微波遙感

對地觀測技術(shù)Chapter7全天侯工作，不受云、霧和小雨的影響。全天時(shí)工作，不受時(shí)間限制，黑夜也能工作。對某些地物有一定的穿透能力，可在一定程度上獲取隱伏的信息。微波能穿透冰雪、植被、人工偽裝，并能對地面表層土壤穿透一定深度，所以可用于測量許多陸地特征，如土壤濕度、雪被深度和地質(zhì)構(gòu)造。直接觀測土壤、巖石邊界。適當(dāng)選擇工作頻率和波束入射角，可穿透大多數(shù)植被，除了極茂密的森林。2微波遙感的優(yōu)越性微波的基本特性微波遙感的特性微波傳感器及其分類機(jī)載側(cè)視雷達(dá)工作原理合成孔徑雷達(dá)3本章內(nèi)容41.微波的基本特性微波的衰減與透射微波的散射微波的多普勒效應(yīng)微波的極化5微波基本特性6微波的基本特性——衰減與透射表面散射：和介質(zhì)表面粗糙度有關(guān)；體散射：介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的散射，為經(jīng)多路徑散射后所產(chǎn)生的總有效散射。粗糙度與波長相關(guān)7微波的基本特性——散射表面散射：和介質(zhì)表面粗糙度有關(guān)8微波的基本特性——散射光滑：

h

<λ/32cos(θ)例如： 1.5GHz

θ

=60°入射

h<1.25cm散射截面

σ散射波的全功率與入射功率密度之比，可理解為雷達(dá)的全反射率，用有效散射面積表示。它是波長或頻率的函數(shù)，表示雷達(dá)目標(biāo)截獲并散射入射能量的能力。散射系數(shù)

σo單位截面上雷達(dá)的反射率或單位照射面積上的雷達(dá)散射截面，是入射電磁波與地面目標(biāo)相互作用結(jié)果的度量。9微波的基本特性——散射多普勒效應(yīng)：指由觀察者和輻射源（或目標(biāo)與遙感器）的相對運(yùn)動，所引起的電磁發(fā)射頻率與回波頻率的變化。10微波的基本特性——多普勒效應(yīng)靜止目標(biāo)移動目標(biāo)當(dāng)一個(gè)電磁輻射源發(fā)射頻率為υ、方向?yàn)閗i的電磁波，目標(biāo)運(yùn)動速度為V，方向與ki夾角α，與接收方向夾角為θ，則接收機(jī)收到的信號頻率υ’不等于υ，其差稱為多普勒頻移Δυ。11微波的基本特性——多普勒效應(yīng)遙感利用頻率上表現(xiàn)的多普勒效應(yīng)，可以觀測目標(biāo)的運(yùn)動，得到地表物體的信息，并可以通過外差技術(shù)測出和區(qū)分多普勒頻移，以避免產(chǎn)生圖像模糊和分辨率下降，確保獲得高分辨率的雷達(dá)圖像。即使頻率相對變化僅為百萬分之一，但用外差技術(shù)仍可很容易地被測量、識別與區(qū)分并通過相關(guān)處理，以避免圖像模糊。12微波的基本特性——多普勒效應(yīng)電矢量所指的方向可能隨時(shí)間變化，也可能不隨時(shí)間變化。當(dāng)電場矢量的方向不隨時(shí)間變化時(shí)，稱為線極化。線極化分為水平極化和垂直極化。13微波的基本特性——極化雷達(dá)波發(fā)射后，遇目標(biāo)平面而反射，其極化狀況在反射時(shí)會發(fā)生改變，根據(jù)傳感器發(fā)射和接收的反射波極化狀況可以得到不同類型的極化圖像——HHVVHVVH同一種地物在不同極化圖像里常常表現(xiàn)出不同的亮度，不同的地物也會表現(xiàn)出不同的對比度因此利用不同的極化特征，有可能在微波遙感圖像上解譯出更多的信息14微波的基本特性——極化15HHHVVVRGBComposite16CV-580C-bandSAR,SouthofOttawa,9July1998LinearPolarizationComposite:Red=HH

Green=HV

Blue=VV172.微波遙感的特性全天時(shí)全天候，不受云、霧和小雨的影響地物穿透能力（冰雪、植被、土壤、偽裝）天線方向可調(diào)整信號與物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)有關(guān)，與光學(xué)互補(bǔ)多種頻率、多種極化方式、多個(gè)視角工作獲取目標(biāo)空間關(guān)系、形狀尺寸、表面粗糙度、對稱性、復(fù)介電特性等信息18微波遙感的特性微波穿透植物層的深度，取決于植物的含水量、密度、使用的波長和入射角。如果波長足夠長而入射角又接近天底角，則微波可穿透植被區(qū)而到達(dá)地面。因此，微波頻率的高端（波長較短）只能獲得植被層頂部的信息，而微波頻率的低端（波長較長），則可以獲得植被層底層甚至地表以下的信息。19微波遙感的特性——穿透性20微波信號對植被的穿透性1厘米波長由樹頂反射的微波信號1米波長由樹頂、樹干、地面反射的信號由樹頂、樹干反射的信號微波穿透土壤的深度與土壤濕度、類型及工作頻率有關(guān)。21不同類型土壤的趨膚深度與土壤濕度的關(guān)系微波遙感的特性——穿透性在可見光近紅外波段所觀測的顏色，基本上取決于植被和土壤表層分子的諧振特性；而微波波段范圍內(nèi)觀察到的“顏色”，則取決于研究對象面或體的幾何特性以及體介電特性。微波、可見光和紅外輻射配合運(yùn)用，就能夠研究表面上幾何的和體介電的特性以及分子諧振的特性。22微波遙感的特性——與光學(xué)遙感互補(bǔ)微波傳感器的天線方向可調(diào)整，可增多所獲地表特征。比如：利用適量陰影，以突出地貌的形態(tài)特征和敏感地形細(xì)節(jié)。多種頻率、多種極化方式、多個(gè)視角進(jìn)行工作，來獲取目標(biāo)的空間關(guān)系、形狀尺寸、表面粗糙度、對稱性和復(fù)介電特性等方面的信息。比如：根據(jù)不同類型冰的介電常數(shù)不同可以探測海冰的結(jié)構(gòu)和分類；根據(jù)含鹽度對水的介電常數(shù)的影響可以探測海水的含鹽度。23微波遙感的特性微波是海洋探測的重要波段，適用于精確的距離測量、海面波動、風(fēng)力等。微波還是測量地面高程、大地水準(zhǔn)面等的良好波段。此外，在土壤水分及地表下測量等方面也是可見光和紅外遙感所達(dá)不到的。24微波遙感的其他特性不能記錄與顏色有關(guān)的信息，人工解譯識別比較困難。設(shè)備復(fù)雜、昂貴，高品質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)果出產(chǎn)困難。圖像有特有的畸變，校正過程復(fù)雜，技術(shù)難度高。25微波遙感的弱點(diǎn)微波遙感的優(yōu)越性全天候全天時(shí)目標(biāo)穿透特性微波遙感中的基本概念極化散射多普勒效應(yīng)26本節(jié)小結(jié)273.微波傳感器及其分類傳感器種類觀測對象被動

傳感器微波輻射計(jì)Microwaveradiometer固定視場，掃描式海面狀態(tài)、海面溫度、海風(fēng)、海水鹽分濃度、海冰水蒸氣量、云層含水量降水強(qiáng)度大氣溫度、風(fēng)臭氧、氣溶膠、NOx、其他大氣微量成分主動

傳感器微波散射計(jì)Microwavescatterometer土壤水分、地表面粗糙度湖冰、海冰分布、積雪分布植被密度、海浪、海風(fēng)、風(fēng)向、風(fēng)速雷達(dá)高度計(jì)Microwavealtimeter海面形狀、大地水準(zhǔn)面海流、中規(guī)模漩渦、潮汐、風(fēng)速側(cè)視雷達(dá)Imagingradar合成孔徑地表的影像海浪、海風(fēng)地形、地質(zhì)海冰、雪冰的監(jiān)測28微波傳感器及其分類微波輻射計(jì)微波輻射計(jì)主要用于探測地面各點(diǎn)的亮度溫度并生成亮度溫度圖像。由于地面物體都具有發(fā)射微波的能力,其發(fā)射強(qiáng)度與自身的亮度溫度有關(guān)。通過掃描接收這些信號并換算成對應(yīng)的亮度溫度圖,對地面物體狀況的探測很有意義。30微波傳感器——微波輻射計(jì)測量微波區(qū)域地球的熱輻射。強(qiáng)度與目標(biāo)的溫度與發(fā)射率、反射率及透射率有關(guān)波長較短。由于能量較低，圖像相對“noisy”，空間分辨率低，解譯復(fù)雜可以測量視場中大氣總的含水量，進(jìn)行海—冰制圖，估算其他海洋參數(shù)（比如表面風(fēng)及降雨速率）31微波傳感器——微波輻射計(jì)EarthScienceandRFRadiometeryMicrowaveRadiometryApplications.OceansurfacewindSoilmoistureSeasurfacetemperature/SeasurfacesalinityAtmospherictemperature,humidity,andcloudsPrecipitationAtmosphericchemistryHartley,NASA33地表真實(shí)溫度也可以叫分子動力學(xué)溫度，是物質(zhì)內(nèi)部分子的平均熱能，是組成物體的分子平均傳遞能量的“內(nèi)部”表現(xiàn)形式。輻射溫度也可稱為表征溫度，主要是指物體輻射能量，其輻射能量是物體能量狀態(tài)的一種“外部”表現(xiàn)形式。按照

Stefan-Boltzmannlaw：對于遙感器而言，其接收到的輻射能量即地物的輻射出射度，但是傳感器接收到的M=斯波常數(shù)*輻射溫度的四次方，這里兩個(gè)M是相等的，所以：

亮度溫度是指輻射出與觀測物體相等的輻射能量的黑體溫度。其在數(shù)值上等于輻射溫度，只是叫法不一樣：在微波遙感中常用亮度溫度，而在紅外遙感中較多地用到輻射溫度。微波散射計(jì)非成像測量后向散射在兩個(gè)或更多方向掃描地表主要應(yīng)用為測量海洋表面的風(fēng)矢量海洋表面粗糙度的變化由風(fēng)引起。雖然不能成像，但可以在很大尺度上構(gòu)建全球風(fēng)場。35微波傳感器——微波散射計(jì)主動、非成像雷達(dá)系統(tǒng)通過向海表、陸面發(fā)射微波脈沖信號并接收其后向散射回波信號能量來探測有關(guān)目標(biāo)的信息回波信號能量的強(qiáng)弱取決于目標(biāo)物表面的粗糙度以及物質(zhì)本身的介電特性，這兩者都可以描述海冰和植被覆蓋的特征。36星載微波散射計(jì)對于海洋表面，通常用布拉格諧振來描述海表對微波信號的后向散射，當(dāng)風(fēng)速、風(fēng)向變化時(shí)，將導(dǎo)致海面粗糙度發(fā)生變化,進(jìn)而影響雷達(dá)所探測到的回波信號的能量37星載微波散射計(jì)散射計(jì)將接收的回波能量轉(zhuǎn)換為目標(biāo)的歸一化雷達(dá)散射截面（NRCS,σ0）在海洋表面,σ0隨著風(fēng)速的增大而增大，在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)表現(xiàn)出線性正相關(guān),但風(fēng)速增大到一定程度后(如大于20m/s)，這種線性關(guān)系迅速減弱σ0也隨著觀測方位角發(fā)生著改變，散射計(jì)正是利用σ0隨觀測方位角變化規(guī)律來反演海面風(fēng)場信息。38星載微波散射計(jì)39Cross-CalibratedMulti-PlatformOceanSurfaceWindVectorAnalyses雷達(dá)高度計(jì)41雷達(dá)高度計(jì)Radaraltimeterisashortpulseradarusedforaccurateheightmeasurements.OceantopographyGlacialicetopographySeaicecharacteristics ClassificationandiceedgeVegetation壓縮脈沖的長度和測量表面的平坦度決定足跡的大小典型足跡大小在直徑2km量級3dB天線波束寬度內(nèi)只有約1/10的發(fā)射功率在限足跡以內(nèi)，其余大部分功率均在脈沖足跡以外，這部分功率對高度測量的貢獻(xiàn)很小當(dāng)測量表面的粗糙度加大時(shí)，脈沖足跡也隨之增加，當(dāng)擴(kuò)大的足跡內(nèi)高度發(fā)生變化時(shí)，足跡不能有效地跟蹤高度的變化，進(jìn)而使測量性能下降42雷達(dá)高度計(jì)——Pulse-limited方式延時(shí)多普勒雷達(dá)高度計(jì)(DelayDopplerRadarAltimeter,DDA)是采用孔徑合成技術(shù)進(jìn)行高度測量的雷達(dá)高度計(jì)。與傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)相比，采用DDA技術(shù)可以使儀器測量精度更高、空間分辨率更高、功耗更低，易于實(shí)現(xiàn)小型化。DDA代表了新一代的衛(wèi)星測高技術(shù)，特別適合海洋、海岸帶和極冰的測量。43雷達(dá)高度計(jì)444546雷達(dá)高度計(jì)獲取的海洋表面高度雷達(dá)RADAR=RadioDetectionAndRanging獲取目標(biāo)的：方位、距離和飛行速度48微波傳感器——雷達(dá)49微波傳感器——雷達(dá)FM-CW信號

線性調(diào)頻信號Chirp信號啁啾信號雷達(dá)波束51微波傳感器——雷達(dá)ββ=λ/dβ越小，雷達(dá)方向越準(zhǔn)確，主瓣功率越大，識別目標(biāo)能力越強(qiáng)雷達(dá)方程描述由雷達(dá)天線接收到的回波功率與雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)及目標(biāo)散射特征（目標(biāo)參數(shù)）的關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。52微波傳感器——雷達(dá)雷達(dá)天線接收到的回波功率可表示為：53微波散射計(jì)微波輻射計(jì)雷達(dá)高度計(jì)雷達(dá)544.機(jī)載側(cè)視雷達(dá)555657波長或頻率：對于不同的雷達(dá)波長，同一目標(biāo)的影像特征不一樣俯角（入射角）和照射帶寬度極化方式：影響到回波強(qiáng)度和對不同方位信息的表現(xiàn)能力雷達(dá)系統(tǒng)類型：真實(shí)孔徑雷達(dá)，合成孔徑雷達(dá)58雷達(dá)遙感系統(tǒng)參數(shù)距離向分辨率在脈沖發(fā)射方向上（距離向）能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離。方位向分辨率在與輻射波束垂直方向（方位向）上相鄰的兩束脈沖之間，能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離。兩者互不相關(guān)59真實(shí)孔徑雷達(dá)分辨率60距離分辨率60SlantRangeGroundRange距離分辨率由脈沖寬度τ和波束視角α所決定，要提高地距分辨率，則必須減小脈沖寬度和視角。但脈沖寬度過窄，則能量太小，信噪比太低，不利于目標(biāo)的探測。距離分辨率提高距離分辨率——脈沖壓縮技術(shù)用大功率的寬脈沖進(jìn)行線性調(diào)頻后發(fā)射接收時(shí)，使回波信號通過在頻率及時(shí)間關(guān)系上與發(fā)射時(shí)具有相反頻率特性的匹配濾波器（Matchedfilter）,提取出脈沖寬度壓縮的信號。在脈沖寬度τ

的時(shí)間內(nèi)，通過脈沖壓縮和頻率Δf調(diào)制振幅為原來的脈沖寬度為原來的距離分辨率

τ

匹配濾波器是最優(yōu)濾波器的一種。所謂的最優(yōu)濾波器，實(shí)際上都是在某個(gè)準(zhǔn)則下的最優(yōu)。匹配濾波器對應(yīng)的最優(yōu)的準(zhǔn)則是輸出信噪比（SNR）最大。而且還有一個(gè)前提條件是：在白噪聲背景下。匹配濾波器的表達(dá)式為：

H(f)=S*(f)匹配濾波器的頻率響應(yīng)是輸入信號頻率響應(yīng)的共軛63匹配濾波器從幅頻特性來看，匹配濾波器和輸入信號的幅頻特性完全一樣。這也就是說，在信號越強(qiáng)的頻率點(diǎn)，濾波器的放大倍數(shù)也越大；在信號越弱的頻率點(diǎn)，濾波器的放大倍數(shù)也越小也就是說，匹配濾波器是讓信號盡可能通過，而不管噪聲的特性。因?yàn)槠淝疤崾前自肼?，也即是噪聲的功率譜是平坦的，在各個(gè)頻率點(diǎn)都一樣。因此，這種情況下，讓信號盡可能通過，實(shí)際上也隱含著盡量減少噪聲的通過。64匹配濾波器從相頻特性上看，匹配濾波器的相頻特性和輸入信號正好完全相反。這樣，通過匹配濾波器后，信號的相位為0，正好能實(shí)現(xiàn)信號時(shí)域上的相干疊加。而噪聲的相位是隨機(jī)的，只能實(shí)現(xiàn)非相干疊加。這樣在時(shí)域上保證了輸出信噪比的最大。65匹配濾波器Example(chirpedpulse)發(fā)射脈沖為紅色，2個(gè)回波信號為藍(lán)色

(carrier10Hz,modulationon16Hz,amplitude1,duration1s)Example(chirpedpulse)在脈沖壓縮之后，可以認(rèn)為回波信號功率被放大了τΔf倍Example:samesignalsasabove,plusanadditiveGaussianwhitenoise(σ=0.5)在方位向上，若兩個(gè)目標(biāo)能被區(qū)分，則該兩目標(biāo)就不能在同一波束內(nèi)。方位向分辨率指相鄰的兩束脈沖之間，能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離。方位向分辨率與波長和觀測距離成正比，與天線孔徑成反比，因此，要提高方位向分辨率，須采用波長較短的電磁波和增大天線孔徑及縮短觀測距離。方位分辨率705.合成孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)是一種高分辨率相干成像雷達(dá)。高分辨率在這里包含兩方面的含義：即高的方位向分辨率，足夠高的距離向分辨率。它采用以多普勒頻移理論和雷達(dá)相干為基礎(chǔ)的合成孔徑技術(shù)來提高雷達(dá)的方位向分辨率，而距離向分辨率的提高則通過脈沖壓縮技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。71合成孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)通過飛機(jī)或星載飛行器的向前運(yùn)動構(gòu)成合成孔徑。當(dāng)真實(shí)孔徑太長，不可能實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，合成孔徑雷達(dá)就起到了不可估量的作用，它特別適用于星載的飛行器中。只要目標(biāo)被發(fā)射能量波瓣照射到或位于波束寬度之內(nèi)，此目標(biāo)就會被采樣并被成像。72合成孔徑雷達(dá)73合成孔徑方式?═?多普勒波束銳化7475Syntheticapertureradar(SAR)76合成孔徑雷達(dá)主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線組成。由發(fā)射器產(chǎn)生的線性調(diào)頻脈沖經(jīng)放大后，饋送至天線發(fā)射出去，平臺做等速直線飛行并保持天線的指向穩(wěn)定，天線接收的地面回波信號，經(jīng)接收系統(tǒng)混頻、中放、相位檢波等一系列的信號處理后，再送入存儲器，存儲器的信號經(jīng)成像后形成雷達(dá)圖像。合成孔徑雷達(dá)與真實(shí)孔徑雷達(dá)有許多共同點(diǎn)，其主要差異在于合成孔徑雷達(dá)是利用合成孔徑原理來改善方位向分辨率。合成孔徑雷達(dá)77利用小天線D作為單個(gè)發(fā)射接收單元，當(dāng)平臺以等速直線飛行時(shí)，將經(jīng)過1，2，3，……n等若干位置，在每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)信號，并接收來自目標(biāo)的回波信號，且存儲其幅度和相位，將存儲的信號經(jīng)疊加處理，就得到等效孔徑L=nD的天線所獲取的結(jié)果。真實(shí)孔徑天線是在一個(gè)位置上接收地物目標(biāo)的回波，而合成孔徑天線是在不同位置上接收同一地物的回波信號。方位向分辨率78合成孔徑雷達(dá)合成后的天線長度雙程距離差而導(dǎo)致的波束寬度為對應(yīng)的地面方位向分辨率為（1）方位向分辨率與距離、波長無關(guān)（2）方位向分辨率與平臺飛行高度無關(guān)。（3）理論上方位分辨率是雷達(dá)天線真實(shí)孔徑長度D的一半。如ERS-1SAR天線長度為10米，理論上方位向分辨率能達(dá)到5米。79合成孔徑雷達(dá)80ShuttleRadarTopographyMissionSRTM由NASA和NIMA聯(lián)合測量。2000年2月11日，美國發(fā)射“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)上搭載SRTM系統(tǒng)，共計(jì)進(jìn)行了222小時(shí)23分鐘的數(shù)據(jù)采集工作，獲取北緯60度至南緯60度之間總面積超過1.19億平方公里的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，覆蓋地球80%以上的陸地表面。81SRTM地形數(shù)據(jù)按精度可以分為SRTM1和SRTM3，分別對應(yīng)的分辨率精度為30m和90m數(shù)據(jù)（目前公開數(shù)據(jù)為90m分辨率的數(shù)據(jù)）。82836.雷達(dá)圖像的特點(diǎn)雷達(dá)回波強(qiáng)度——雷達(dá)圖像上各種地物的灰度值（圖像密度、輻射亮度溫度值）。雷達(dá)回波強(qiáng)度與后向散射系數(shù)直接相關(guān)，而雷達(dá)后向散射系數(shù)受到雷達(dá)遙感系統(tǒng)參數(shù)（波長、俯角和照射帶寬度、極化方式和雷達(dá)系統(tǒng)類型）以及地表特性（復(fù)介電常數(shù)、坡度、表面粗糙度、不均勻介質(zhì)中的體散射系數(shù)）的影響。目前還不能給出它們之間的具體表達(dá)式，但可以根據(jù)理論分析和大量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行定性和部分定量描述。84雷達(dá)回波強(qiáng)度的影響因素85

1.高空間分辨率。雷達(dá)圖像的分辨率一般表示為距離分辨率×方位分辨率，可稱為面分辨率。代表地面分辨單元的大小。

2.穿透能力。趨膚深度雷達(dá)圖像的特點(diǎn)86

3.立體效應(yīng)。雷達(dá)散射及雷達(dá)波束對地面傾斜照射，產(chǎn)生雷達(dá)陰影，即圖像暗區(qū)。這種明暗效應(yīng)能增強(qiáng)圖像的立體感。

4.幾何特性。斜距圖像的比例失真、透視收縮、疊掩現(xiàn)象、雷達(dá)視差與立體觀測。

5.其他：對與水有關(guān)信息的識別能力更強(qiáng)/對松散沉積物的表面結(jié)構(gòu)反映明顯/對居民點(diǎn)及線性地物的表現(xiàn)尤為明顯。雷達(dá)圖像的特點(diǎn)87Variabilitywithlookdirection88Polarization1stletteristransmittedpolarization,2ndisreceivedCanhaveVV,HH(like)HV,VH(cross)89PolarizationwithvisiblelightInthiscase,incomingradiation(sunlight)isnotpolarized(orispolarizedinbothdirections)VerticallypolarizedlightisreflectedfromsurfaceAtthisviewangle,horizontallypolarizedlightisnotSohorizontalfilterallowsustoseethebottom90Polarizationwithradar91Foreshortening透視收縮Layover疊掩Shadow陰影Geometricdistortionsinallradarimagery92Foreshortening93LayoverExtremecaseofforeshortening,whenincidenceangleislessthanslopeangletowardradar(i.e.θ<α)cannotbecorrectedgottobecarefulinthemountains94ShadowWhenslopeawayfromradarissteeperthanthedepressionangle,i.e.–α>γ95極化雷達(dá)和干涉雷達(dá)

極化雷達(dá)：指在極短的間隔里發(fā)射H、V極化波脈沖，并同時(shí)接收H、V回波。既記錄了相干回波信號的振幅變化，又記錄了不同極化回波間的相位變化（相位差）。因此，極化雷達(dá)能獲得比常規(guī)成像雷達(dá)更多的回波信息，更有利于解釋地物散射特性。遙感數(shù)字圖像處理基本概念1輻射失真與校正2幾何失真與校正3光譜圖像分類4遙感圖像數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)的誤差校正和配準(zhǔn)

輻射失真

幾何失真數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的解譯輻射增強(qiáng)技術(shù)圖像數(shù)據(jù)的多光譜變換圖像分類

監(jiān)督分類

非監(jiān)督分類

分類精度評價(jià)多源、多傳感器圖像分析高光譜圖像數(shù)據(jù)解譯圖像數(shù)據(jù)的誤差校正和配準(zhǔn)

輻射失真

幾何失真圖像分類

監(jiān)督分類

非監(jiān)督分類

分類精度評價(jià)衛(wèi)星遙感圖像處理過程Pre-processingEnhancementandTransformationsClassificationandFeatureextraction1多波段遙感數(shù)字圖像高光譜遙感——光譜圖像立方體spectral-imagecube成像光譜技術(shù)以納米級超高光譜分辨率，幾十至數(shù)百個(gè)波段對地物同時(shí)成像，在獲得地面二維空間圖像信息的同時(shí)，還獲取地物的連續(xù)光譜信息。既可以在空間切面依據(jù)圖像特征對地物做圖像分析和鑒別，又可以在光譜維上根據(jù)光譜特征對地物做光譜特征分析，直接識別地物的種類、組分和含量。視場與像素遙感成像方式光機(jī)掃描線陣推帚掃描面陣推掃光機(jī)掃描成像線陣推掃成像面陣推掃成像2圖像數(shù)據(jù)的誤差校正輻射失真失真源校正方法幾何失真失真源校正方法圖像配準(zhǔn)2輻射失真源輻射失真的表現(xiàn)特定波段內(nèi)：亮度相對分布≠

地表亮度分布不同波段、同一位置：相對亮度≠

光譜特性輻射失真的來源大氣對輻射的影響儀器誤差大氣對輻射的影響太陽照射傳感器大氣太陽輻射能經(jīng)過多少種方式、路徑進(jìn)入傳感器？像素（地面分辨單元）相鄰像素太陽照射輻射到傳感器大氣φθT天空照射成分1路徑輻射成分2天空照射成分2路徑輻射成分1E0Φ遙感圖像數(shù)據(jù)源在沒有大氣影響時(shí)，假設(shè)太陽射到地球的光譜輻照度為Eλ

，則在天頂角θ

時(shí)，地面的光譜輻照度為Eλcos

θ

。此時(shí)，波長λ1和λ2和之間的輻照度為Δ

λ

=λ1-

λ2一般足夠窄：假設(shè)表面反射率為R，且地表為漫反射，那么散射到上半球的輻射亮度為像素（地面分辨單元）相鄰像素太陽照射輻射到傳感器大氣φθT天空輻照成分1路徑輻照成分2天空輻照成分2路徑輻照成分1E0對于特定傳感器來說，量化后的數(shù)值為DN，那么特定像素對應(yīng)的輻射亮度為其中如果考慮大氣的影響？需要對公式進(jìn)行修正。

透過率（Transmittance）有無大氣條件下，到達(dá)地面的輻照度指標(biāo)，稱為透過率，用

Tθ

表示天空輻照度（Skyirradiance）在地面測得的，包括天空的散射和周圍景物的散射，用ED表示路徑輻射亮度（Pathradiance）在傳感器處測得的，包括天空散射和周圍景物的散射，用LP

表示大氣影響的相關(guān)參數(shù)考慮大氣因素修正后，地面的總輻照度為由像素的總輻照度產(chǎn)生的輻射亮度變?yōu)閭鞲衅鳙@得的總輻射亮度變?yōu)閮x器誤差光學(xué)系統(tǒng)誤差邊緣減光（透鏡系統(tǒng)）輻射探測器的非線性：暗電流（偏置）傳輸特性斜率（增益）不均勻儀器誤差效果：產(chǎn)生條帶輻射失真校正大氣影響的精確校正基于大氣傳輸理論模型大氣影響的粗校正基于圖像特征模型暗目標(biāo)法直方圖調(diào)整波段間的數(shù)學(xué)變換儀器誤差校正大氣影響的精確校正寬帶系統(tǒng)的大氣校正窄帶系統(tǒng)的大氣校正高光譜大氣成分的吸收與散射建模精細(xì)光譜吸收曲線對地物光譜反演的影響較大CorrectingAtmosphericEffectsinNarrow

WavebandSystems轉(zhuǎn)換DN值到輻射值補(bǔ)償太陽光譜曲線的影響補(bǔ)償大氣透過率，分子與氣溶膠的散射；轉(zhuǎn)換表觀反射系數(shù)到歸一化的地表反射率考慮地表結(jié)構(gòu)的影響，轉(zhuǎn)換歸一化的地表反射率到實(shí)際的地表反射率大氣影響的粗校正有些情況下，精確校正是不需要的。假設(shè)給定場景的每個(gè)波段數(shù)據(jù)都存在等于或接近零亮度的值，并且大氣影響，尤其是路徑輻射，對帶內(nèi)每個(gè)像素都附加了一個(gè)常量。大氣散射總體提升了每個(gè)波段圖像的亮度。藍(lán)色綠色紅色近紅外大氣影響大氣散射路徑輻射各通道直方圖路徑輻射λ-α米氏散射(0<α<4)大氣影響的粗校正基于圖像特征方法適用的假設(shè)：地表為朗伯體大氣水平均一不同時(shí)間、不同波段的圖像間存在線性相關(guān)如暗目標(biāo)法，未考慮如下因素，不適于寬視場透過率影響氣溶膠厚度的空間異質(zhì)性未考慮觀測角度未考慮暗目標(biāo)地表的方向反射率大氣影響的粗校正地面線性回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

（TheEmpiricalLine

Method）地物反射率或溫度不變高溫、高反射率沙地中溫、中反射率草地低溫、低反射率水體目標(biāo)均勻、平坦、面積大總云量小于2風(fēng)速小于3m/s能見度大于5km儀器誤差校正條帶的校正假設(shè)波段內(nèi)各探測器所產(chǎn)生的信號統(tǒng)計(jì)特性相同方法：匹配均值、標(biāo)準(zhǔn)差直方圖匹配頻域?yàn)V波儀器誤差校正定標(biāo)→應(yīng)對傳感器老化?（絕對定標(biāo)）實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)星上定標(biāo)可見光、近紅外，采用太陽或標(biāo)定的鎢絲燈熱紅外，采用黑體定標(biāo)地面定標(biāo)美國WhiteSands、法國LaCrau中國：敦煌、青海湖、納木錯(cuò)湖、禹城太陽高度和地形校正Spring/FallSatelliteSummerWinterZenithEquatorTangentplaneSolarElevationAngles太陽高度和地形校正獲得瞬時(shí)入射角信息太陽高度和地形校正雙向反射分布函數(shù)（Bidirectionalreflectancedistributionfunction，BRDF）意義是在ωr方向的反射光線的輻射率和同一點(diǎn)上從ωi方向射入的光線的輻射率的比值。每一個(gè)ω方向可以被參數(shù)化為方位角φ和天頂角θ，因此BRDF是一個(gè)四維函數(shù)。BSDF的單位是sr?1。太陽高度和地形校正幾何失真幾何失真源幾何失真校正圖像配準(zhǔn)3幾何失真源圖像獲取時(shí)的地球轉(zhuǎn)動平臺高度、姿態(tài)、速度的變化地球曲率與圖像幾何相關(guān)的全景效應(yīng)部分傳感器的有限掃描頻率部分傳感器的寬視場傳感器的非理想特性31.地球轉(zhuǎn)動影響2.平臺高度、姿態(tài)、速度的變化星歷+三軸穩(wěn)定平臺+POS（GPS+IMU）3.地球曲率4.全景失真5.掃描頻率受限引起掃描帶兩側(cè)數(shù)據(jù)缺失幾何失真的校正模型校正建立失真源特性和大小模型，生成校正公式利用像素、坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系校正利用地圖、地面控制點(diǎn)等建立對應(yīng)關(guān)系不依賴于獲取圖像的平臺地圖-圖像校正圖像-圖像校正地圖?圖像校正圖像?圖像校正基于控制點(diǎn)的幾何校正坐標(biāo)的空間變換（空間插值）灰度級內(nèi)插（亮度插值，重采樣）前向映射后向映射后向映射幾何失真的校正利用映射函數(shù)進(jìn)行圖像校正地圖

–圖像利用映射多項(xiàng)式進(jìn)行圖像校正精確形式難以獲得→用多項(xiàng)式替代如二階：如何估計(jì)多項(xiàng)式的系數(shù)？地面控制點(diǎn)(GCPs)控制點(diǎn)的選擇手工選擇GCPs(thesameasImagetoMap)自動算法直接從像素值中提取從頻域提取（基于FFT）利用如邊緣、角點(diǎn)等低級特征利用高級特征，如識別出的物體、特征間的關(guān)系等控制點(diǎn)的選擇數(shù)量位置分布在圖像邊緣覆蓋整個(gè)圖像曲線擬合類比高階外推的不良影響從圖主圖GCP分散GCP集中三階多項(xiàng)式雙三次插值一階多項(xiàng)式雙三次插值BilinearInterpolationCubicConvolution5423421563521241最近鄰點(diǎn)插值5423421563521241雙線性插值5423421563521241雙三次插值4.光譜圖像分類4UrbanMapping:Manila,Philippines,1975-2010LandsatMSSLandsatTMTerraSAR-X4.光譜圖像分類4LandUseChange:SoutheastAsia,Indonesia,Sumatra4.光譜圖像分類4VegetationDifferentiation:GlobalLandCover§GLC2000§1kmresolution§SPOT5VGT4.光譜圖像分類4MODISLandCoverProductReliabilityPostclassificationchangedetectiononthebasisofMOD12Q1landcoverproduct如何對光譜圖像進(jìn)行分類模式類（地物）水體？城郊？農(nóng)作物？牧場？機(jī)場？港口？模式特征矢量像素的光譜分量NIRSWIRTIRxx1,

x2,

x3,x4,x5,x6圖像分類方法概述監(jiān)督分類選取有代表性的訓(xùn)練樣本選取特征參數(shù)（如亮度均值、方差等），建立判別函數(shù)，訓(xùn)練得到函數(shù)的參數(shù)。依據(jù)訓(xùn)練結(jié)果判別函數(shù)，識別非樣本像元的歸屬類別非監(jiān)督分類在沒有先驗(yàn)類別作為樣本的條件下，即事先不知道類別特征，主要依據(jù)像元間相似度的大小進(jìn)行歸類合并。UnsupervisedclassificationSupervisedclassificationComputationalintensive,adequateforquick‘snapshot‘:whichclassesarespectrallywelldiscriminable?ComputationallessintensivePreviousknowledgenotrequired(butdesirable!)Knowledgeonstudyareashouldexist(groundtruth,GPS)Definitionofnumberofclassesiscritical:Iftoohigh–classesnotdiscriminable,iftoolow–unnecessarymergingofclassesSelectionoftrainingareascritical:riskofbeingnotrepresentative,notenough,extremeoverlapofclassesinthefeaturespaceResultsareobjective(classassignmentsubjective!)ResultsdependonselectedtrainingareasselectedbytheuserApplicabletoarbitrarydatasets;however,classassignmentindividuallyforeachdataset!ForeachnewEO-data:possiblynewtrainingsitesnecessary(illumination-andatmosphericconditions,landcoverdynamics…)‘New‘,unknownclassesinthestudyareacanbeidentifiedOnlyalreadydefinedclasses(basedontrainingsites)canbeidentifiedAccuracyofteninsufficientApprovedmethod非監(jiān)督分類監(jiān)督分類運(yùn)算密集型，

適合進(jìn)行快速預(yù)覽：哪些光譜類別容易分辨?運(yùn)算量相對稍小不需要先驗(yàn)知識（有了更好!）需要先驗(yàn)知識（地面真實(shí)值，GPS）預(yù)先定義分類數(shù)量是關(guān)鍵：太多–分類可分辨性差太少–產(chǎn)生非必要的類別合并選擇訓(xùn)練區(qū)域是關(guān)鍵：代表性差、像素點(diǎn)不足、分類特征空間重疊都會帶來出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果是客觀的（后續(xù)的類別指定是主觀的!）結(jié)果依賴于用戶選擇的訓(xùn)練區(qū)域可用于任意數(shù)據(jù)集；但對每個(gè)數(shù)據(jù)集的類別指定都是獨(dú)立的，不可直接套用!對于新的成像數(shù)據(jù)：可能需要新的訓(xùn)練數(shù)據(jù)（考慮到：光照、大氣狀態(tài)、地物的動態(tài)變化等因素）可以識別出“新的”未知的類別只能識別出預(yù)先定義的類別（基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)）準(zhǔn)確度通常不足可靠性更高非監(jiān)督分類最大似然分類的成功應(yīng)用依賴對圖像中光譜類別的正確描述，一般都是利用正態(tài)概率分布模型的。如果某個(gè)類別是多模式的，而采用正態(tài)分布，是不會有效的。非監(jiān)督分類聚類需要一個(gè)準(zhǔn)則，使得聚類的結(jié)果唯一。非監(jiān)督分類相似度度量非監(jiān)督分類常用的聚類準(zhǔn)則：平方誤差和（SSE）對于每個(gè)類單獨(dú)計(jì)算每個(gè)模式到類中心的累加距離，然后對所有類求和。如果每個(gè)模式到相應(yīng)聚類中心的距離都很小，那么這種聚類方式可以認(rèn)為是合理的。Howmanyclusters?4Clusters2Clusters6ClustersClustercanbeAmbiguous非監(jiān)督分類非監(jiān)督分類分級集群法（Hierarchic