(1). 空间遥感散射辐射传输机理与信息获取
复杂环境中矢量辐射传输的信息理论
矢量辐射传输理论是讨论极化电磁波多次散射、吸收与辐射传输的理论，它的参数化建模与求解在许多科学领域（如天体物理、中子输运、热传送、多孔媒质输运）中有重要的研究。对于复杂环境中的矢量辐射传输，则要能模拟空间平台上雷达、辐射计观测地球环境时电磁波与复杂几何构造的自然介质相互作用的多次散射与辐射传输。由参数化建模与数值求解,得到散射与辐射,及其与各特征性参数之间定量的函数关系。这是正向的数值模拟。辐射传输理论可作为一门学科，已有了不少研究进展。由于以往较少涉及多类的空对地观测的大量实际数据，相对简单的建模（如：平行分层、单一组份与均匀、解析求解）与辐射传输理论模拟可以说明物理问题。
但是，对今天在轨运行或与未来上轨运行的通道（如：SAR的P、L、C、X、K通道； SSM/I的从19GHz到85GHz, SSMT到150 GHz,，风云三号从10.7 GHz 到89 GHz等等）就不是用单一个模型可以解决的。复杂成份（叶、杆，不同形状与结构、数量多少）、非均匀分布（植被或海冰的不完全覆盖）、多类自然介质层（植被与冰雪、洪涝）和随机粗糙面（风驱海面或下垫地面），甚至带未知变化的不确定性等均要纳入建模中。
由此要发展相应的散射与辐射传输理论，将非均匀分布概率密度函数与复合建模引进确定性的辐射传输理论中，从大气到各类地表覆盖、下垫地面的复杂环境，得到为信息正向模拟服务的矢量辐射传输理论及其求解方法。
我国十通道微波成像辐射计原理样机已研制成功，现正在作正式样机，将用于风云三号气象卫星。我们将利用已成功的微波成像辐射计原理样机进行地基实验，进行各类地表的实验观测与理论研究，其试飞数据也将在本项目中研究。并用我们新研制的便携式散射与辐射计组合系统做辅助的相关内容的地面实验。同时，对于神州多模态遥感器（散射计、辐射计、高度计）的实验数据进行总体分析。这些实验研究的成功及其理论分析研究将直接有益于未来上星之后的数据处理、信息提取以及与国外技术的比较，在中国国家卫星气象中心将得到实际成效。这种上星仪器先在地面实验与研究在我国尚未有过，据我们自己有过的经历，美国曾用雨云(Nimbus)7号SMMR（扫描式多通道微波辐射计）做过地面实验。目前，在国内只有我们在安排这一工作。
全极化散射的SAR观测理论
对于任一极化（线极化、圆极化或椭圆极化）的入射电磁波，通过极化合成，可以测量得到它在通过复杂散射介质后的同极化与交叉极化的散射场（幅度与相位）。这就是全极化散射测量。同极化与交叉极化的散射回波自然会携带了散射介质的多种特征信息，比如，层高、散射体大小、形状、多少等。问题是如何能定量地提取出来。近二十年来，SAR全极化散射测量与高分辨率成像技术极大地促进了空间遥感的发展。但是，SAR技术是从传统的雷达技术而来的，雷达技术往往着重于单一极化单一目标的回波研究，不适合自然环境，如复杂多类地表的多极化散射研究。SAR的测量数据与图像给出全极化回波的强度和相位，如何与散射层本身的物理信息相对应，并由此给出定量的信息特征，完全取决于对电磁波与观测环境相互作用的进一步的研究。
虽然，在这方面近年里有了不少进展，比如：美国CalTech的JPL提出过全极化测量技术的若干基本方法与监督分类，Borner等提出过全极化测量中简单目标分解定理，Cloude提出过简单目标分解的信息熵, 金亚秋提出过随机散射层全极化散射的模拟与作为地表特征函数的信息熵计算。但是，这一理论远未完成。尤其在极化合成与信息熵在与极化后向散射测量之间有何直接的联系，从而能明白无误地应用于SAR实际数据与提取出定量信息，还是不清楚的。这样，尽管现在有了大量的数据图像，但却还不能给出丰富的信息。
我们将进一步发展全极化散射测量与极化合成的观测理论、研究特征值与信息熵如何与实际观测相结合，或如何在实际观测中表现出来。研究复杂环境建模条件下，这些理论与模拟是如何表现的，从而能实际应用于多通道、多极化、多视SAR数据对多类地表与目标的识别与分类等。它也将直接有益于我国正在与将要发展的SAR（如尖兵五号SAR等）技术及其观测的信息理论。
近来，有提议用激光雷达与SAR结合进行森林植被三维剖面结构测量，不同层面的结构信息都可能获取，而不是单一的雷达散射总截面。这对生物量与生态监测研究都将有十分重要的意义。我们将进行这一工作的理论建模和实际应用。同时，这些极化理论必定也有助于近年来全极化辐射测量技术和其它与极化散射`有关的问题研究。
用激光雷达与SAR结合进行森林植被三维剖面的结构信息的获取与应用研究将促进我国在激光雷达与SAR技术、生态监测技术的发展。
美国海军研究室曾用交叉飞行的两幅SAR图像重构数字地面高程（DEM），但他们的理论有缺陷。我们正研究用一幅SAR图像重构DEM，而不需要一般不易实现的两次交叉飞行。在粗糙地面面散射与植被体散射SAR干涉模型、干涉相干最优化、构建地表景观的城市建筑环境的DSM、特定区域的DSM等。
人工智能与模式识别技术的新概念新方法与新算法也将应用于SAR遥感图象的目标分类与识别。
(2). 空间微波遥感各类地(海)表和大气数据验证
可以说，今天的空间遥感与前二三十年一个明显不同点是有了大量的多源的数据。这直接提出了一个问题：以前的理论对今天的数据好用吗？数据能说明什么信息？这就产生了对应各类典型地表的数据标定与验证。比如：美国海军研究室对SSM/I作了大量的数据验证。但是，他们没有好的理论，所用的方法几乎完全基于统计。有些系数甚至可以任意修改。即使向外发布的数据产品，其方法也常变动。统计的方法，特别是D-矩阵方法很重要。但是，统计的方法若没有理论与模拟为指导，很可能得到错误的结论，尤其在没有充分的地面实况数据的条件下。比如，极区多年冰的统计规律显然不能沿用到中纬度持续一两个月的渤海海冰。不同植被覆盖的下垫土壤的湿度反演也应不一样。
我们将在上述辐射传输与极化散射理论与模拟结果的指导下，对SAR（如SIR-C、AirSAR、RADARSAT、ERS）与SSM/I等在中国各典型区域典型事件的数据进行标定与验证的研究，也制定类似美国海军研究室对SSM/I的数据验证手册。同时，将发展特定内容的反演算法、复杂地表海量数据与随机信号的估计理论，试图找出更多的有效方法来发展以理论为指导的新的特征反演算法的逆问题研究。发展以地表分类识别知识指导的图像处理新方法，
我国自己的机载遥感数据与地面实况数据也将得到充分利用。同时，由于我国的SAR与辐射计均与美国等国家现有的相类似，这一工作不仅可利用现有的国外数据，也必定有益于我国自己将来的数据研究与应用。
(3). 多源数据融合的理论、算法与应用
不同的遥感器观测同一区域、同一事件，应表现出一致与互补的信息，进行多源数据融合，将极大丰富提取的信息量。
多源数据信息融合的定义可为:多源数据与信息的自动识别、归类、相关、评估与组合的多层次、多方面的处理理论与算法。
多源遥感数据信息融合研究是计算机数据融合处理与地球定量科学信息的综合。它包括：像元级融合方法是在图象特征提取之前影象数据的直接融合，而后再对融合的数据进行特征提取和属性说明。目前采用的方法有代数法和小波变换法等。我们将对现有方法进行改进，寻求新的融合算法。下一步是特征级融合方法的研究,即首先对遥感影象数据进行空间配准，进行特征提取，然后对特征进行融合，再根据融合结果进行属性说明。此类问题目前采用的有贝叶斯（Bayes）决策法、人工神经元网络等，对于基于图象的目标识别、身份认证等均具有重要的意义。
我们将寻求更有效的图象特征提取与相关的特征融合算法，基于Bayes理论的无监督学习模式分类算法对于特征融合可能产生新的思路。我们还要建立新的图象压缩算法，以利于实时处理。
决策级融合方法首先对遥感影象数据进行空间配准、特征提取和属性说明，然后对属性进行融合，最后再对融合属性加以说明。这种方法是多源信息层面的融合，具有很强的容错性。目前常用的方法有基于知识的融合算法、D-S证据推理算法、模糊推断算法以及人工神经元网络等。我们将把新的推理方法和聚类方法用于决策级融合，对现有方法做出重大改进，使之能对遥感图象融合、特征图象重构、图象中目标识别等提供理论、方法与实际应用。
以上述散射辐射理论、数据验证与数据处理为基础，开展下述地球系统科学与国家安全技术目标环境共存信息的两大领域的应用。
(4). 中国水圈环境时空定量信息系统与应用示范
基于空间遥感、特别是微波遥感，开展中国水圈环境时空信息的应用基础研究，对陆地水文（土壤、干旱洪涝、陆地水域、植被等）、以及大气海洋耦合，形成应用系统，旨在为我国今后环境监测、保护与开发的应用工作起到典型示范与指导的作用。
· 陆地水文
中国西部大尺度和流域尺度的水循环规律迫切需要具有时空一致性的、高分辨率的土壤水分、冻土和积雪（雪深和雪水当量）信息集。由于这些水文变量在时间、空间上都具有高度的异质性，对它们的模拟和观测都有很大的困难。现有的土壤水分、冻土和积雪陆面过程的参数化建模型亟待改进。而用常规观测是无法获取空间变化强烈的数据。我们将利用不同来源、不同空间和时间分辨率的遥感数据（SSM/I、TMI和AMSR）、及其融合，通过结合陆面水文过程与水文参数遥感反演模型，获取物理上一致的时空信息集，表达各种尺度上的水分和能量循环，进行陆面数据同化方法和实用化研究。
同化的定义为：利用不同来源或不完整、不连续、不同时空分辨率遥感数据(基)在物理规律与过程模拟制约下进行时间空间最小方差优化的预报时空信息集。在水文动态运行过程中融合新的观测及其信息时空分布，借助于估计理论、控制论、优化方法和误差估计理论，形成中国地表水文环境四维数据同化系统。
研究中国北部干旱与东部洪涝的遥感信息、统计特征与时空变化、特征事件范例。特别是建立基于微波遥感的我国干旱/半干旱/半湿润地区水文估算的方法与应用规范。研究中国城市与陆地水体环境的空间遥感定量信息研究、为水资源普查与水资源动态交换等提供方法与数据信息源。
研究中国森林与农作物区域识别分类、含水量、植被指数、下垫陆地的含水量，不同时间尺度(日、月、季、年)和空间尺度的变化规律，为高效精细农业提供定量信息。
·大气三水
大气云水的变化改变地面的辐射能量收支，而影响区域和全球的气候变化。大气降水是陆地水的最主要供水源, 降水时空分布的不均匀，是洪涝和旱灾的根本原因。因此提供全球尤其是我国区域的大气三水信息，对于提高天气预报及区域气候变化研究的水平，对于水资源的管理及旱涝灾害的防治，对于我国国民经济的持续发展，都有着不可言喻的重要意义。
由于大气三水极大的时空变异性，由卫星遥感乃至结合地面观测所提供的大气三水时空信息，无论从量上还是精度上，都远不能满足气象、水文、海洋和军事业务工作以及全球变化研究的需求。针对国外和我国自已发展的大气三水卫星遥感器，利用国外的卫星资料、以及我国的校飞等资料，发展适用于我国的大气三水反演算式。将“数据融合”及“图象处理”研究成果应用于多源资料的大气三水信息的提取；将大气三水信息提供给其它水圈课题研究, 进行陆地与大气界面交互作用和耦合的时空信息研究，以及对我国水圈环境如干旱、洪涝、地表水分等的影响，建立一套理论与应用方法和特征事件范例。
·海冰与海洋
用SAR、散射计、辐射计成像研究渤海黄海海冰的发生、及其空间分布与时空演变规律。用SAR、散射计、辐射计、高度计等数据图像研究海洋特征海况参数（如风场、海流、浅海地形），进而服务于海洋监测预报与国家安全特殊领域。
(5). 环境与目标共存的信息获取技术
武器系统通常是在复杂战场环境中运行的。环境杂波对于环境研究是信息来源，对于目标识别就成了干扰。环境的杂波干扰直接影响武器系统的正常运行。比如，导弹用寻的雷达电磁波跟踪目标，海面与地表的散射杂波直接干扰目标跟踪，这是许多场合脱靶的主要原因。这就要求分分辨目标回波与地表杂波，产生了目标回波与地表杂波、及其多普勒频移的仿真研究。目前大量的工作是目标的雷达散射截面（RCS）的精确计算，但是，再精确的RCS也应放在复杂的环境中。
我们将进行地海杂波对目标跟踪与识别的建模与仿真研究，对目标回波与地海杂波及其多普勒频移进行仿真，低掠角入射海面与舰船、以及海面上有临空低飞目标的双站散射的快速准确数值模拟，目标与伴飞伪目标的散射识别。SAR图像中海面舰船与其它目标的识别，浅海水下地形反演，从空间微波遥感SAR，SSM/I等图像数据中反演特定区域（如中国东南沿海等）的气象和海洋等环境特征研究，高频(HF)入射条件下海杂波中船目标回波研究与船目标识别与监测， 运动目标扰动海流场的高阶Bragg回波谱特性与目标信息提取（如航向、航速），进行杂波环境中运动目标的多传感数据信息融合检测、仿真、验证，以及虚拟实验。
（6）SAR与INSAR应用
SAR的发展促进了干涉SAR（INSAR）技术的实施，如欧洲遥感卫星ESA-1,2，航天飞机SIR-B等。INSAR利用在遥感平台上有已知基线位移的双天线SAR观测，或用同一系统在略为不同的时间重访同一区域，得到略有位移的相干的观测。它们的相位差能用于森林树木测高、数字化地形高程（DEM）、地表变形、甚至监视地震、火山等。INSAR空间分辨率将提高到米级或分米级，数据处理将实现实时或准实时。由于采用双天线、或两次重访的相干测量，获取的信息量会更丰富，但技术要求和数据质量要求就更高，比如：相位定标、干涉相位解缠、成像环境因素（大气、地面湿度、风场、季节，地物变化等）、精确基线计算、干涉处理的误差分析与误差控制等。
SAR和INSAR技术的迅速发展，数据市场也得到很快的开拓。但是，在信息获取理论与算法上进展不大。比如森林树木测高，还没有一个较为成熟为大家起码认可的理论, 工作主要限于实地野外测量, 用统计和简单的经验公式匹配星载数据。目前, 美国与我国在大兴安岭、美国与欧空局在西伯利亚、巴西雨林的实验都在开展这类工作。我们将利用这些野外测量结果，着重研究森林树木测高与林区监视的INSAR新理论。
以上内容(1)是作为科学知识支撑的理论建树，(2,3)是寻求新的有效的数据处理与融合信息，(4,5,6)是我们建立的理论与方法在地球系统科学（中国水圈环境）和国家安全（地海环境杂波）中的重要的典型应用。
在散射辐射传输、成象机理、建模模拟、各尺度时空信息提取、参数反演算法与结构重建、数据标定验证与知识指导的图像处理、多源数据融合与决策信息、两大领域应用示范、各尺度图解与应用数据库多个方面形成国际上先进、学术上创新、全面系统的理论与实际应用规范性工作。 | 
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