海岸帶遙感09

1、第九章 合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星遙感在海岸帶環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 一、概述 二、SAR遙感研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景 三、SAR遙感技術(shù)在海洋以及海岸帶的應(yīng)用 一、概述（一）、合成孔徑雷達(dá) SAR一般由發(fā)射機(jī)、調(diào)制器、天線、接收機(jī)、數(shù)據(jù)記錄和處理等系統(tǒng)組成。發(fā)射脈沖通過(guò)天線射向地面，接收地物后向散射信號(hào)（雷達(dá)回波），經(jīng)處理生成SAR圖像。 （二）、雷達(dá)波散射特性 1、后向散射系數(shù) 雷達(dá)波的極化后向散射系數(shù) 是單位面積上目標(biāo)的pq極化 (p,q=v,h為垂直、水平極化)雷達(dá)散射截面，為無(wú)量綱系數(shù)或dB 。 0pq2、雷達(dá)圖像強(qiáng)度 圖像像元顯示的強(qiáng)度 與對(duì)應(yīng)地面單元的雷達(dá)后向散射系數(shù) 成直接的比例關(guān)系： 是

2、一個(gè)與距離有關(guān)的系統(tǒng)因子，它與發(fā)射功率、地面單元的大小及天線增益函數(shù)等有關(guān)。 ),(jiPji,0),()(),(0jijkjiP)( jk（二）、雷達(dá)波散射特性 3、雷達(dá)圖像斑點(diǎn) 隨機(jī)面元的雷達(dá)波散射是生成圖像斑點(diǎn)的原因，表現(xiàn)為地表目標(biāo)的不同單元所對(duì)應(yīng)像元的圖像色調(diào)有隨機(jī)變化。 二、SAR遙感研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景 國(guó)際上主要星載SAR的情況美國(guó)歐空局俄羅斯日本加拿大型號(hào)SeasatSIR-ASIR-BSIR-CERS-1,2AlmazJERS-1Radarsat發(fā)射時(shí)間（年.月）1978.061981.111984.11994.041991.071995.041991.031992.02199

3、5.11任務(wù)期限3個(gè)月3a8a8a2a2a2a5a軌道傾角/()108385757或極軌98.5739898.6飛行高度/km794252250325800300570798-821衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量/kg100024001850014002750工作波段LLLL,C,XCSLC極化方式HHHHHH全極化VVHHHH視角/()204715601560239060351060距離分辨率/m25405817581730153018(4視)9100方位分辨率/m25(4視)40(6視)25(4視)25(4視)30(4視)153018(4視)9100測(cè)繪帶寬/km1005010602010010075455

4、10天線尺寸/mm10.72.169.42.1610.72.16124.1101151.5122.2151.5波束操縱方式機(jī)械電掃機(jī)械電掃信號(hào)帶寬/MHz196121215.551511.6,17.3或30.0發(fā)射功率/W100010001000L:3600,C:2235,X:1000480019000011005000發(fā)射脈寬/s33.430.430.4L:30.4,C:3337.123542重復(fù)頻率/Hz146316401464182414641824120019001640172030001550169012701390目的及應(yīng)用海洋陸地資源多參數(shù)觀測(cè)資源 資源資源三、SAR遙感技術(shù)在海

5、洋以及海岸帶的應(yīng)用 SAR遙感圖像可顯示重要的海洋特征，例如:（1）大面積海域的海面波浪場(chǎng),如大洋風(fēng)浪與涌浪,淺海區(qū)波浪折射、繞射等;（2）海面風(fēng)場(chǎng)、海流流場(chǎng)、鋒面等海面運(yùn)動(dòng);（3）顯示大陸邊緣、海山與海流切變區(qū)的海洋內(nèi)波;（4）強(qiáng)海流區(qū)域和河口附近海域渦流;（5）內(nèi)海灣潮流展示,從近岸到近海區(qū)域的水系分布;（6）淺海水下地形和淺海水深調(diào)制,海面起伏;（7）運(yùn)動(dòng)船舶產(chǎn)生的海面尾跡;（8）各類型的海冰及其變化;（9）海面溢油及海面油污染;（10）海岸帶地物變遷;（11）風(fēng)暴潮、熱帶氣旋、降雨等; 三、SAR遙感技術(shù)在海洋以及海岸帶的應(yīng)用 由此能提供定量的海洋信息有: （1）海面風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)速風(fēng)向）、

6、海面流場(chǎng)定量重構(gòu)；（2）淺海下地形重構(gòu)與水深反演； （3）海面艦船識(shí)別；（4）海洋油污染，船漏油、海難、井噴、排污等突發(fā)性事件監(jiān)測(cè)；（5）海洋水產(chǎn)、海洋運(yùn)輸作業(yè)與漁業(yè)安全；（6）海冰監(jiān)測(cè)、海面冰山監(jiān)測(cè)；（7）災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)：風(fēng)暴潮、巨浪、臺(tái)風(fēng)、海嘯、暴雨等；（8）海岸帶制圖；海岸帶資源調(diào)查、海岸線變遷及土地利用、灘涂與海灣水域面 積、河口動(dòng)態(tài)及淺水地形監(jiān)測(cè)等。特別是對(duì)常年云霧覆蓋、植被茂密的熱帶海岸，微波SAR具有獨(dú)特的遙感能力。 （一）、SAR圖像預(yù)處理 SAR圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要是幾何校正與斑噪濾除。1、幾何校正 具體工作流程為： 輸入試驗(yàn)區(qū)地形圖，生成DEM； 輸入成像雷達(dá)工作參數(shù)，生

7、成試驗(yàn)區(qū)的模擬雷達(dá)影像； 以模擬影像為參考坐標(biāo)系，選取對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)與實(shí)際影像進(jìn)行配準(zhǔn)； 對(duì)配準(zhǔn)后的影像實(shí)施正射投影校正。 校正精度與所用地形圖的比例尺有關(guān)，如精度要求高，應(yīng)采用較大比例尺的地形圖。 （一）、SAR圖像預(yù)處理 2、斑點(diǎn)噪聲濾除 改善和濾除斑點(diǎn)噪聲常用的方法大體分兩類：一是成像前的多視平滑預(yù)處理；二是成像后的濾波技術(shù)。成像前的多視平滑處理會(huì)損害空間分辨率，現(xiàn)大都采用后者。 近年來(lái)，有不少斑點(diǎn)噪聲分布概率模型以及濾波處理算法的研究。其中有均值濾波、中值濾波、Frost自適應(yīng)濾波、改良K-均值自適應(yīng)濾波等。 （二）、SAR圖像海洋特征要素探測(cè) SAR-C觀測(cè)到的海浪黃海海面海浪 波段極化

8、圖像CV VSIR-C020km（二）、SAR圖像海洋特征要素探測(cè) 1、 海浪的遙感探測(cè) （1）在SAR圖像上選擇兩塊子圖像（如512512像元大小）的區(qū)域進(jìn)行海浪譜反演；（2)在計(jì)算圖像譜前，須對(duì)圖像進(jìn)行輻射校正，將SAR圖像中給出的各點(diǎn)的灰度值轉(zhuǎn)化為 ，不同來(lái)源的SAR圖像輻射校正方法有所不同，建議按照數(shù)據(jù)提供機(jī)構(gòu)推薦的輻射校正方法進(jìn)行。（3）從SAR圖像上提取波浪譜信息，先選擇合適的子圖像（如512512像元）， 進(jìn)行二維快速傅里葉變換（FFT），得到SAR圖像譜。 02、內(nèi)波探測(cè) SAR對(duì)內(nèi)波的成像機(jī)制是內(nèi)波對(duì)海表面的微尺度波動(dòng)產(chǎn)生調(diào)制作用，使得海面粗糙度發(fā)生變化，從而在SAR影像上以

9、明暗相間的條紋顯示出來(lái)。SAR內(nèi)波成像主要包括三個(gè)物理過(guò)程：1、內(nèi)波在傳播過(guò)程中引起海表面流場(chǎng)發(fā)生輻聚和輻散的變化；2、變化的表層流場(chǎng)通過(guò)調(diào)制表面微尺度波，改變了海面粗糙度；3、海面微尺度波使雷達(dá)波發(fā)生Bragg散射，從而在SAR圖像上形成明暗相間的內(nèi)波條紋 。星載SAR的內(nèi)波成像與SAR的極化方式、工作波段等參數(shù)密切相關(guān)，同時(shí)也受到內(nèi)波的外在屬性（例如：波長(zhǎng)、波向）和內(nèi)在特性（例如躍層深度、振幅）等參數(shù)的影響。 （二）、SAR圖像海洋特征要素探測(cè) 黃海內(nèi)波ERS-2 SAR影像（1997.7.23） 南海內(nèi)波可見(jiàn)光遙感影像（SPOT-3,1996.7.24） 南海海面內(nèi)波的L波段HH極化SI

10、R-C圖像(1994.4.18) 南海海面內(nèi)波的 波段極化圖像LH HSIR-C(1)飛行方向照射方向北010kmAA SAR對(duì)內(nèi)波成像的示意圖 傳播方向大陸架SAR圖像海表面內(nèi)波輻聚輻散21hh 2h1h21hh 21hh （1）對(duì)SAR圖像進(jìn)行幾何校正，確定內(nèi)波的位置，同時(shí)對(duì)SAR圖像進(jìn)行濾波和圖像增強(qiáng)處理，改善內(nèi)波圖像質(zhì)量；（2）從SAR圖像測(cè)量得到兩個(gè)由半日潮或全日潮產(chǎn)生的獨(dú)立內(nèi)波群的間距A值和單個(gè)內(nèi)波中最亮點(diǎn)與最暗點(diǎn)的間距（或亮帶中心點(diǎn)與暗帶中心點(diǎn)的間距）D值；（3）將從SAR圖像上測(cè)量的內(nèi)波群的間距A帶入式： ，計(jì)算內(nèi)波波速，其中 為半日潮或全日潮周期。（4）將內(nèi)波波速 、水深 和

11、g代入式： ，計(jì)算內(nèi)波深度；（5）將內(nèi)波波速 、水深 、D值和g代入式： ，計(jì)算內(nèi)波振幅。 TACg/TgCh2/1222 12)4(ghCghghghggCh2/1222 2420432. 134gghCghgDgCh（二）、SAR圖像海洋特征要素探測(cè) （二）、SAR圖像海洋特征要素探測(cè) 3、船舶目標(biāo)的檢測(cè)（1）靜止船舶目標(biāo) 靜止船舶目標(biāo)在SAR圖像上可能是孤立點(diǎn)或小區(qū)域，在海面回波比較強(qiáng)的時(shí)候，區(qū)分它們和噪聲斑點(diǎn)是較困難的，采用如下步驟可較好地區(qū)分它們。A 原始圖像進(jìn)行斑噪濾波處理；B 用恒虛警率（CFAR）閾值方法作分割，判斷是否有適當(dāng)大小的候選目標(biāo)存在；C 用雙閾值KSW法再次分割；D

12、 經(jīng)過(guò)分割后，相鄰的目標(biāo)點(diǎn)被聚集成候選目標(biāo)；E 對(duì)候選目標(biāo)進(jìn)行特征檢測(cè)。可選擇三個(gè)特征：目標(biāo)的大小、強(qiáng)峰點(diǎn)占整個(gè)目標(biāo) 的比例和所有船舶的對(duì)比度。F 對(duì)船舶目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)提取，如幾何參數(shù)包括傳播的長(zhǎng)度、寬度、朝向。 （2）運(yùn)動(dòng)船舶目標(biāo) 運(yùn)動(dòng)船舶目標(biāo)往往通過(guò)其尾跡來(lái)間接檢測(cè)。根據(jù)尾跡的特征，可以估計(jì)船只的運(yùn)動(dòng)方向、速度甚至船只的類型、結(jié)構(gòu)和噸位。尾跡成像條件取決于船體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)速度、SAR系統(tǒng)參數(shù)（如船只到SAR平臺(tái)速度及其到星下點(diǎn)的距離），以及海面風(fēng)速風(fēng)向、海流和波浪狀況。 （二）、SAR圖像海洋特征要素探測(cè) 由海洋衛(wèi)星Seasat SAR觀測(cè)的海面尾跡識(shí)別運(yùn)動(dòng)船只中國(guó)L波段機(jī)載SAR在山東煙臺(tái)海

13、域觀測(cè)的運(yùn)動(dòng)船跡煙臺(tái)海域圖像L-SA R飛行方向照射方向北01 km4、海冰信息提取 由Radarsat SAR 觀測(cè)的渤海遼東灣海冰 2 0 004 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 3 6 102 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 7 7 0-1 8 .0 0-2 5 .5 0-3 3 .0 0區(qū)域 的圖像AHH（二）、SAR圖像海洋特征要素探測(cè) 5、海洋污染監(jiān)測(cè)A SAR影像的預(yù)處理B 直接分析C 關(guān)聯(lián)分析D 模型研究E 基于研究結(jié)果的結(jié)論 （二）、SAR圖像海洋特征要素探測(cè) 6、淺海水深反演 定量的淺海水深計(jì)算與反演一般是在下墊海底與粗糙海面的物理數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)輻射定標(biāo)，計(jì)算歸一化后向散射截面 ；通過(guò) 和雷達(dá)參數(shù)(波長(zhǎng)、極化和入射角)等，求作用量譜 ；輸入 、海面風(fēng)速風(fēng)向和初始流速流向等數(shù)據(jù)，利用特征線方法和迭代計(jì)算海表層流