雷达遥感是一种主动式微波遥感系统，其基本工作原理为雷达传感器向地面目标发射电磁波，然后通过接收地物后向散射回波信号进行成像。合成孔径雷达（SAR）是利用合成孔径原理，实现高分辨的微波成像，本文雷达遥感主要指合成孔径雷达遥感。雷达遥感属主动遥感，不受时间、天气和光照等因素的影响，能够在白天和夜晚、晴天和阴天工作。雷达波对于植被、土壤等地物具有一定穿透能力，可以获取地表下的信息。雷达遥感还具有干涉测量能力，能感知地表的微小变化。由于雷达遥感全天时、全天候、一定穿透性及干涉测量等对地观测优势，雷达卫星已经成为世界各国争相抢占的技术高地和科学应用研究的战略资源。近几十年，随着空间信息技术的快速发展，不受天气条件限制的合成孔径雷达卫星，已经成为全天时、全天候、高分辨率、大区域对地观测的重要手段。

早在1978年6月，美国成功发射了第一颗载有L波段、HH极化SAR系统的海洋卫星（Seasat-A），揭开了星载SAR天基对地观测的序幕。随后，1981年、1984年美国利用航天飞机搭载L波段HH极化SAR载荷SIR-A/B进入太空，1994年美国将搭载SIR-C/X的航天飞机发射进入太空。除美国外，苏联/俄罗斯于1991年、1992年发射了载有S波段HH极化SAR卫星系统钻石1、2号（ALMAZ-1/2），欧洲航天局（ESA）于1991年、1995年发射了载有C波段VV极化SAR系统的欧洲遥感卫星1、2号（ERS-1/2），日本于1992年发射了载有L波段HH极化的地球资源卫星1号（JERS-1），加拿大于1995年发射成功了C波段HH极化雷达卫星1号（RADARSAT-1）。早期雷达卫星以单波段、单极化为主，成像模式也比较单一。

进入21世纪后，相关国家、组织加强了新一代星载SAR的研制，雷达遥感从单一极化、模式、波段、固定入射角向多极化、多模式、多波段、可变入射角发展。欧洲航天局的C波段环境卫星1号（Envisat-1）于2002年3月发射升空，日本的L波段先进陆地观测卫星（ALOS）于2006年1月发射升空，2007年12月加拿大发射的C波段RADARSAT-2卫星具有全极化成像能力以及12种工作模式。同时，随着卫星系统的硬件得到更大改进，专门针对干涉测量的卫星陆续发射成功。2007年德国航空航天中心（DLR）成功发射了X波段陆地合成孔径雷达卫星（TerraSAR-X），随后在2010年发射了其姊妹星X波段陆地雷达附加数字高程模型（X波段串联）雷达卫星（TanDEM-X），构成分布式协同工作模式，可以提供全球高精度的数据及数字高程模型，分辨率最高可达0.25m。

近年来，雷达遥感成像分辨率进一步提高，同时多星组网的卫星星座成为雷达遥感发展趋势。意大利于2007年起陆续发射4颗X波段雷达卫星组成地中海盆地观测小卫星星座系统（COSMO SkyMed），2019年又发射了COSMO-SkyMed第二代卫星CSG-1。加拿大于2019年6月发射了由3颗卫星组成的雷达卫星星座任务（RCM），作为RADARSAT-2卫星的后续星。芬兰冰眼公司（ICEYE）自2018年以来成功部署了30余颗小型SAR卫星，组成SAR星座，成像分辨率0.25m。

我国民用雷达卫星于2012年12月发射了S波段SAR卫星环境减灾一号C星，但得到大规模应用的则是2016年8月发射了C波段SAR卫星高分三号。高分三号具有高分辨率、大成像幅宽、多成像模式和长时工作的特点，改善了我国民用天基高分辨率SAR图像严重依赖进口的现状。其后，高分三号02/03星于2021年和2022年升空，三星组网后，平均重访时间2.4～4.8小时。2022年1月26日、2月27日成功发射陆地探测一号01组A/B卫星（LT-1A/1B），又被称为L波段差分干涉SAR卫星，是我国第一组以干涉应用为核心任务的SAR卫星星座。2023年8月13日陆地探测四号01星发射升空，该星是世界首颗高轨SAR卫星，相比于中、低轨道SAR，高轨道SAR具有更大的探测范围和覆盖面积。近年来，我国的商业雷达卫星也蓬勃发展。中国四维测绘技术有限公司、长沙天仪空间科技研究院有限公司、航天宏图信息技术股份有限公司、济南智星空间科技有限公司等均制定了雷达卫星星座研制计划，且完成首发星的发射。

随着工业化、城镇化和全球气候变化的影响加剧，我国面临的水安全形势日趋严峻。水旱灾害仍然是中华民族的心腹之患，超标洪水、特大干旱、山洪灾害及水库垮坝等“黑天鹅”事件是当前我国水旱灾害防御的重中之重。当前，在重大洪涝灾害快速监测响应、大范围旱灾监测与评估业务应用以及水利工程安全监测方面，我国亟需构建水旱灾害全天候雷达观测体系，提升我国应对重大洪涝和干旱灾害的响应能力，支撑我国大坝等重大水利工程的安全监测。

1．洪涝灾害快速监测预警需求

我国地处东亚大陆，地形地势复杂，气候地区差异大，东部受季风气候和热带气旋影响，降雨量年内分布不均，暴雨洪涝灾害突出，大约2/3的国土面积有着不同类型和不同危害程度的洪涝灾害，是世界上洪涝灾害最严重的国家之一。新中国成立以来，我国建立了较为完善的防洪工程体系，同时也建立了洪水监测、预报、预警等非工程体系。但随着工业化、城镇化的发展和全球气候变化影响加剧，我国面临的防洪形势日趋严峻，亟须进一步强化科技引领，提升洪涝灾害防御能力。遥感技术发展迅速，是洪涝灾害监测强有力工具。洪涝灾害监测对于遥感技术的需求是：全天候、高频次、高精度与近实时。全天候是指洪涝灾害发生时，往往伴随着持续的云、雨天气，光学遥感无法穿透云雾获取洪涝灾情，需要采用具有全天候监测能力的雷达遥感技术；高频次是指洪涝灾害监测需要小时级监测能力，以了解快速变化的灾情；高精度是指洪涝灾害监测需要高精度遥感，以精准评估灾情；近实时是指洪涝灾害遥感监测评估应快速、高效，第一时间了解灾情，及时为防洪减灾决策提供信息支撑。

2．干旱灾害监测与评估需求

干旱灾害是我国主要的自然灾害之一。由于我国幅员辽阔、地形复杂，局地性或区域性的干旱灾害几乎每年都会出现。近40年来，我国农田受旱面积平均每年达3亿亩以上，成灾1.1亿亩，粮食减产数百亿公斤。历年各次大旱都对国民经济造成了巨大破坏，并且随着人口的增加和经济的发展，同量级水旱灾害造成的社会经济损失有愈来愈大的趋势，对环境造成的后果也越加严重。干旱灾害已成为制约我国经济发展的主要因素之一。

土壤墒情是农业旱情监测的重要指标，对于实时掌握旱情动态，科学指导抗旱救灾，最大限度地减少旱灾损失，具有十分重要的现实意义。传统的土壤墒情监测方法是基于测站的点监测方式，只能获得少量的点上数据，再加上人力、物力、财力等因素的制约，难以迅速而及时地获得大面积的土壤水分和作物信息，而遥感旱情监测具有监测范围广、空间分辨率高、信息采集实时性强和业务应用性好等特性，可有效弥补地面观测系统成本高、空间覆盖率低和观测滞后的缺点，能够为各级减灾部门提供及时高效的决策支持服务。干旱监测评估对遥感监测的需求是大范围、全天候以及一定深度土壤墒情监测能力。利用可见光—近红外遥感与热红外遥感反演土壤水分是两种传统的方法，但光学遥感容易受云雨的影响，具有全天候观测和一定穿透能力的雷达遥感被认为是土壤墒情监测的最佳谱段。

3．水利工程形变监测需求

水利工程是关乎国计民生的重要基础设施，其运行安全极为重要。现阶段，我国20世纪50、60年代建造的水利工程大多已进入病险期，由于当时理论相对薄弱，资料短缺，许多工程尤其是大坝的设计并不完善。经过几十年的运行，水利工程设施老化，存在极大安全隐患。近年来，全球气候变化，极端天气频发，超标准洪水出现频繁，地震灾害也时有发生，对水利工程造成了不同程度的破坏。与此同时，随着经济的发展，堤防、大坝等水利工程一旦发生溃坝，将带来极大的生命财产损失。据统计，截至2020年底，已建成各类水库大坝98566座，总库容9306亿立方米。大型水库774座，中型水库4098座，小型水库93694座。1954—2021年，我国水库共溃坝3558座，溃坝主要发生在20世纪80年代前。2018年8月1日，新疆哈密市伊州区射月沟小（1）型水库遭遇超标准洪水漫顶溃坝，造成28人死亡，这是近年来生命损失最为严重的溃坝事件。

设计标准低、工程质量差以及形变渗漏监测手段缺失、疏于管理成为溃坝主体的主要原因。我国中小水库和堤防点多面广，建设数量多，位置偏远且受其气候条件影响，监测和应对极端洪水防御能力低，已成为我国水利工程安全运行和保障社会经济可持续发展的突出问题，开发低成本工具来提高水利工程形变监测效率和性能已成为研究热点。近年来，随着星载合成孔径雷达技术的进步，基于差分干涉合成孔径雷达的卫星测量技术成为水利工程形变监测的重要手段。水利工程形变监测对差分干涉合成孔径雷达技术的需求是毫米级精度以及连续动态。

1．洪涝灾害遥感监测现状

洪涝灾害的遥感监测评估在国内外都已进行了多年的研究。相对于光学遥感，雷达遥感由于具有全天候、全天时工作能力，可以穿云透雾获取洪涝灾情信息，是洪涝灾害监测的主要手段，已广泛应用于各类洪涝灾害应急监测中。

早期的洪涝灾害雷达遥感监测是基于机载SAR开展的。20世纪80年代，水利部遥感技术应用中心与中国科学院、国家测绘局等相关单位合作，利用机载SAR先后在永定河、黄河、荆江地区、洞庭湖和淮河进行了防洪试验，建立了洪涝灾害监测的准实时全天候系统，并在1991年淮河和长江中下游大洪水的监测中发挥了重大作用。其后，随着雷达卫星的发展，我国开始应用欧洲航天局的ERS、Envisat、加拿大RADARSAT等国外卫星开展洪涝灾害遥感监测，如1998年长江和松花江大洪水、2003年和2007年淮河大洪水、2008年四川省汶川大地震堰塞湖等，取得了良好效果。2010年以后，随着高分辨率对地观测系统重大专项全面实施，高分系列卫星的升空，尤其是高分三号卫星的成功发射，明显改善了我国洪涝灾害监测对国外雷达卫星的依赖。2016年、2020年长江大洪水、2021年河南大洪水监测中，高分三号卫星均发挥重要作用。近年来，随着陆地探测一号、巢湖一号、女娲星座首发星、智星二号等顺利升空，用于洪涝灾害监测的雷达卫星越来越多。2023年海河流域发生特大流域性洪涝灾害时，水利部遥感技术应用中心采用雷达卫星和光学卫星相结合，每天对8个蓄滞洪区启用情况进行1～2次监测，为水利部防洪减灾决策提供了重要支撑。图1为2023年8月海河流域东淀蓄滞洪区洪涝灾害动态监测专题图。

图1  2023年8月海河流域东淀蓄滞洪区

洪涝灾害动态监测专题图

经过近40年发展，我国洪涝灾害遥感监测经防洪遥感试验、关键技术攻关、系统构建，已进入业务化应用阶段。但相较于业务需求，洪涝灾害遥感监测在时效性和精度等方面尚有一定差距。

2．旱情遥感监测现状

遥感技术具有宏观、快速、客观、经济等常规手段不具备的优势，在旱情监测方面具有广阔的应用前景。旱情遥感监测使用波段从可见光、近红外、热红外到微波遥感，方法包括热惯量法、植被/温度特征空间法、能量平衡法和微波遥感法等。其中雷达遥感作为主动微波，不受光照条件、云雨的限制，且具有一定的穿透能力和较高的空间分辨率，雷达遥感旱情监测是当前研究热点和发展趋势。

雷达遥感旱情监测的原理主要在于土壤和水的介电特性差异较大，水的介电常数大约为80，而干土仅为3，因此，土壤的介电常数与土壤含水量的多少明显相关，而介电常数与雷达后向散射系数直接相关，据此来实现土壤水分反演和旱情的监测。基于雷达遥感的土壤水分反演模型大体可以归类为经验模型、半经验模型和物理模型。经验模型直接建立雷达后向散射系数和土壤水分实测值之间的关系，但对于不同区域的普适性有限；理论模型基于明确的物理基础，但输入参数多，获取难度大，实际应用困难；半经验模型由于其具有一定物理意义且也与实际情况相关联，而被更广泛应用于主动微波反演土壤水分的方法研究中。对于裸土区的土壤水反演中，较为常用的包括Dubois模型、Oh模型和Shi模型。在植被覆盖区中，植被散射成为最需要考虑的因素，当前应用最为广泛的植被后向散射模型是水云模型。王春梅等在山东禹城夏玉米种植区利用RADARSAT-2雷达数据，采用水云模型去除植被影响，进而得到表层土壤含水量；李新尧等基于哨兵一号卫星（Sentinel-1）数据，用水云模型和径向基神经网络算法进行了农田土壤水分监测。近年来，更多研究者采用多源遥感数据开展旱情监测，如李伯祥等以河北省景县为研究区，基于Sentinel-1 SAR遥感数据和Sentinel-2光学遥感数据，采用改进水云模型和Oh模型的组合方法，对植被覆盖地表土壤水分进行定量反演研究。另外，随着人工智能技术的普及，人工神经网络、支持向量机、随机森林等机器学习方法也越来越多地运用于土壤水分反演，并取得了较好效果。图2为采用Sentinel-1雷达影像及梯度提升回归算法反演的安徽省中北部地区土壤水分专题图。

图2  2019年安徽省中北部地区土壤

水分雷达遥感反演专题图