多源图像融合技术及其遥感应用《微波遥感对地观测技术》课件

微波遥感

对地观测技术2光学和红外遥感取得了巨大的成功！北京（30米）台北（0.6米）为什么要研究微波遥感？3可见光对地观测遭遇的难题地球上经常有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。全天侯工作，不受云、雾和小雨的影响。全天时工作，不受时间限制，黑夜也能工作。对某些地物有一定的穿透能力，可在一定程度上获取隐伏的信息。微波能穿透冰雪、植被、人工伪装，并能对地面表层土壤穿透一定深度，所以可用于测量许多陆地特征，如土壤湿度、雪被深度和地质构造。直接观测土壤、岩石边界。适当选择工作频率和波束入射角，可穿透大多数植被，除了极茂密的森林。4微波遥感的优越性微波的基本特性微波遥感的特性微波传感器及其分类机载侧视雷达工作原理合成孔径雷达微波遥感历史5本章内容6微波波段微波是指波长1mm~1m（即频率300MHz～300GHz）的电磁波。遥感中常用的微波范围为0.8～30cm（频率为40～1GHz）。地面物质的微波反射、发射与它们对可见光或热红外的发射、反射无直接关系。通过微波响应使人们从一个完全不同于光和热的视角去观察世界。电磁波谱7BandFrequencyrangeOriginofnameHFband3to30

MHzHigh

FrequencyVHFband30to300

MHzVery

High

FrequencyUHFband300

to

1000

MHzUltra

High

FrequencyLband1to2

GHzLongwaveSband2to4

GHzShortwaveCband4to8

GHzCompromisebetweenSandXXband8to12

GHzUsedin

WWII

for

firecontrol,Xforcross(asincrosshair)Ku

band12to18

GHzKurz-underKband18to27

GHzGerman

Kurz(short)Ka

band27to40

GHzKurz-aboveVband40to75

GHzWband75to110

GHzW

followsVinthe

alphabetmm

band110to300

GHzTableofIEEEbands81.微波的基本特性微波的衰减与透射微波的散射微波的多普勒效应微波的极化9微波基本特性10微波的基本特性——衰减与透射11微波的基本特性——衰减与透射12能见度(m)水平路径衰减（dB/km)可见光红外94GHz37GHz15230561012191206030102412630.880.320.130.0440.190.0620.0220.009不同能见度下，云和雾在海平面水平路径的衰减微波的基本特性——衰减与透射13微波对云层的穿透作用微波对小雨的穿透作用微波的基本特性——衰减与透射14雨的衰减系数与微波频率的关系微波的基本特性——衰减与透射15烟雾和尘埃对微波的衰减比较复杂，目前尚无定量的系统资料，但从烟雾和尘埃对红外波段的衰减特性变化可得出：波长越长，衰减越小。微波的基本特性——衰减与透射表面散射：和介质表面粗糙度有关；体散射：介质内部产生的散射，为经多路径散射后所产生的总有效散射。粗糙度与波长相关16微波的基本特性——散射表面散射：和介质表面粗糙度有关17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体散射：介质内部产生的散射，为经多路径散射后所产生的总有效散射。SnowFirn

VegetationMultiyearice18微波的基本特性——散射体散射尺度参数：X=2πRadius/λ19微波的基本特性——散射仅对雨雪需要考虑散射散射模型Geometricopticsmodel表面高度标准差大于波长Smallperturbationmodel表面高度标准差小于波长Two-scalemodel为计算海洋散射而开发Smallripplesridingonlargewaves20微波的基本特性——散射散射截面

σ散射波的全功率与入射功率密度之比，可理解为雷达的全反射率，用有效散射面积表示。它是波长或频率的函数，表示雷达目标截获并散射入射能量的能力。散射系数

σo单位截面上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面，是入射电磁波与地面目标相互作用结果的度量。21微波的基本特性——散射多普勒效应：指由观察者和辐射源（或目标与遥感器）的相对运动，所引起的电磁发射频率与回波频率的变化。22微波的基本特性——多普勒效应静止目标移动目标23当一个电磁辐射源发射频率为υ、方向为ki的电磁波，目标运动速度为V，方向与ki夹角α，与接收方向夹角为θ，则接收机收到的信号频率υ’不等于υ，其差称为多普勒频移Δυ。24微波的基本特性——多普勒效应遥感利用频率上表现的多普勒效应，可以观测目标的运动，得到地表物体的信息，并可以通过外差技术测出和区分多普勒频移，以避免产生图像模糊和分辨率下降，确保获得高分辨率的雷达图像。即使频率相对变化仅为百万分之一，但用外差技术仍可很容易地被测量、识别与区分并通过相关处理，以避免图像模糊。25微波的基本特性——多普勒效应电矢量所指的方向可能随时间变化，也可能不随时间变化。当电场矢量的方向不随时间变化时，称为线极化。线极化分为水平极化和垂直极化。26微波的基本特性——极化雷达波发射后，遇目标平面而反射，其极化状况在反射时会发生改变，根据传感器发射和接收的反射波极化状况可以得到不同类型的极化图像——HHVVHVVH同一种地物在不同极化图像里常常表现出不同的亮度，不同的地物也会表现出不同的对比度因此利用不同的极化特征，有可能在微波遥感图像上解译出更多的信息27微波的基本特性——极化28HHHVVVRGBComposite29CV-580C-bandSAR,SouthofOttawa,9July1998LinearPolarizationComposite:Red=HH

Green=HV

Blue=VV302.微波遥感的特性全天时全天候，不受云、雾和小雨的影响地物穿透能力（冰雪、植被、土壤、伪装）天线方向可调整信号与物质组成、结构有关，与光学互补多种频率、多种极化方式、多个视角工作获取目标空间关系、形状尺寸、表面粗糙度、对称性、复介电特性等信息31微波遥感的特性微波穿透植物层的深度，取决于植物的含水量、密度、使用的波长和入射角。如果波长足够长而入射角又接近天底角，则微波可穿透植被区而到达地面。因此，微波频率的高端（波长较短）只能获得植被层顶部的信息，而微波频率的低端（波长较长），则可以获得植被层底层甚至地表以下的信息。32微波遥感的特性——穿透性33微波信号对植被的穿透性1厘米波长由树顶反射的微波信号1米波长由树顶、树干、地面反射的信号由树顶、树干反射的信号34微波信号对植被的穿透性微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工作频率有关。35不同类型土壤的趋肤深度与土壤湿度的关系微波遥感的特性——穿透性在可见光近红外波段所观测的颜色，基本上取决于植被和土壤表层分子的谐振特性；而微波波段范围内观察到的“颜色”，则取决于研究对象面或体的几何特性以及体介电特性。微波、可见光和红外辐射配合运用，就能够研究表面上几何的和体介电的特性以及分子谐振的特性。36微波遥感的特性——与光学遥感互补微波传感器的天线方向可调整，可增多所获地表特征。比如：利用适量阴影，以突出地貌的形态特征和敏感地形细节。多种频率、多种极化方式、多个视角进行工作，来获取目标的空间关系、形状尺寸、表面粗糙度、对称性和复介电特性等方面的信息。比如：根据不同类型冰的介电常数不同可以探测海冰的结构和分类；根据含盐度对水的介电常数的影响可以探测海水的含盐度。37微波遥感的特性微波是海洋探测的重要波段，适用于精确的距离测量、海面波动、风力等。微波还是测量地面高程、大地水准面等的良好波段。此外，在土壤水分及地表下测量等方面也是可见光和红外遥感所达不到的。38微波遥感的其他特性不能记录与颜色有关的信息，人工解译识别比较困难。设备复杂、昂贵，高品质的数据结果出产困难。图像有特有的畸变，校正过程复杂，技术难度高。39微波遥感的弱点微波遥感的优越性全天候全天时目标穿透特性微波遥感中的基本概念极化散射多普勒效应40本节小结41423.微波传感器及其分类传感器种类观测对象被动

传感器微波辐射计Microwaveradiometer固定视场，扫描式海面状态、海面温度、海风、海水盐分浓度、海冰水蒸气量、云层含水量降水强度大气温度、风臭氧、气溶胶、NOx、其他大气微量成分主动

传感器微波散射计Microwavescatterometer土壤水分、地表面粗糙度湖冰、海冰分布、积雪分布植被密度、海浪、海风、风向、风速雷达高度计Microwavealtimeter海面形状、大地水准面海流、中规模漩涡、潮汐、风速侧视雷达Imagingradar合成孔径地表的影像海浪、海风地形、地质海冰、雪冰的监测43微波传感器及其分类4445微波散射计微波辐射计雷达高度计雷达464.机载侧视雷达47484950常用术语nadirazimuthflightdirectionlookdirectionrange(nearandfar)depressionangle(γ)incidenceangle(θ)altitudeabove-ground-level,Hpolarizationnearrangefarrangeincidenceangle

(θ)altitudeabove-ground-level,Hazimuthflightdirectiondepressionanglenadirlookdirectionθnθn波长或频率：对于不同的雷达波长，同一目标的影像特征不一样俯角（入射角）和照射带宽度极化方式：影响到回波强度和对不同方位信息的表现能力雷达系统类型：真实孔径雷达，合成孔径雷达51雷达遥感系统参数距离向分辨率在脉冲发射方向上（距离向）能分辨两个目标的最小距离。方位向分辨率在与辐射波束垂直方向（方位向）上相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。两者互不相关52真实孔径雷达分辨率53距离分辨率53SlantRangeGroundRange距离分辨率由脉冲宽度τ和波束视角α所决定，要提高地距分辨率，则必须减小脉冲宽度和视角。但脉冲宽度过窄，则能量太小，信噪比太低，不利于目标的探测。距离分辨率56提高距离分辨率——脉冲压缩技术用大功率的宽脉冲进行线性调频后发射接收时，使回波信号通过在频率及时间关系上与发射时具有相反频率特性的匹配滤波器（Matchedfilter）,提取出脉冲宽度压缩的信号。在脉冲宽度τ

的时间内，通过脉冲压缩和频率Δf调制振幅为原来的脉冲宽度为原来的距离分辨率

τ

匹配滤波器是最优滤波器的一种。所谓的最优滤波器，实际上都是在某个准则下的最优。匹配滤波器对应的最优的准则是输出信噪比（SNR）最大。而且还有一个前提条件是：在白噪声背景下。匹配滤波器的表达式为：

H(f)=S*(f)匹配滤波器的频率响应是输入信号频率响应的共轭58匹配滤波器从幅频特性来看，匹配滤波器和输入信号的幅频特性完全一样。这也就是说，在信号越强的频率点，滤波器的放大倍数也越大；在信号越弱的频率点，滤波器的放大倍数也越小也就是说，匹配滤波器是让信号尽可能通过，而不管噪声的特性。因为其前提是白噪声，也即是噪声的功率谱是平坦的，在各个频率点都一样。因此，这种情况下，让信号尽可能通过，实际上也隐含着尽量减少噪声的通过。59匹配滤波器从相频特性上看，匹配滤波器的相频特性和输入信号正好完全相反。这样，通过匹配滤波器后，信号的相位为0，正好能实现信号时域上的相干叠加。而噪声的相位是随机的，只能实现非相干叠加。这样在时域上保证了输出信噪比的最大。60匹配滤波器Example(chirpedpulse)发射脉冲为红色，2个回波信号为蓝色

(carrier10Hz,modulationon16Hz,amplitude1,duration1s)Example(chirpedpulse)在脉冲压缩之后，可以认为回波信号功率被放大了τΔf倍Example:samesignalsasabove,plusanadditiveGaussianwhitenoise(σ=0.5)在方位向上，若两个目标能被区分，则该两目标就不能在同一波束内。方位向分辨率指相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。方位向分辨率与波长和观测距离成正比，与天线孔径成反比，因此，要提高方位向分辨率，须采用波长较短的电磁波和增大天线孔径及缩短观测距离。方位分辨率655.合成孔径雷达合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含两方面的含义：即高的方位向分辨率，足够高的距离向分辨率。它采用以多普勒频移理论和雷达相干为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率，而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术来实现。66合成孔径雷达合成孔径雷达系统通过飞机或星载飞行器的向前运动构成合成孔径。当真实孔径太长，不可能实现的时候，合成孔径雷达就起到了不可估量的作用，它特别适用于星载的飞行器中。只要目标被发射能量波瓣照射到或位于波束宽度之内，此目标就会被采样并被成像。67合成孔径雷达68合成孔径方式◄═►多普勒波束锐化6970Syntheticapertureradar(SAR)7172CreationofSARimage73移位寄存器74合成孔径雷达主要由发射机、接收机和天线组成。由发射器产生的线性调频脉冲经放大后，馈送至天线发射出去，平台做等速直线飞行并保持天线的指向稳定，天线接收的地面回波信号，经接收系统混频、中放、相位检波等一系列的信号处理后，再送入存储器，存储器的信号经成像后形成雷达图像。合成孔径雷达与真实孔径雷达有许多共同点，其主要差异在于合成孔径雷达是利用合成孔径原理来改善方位向分辨率。合成孔径雷达75利用小天线D作为单个发射接收单元，当平台以等速直线飞行时，将经过1，2，3，……n等若干位置，在每个位置上发射一个信号，并接收来自目标的回波信号，且存储其幅度和相位，将存储的信号经叠加处理，就得到等效孔径L=nD的天线所获取的结果。真实孔径天线是在一个位置上接收地物目标的回波，而合成孔径天线是在不同位置上接收同一地物的回波信号。方位向分辨率76合成孔径雷达合成后的天线长度双程距离差而导致的波束宽度为对应的地面方位向分辨率为（1）方位向分辨率与距离、波长无关（2）方位向分辨率与平台飞行高度无关。（3）理论上方位分辨率是雷达天线真实孔径长度D的一半。如ERS-1SAR天线长度为10米，理论上方位向分辨率能达到5米。77合成孔径雷达78合成孔径雷达城市机场79合成孔径雷达影像火山80合成孔径雷达影像峡谷采用干涉测量技术的合成孔径雷达（InSAR），也有称双天线SAR或相干SAR。它通过两条侧视天线同时观测，或一定时间间隔的两次平行观测，来获得地面同一景观两次成像的复图像对（包括强度信息和相位信息）。81干涉合成孔径雷达干涉SAR可以全天时，全天候，近实时获得大面积地球表面三维地形信息，空间分辨率高，对大气和季节的影响不敏感。82干涉合成孔径雷达干涉SAR可分为：距离向（Across-track，空间模式）双天线的基线距与飞行方向垂直方位向（Along-track，时间模式）相位差由观测期间地面目标的移动引起常用于运动目标探测、海流速度、定向波浪谱的测量重轨（Repeat-pass）83干涉合成孔径雷达84ShuttleRadarTopographyMissionSRTM由NASA和NIMA联合测量。2000年2月11日，美国发射“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统，共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取北纬60度至南纬60度之间总面积超过1.19亿平方公里的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面。85SRTM地形数据按精度可以分为SRTM1和SRTM3，分别对应的分辨率精度为30m和90m数据（目前公开数据为90m分辨率的数据）。8687相控阵雷达88相控阵雷达89光控相控阵雷达906.雷达图像的特点雷达回波强度——雷达图像上各种地物的灰度值（图像密度、辐射亮度温度值）。雷达回波强度与后向散射系数直接相关，而雷达后向散射系数受到雷达遥感系统参数（波长、俯角和照射带宽度、极化方式和雷达系统类型）以及地表特性（复介电常数、坡度、表面粗糙度、不均匀介质中的体散射系数）的影响。目前还不能给出它们之间的具体表达式，但可以根据理论分析和大量实验，进行定性和部分定量描述。91雷达回波强度的影响因素92

1.高空间分辨率。雷达图像的分辨率一般表示为距离分辨率×方位分辨率，可称为面分辨率。代表地面分辨单元的大小。

2.穿透能力。趋肤深度雷达图像的特点93

3.立体效应。雷达散射及雷达波束对地面倾斜照射，产生雷达阴影，即图像暗区。这种明暗效应能增强图像的立体感。

4.几何特性。斜距图像的比例失真、透视收缩、叠掩现象、雷达视差与立体观测。

5.其他：对与水有关信息的识别能力更强/对松散沉积物的表面结构反映明显/对居民点及线性地物的表现尤为明显。雷达图像的特点94

1.典型地物的散射特性雷达图像实质上是地面目标对雷达发射信号散射的回波强度和相位的记录图像。目标的散射特性对雷达图像的形成及解译起关键作用。裸地、土壤、岩石植被、农作物冰雪雷达图像的解译和处理95

2.雷达图像的处理雷达图像在成像机理、图像特征等方面与光学遥感图像有很大的不同。

辐射定标与辐射校正：对雷达图像的灰度级相对于标准雷达截面积进行标定，以便从图像灰度级得到目标回波的定量值。

去斑点噪声：光斑噪声即相干噪声是一种与信号有关的噪声，是由于雷达成像过程中相干处理造成的。在雷达遥感中，斑点噪声不宜通过提高信噪比来改善，而是通过成像过程中的多次观测技术或滤波方法来压制噪声。雷达图像的解译和处理96

几何校正：由于雷达存在着多种几何畸变，雷达图像的几何纠正一般采用雷达图像模拟法（即控制点库方法）。雷达图像的解译和处理97Variabilitywithlookdirection98Polarization1stletteristransmittedpolarization,2ndisreceivedCanhaveVV,HH(like)HV,VH(cross)99PolarizationwithvisiblelightInthiscase,incomingradiation(sunlight)isnotpolarized(orispolarizedinbothdirections)VerticallypolarizedlightisreflectedfromsurfaceAtthisviewangle,horizontallypolarizedlightisnotSohorizontalfilterallowsustoseethebottom100Polarizationwithradar101Foreshortening透视收缩Layover叠掩Shadow阴影Geometricdistortionsinallradarimagery102Foreshortening103LayoverExtremecaseofforeshortening,whenincidenceangleislessthanslopeangletowardradar(i.e.θ<α)cannotbecorrectedgottobecarefulinthemountains104ShadowWhenslopeawayfromradarissteeperthanthedepressionangle,i.e.–α>γ105SpeckleGrainysalt-and-pepperpatterninradarimageryCausedbycoherentnatureoftheradarwave,whichcausesrandomconstructiveanddestructiveinterference,andhencerandombrightanddarkareasinaradarimageReducedbymultiplelooksprocessingseparateportionsofanapertureandrecombiningtheseportionssothatinterferencedoesnotoccur106Speckle107极化雷达和干涉雷达

极化雷达：指在极短的间隔里发射H、V极化波脉冲，并同时接收H、V回波。既记录了相干回波信号的振幅变化，又记录了不同极化回波间的相位变化（相位差）。因此，极化雷达能获得比常规成像雷达更多的回波信息，更有利于解释地物散射特性。1087.微波遥感的历史109微波遥感的历史赫兹在1886年用频率约为200MHz的谐振器通过实验验证了麦可斯韦的电磁理论。A.H.Taylor和美国海军研究实验室的其他人员是研制雷达使之成为舰艇和飞机检测工具的先驱者。1936年第一部脉冲雷达由美国海军研究实验室研制成功。1954年伊利诺大学控制系统实验室开始独立地研制多普勒处理雷达。1978年海洋卫星Seasat发射升空。110赫兹在1886年用频率约为200MHz的谐振器通过实验验证了麦可斯韦的电磁理论HeinrichHertz–GermanPhysicistprovedinlate1880’sthatelectromagneticwavesweregeneratedby‘sparks’fromanoscillator.Thennoted“It’sofnouse,whatsoever”.GuglielmoMarconi–ItalianElectricalEngineer.In1895,sentEMsignaltoapointseveralkilometersaway.1899sendscommunicationbetweenBritainandFrance.1909winsNobelPrizeinPhysics.111WorldWarIwasawarfoughtwitheyesandears–nosuchthingasRADAR.Pre-WWII,Germanyhadnumerousradiomeasuringdevices.Bylate1940,Germanyceaseddevelopmentofradarsystems,predictingashortwar.BritishandUSresearchanddevelopmentcaughtuptoandexceededGermans.微波遥感的历史112微波遥感的历史113微波遥感的历史114115SEASATSatellite•Launched:28June1978•FirstspaceborneSAR•Operatedfor105days,shortcircuitendedmission•Designedforremotesensingoftheearth’soceans•42hoursofdatacollectedat110Mbits/second116SEASATImageofLosAngeles,1978

117SEASATImageofDeathValley,1978

118Seasatradarcanalsobeco-registeredwithLandsatimagery;partofaLandsatimageofdissectedAlleghenyPlateauinWestVirginia,seenaloneintheupperright,isheresuperimposedonaSeasatimagegivinganewimpressionofapparentreliefbyvirtueofthelighttonesintheforeshortenedforeslopes.119

ShuttleImagingRadarSIR-A•BuiltfromspareSEASATparts•FlewonColumbiashuttleNovember12-14,1981•Usedprimarilyforgeologicalresearch•DemonstratedabilityforL-bandtopenetrateuptoseveralmetersofhyperaridsand•Collectedover10millionkm²oftheearth’ssu