1、第六章 微波遙感數(shù)據(jù)本章提要本章提要()()1 主動(dòng)微波遙感2 雷達(dá)圖像的特點(diǎn) 3 激光雷達(dá) 本章主要介紹主動(dòng)微波本章主要介紹主動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)，重點(diǎn)是雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，重點(diǎn)是雷達(dá)遙感成像原理、數(shù)據(jù)的遙感成像原理、數(shù)據(jù)的獲取和圖像特點(diǎn)，最后獲取和圖像特點(diǎn)，最后介紹了激光雷達(dá)。介紹了激光雷達(dá)。1 主動(dòng)微波遙感n主動(dòng)微波傳感器 n機(jī)載雷達(dá)遙感系統(tǒng)（SLAR） n星載雷達(dá)遙感系統(tǒng) 主動(dòng)微波傳感器n微波遙感的傳感器有成像和非成像方式兩種類型。n雷達(dá)是主動(dòng)微波遙感成像的傳感器 非成像方式如散射計(jì)、高度計(jì)、無線電地下探測(cè)器成像方式如微波輻射計(jì)和雷達(dá)真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)采用真實(shí)長(zhǎng)度的天線接收地物后向散射并通過側(cè)視成像

2、 合成孔徑雷達(dá)通過一定的信號(hào)處理方法，使得合成孔徑雷達(dá)的等效孔徑長(zhǎng)度相當(dāng)于一個(gè)真實(shí)孔徑雷達(dá)的天線長(zhǎng)度,從而提高分辨率 微波（雷達(dá)）遙感成像過程示意圖微波（雷達(dá)）遙感成像過程示意圖微波遙感成像機(jī)理微波遙感成像機(jī)理微波（雷達(dá)）遙感微波（雷達(dá)）遙感傳感器包括天線、信號(hào)發(fā)射與接收設(shè)備。傳感器包括天線、信號(hào)發(fā)射與接收設(shè)備。 微波遙感成像機(jī)理微波遙感成像機(jī)理側(cè)視側(cè)視雷達(dá)雷達(dá) 距離分辨率：在側(cè)視方向上的分辨率，垂直于飛行方向。距離分辨率：在側(cè)視方向上的分辨率，垂直于飛行方向。微波遙感成像機(jī)理微波遙感成像機(jī)理將地物將地物 A B 兩點(diǎn)區(qū)分開來的條件是其回波時(shí)間間隔必須為：兩點(diǎn)區(qū)分開來的條件是其回波時(shí)間間隔必須

3、為： 距離向分解距離向分解 T 為脈沖周期；為脈沖周期；c 為光速；為光速； 為入射角；為入射角；y 為距離向分辨率為距離向分辨率TcRysin2sin2TCy 當(dāng)當(dāng)變小，變小，sin趨近于趨近于 0 ， y 趨近于無窮大，這就是雷達(dá)遙趨近于無窮大，這就是雷達(dá)遙感必須側(cè)視的原因；感必須側(cè)視的原因； 調(diào)制脈沖周期必須盡可能地小，以提高距離向分辨率；調(diào)制脈沖周期必須盡可能地小，以提高距離向分辨率； 距離向分辨率距離向分辨率y 與航高與航高H 無關(guān)；無關(guān)； 距離向分辨率并非為一個(gè)常數(shù)，比例尺隨著距離向分辨率并非為一個(gè)常數(shù)，比例尺隨著 y 增大（增大（ 增大）而增大。增大）而增大。 側(cè)視側(cè)視雷達(dá)雷達(dá)

4、方位分辨率：沿航線方向上的分辨率，平行于飛行方向，又稱沿方位分辨率：沿航線方向上的分辨率，平行于飛行方向，又稱沿跡分辨率。跡分辨率。微波遙感成像機(jī)理微波遙感成像機(jī)理注意：注意： 方位向的幾何分辨率取決于雷達(dá)波束在方位向的張角方位向的幾何分辨率取決于雷達(dá)波束在方位向的張角 。 根據(jù)雷達(dá)天線理論：根據(jù)雷達(dá)天線理論： / D （ D為雷達(dá)天線口徑為雷達(dá)天線口徑 ） ra= R= R/D （R為斜距）為斜距） 方位分辨率與航高有關(guān)。方位分辨率與航高有關(guān)。合成孔徑雷達(dá)n基本思想：用一個(gè)小天線作為單個(gè)輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動(dòng)。在移動(dòng)中選擇若干個(gè)位置，在每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)信號(hào)，接收相應(yīng)發(fā)射位置的回

5、波信號(hào)貯存記錄下來。存貯時(shí)同時(shí)保存接收信號(hào)的幅度和相位。 以實(shí)際孔徑天線進(jìn)行工作的側(cè)視雷達(dá)，稱為真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)以實(shí)際孔徑天線進(jìn)行工作的側(cè)視雷達(dá)，稱為真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)（RAR）合成孔徑雷達(dá)（合成孔徑雷達(dá)（SAR） 完全擺脫了受雷達(dá)天線孔徑的束縛，將提高方位向幾何分辨率問題轉(zhuǎn)換為傳完全擺脫了受雷達(dá)天線孔徑的束縛，將提高方位向幾何分辨率問題轉(zhuǎn)換為傳感器響應(yīng)速度記錄地物目標(biāo)回波相位史變化過程問題，從而有效地提高了雷感器響應(yīng)速度記錄地物目標(biāo)回波相位史變化過程問題，從而有效地提高了雷達(dá)遙感圖像方位向（達(dá)遙感圖像方位向（X 向）幾何分辨率。向）幾何分辨率。SAR實(shí)際上對(duì)于地面一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)試其反射回波，

6、然后將這些回波按其實(shí)際上對(duì)于地面一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)試其反射回波，然后將這些回波按其相位變化次序合成起來，由此等效于一個(gè)孔徑巨大的天線。這樣，對(duì)于航跡相位變化次序合成起來，由此等效于一個(gè)孔徑巨大的天線。這樣，對(duì)于航跡向（向（X向）的分辨率取決于對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試回波的次數(shù)。向）的分辨率取決于對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試回波的次數(shù)。SAR 傳感器可以裝載在飛機(jī)上，也可以裝載在衛(wèi)星上。自傳感器可以裝載在飛機(jī)上，也可以裝載在衛(wèi)星上。自SAR 出現(xiàn)后，出現(xiàn)后，RAR 就被取代了。就被取代了。SAR 成象過程更為復(fù)雜，噪聲信號(hào)也更為強(qiáng)烈，噪聲訊號(hào)多為點(diǎn)狀，遙感成象過程更為復(fù)雜，噪聲信號(hào)也更為強(qiáng)烈，噪聲訊號(hào)多為點(diǎn)狀，遙感中

7、稱之為斑點(diǎn)噪聲。中稱之為斑點(diǎn)噪聲。2 微波遙感成像機(jī)理微波遙感成像機(jī)理機(jī)載雷達(dá)遙感系統(tǒng)（SLAR） n雷達(dá)的遙感平臺(tái)有飛機(jī)和衛(wèi)星，以飛機(jī)為平臺(tái)的雷達(dá)叫機(jī)載雷達(dá)遙感（Side-looking airborne radar，SLAR）。 星載雷達(dá)遙感系統(tǒng) 參數(shù)SIRSIR-C/X-SARALMAZ-1ERS-1ERS-2JERS-1RadarsatAB發(fā)射日期1981.111984.101994.41991.31991.71995春1992.21995.11軌道高度（km）245260225300360785785568798波長(zhǎng)(cm)/波段23.5 /L23.5/L.C.X10/S5.7/CC

8、23/L5.6/C極化HH全極化HHVVHHHHHH入射角47531560156030602324351060距離分辨率(m)46-1410-60303025189100方位分辨率(m)253010-153025189100覆蓋寬度(km)50159023501001007545500發(fā)射國(guó)家美國(guó)美國(guó)前蘇聯(lián)歐空局歐空局日本加拿大工作壽命(年)18個(gè)月232325已發(fā)射的主要航天合成孔徑成像雷達(dá)系統(tǒng)2 雷達(dá)圖像的特點(diǎn)n雷達(dá)圖像的亮度 n雷達(dá)圖像的波長(zhǎng) n雷達(dá)圖像的穿透力 n雷達(dá)圖像的極化 n雷達(dá)圖像的幾何特性 n圖像的輻射特征 n雷達(dá)圖像的應(yīng)用 雷達(dá)圖像的亮度n雷達(dá)回波（即雷達(dá)后向散射）的強(qiáng)度可

9、簡(jiǎn)單的理解為雷達(dá)圖像的亮度值。 n雷達(dá)回波強(qiáng)度與雷達(dá)遙感系統(tǒng)參數(shù)、后向散射系數(shù)直接相關(guān)。其中： 雷達(dá)遙感系統(tǒng)參數(shù)包括：波長(zhǎng)/頻率、入射角/俯角、極化方式/探測(cè)方向等； 后向散射系數(shù)：以雷達(dá)后向散射截面或雷達(dá)后向散射系數(shù)表示，可以表征地表特征，包括物理特征介電常數(shù)、表面粗糙度、散射特點(diǎn)（表面散射和體散射），幾何特征陰影、疊掩、透視收縮、坡度、形狀、局地入射角等。 雷達(dá)圖像的波長(zhǎng)波段名稱波段范圍（GHz）波段名稱波段范圍（GHz)P LSCXK0.23-0.390.39-1.551.55-3.903.90-6.206.20-10.9010.90-36.00KuKaQVW15.25-17.2533.

10、00-36.0036.00-46.0046.00-56.0056.00-100.00雷達(dá)（Radar， Radio and Range Direction）是英文“無線電探測(cè)與測(cè)距”的縮寫。雷達(dá)應(yīng)用的微波波長(zhǎng)范圍一般只是若干個(gè)小的波長(zhǎng)范圍。 在地球資源應(yīng)用中的常用波段是X、C、L。 C 波段可以用來對(duì)海洋及海冰進(jìn)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。 雷達(dá)圖像的穿透力 n微波輻射具有很強(qiáng)的地表穿透能力，除了能穿云破霧以外，對(duì)一些地物（介質(zhì)），如巖石、土壤、松散沉積物、植被、冰層等，有穿透一定深度的能力。n微波頻率的高端（如1cm波長(zhǎng)）

11、可獲得植被層頂部的信息，而微波頻率的低端（如1m波長(zhǎng)）可獲得植被層底層甚至地表以下的信息。 微波穿透特性微波穿透特性 微波對(duì)土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲線微波對(duì)土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲線可用以下圖表示：可用以下圖表示： 0 5 10 15 20 25 濕度濕度30206050 40D （m） 穿透深度穿透深度W（%） 由圖看到，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，目標(biāo)地物越干燥，微波對(duì)其穿透性越好，由圖看到，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，目標(biāo)地物越干燥，微波對(duì)其穿透性越好，基本呈線性關(guān)系?；境示€性關(guān)系。LSCx 雷達(dá)圖像的極化：水平極化與垂直極化雷達(dá)圖像的極化：水平極化與垂直極化 （Horizontal Pola

12、rization and Vertical Polarization） 振動(dòng)方向在過傳播直線的豎直平面上的電磁波極化叫做垂直極振動(dòng)方向在過傳播直線的豎直平面上的電磁波極化叫做垂直極化（化（V） 振動(dòng)方向垂直于過傳播直線的豎直平面的電磁波極化叫做水平振動(dòng)方向垂直于過傳播直線的豎直平面的電磁波極化叫做水平極化（極化（H）VHVH電磁波極化示意圖電磁波極化示意圖雷達(dá)圖像的幾何特性 n雷達(dá)系統(tǒng)的圖像記錄有兩種類型：斜距圖像和地距圖像。在斜距圖像上，各目標(biāo)點(diǎn)間的相對(duì)距離與目標(biāo)間的地面實(shí)際距離并不保持恒定的比例關(guān)系，圖像會(huì)產(chǎn)生不均勻畸變。這就是雷達(dá)斜距圖像的比例失真。 斜距圖像的比例失真 雷達(dá)圖像的幾何特

13、性n雷達(dá)是按時(shí)間序列記錄回波信號(hào)，入射角與地面坡角的不同組合，會(huì)出現(xiàn)不同程度的透視收縮現(xiàn)象。即在有地形起伏時(shí)，面向雷達(dá)一側(cè)的斜坡在圖像上被壓縮，而另一側(cè)則被延長(zhǎng)。 雷達(dá)影像的透視收縮現(xiàn)象 雷達(dá)圖像的幾何特性n雷達(dá)是一個(gè)測(cè)距系統(tǒng)，發(fā)射雷達(dá)脈沖的曲率使近目標(biāo)（即髙目標(biāo)的頂部）回波先到達(dá)，遠(yuǎn)目標(biāo)（即髙目標(biāo)的底部）回波后到達(dá)。因而頂部先成像，并向近射程方向位移。這種雷達(dá)回波的超前現(xiàn)象，便形成了雷達(dá)圖像的頂?shù)孜灰?，即疊掩現(xiàn)象。 疊掩現(xiàn)象 雷達(dá)圖像的幾何特性n雷達(dá)視差，就是兩張重疊圖像上的兩個(gè)像點(diǎn)分別產(chǎn)生的位移量之差。當(dāng)雷達(dá)沿兩條不同軌道觀察高于地面的同一目標(biāo)時(shí)，不同的起伏位移會(huì)造成圖像視差。 雷達(dá)陰影

14、圖像的輻射特征n具有相同后向散射截面的兩個(gè)相鄰觀測(cè)單元，如在細(xì)微特征上有差異，則它們的回波信號(hào)也會(huì)不同，這樣本來具有常數(shù)后向散射截面的圖像上同質(zhì)區(qū)域，像元間會(huì)出現(xiàn)亮度變化，這被稱為斑點(diǎn)（speckle）。那些回波功率衰減到遠(yuǎn)低于平均值電平的像素的灰度值很低，在圖像上就表現(xiàn)為黑點(diǎn)；那些回波功率增強(qiáng)到遠(yuǎn)高于平均值電平的像素很亮，在圖像上表現(xiàn)為亮點(diǎn)。 RADARSAT-1圖像上的斑點(diǎn) 雷達(dá)圖像的應(yīng)用 n海洋環(huán)境調(diào)查 n地質(zhì)制圖和非金屬礦產(chǎn)資源調(diào)查 n洪水動(dòng)態(tài)檢測(cè)與評(píng)估 n地貌研究和地圖測(cè)繪 n軍事偵察 3 激光雷達(dá)n激光雷達(dá)即Lidar，是“光探測(cè)和測(cè)距”(Light detection and r

15、anging)的簡(jiǎn)稱。n激光雷達(dá)也是一種主動(dòng)傳感器，通過發(fā)送光脈沖，并測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的時(shí)間延遲來探測(cè)目標(biāo)。 激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù) 工作光源工作光源 可見光多光譜遙感用自然光源，包括太陽(yáng)、大地輻射可見光多光譜遙感用自然光源，包括太陽(yáng)、大地輻射 特點(diǎn)：波長(zhǎng)短、太陽(yáng)光能量大特點(diǎn)：波長(zhǎng)短、太陽(yáng)光能量大 優(yōu)點(diǎn)：無噪聲、穩(wěn)定、直接反映植被光合作用、地表溫度優(yōu)點(diǎn)：無噪聲、穩(wěn)定、直接反映植被光合作用、地表溫度 缺點(diǎn)：受制于自然提供的條件，選擇余地小缺點(diǎn)：受制于自然提供的條件，選擇余地小 雷達(dá)遙感用人造光源雷達(dá)遙感用人造光源 特點(diǎn)：波長(zhǎng)長(zhǎng)、瞬間能量大、可調(diào)節(jié)特點(diǎn)：波長(zhǎng)長(zhǎng)、瞬間能量大、可調(diào)節(jié) 優(yōu)點(diǎn)：利用鏡

16、面反射、散射可識(shí)別地物幾何形狀、有四種極化方式優(yōu)點(diǎn)：利用鏡面反射、散射可識(shí)別地物幾何形狀、有四種極化方式 缺點(diǎn)：噪聲大、信息提取復(fù)雜缺點(diǎn)：噪聲大、信息提取復(fù)雜與可見光與可見光多光譜遙感的比較多光譜遙感的比較 成象機(jī)制成象機(jī)制 相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：1）基本上都是在基本垂直于航跡方向上條帶掃描成象）基本上都是在基本垂直于航跡方向上條帶掃描成象 （航空遙感一般用框幅式成象除外）（航空遙感一般用框幅式成象除外） 2）都可以數(shù)字成象）都可以數(shù)字成象 3）都是反映地物面狀信息）都是反映地物面狀信息 不同點(diǎn)：可見光多光譜是以分割視場(chǎng)等立體角成像，投影為中不同點(diǎn)：可見光多光譜是以分割視場(chǎng)等立體角成像，投影為中心或

17、多中心投影；心或多中心投影； 雷達(dá)遙感是以嚴(yán)格區(qū)分電磁波回波的時(shí)序成像，投影為斜距投雷達(dá)遙感是以嚴(yán)格區(qū)分電磁波回波的時(shí)序成像，投影為斜距投影，象元的對(duì)應(yīng)地面單元縱橫尺寸受制于不同因素。影，象元的對(duì)應(yīng)地面單元縱橫尺寸受制于不同因素。 遙感平臺(tái)遙感平臺(tái) 相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：1）都使用航空、航天飛行器平臺(tái)）都使用航空、航天飛行器平臺(tái) 2）衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置兩者基本相同）衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置兩者基本相同 3）對(duì)平臺(tái)姿態(tài)都有嚴(yán)格要求）對(duì)平臺(tái)姿態(tài)都有嚴(yán)格要求 不同點(diǎn)：可見光多光譜遙感對(duì)衛(wèi)星軌道要求嚴(yán)格，通常必不同點(diǎn)：可見光多光譜遙感對(duì)衛(wèi)星軌道要求嚴(yán)格，通常必須太陽(yáng)同步、近極地；須太陽(yáng)同步、近極地； 雷達(dá)遙感可以不使

18、用太陽(yáng)同步、近極地，因?yàn)橹鲃?dòng)、側(cè)視角雷達(dá)遙感可以不使用太陽(yáng)同步、近極地，因?yàn)橹鲃?dòng)、側(cè)視角可調(diào)節(jié)，不強(qiáng)調(diào)成象重復(fù)周期?？烧{(diào)節(jié)，不強(qiáng)調(diào)成象重復(fù)周期。 幾何誤差來源與誤差特點(diǎn)幾何誤差來源與誤差特點(diǎn) 共同誤差來源：共同誤差來源：1） 遙感平臺(tái)姿態(tài)三個(gè)方位：俯仰、航向、滾翻遙感平臺(tái)姿態(tài)三個(gè)方位：俯仰、航向、滾翻 2）大氣湍流折射偏差）大氣湍流折射偏差 3） 地表起伏地表起伏 可見光多光譜遙感特點(diǎn)：可見光多光譜遙感特點(diǎn)： 1） 天氣作用因素影響大；天氣作用因素影響大； 2） 地表起伏、遙感平臺(tái)姿態(tài)作用因素影響相對(duì)較小，其原因地表起伏、遙感平臺(tái)姿態(tài)作用因素影響相對(duì)較小，其原因是直視正射；是直視正射； 3）星

19、下點(diǎn)像元對(duì)應(yīng)地面單元面積小，影像兩側(cè)像元對(duì)應(yīng)地面）星下點(diǎn)像元對(duì)應(yīng)地面單元面積小，影像兩側(cè)像元對(duì)應(yīng)地面單元面積大；單元面積大； 4）鏡頭屈光度不線性，造成成象誤差）鏡頭屈光度不線性，造成成象誤差 ； 雷達(dá)遙感影像幾何誤差特點(diǎn)：雷達(dá)遙感影像幾何誤差特點(diǎn)： 1）天氣作用因素影響??；）天氣作用因素影響??； 2）地表起伏、遙感平臺(tái)姿態(tài)作用因素影響大，其原因是斜視；）地表起伏、遙感平臺(tái)姿態(tài)作用因素影響大，其原因是斜視； 3）距離向靠近地面航跡的像元地面單元面積大，而遠(yuǎn)離地面航跡的）距離向靠近地面航跡的像元地面單元面積大，而遠(yuǎn)離地面航跡的像元地面單元面積小；像元地面單元面積小； 4）成象機(jī)理本身造成：入射角

20、不同、脈沖調(diào)制不穩(wěn)定、解調(diào)數(shù)據(jù)處）成象機(jī)理本身造成：入射角不同、脈沖調(diào)制不穩(wěn)定、解調(diào)數(shù)據(jù)處理誤差等因素。理誤差等因素。 雷達(dá)遙感幾何誤差校正較困難，特別是山區(qū)。雷達(dá)遙感幾何誤差校正較困難，特別是山區(qū)。 輻射誤差來源輻射誤差來源 共同誤差共同誤差 1）大氣環(huán)境背景噪聲誤差）大氣環(huán)境背景噪聲誤差 2）系統(tǒng)本身噪聲誤差）系統(tǒng)本身噪聲誤差 可見光多光譜遙感特點(diǎn)可見光多光譜遙感特點(diǎn) 1）大氣環(huán)境背景噪聲包括：米氏散射、瑞利散射噪聲，這種噪）大氣環(huán)境背景噪聲包括：米氏散射、瑞利散射噪聲，這種噪聲在可見光多光譜遙感中影響大，但在一定情況下，這種聲在可見光多光譜遙感中影響大，但在一定情況下，這種 噪聲也表達(dá)為

21、一種信息；噪聲也表達(dá)為一種信息； 2）系統(tǒng)本身傳感器上熱噪聲誤差小，因?yàn)橹皇墙邮諅鞲衅?；）系統(tǒng)本身傳感器上熱噪聲誤差小，因?yàn)橹皇墙邮諅鞲衅鳎?3）太陽(yáng)陰影（）太陽(yáng)陰影（ 投影）造成圖像輻射誤差，這種誤差在一定場(chǎng)合還投影）造成圖像輻射誤差，這種誤差在一定場(chǎng)合還有用處。有用處。 雷達(dá)遙感特點(diǎn)雷達(dá)遙感特點(diǎn) 1）大氣環(huán)境背景噪聲??；）大氣環(huán)境背景噪聲小； 2) 系統(tǒng)本身噪音大，因?yàn)檫@個(gè)噪聲是雙程的、發(fā)射電磁波中就系統(tǒng)本身噪音大，因?yàn)檫@個(gè)噪聲是雙程的、發(fā)射電磁波中就 帶有噪聲；帶有噪聲； 3）因地形造成的疊掩、頂點(diǎn)位移、壓縮、拉伸、雷達(dá)盲區(qū)造成）因地形造成的疊掩、頂點(diǎn)位移、壓縮、拉伸、雷達(dá)盲區(qū)造成 對(duì)應(yīng)象元亮度（灰度）不能完全反映地面單元的散射光能量。對(duì)應(yīng)象元亮度（灰度）不能完全