现代遥感导论66

1、第六章 微波遥感数据本章提要本章提要()()1 主动微波遥感2 雷达图像的特点 3 激光雷达 本章主要介绍主动微波本章主要介绍主动微波遥感数据，重点是雷达遥感数据，重点是雷达遥感成像原理、数据的遥感成像原理、数据的获取和图像特点，最后获取和图像特点，最后介绍了激光雷达。介绍了激光雷达。1 主动微波遥感n主动微波传感器 n机载雷达遥感系统（SLAR） n星载雷达遥感系统 主动微波传感器n微波遥感的传感器有成像和非成像方式两种类型。n雷达是主动微波遥感成像的传感器 非成像方式如散射计、高度计、无线电地下探测器成像方式如微波辐射计和雷达真实孔径侧视雷达采用真实长度的天线接收地物后向散射并通过侧视成像

2、 合成孔径雷达通过一定的信号处理方法，使得合成孔径雷达的等效孔径长度相当于一个真实孔径雷达的天线长度,从而提高分辨率 微波（雷达）遥感成像过程示意图微波（雷达）遥感成像过程示意图微波遥感成像机理微波遥感成像机理微波（雷达）遥感微波（雷达）遥感传感器包括天线、信号发射与接收设备。传感器包括天线、信号发射与接收设备。 微波遥感成像机理微波遥感成像机理侧视侧视雷达雷达 距离分辨率：在侧视方向上的分辨率，垂直于飞行方向。距离分辨率：在侧视方向上的分辨率，垂直于飞行方向。微波遥感成像机理微波遥感成像机理将地物将地物 A B 两点区分开来的条件是其回波时间间隔必须为：两点区分开来的条件是其回波时间间隔必须

3、为： 距离向分解距离向分解 T 为脉冲周期；为脉冲周期；c 为光速；为光速； 为入射角；为入射角；y 为距离向分辨率为距离向分辨率TcRysin2sin2TCy 当当变小，变小，sin趋近于趋近于 0 ， y 趋近于无穷大，这就是雷达遥趋近于无穷大，这就是雷达遥感必须侧视的原因；感必须侧视的原因； 调制脉冲周期必须尽可能地小，以提高距离向分辨率；调制脉冲周期必须尽可能地小，以提高距离向分辨率； 距离向分辨率距离向分辨率y 与航高与航高H 无关；无关； 距离向分辨率并非为一个常数，比例尺随着距离向分辨率并非为一个常数，比例尺随着 y 增大（增大（ 增大）而增大。增大）而增大。 侧视侧视雷达雷达

4、方位分辨率：沿航线方向上的分辨率，平行于飞行方向，又称沿方位分辨率：沿航线方向上的分辨率，平行于飞行方向，又称沿迹分辨率。迹分辨率。微波遥感成像机理微波遥感成像机理注意：注意： 方位向的几何分辨率取决于雷达波束在方位向的张角方位向的几何分辨率取决于雷达波束在方位向的张角 。 根据雷达天线理论：根据雷达天线理论： / D （ D为雷达天线口径为雷达天线口径 ） ra= R= R/D （R为斜距）为斜距） 方位分辨率与航高有关。方位分辨率与航高有关。合成孔径雷达n基本思想：用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动。在移动中选择若干个位置，在每个位置上发射一个信号，接收相应发射位置的回

5、波信号贮存记录下来。存贮时同时保存接收信号的幅度和相位。 以实际孔径天线进行工作的侧视雷达，称为真实孔径侧视雷达以实际孔径天线进行工作的侧视雷达，称为真实孔径侧视雷达（RAR）合成孔径雷达（合成孔径雷达（SAR） n完全摆脱了受雷达天线孔径的束缚，将提高方位向几何分辨率问题转换为传完全摆脱了受雷达天线孔径的束缚，将提高方位向几何分辨率问题转换为传感器响应速度记录地物目标回波相位史变化过程问题，从而有效地提高了雷感器响应速度记录地物目标回波相位史变化过程问题，从而有效地提高了雷达遥感图像方位向（达遥感图像方位向（X 向）几何分辨率。向）几何分辨率。nSAR实际上对于地面一个点进行多次测试其反射回

6、波，然后将这些回波按其实际上对于地面一个点进行多次测试其反射回波，然后将这些回波按其相位变化次序合成起来，由此等效于一个孔径巨大的天线。这样，对于航迹相位变化次序合成起来，由此等效于一个孔径巨大的天线。这样，对于航迹向（向（X向）的分辨率取决于对一个点进行测试回波的次数。向）的分辨率取决于对一个点进行测试回波的次数。nSAR 传感器可以装载在飞机上，也可以装载在卫星上。自传感器可以装载在飞机上，也可以装载在卫星上。自SAR 出现后，出现后，RAR 就被取代了。就被取代了。nSAR 成象过程更为复杂，噪声信号也更为强烈，噪声讯号多为点状，遥感成象过程更为复杂，噪声信号也更为强烈，噪声讯号多为点状

7、，遥感中称之为斑点噪声。中称之为斑点噪声。2 微波遥感成像机理微波遥感成像机理机载雷达遥感系统（SLAR） n雷达的遥感平台有飞机和卫星，以飞机为平台的雷达叫机载雷达遥感（Side-looking airborne radar，SLAR）。 星载雷达遥感系统 参数SIRSIR-C/X-SARALMAZ-1ERS-1ERS-2JERS-1RadarsatAB发射日期1981.111984.101994.41991.31991.71995春1992.21995.11轨道高度（km）245260225300360785785568798波长(cm)/波段23.5 /L23.5/L.C.X10/S5.

8、7/CC23/L5.6/C极化HH全极化HHVVHHHHHH入射角47531560156030602324351060距离分辨率(m)46-1410-60303025189100方位分辨率(m)253010-153025189100覆盖宽度(km)50159023501001007545500发射国家美国美国前苏联欧空局欧空局日本加拿大工作寿命(年)18个月232325已发射的主要航天合成孔径成像雷达系统2 雷达图像的特点n雷达图像的亮度 n雷达图像的波长 n雷达图像的穿透力 n雷达图像的极化 n雷达图像的几何特性 n图像的辐射特征 n雷达图像的应用 雷达图像的亮度n雷达回波（即雷达后向散射）

9、的强度可简单的理解为雷达图像的亮度值。 n雷达回波强度与雷达遥感系统参数、后向散射系数直接相关。其中： 雷达遥感系统参数包括：波长/频率、入射角/俯角、极化方式/探测方向等； 后向散射系数：以雷达后向散射截面或雷达后向散射系数表示，可以表征地表特征，包括物理特征介电常数、表面粗糙度、散射特点（表面散射和体散射），几何特征阴影、叠掩、透视收缩、坡度、形状、局地入射角等。 雷达图像的波长波段名称波段范围（GHz）波段名称波段范围（GHz)P LSCXK0.23-0.390.39-1.551.55-3.903.90-6.206.20-10.9010.90-36.00KuKaQVW15.25-17.2

10、533.00-36.0036.00-46.0046.00-56.0056.00-100.00雷达（Radar， Radio and Range Direction）是英文“无线电探测与测距”的缩写。雷达应用的微波波长范围一般只是若干个小的波长范围。 在地球资源应用中的常用波段是X、C、L。 C 波段可以用来对海洋及海冰进行成像；L波段可以更深地穿透植被， ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。 雷达图像的穿透力 n微波辐射具有很强的地表穿透能力，除了能穿云破雾以外，对一些地物（介质），如岩石、土壤、松散沉积物、植被、冰层等，有穿透一定深度的能力。n微波频率的高端（如1c

11、m波长）可获得植被层顶部的信息，而微波频率的低端（如1m波长）可获得植被层底层甚至地表以下的信息。 微波穿透特性微波穿透特性 微波对土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲线微波对土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲线可用以下图表示：可用以下图表示： 0 5 10 15 20 25 湿度湿度30206050 40D （m） 穿透深度穿透深度W（%） 由图看到，波长越长，目标地物越干燥，微波对其穿透性越好，由图看到，波长越长，目标地物越干燥，微波对其穿透性越好，基本呈线性关系。基本呈线性关系。LSCx 雷达图像的极化：水平极化与垂直极化雷达图像的极化：水平极化与垂直极化 （Horizontal

12、Polarization and Vertical Polarization） 振动方向在过传播直线的竖直平面上的电磁波极化叫做垂直极振动方向在过传播直线的竖直平面上的电磁波极化叫做垂直极化（化（V） 振动方向垂直于过传播直线的竖直平面的电磁波极化叫做水平振动方向垂直于过传播直线的竖直平面的电磁波极化叫做水平极化（极化（H）VHVH电磁波极化示意图电磁波极化示意图雷达图像的几何特性 n雷达系统的图像记录有两种类型：斜距图像和地距图像。在斜距图像上，各目标点间的相对距离与目标间的地面实际距离并不保持恒定的比例关系，图像会产生不均匀畸变。这就是雷达斜距图像的比例失真。 斜距图像的比例失真 雷达图像

13、的几何特性n雷达是按时间序列记录回波信号，入射角与地面坡角的不同组合，会出现不同程度的透视收缩现象。即在有地形起伏时，面向雷达一侧的斜坡在图像上被压缩，而另一侧则被延长。 雷达影像的透视收缩现象 雷达图像的几何特性n雷达是一个测距系统，发射雷达脉冲的曲率使近目标（即髙目标的顶部）回波先到达，远目标（即髙目标的底部）回波后到达。因而顶部先成像，并向近射程方向位移。这种雷达回波的超前现象，便形成了雷达图像的顶底位移，即叠掩现象。 叠掩现象 雷达图像的几何特性n雷达视差，就是两张重叠图像上的两个像点分别产生的位移量之差。当雷达沿两条不同轨道观察高于地面的同一目标时，不同的起伏位移会造成图像视差。 雷

14、达阴影 图像的辐射特征n具有相同后向散射截面的两个相邻观测单元，如在细微特征上有差异，则它们的回波信号也会不同，这样本来具有常数后向散射截面的图像上同质区域，像元间会出现亮度变化，这被称为斑点（speckle）。那些回波功率衰减到远低于平均值电平的像素的灰度值很低，在图像上就表现为黑点；那些回波功率增强到远高于平均值电平的像素很亮，在图像上表现为亮点。 RADARSAT-1图像上的斑点 雷达图像的应用 n海洋环境调查 n地质制图和非金属矿产资源调查 n洪水动态检测与评估 n地貌研究和地图测绘 n军事侦察 3 激光雷达n激光雷达即Lidar，是“光探测和测距”(Light detection a

15、nd ranging)的简称。n激光雷达也是一种主动传感器，通过发送光脉冲，并测量光脉冲从发射到被反射回的时间延迟来探测目标。 激光雷达采集数据 工作光源工作光源 可见光多光谱遥感用自然光源，包括太阳、大地辐射可见光多光谱遥感用自然光源，包括太阳、大地辐射 特点：波长短、太阳光能量大特点：波长短、太阳光能量大 优点：无噪声、稳定、直接反映植被光合作用、地表温度优点：无噪声、稳定、直接反映植被光合作用、地表温度 缺点：受制于自然提供的条件，选择余地小缺点：受制于自然提供的条件，选择余地小 雷达遥感用人造光源雷达遥感用人造光源 特点：波长长、瞬间能量大、可调节特点：波长长、瞬间能量大、可调节 优点

16、：利用镜面反射、散射可识别地物几何形状、有四种极化方式优点：利用镜面反射、散射可识别地物几何形状、有四种极化方式 缺点：噪声大、信息提取复杂缺点：噪声大、信息提取复杂与可见光与可见光多光谱遥感的比较多光谱遥感的比较 成象机制成象机制 相同点：相同点：1）基本上都是在基本垂直于航迹方向上条带扫描成象）基本上都是在基本垂直于航迹方向上条带扫描成象 （航空遥感一般用框幅式成象除外）（航空遥感一般用框幅式成象除外） 2）都可以数字成象）都可以数字成象 3）都是反映地物面状信息）都是反映地物面状信息 不同点：可见光多光谱是以分割视场等立体角成像，投影为中不同点：可见光多光谱是以分割视场等立体角成像，投影

17、为中心或多中心投影；心或多中心投影； 雷达遥感是以严格区分电磁波回波的时序成像，投影为斜距投雷达遥感是以严格区分电磁波回波的时序成像，投影为斜距投影，象元的对应地面单元纵横尺寸受制于不同因素。影，象元的对应地面单元纵横尺寸受制于不同因素。 遥感平台遥感平台 相同点：相同点：1）都使用航空、航天飞行器平台）都使用航空、航天飞行器平台 2）卫星轨道参数设置两者基本相同）卫星轨道参数设置两者基本相同 3）对平台姿态都有严格要求）对平台姿态都有严格要求 不同点：可见光多光谱遥感对卫星轨道要求严格，通常必不同点：可见光多光谱遥感对卫星轨道要求严格，通常必须太阳同步、近极地；须太阳同步、近极地； 雷达遥感

18、可以不使用太阳同步、近极地，因为主动、侧视角雷达遥感可以不使用太阳同步、近极地，因为主动、侧视角可调节，不强调成象重复周期。可调节，不强调成象重复周期。 几何误差来源与误差特点几何误差来源与误差特点 共同误差来源：共同误差来源：1） 遥感平台姿态三个方位：俯仰、航向、滚翻遥感平台姿态三个方位：俯仰、航向、滚翻 2）大气湍流折射偏差）大气湍流折射偏差 3） 地表起伏地表起伏 可见光多光谱遥感特点：可见光多光谱遥感特点： 1） 天气作用因素影响大；天气作用因素影响大； 2） 地表起伏、遥感平台姿态作用因素影响相对较小，其原因地表起伏、遥感平台姿态作用因素影响相对较小，其原因是直视正射；是直视正射；

19、 3）星下点像元对应地面单元面积小，影像两侧像元对应地面）星下点像元对应地面单元面积小，影像两侧像元对应地面单元面积大；单元面积大； 4）镜头屈光度不线性，造成成象误差）镜头屈光度不线性，造成成象误差 ； 雷达遥感影像几何误差特点：雷达遥感影像几何误差特点： 1）天气作用因素影响小；）天气作用因素影响小； 2）地表起伏、遥感平台姿态作用因素影响大，其原因是斜视；）地表起伏、遥感平台姿态作用因素影响大，其原因是斜视； 3）距离向靠近地面航迹的像元地面单元面积大，而远离地面航迹的）距离向靠近地面航迹的像元地面单元面积大，而远离地面航迹的像元地面单元面积小；像元地面单元面积小； 4）成象机理本身造成

20、：入射角不同、脉冲调制不稳定、解调数据处）成象机理本身造成：入射角不同、脉冲调制不稳定、解调数据处理误差等因素。理误差等因素。 雷达遥感几何误差校正较困难，特别是山区。雷达遥感几何误差校正较困难，特别是山区。 辐射误差来源辐射误差来源 共同误差共同误差 1）大气环境背景噪声误差）大气环境背景噪声误差 2）系统本身噪声误差）系统本身噪声误差 可见光多光谱遥感特点可见光多光谱遥感特点 1）大气环境背景噪声包括：米氏散射、瑞利散射噪声，这种噪）大气环境背景噪声包括：米氏散射、瑞利散射噪声，这种噪声在可见光多光谱遥感中影响大，但在一定情况下，这种声在可见光多光谱遥感中影响大，但在一定情况下，这种 噪声

21、也表达为一种信息；噪声也表达为一种信息； 2）系统本身传感器上热噪声误差小，因为只是接收传感器；）系统本身传感器上热噪声误差小，因为只是接收传感器； 3）太阳阴影（）太阳阴影（ 投影）造成图像辐射误差，这种误差在一定场合还投影）造成图像辐射误差，这种误差在一定场合还有用处。有用处。 雷达遥感特点雷达遥感特点 1）大气环境背景噪声小；）大气环境背景噪声小； 2) 系统本身噪音大，因为这个噪声是双程的、发射电磁波中就系统本身噪音大，因为这个噪声是双程的、发射电磁波中就 带有噪声；带有噪声； 3）因地形造成的叠掩、顶点位移、压缩、拉伸、雷达盲区造成）因地形造成的叠掩、顶点位移、压缩、拉伸、雷达盲区造成 对应象元亮度（灰度）不能完全反映地面单元的散射光能量。对应象元亮度（灰度）不能完全