微波遥感复习

微波遥感复习微波遥感复习微波遥感复习微波遥感复习编制仅供参考审核批准生效日期地址：电话：传真:邮编:概论微波遥感：利用微波传感器接收地面各种地物发射和反射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取所需的信息。极化：电磁波的电场振动方向的变化趋势后向散射：散射波的方向和入射方向相反，这个方向上的散射就称作后向散射微波与物质相互作用的形式：反射、散射、吸收、透射大气对微波的衰减作用主要是大气中水分子和氧分子对微波的吸收，大气微粒对微波的散射。大气微粒可分为三类，水滴、冰粒和尘埃。水粒组成的云粒子，瑞利散射；降水云层中的粒子，米氏散射。氧气分子的吸收中心波长位于和处；水气吸收谱线随电磁波频率增高而增强，在23GHZ处有一个突变。雷达卫星所采用的波段（一般是C（4~8GHz）、L（1~2GHz）波段）C波段：ERS,RADASAT,ENVISAT,XSAR/SRTM;L波段：SEASAT,SIR,JERS,S波段：ALMAZ微波遥感的优点微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候工作能力。全天时工作能力。微波对地物具有一定穿透性。微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的信息。微波遥感的主动方式不仅记录电磁波振幅信号，而且可以记录电磁波相位信息。行星际探测的主要手段。缺点雷达图像分辨率较低雷达成像处理困难数据源较少微波遥感系统相干与非相干性从远处两个靠得较近的物体反射回来的波是高度相干的。因而用这类电磁波的遥感器进行成像时，获取的图像上有的地方可能没有接收到任何功率，有的地方从这两个物体接收到的反射功率则可能是其中一个物体的平均反射功率的四倍。正因为波的相干性，微波雷达图像的像片上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光像片所没有的，也是对解译很有意义的信息。微波主动遥感：微波散射计，雷达高度计，侧视雷达（固定孔径雷达，合成孔径雷达）微波被动遥感：微波辐射计微波散射计作用：测量地物表面的散射或反射特性，主要用于测量目标的散射特性随雷达波束入射角变化的规律，也可用于研究极化和波长对目标散射的影响。微波辐射指任何物体在向外辐射红外线的同时，也辐射微波。微波辐射特点如下：1）微波与红外线相对，是物体低温条件下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越强2）微波辐射的强度比红外辐射的强度弱的多，需要经过处理才能够使用接收器接收3）在遥感技术运用中，不同地物间的微波辐射差异较红外辐射差异更大，因此微波可以帮助识别在可见光与红外波段难以识别的地物。合成孔径的基本思想是用一个小天线沿一直线方向不断移动，在移动中每个位置上发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号存储下来。存储时必须同时保存接收信号的振幅和相位。提高雷达分辨率的手段真实孔径雷达，方位分辨率：加大天线孔径，采用波长较短的电磁波，缩短观测距离合成孔径雷达，方位分辨率：减小天线孔径距离分辨率：减小脉冲长度，但会使信噪比下降，故一般采用脉冲压缩技术真实孔径雷达成像过程侧面天线——发射窄脉冲——地物反射——天线收集——成像过程——形成影像雷达方程与灰度方程雷达方程物理意义：建立影像灰度值和地物散射特征之间的关系归一化辐射方向图方向图立体角方向系数：天线在该方向上的归一化辐射方向图与辐射方向图在4π立体角内的平均值之比增益系数：天线辐射的功率密度/无耗各向同性天线辐射功率密度天线方向图：雷达天线在各个方向的增益系数雷达方程：灰度方程：微波图像的特点侧视雷达图像参数波长•地面粗糙度的衡量•穿透深度的相关参量俯角（入射角）•地区平均坡度对照射角度的要求•一般意义下的入射角显示方式•地距显示方式与斜距显示方式•比例尺一致与不一致•地距影像有利分析判读斜距影像有利几何处理极化方式图像的质量参数空间分辨率、灰度分辨率、体分辨率、灰度范围、几何精度航向的比例尺是一个常量，它取决于胶片记录地物目标的卷片速度与飞机或卫星航速之比。距离向的比例尺随入射角的改变而改变。几何特点：斜距显示的近距离压缩透视收缩和叠掩透视收缩：起伏地形的雷达影像山坡长度的按比例计算后比实际长度短叠掩：山顶的回波比山脚的回波先被雷达接收记录，从而使山顶影像叠置在山底之前的图像失真现象。前坡长度L×sin90-β-α雷达阴影雷达阴影的大小与β角有关，β角越小，阴影越大侧视雷达图像的信息特点地物对雷达波束的反应由目标的性质和电磁波波长决定，波长不同，对地物的穿透性是不一样的。地物本身的结构，表面的粗糙度和介电性能不同，则会对电磁波的穿透、反射（或散射）和吸收带来不同程度的效应。地物目标的几种类型分布型目标：同类地物,具有一定表面粗糙度大面积；点目标：比分辨单元小得多,有时信号很强；硬目标：既不占有相当面积，又不限制在分辨单元之内的地物。信号很强，角反射效应、谐振效应、线导体。影像雷达图像色调的因素表面粗糙度：瑞利判据取相位差为π/2作为区分光滑面与粗糙面和区分镜面反射与漫反射的分界线；复介电常数：高则反射作用大、穿透作用小。复介电常数相对于单位体积的液态水含量呈线性变化。频率越高，物质的衰减作用越大，有效穿透性低。这对于植被的回波影响较大，频率越高，穿透力差，回波主要来自植被的上部，而频率低时，穿透力强，回波主要来自植被下面的地表面。波长：影响表面粗糙度和复介电常数入射角：影像表面粗糙度、分辨单元面积极化方式：当电磁波与地表相互作用时，会使电磁波的极化方向产生不同程度的旋转，形成水平和垂直两个分量，可用不同极化的天线去接收，形成多极化影像。对于交叉极化，通常回波比同极化低8—25dB。次表面粗糙度与体散射：当电磁波穿透地物时，第二层介质的表面粗糙度称为次表面粗糙度；第二层介质不均匀引起体散射。面散射和体散射的区别：面散射的强度与表面复介电常数成正比，散射特性曲线的形状由表面粗糙度决定；体散射的散射强度与内部物质介质的不连续程度成正比，其散射曲线的形状由平均介电常数等因素决定。角反射器效应去极化（产生交叉极化的过程）由平均的平滑起伏表面上反射系数的差别引起的准镜面反射非常粗糙的表面引起的多次散射地表趋肤深度层内的非均匀物体引起的散射地物目标本身的各向异性产生的散射雷达图像中的虚假现象旁瓣干扰、角反射器效应虚假现象的出现多与强反射目标有关其他异常现象（雷达天线的旁瓣和图像处理过程中有时会产生图像异常和图像模糊）旁瓣的影响•造成航迹向图像模糊•造成旁瓣条带•高增益天线也有可能导致信号处理•聚焦不好导致光点旁瓣或条纹•天线自动增益控制遇到回波强的地物会导致其它地物信号过弱典型地物的散射特性林地1）密度不同，树种不同，回波各异，落叶林回波强度大2）水平极化回波强度大3）不同波长穿透程度不同，体散射信号强度各异4）所处地形不同，回波不同。土壤散射特性与入射角、地表粗糙度、含水量等有关。1）入射角越大，散射系数越小2）粗糙度增加，散射系数曲线变得平缓3）特定入射角与粗糙度无关、仅与含水量有关，便于探测土壤湿度。4）散射系数与湿度呈线性关系岩石影响回波的因素：表面粗糙度，照射角取向，角反射效应，岩石构成元素，植被与土壤覆盖，极化方式海浪海风1）风速越大海面粗糙度越大曲线越平缓2）观测方向与风向所成角度：顺风表现为光滑，逆风表现为粗糙，侧向与逆风时比稍弱3）风浪大时，同极化回波之间差异小，与农作物类似。海面平静时VV极化散射系数要大冰雪大面积冰层：表面光滑，回波弱；融化时，海、河中大量浮冰增加了粗糙度，回波强，可以用来预测河流的通航期。雪层越厚，回波越弱；2）水量不同，回波各异；3）波长长者、穿透愈深，回波愈弱；4）雪层一般能穿透回波可反映雪层下地物信息。雷达图像的校准、定标与模拟校准：雷达图像需要改正由于天线、发射机和接收机性能等的衰变造成接收信号的误差，改正由于环境干扰造成的信号混杂或噪声带来的误差，使雷达图像所反映的信号在最大限度上真实表现地物目标的回波强度定标：对于校准后的雷达图像，建立起图像灰度与标准后向散射截面的关系模拟：按照雷达成像机理和有关数据资料制作模拟图像定标的一般原理：相对测量绝对测量(有标准反射器)一般采用航空量测的方法，在天线照射带内，设置一组由相同散射界面的标准反射器，经多次雷达成像，根据相应图像密度数据，对不同斜距R值分别计算，即可得到双程天线方向图。绝对测量(无标准反射器)在测定Hsθ之后，不在利用标准反射器而直接利用Hs(θ)测量，根据标准信号源去检测雷达图像模拟模型及数据源物理模型：点散射模型数学模型：雷达成像几何公式、雷达方程和灰度方程雷达系统参数、地面数字高程模型和地物目标散射截面数据库雷达图像模拟流程地面分辨单元计算∆A=本地入射角计算计算阴影和叠掩阴影：G1<G2时，θ1>θ2；叠掩：G1<G2时，R1>R2灰阶电平存储记录显示输出雷达图像模拟实施步骤1）按分辨单元大小，根据飞行路线、俯角、照射带宽在地形图上确定格网2）计算每一格的实际面积和雷达波入射角（根据DEM）3）按每一格的地物（需土地利用数据）及其在不同条件下的散射系数（散射特性数据库）由雷达参数计算回波功率4）计算每一格所对应的图上灰度微波图像的几何纠正侧视雷达图像的几何变形分析斜距投影变形地形起伏影响地球曲率影响大气折射的影响：大气折射引起的路程变化的影响极小，可忽略不计。而时间变化的影响，不能忽略，须加以改正。地球自转的影响外方位元素的影响dω照射带变化，斜距无变化dφ航向平移dκ指向旋转相应某点的斜距，入射角变化，像点位置，亮度变化雷达图像构像方程基于等效中心投影的雷达影像构像方程-f(等效共线方程KonecnyM：投影变形的比例（对于归化面来说）雷达影像的成像矢量关系VR=|P-S|忽略地球自转的影像、雷达波束与目标之间的相对运动，不适用与卫星雷达，只适用于机载雷达。基于多普勒方程的构像方程雷达图像几何校正方法多项式法前提：影像最好为地距显示方式，地面起伏不大，校正精度要求不高利用模拟影像同多项式方法类似，在模拟影像和待校正影像上找同名点，求解多项式系数，然后进行几何校正利用构像方程构像方程基于矢量关系的构像方程基于地心直角坐标系控制点上的坐标转换观测值方程，对基于矢量关系构像方程求全微分方程天线位置和速度矢量的行序表达式微波图像与测量平面测量地距、斜距转换根据阴影盒叠掩测量独立地物高度相似三角形立体测量一般采用同侧立体：雷达成像时，目标在前坡，在图像中比较亮，其长度可能出现收缩或出现叠掩，背坡则比较暗，其长度或缩短，或接近复合比例的长度，甚至根本看不出来，完全消失在阴影之中，这样在目标两侧构成立体影像时，对目标观察很困难。目标点解析定位距离条件方程零多普勒条件方程地面雷达干涉测量应用（形变检测，高程检测）三种工作方式：距离向干涉测量、方位向干涉测量、重轨干涉测量形变检测优缺点：只是相位测量上发现变化的情况，对地表三维形变矢量的某一分量的量测，且是这一分量在天线—地物点这一矢量上的投影；可以获取大范围形变数据条件：1）两次观测期间，像元之间的变化梯度必须小于某一数值；2）两次观测期间，一个像元内的地物表面位置变化应小于雷达波长的10％～20％形变检测必须有高质量的DEM数据，在没有高质量DEM的情况下，可以采用三次重复观测方式进行。可以利用机载INSAR线性获取高质量的地形数据，再用星载INSAR进行检测。形变检测要注意对流程和电离的大气干扰，重复轨道观测有利于消除这类干扰。高程检测相位测量对于地形的灵敏度比对于地形形变的灵敏度要小，这说明雷达差分干涉测量时十分有利于地形形变检测的目视解译与计算机处理雷达图像的解译标志特点解译标志：主要在于色调、纹理、相对位置关系、形状、大小，由于受变形影响，很难利用；尽可能利用多极化图像，多时域图像和多频段图像；可与其它图像一起，结合地物的各种图像特点进行分析；注意季节的影响，注意影响回波的主要因素含水量，粗糙度，地物排列的方向性。与计算机处理结合起来如：去噪声、增强、彩色合成、影像融合。