应该是最好的选择。只要抓住机遇，充分发挥优势，微波遥感技术将会迎来一个新的纪元，从而也将带动农业的发展，为整个中国的经济发展做出巨大的贡献。