微波遥感图像特征.ppt

第三章遥感成像原理与遥感图像特征 3 1遥感平台3 2摄影成像3 3扫描成像3 4微波遥感与成像3 5遥感图像的特征安装好envi 微波 波长范围1mm到1m 可进一步划分为若干不同频率 波长 的波段 P波段 0 3 1GHz 30 100cm PreviousL波段 1 2GHz 15 30cm LongS波段 2 4GHz 7 5 15cm ShortC波段 4 8GHz 3 75 7 5cm CompromiseX波段 8 12 5GHz 2 42 3 75cm Ka波段 12 5 18Ghz 1 67 2 42cm K under频率K波段 18 26 5Ghz 1 13 1 67cm KurtzKu波段 26 5 40Ghz 0 75 1 13cm K above 一 微波遥感的特点 概念 微波遥感是指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射 经过判读处理来识别地物的技术 为什么需要微波遥感 地球上经常有40 60 的地区被云层覆盖着 尤其是占地球面积五分之三的海洋上 气候条件变化更大 经常被云层遮蔽 一 微波遥感的特点 特点 1 能全天候 全天时工作2 对某些地物具有特殊的波谱特征3 对冰 雪 森林 土壤等具有一定的穿透能力4 对海洋遥感具有特殊意义5 分辨率较低 但特性明显 1 可以全天候全天时工作 微波的波长较可见可和红外线大 几乎不受云雾的散射影响 一 微波遥感的特点 10 30am14 30pm22 30pm 光学 雷达 2 某些地物的微波波谱差异大 针对被动微波遥感 特别是很好区分水和冰 在微波波段两者的比辐射率悬殊 分别为0 4和0 99 红外波段 水的比辐射率为0 96 冰的比辐射率为0 92 一 微波遥感的特点 冬季 夏季 3 对冰 雪 森林 土壤等具有一定的穿透能力趋肤深度 电磁波衰减 振幅减小 1 e倍 约37 的穿透深度 微波对地物的穿透力与地物的介电常数成反比 与波长成正比 波长越长 穿透力越强 2m纯雪 X波段 15cm 可探测地表 介电常数比较高的物体 金属 含水量高的物体 穿透力弱 一 微波遥感的特点 热带雨林地区的地貌特征 SIR C卫星获得的SAR L 合成孔径雷达 影像 微波对松散的沙土有一定的穿透能力 波长越长 穿透能力越强 地物湿度越小 穿透越深 100 1 0 10 0 1 0 01 0 1 0 2 0 3 0 4 穿透深度 m 土壤湿度 gramscm 2 1 3GHz 4 0GHz 10 0GHz 沙土沃土粘土 MSS SIR A沙哈拉1981 11 苏丹西北撒哈拉沙漠 松散沉积物 沙 砂砾等 介电常数较基岩小 故穿深能力较基岩大 一般可穿透地表下数厘米至数米 一 微波遥感的特点 4 对海洋遥感具有特殊意义雷达的后向散射强度和粗糙度关系很大 海洋中 海面受风浪影响起伏多变 粗糙随之变化 导致微波的后向散射系数也随之变化 微波遥感可以探测海面风浪以及海洋环流的情况 海洋内波 一 微波遥感的特点 5 分辨率较低 但特性明显由于波长较长 衍射现象显著 故分辨率较低 观测精度和取样速度不好协调 微波的能量较弱 但特性明显 微波遥感分类 主动微波遥感 被动微波遥感1 主动微波遥感信号来源 系统自身发射微波辐射 并接收从目标后向散射回来的电磁波 主要传感器 雷达 高度计 散射计 二 微波遥感方式和传感器 2 被动微波遥感信号来源 系统自身不发射微波波束 只是接收目标物发射的微波辐射 用亮温表示 典型传感器 微波辐射计 被动接收目标地物微波辐射的传感器 主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像 二 微波遥感方式和传感器 FY 3微波辐射计 大气温度 水汽廓线 大气降雨 大气可降水量 云中液态水含量 反演海面风场 风速 风向 台风 海冰的监侧 获取陆地面温度 土壤湿度 积雪深度与水当量 干旱 洪涝 沙漠 陆地水文与地理环境 植被生物量 农作物生长评估 二 微波遥感方式和传感器 1 主动微波遥感微波主动遥感 微波散射计 雷达高度计 雷达 1 雷达雷达 Radar RadioDetectionandRanging 意为无线电波探测物体并测定物体距离 应用波段 微波 主要 红外 激光 类型 非成像雷达 成像雷达 二 微波遥感方式和传感器 雷达一般结构 雷达测距 电磁波在空间中的传播速度c是一定的 当雷达在时间t1发射出一个窄脉冲 被目标反射后 在时间t2返回 则目标地物的距离为 二 微波遥感方式和传感器 R t2 t1 c 2 二 微波遥感方式和传感器 雷达测速度 多普勒效应指由观察者和辐射源 或目标与传感器 的相对运动 所引起的电磁发射频率与回波频率的变化 其变化量与物理运动速度成正比 根据多普勒效应可以测定运动目标物体 二 微波遥感方式和传感器 雷达探测目标其他方面的信息 地物对微波反射能力的强弱反映自身的性质和形状 TM432SIR C L 渤海湾蓟运河河口一带 二 微波遥感方式和传感器 地物对微波散射能力的影响因素 1 介电常数 2 地表粗糙度3 波长4 微波遥感极化方式其他因素 俯角 地表几何特征等 二 微波遥感方式和传感器 1 介电常数 反映物体电学性质 由物质组成和温度决定 直接影响到物体对电磁波的反射 介电常数越大 回波越强 雷达图像上的色调越浅 一般干燥物体 介电常数在3 8之间 水的介电常数接近80 随着物体含水量的增加 其介电常数几乎线性增加 会产生20 80的变化 岩石的介电常数差别很小 金属物体有很大导电率 介电常数很大 故雷达回波信号也很强 旱季 雨季 地物对微波的反射 二 微波遥感方式和传感器 2 地表粗糙度对回波强度有明显影响 中等强度回波 无回波 强回波 地表粗糙度 H 往往是相对波长 而言的 H 粗糙表面 二 微波遥感方式和传感器 3 波长波长越短反射能力越强 ERS 1C band JERS 1L band 4 极化方式 极化 表示电磁波电场振动方向的变化 二 微波遥感方式和传感器 水平极化 电场振动方向平行于水平面 H 极化 垂直极化 电场振动方向垂直于水平面 V 极化 依据发射的及接收的极化的差别 可以有四种组合 二 微波遥感方式和传感器 不同极化方式使目标对电磁波产生不同的响应 使雷达回波强度不同 得到的图像有差异 可以更全面的反映目标的特性和结构 提高识别的精度 VH HH VV HV 2 侧视雷达 在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面 发射很窄的脉冲 然后接收从目标物返回的后向散射波 二 微波遥感方式和传感器 近程目标先回波 远程目标后回波 随着飞行器前进 不断地发射这种脉冲波束 又不断地接收回波 这样逐行扫描 形成一幅二维的雷达图像 回波强弱因地物而异 按时间序列记录下来 距离 Range 与方位 Azimuth 雷达天线随飞行器前进 发出的波束依次向前扫描 方位向 E 天线发出的能量短脉冲指向飞行器的一侧扫描 距离向 D 地面分辨率 距离分辨率 方位分辨率 1 距离分辨率 垂直于飞行方向上对目标物的分辨能力 所能分辨的目标间最小距离 由脉冲宽度 脉冲持续时间 和俯角决定 二 微波遥感方式和传感器 二 微波遥感方式和传感器 距离向分辨率包括斜距和地距斜距的距离分辨率理论上等于脉冲宽度的一半 设俯角50 脉冲宽度0 1 s 则距离分辨力Pg 0 5 0 1 10 6 s 2 998 108 m s cos50 0 5 0 1 2 998 0 642788 100 23 2m用同样的方法可以计算出当俯角为35度时 距离分辨率为18米 距离分辨率随脉冲宽度和俯角变化 脉冲宽度越小 一次探测到的地面单元长度越短 分辨率越高 俯角越大 可分辨的距离越大 分辨率越小 近程分辨率比远程低 二 微波遥感方式和传感器 Pa指沿航向上可以分辨的两点间的最小距离 要区分两个目标 必须要求两个目标不在同一波束内 近距离点比远距离点方位上的分辨率强 2 方位分辨率Pa AzimuthResolution 方位分辨率Pa取决于雷达波束照射的地面带宽的角宽度 即波束宽度 和斜距R 对于真实孔径雷达 波长变短方位分辨率提高孔径变大方位分辨率提高距离变大方位分辨率降低 二 微波遥感方式和传感器 例 设卫星天线孔径D 4m 波长 3cm 距目标地物200km 则方位分辨力Pa 3 10 2 m 4 m 200 103 m 1500m若要求方位分辨率达到3m 则天线孔径需2000m 提高方位分辨率的方法 用合成孔径天线来代替真实孔径天线 以缩短天线孔径 要提高方位分辨率 需采用波长较短的电磁波 加大天线孔径和缩短观测距离 3 合成孔径雷达 SAR SyntheticApertureRadar 基本原理 利用短的雷达天线 在飞机的匀速前进运动过程中 在沿飞行航迹方向上形成一个虚拟的天线阵列 以一定的时间间隔发射脉冲信号 天线在不同的位置接收回波信号 对这些回波信号进行处理 结果类似于用一个很大的合成天线得到的信号 这个方法相当于组成一个比实际天线大得多的合成天线 合成后的天线孔径为Ls 则其方位分辨率为 Ps Ls R 1 合成孔径 Ls 真实天线的方位分辨率 Pa Ls Pa D R代入 1 式则有Ps D由于双程相移 方位分辨率还可提高一倍 即Ps D 2 由此可知 合成孔径雷达方位向的分辨率与距离无关 所以 即使从卫星的高度上也可以获得高分辨率的图像 第三章遥感成像原理与遥感图像特征 3 1遥感平台3 2摄影成像3 3扫描成像3 4微波遥感与成像3 5遥感图像的特征 遥感影像的特征 1 图像的几何特征 目标地物的大小 形状及空间分布特点 空间分辨率 2 物理特征 目标地物的属性特点 辐射分辨率 3 时间特征 目标地物的变化动态特点 时间分辨率 这三方面特征的表现参数为 空间分辨率光谱分辨率辐射分辨率时间分辨率 一 遥感图像的空间分辨率 spatialresolution 空间分辨率 指遥感图像上可以区分的最小单元的尺寸或大小 三种表示法 1 像元 pixel 扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小 单位为米 m 扫描影像 2 瞬时视场 IFOV 单个探测单元的受光角度或观测视野 单位为毫弧度 mrad 3 线对数 linepairs 对于摄影系统而言 摄影最小单元的确定往往通过1毫米间隔内包含的线对数表示 单位为线对 毫米 一 遥感图像的空间分辨率 摄影成像地面分辨率Rg 单位线对 m 取决于系统分辨率 焦距以及航高 地面分辨率的计算 Rs 系统分辨率 单位线对 mmH 航高 单位mf 焦距 单位mm实际空间分辨率为Rg 2 不同空间分辨率的图像 1米 10米 30米 分辨率越高 目标越清楚 一般而言 遥感系统的空间分辨率越高 其识别物体的能力越强 实际上 每一目标在图像上的可分辨程度 不完全决定于空间分辨率的具体值 和它的形状 大小 以及它与周围物体亮度 结构的反差 经验证明 遥感器空间分辨率的选择 一般应选择小于被探测目标最小直径的1 2 一 遥感图像的空间分辨率 波谱分辨率 指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔 间隔 分辨率 广义的波谱分辨率包括 波段数量的多少各波段的波长位置波长间隔的大小 二 遥感图像的波谱分辨率 全色1个综合波段 多光谱 um级 Tm7个波段 高光谱 nm级 OMIS128个波段 图中红线内为32nm光谱分辨的反射曲线 可见在1 2 m处出现明显的双谷形态 空间分辨率和光谱分辨率的矛盾 提高空间分辨率瞬时视场IFOV要变小 IFOV小探测元件接受到的辐射能量相应减少 即瞬时获得的入射能量小对微弱能量差异的检测能力差辐射分辨率低除技术上改进探测元件以外 实际工作中考虑较高空间分辨率的图像 例如SPOT PAN 和较高光谱分辨率的图像 例如TM 进行图像融合 避其弱点 达到既要清晰 又彩色丰富 北京西站 QB 北京西站 重采样 融合结果 辐射分辨率 传感器接收光谱信号时 能分辨的最小辐射差 一般用灰度的分级数表示 量化级数 如黑白图像常以4bits 0 16 记录发射辐射值 而landsat tm1 5 7波段 其数据记录已8bits 取值范围0 255 三 辐射分辨率 灰度级越多 视觉效果越好 分辨能力越强 数据量越大 16级 2级 256级 三 辐射分辨率 遥感影像的辐射分辨率为 RL Rmax Rmin D例如 Landsat5的TM3其最小辐射量值Rmin 0 0083mv cm2 sr m 最大辐射量值Rmax 1 410mv cm2 sr m 量化级D为28 256级其辐射分辨率RL Rmax Rmin D 0 0055mv cm2 sr m 暗区11bit可以区分阴影中地物8bit丢失了阴影中的信息 ChibaCity Japan 8比特与11比特 高亮区11bit可以区分建筑结构8bit使高亮区曝光过度 时间分辨率 对同一目标进行重复探测时 相邻两次探测的时间间隔 重访