微波遙感圖像特征課件

第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺(tái)3.2攝影成像3.3掃描成像3.4微波遙感與成像3.5遙感圖像的特征安裝好envi第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺(tái)1微波

波長(zhǎng)范圍1mm到1m，可進(jìn)一步劃分為若干不同頻率(波長(zhǎng))的波段：

P波段：0.3-1GHz(30-100cm)Previous

L波段：1-2GHz(15-30cm)Long S波段：2-4GHz(7.5-15cm)Short

C波段：4-8GHz(3.75-7.5cm)Compromise

X波段：8-12.5GHz(2.42-3.75cm) Ka波段：12.5-18Ghz(1.67-2.42cm)K－under頻率

K波段：18-26.5Ghz(1.13-1.67cm)Kurtz Ku波段：26.5-40Ghz(0.75-1.13cm)K－above微波波長(zhǎng)范圍1mm到1m，可進(jìn)一步劃分為若干不同頻率2一.微波遙感的特點(diǎn)概念：微波遙感是指通過微波傳感器獲取從目標(biāo)地物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過判讀處理來識(shí)別地物的技術(shù)。為什么需要微波遙感？一.微波遙感的特點(diǎn)概念：微波遙感是指通過微波傳感器獲取從目標(biāo)3

地球上經(jīng)常有40%-60%的地區(qū)被云層覆蓋著，尤其是占地球面積五分之三的海洋上，氣候條件變化更大，經(jīng)常被云層遮蔽。地球上經(jīng)常有40%-60%的地區(qū)被云層覆蓋著，尤其是占4一.微波遙感的特點(diǎn)特點(diǎn)：1.能全天候、全天時(shí)工作2.對(duì)某些地物具有特殊的波譜特征3.對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力4.對(duì)海洋遙感具有特殊意義5.分辨率較低，但特性明顯一.微波遙感的特點(diǎn)特點(diǎn)：51.可以全天候全天時(shí)工作。微波的波長(zhǎng)較可見可和紅外線大,幾乎不受云霧的散射影響。一.微波遙感的特點(diǎn)10:30am14:30pm22:30pm光學(xué)雷達(dá)1.可以全天候全天時(shí)工作。微波的波長(zhǎng)較可見可和紅外線大,幾乎62.某些地物的微波波譜差異大（針對(duì)被動(dòng)微波遙感），特別是很好區(qū)分水和冰(在微波波段兩者的比輻射率懸殊，分別為0.4和0.99)。紅外波段，水的比輻射率為0.96，冰的比輻射率為0.92

。一.微波遙感的特點(diǎn)冬季夏季2.某些地物的微波波譜差異大（針對(duì)被動(dòng)微波遙感），特別是很7

3.對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力趨膚深度：電磁波衰減(振幅減小)1/e倍(約37%)的穿透深度。微波對(duì)地物的穿透力與地物的介電常數(shù)成反比，與波長(zhǎng)成正比。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透力越強(qiáng)。（2m純雪,X波段(λ<3.75cm)探測(cè)雪的表面，L波段(λ>15cm)可探測(cè)地表）介電常數(shù)比較高的物體（金屬，含水量高的物體），穿透力弱。一.微波遙感的特點(diǎn)3.對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力一.微波遙感的8

熱帶雨林地區(qū)的地貌特征SIR-C衛(wèi)星獲得的SAR-L(合成孔徑雷達(dá))影像熱帶雨林地區(qū)的地貌特征SIR-C衛(wèi)星獲得的SAR-L9微波對(duì)松散的沙土有一定的穿透能力，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透能力越強(qiáng)；地物濕度越小，穿透越深。1001.0100.10.010.10.20.30.4穿透深度(m)土壤濕度(gramscm-2)1.3GHz4.0GHz10.0GHz沙土沃土粘土微波對(duì)松散的沙土有一定的穿透能力，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，1001.01010MSS+SIR-A沙哈拉1981.11蘇丹西北撒哈拉沙漠松散沉積物（沙、砂礫等），介電常數(shù)較基巖小，故穿深能力較基巖大，一般可穿透地表下數(shù)厘米至數(shù)米。MSS+SIR-A沙哈拉1981.11蘇丹西北撒哈拉沙漠11一.微波遙感的特點(diǎn)4.對(duì)海洋遙感具有特殊意義雷達(dá)的后向散射強(qiáng)度和粗糙度關(guān)系很大，海洋中，海面受風(fēng)浪影響起伏多變，粗糙隨之變化，導(dǎo)致微波的后向散射系數(shù)也隨之變化，微波遙感可以探測(cè)海面風(fēng)浪以及海洋環(huán)流的情況。海洋內(nèi)波一.微波遙感的特點(diǎn)4.對(duì)海洋遙感具有特殊意義海洋內(nèi)波12一.微波遙感的特點(diǎn)5.分辨率較低，但特性明顯由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象顯著，故分辨率較低；觀測(cè)精度和取樣速度不好協(xié)調(diào)；微波的能量較弱，但特性明顯；

一.微波遙感的特點(diǎn)5.分辨率較低，但特性明顯13微波遙感分類：主動(dòng)微波遙感、被動(dòng)微波遙感1.主動(dòng)微波遙感信號(hào)來源：系統(tǒng)自身發(fā)射微波輻射，并接收從目標(biāo)后向散射回來的電磁波。主要傳感器：雷達(dá)，高度計(jì)、散射計(jì)。二.微波遙感方式和傳感器微波遙感分類：二.微波遙感方式和傳感器142.被動(dòng)微波遙感信號(hào)來源：系統(tǒng)自身不發(fā)射微波波束，只是接收目標(biāo)物發(fā)射的微波輻射（用亮溫表示）。典型傳感器：微波輻射計(jì)：被動(dòng)接收目標(biāo)地物微波輻射的傳感器，主要用于探測(cè)地面各點(diǎn)的亮度溫度并生成亮度溫度圖像。二.微波遙感方式和傳感器2.被動(dòng)微波遙感二.微波遙感方式和傳感器15FY-3微波輻射計(jì)大氣溫度、水汽廓線，大氣降雨、大氣可降水量、云中液態(tài)水含量；反演海面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)速、風(fēng)向)、臺(tái)風(fēng)、海冰的監(jiān)側(cè)；獲取陸地面溫度、土壤濕度、積雪深度與水當(dāng)量、干旱、洪澇、沙漠，陸地水文與地理環(huán)境、植被生物量、農(nóng)作物生長(zhǎng)評(píng)估FY-3微波輻射計(jì)大氣溫度、水汽廓線，大氣降雨、大氣可降水量16二.微波遙感方式和傳感器1.主動(dòng)微波遙感微波主動(dòng)遙感：微波散射計(jì)，雷達(dá)高度計(jì)，雷達(dá)（1）雷達(dá)雷達(dá)（Radar–RadioDetectionandRanging）意為無線電波探測(cè)物體并測(cè)定物體距離。應(yīng)用波段：微波（主要），紅外，激光；類型：非成像雷達(dá)，

成像雷達(dá)二.微波遙感方式和傳感器1.主動(dòng)微波遙感17二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)一般結(jié)構(gòu)：二.微波遙感方式和傳感器18雷達(dá)測(cè)距：電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當(dāng)雷達(dá)在時(shí)間t1發(fā)射出一個(gè)窄脈沖,被目標(biāo)反射后,在時(shí)間t2返回,則目標(biāo)地物的距離為:

二.微波遙感方式和傳感器

R=(t2-t1)*c/2雷達(dá)測(cè)距：電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當(dāng)雷達(dá)在時(shí)間t19二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)測(cè)速度：—多普勒效應(yīng)指由觀察者和輻射源（或目標(biāo)與傳感器）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所引起的電磁發(fā)射頻率與回波頻率的變化。其變化量與物理運(yùn)動(dòng)速度成正比，根據(jù)多普勒效應(yīng)可以測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體。二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)測(cè)速度：20二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)其他方面的信息：地物對(duì)微波反射能力的強(qiáng)弱反映自身的性質(zhì)和形狀。TM432SIR-C(L)渤海灣薊運(yùn)河河口一帶二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)其他方面的信息：地物對(duì)微21二.微波遙感方式和傳感器地物對(duì)微波散射能力的影響因素：1）介電常數(shù)ε2）地表粗糙度3)波長(zhǎng)4）微波遙感極化方式其他因素（俯角、地表幾何特征等）二.微波遙感方式和傳感器地物對(duì)微波散射能力的影響因素：22二.微波遙感方式和傳感器1）介電常數(shù)ε：反映物體電學(xué)性質(zhì)，由物質(zhì)組成和溫度決定。直接影響到物體對(duì)電磁波的反射。

介電常數(shù)越大，回波越強(qiáng)，雷達(dá)圖像上的色調(diào)越淺。一般干燥物體，介電常數(shù)在3-8之間；水的介電常數(shù)接近80。隨著物體含水量的增加，其介電常數(shù)幾乎線性增加，會(huì)產(chǎn)生20-80的變化；巖石的介電常數(shù)差別很小；金屬物體有很大導(dǎo)電率，介電常數(shù)很大，故雷達(dá)回波信號(hào)也很強(qiáng)；旱季雨季二.微波遙感方式和傳感器1）介電常數(shù)ε：反映物體電學(xué)性質(zhì)，由23

散射鏡面反射角反射地物對(duì)微波的反射二.微波遙感方式和傳感器2）地表粗糙度對(duì)回波強(qiáng)度有明顯影響。中等強(qiáng)度回波無回波強(qiáng)回波地表粗糙度（H）往往是相對(duì)波長(zhǎng)(λ)而言的。H<<λ光滑表面；H>>λ粗糙表面

散射鏡面反射角反射地物對(duì)微波的反射二.微波遙感方式和傳感24二.微波遙感方式和傳感器3)波長(zhǎng)波長(zhǎng)越短反射能力越強(qiáng)。ERS-1C-bandJERS-1L-band二.微波遙感方式和傳感器3)波長(zhǎng)ERS-1C-bandJE254）極化方式：極化：表示電磁波電場(chǎng)振動(dòng)方向的變化。二.微波遙感方式和傳感器水平極化：電場(chǎng)振動(dòng)方向平行于水平面（“H”極化）垂直極化：電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于水平面（“V”極化）4）極化方式：二.微波遙感方式和傳感器水平極化：電場(chǎng)振動(dòng)方向26依據(jù)發(fā)射的及接收的極化的差別，可以有四種組合。二.微波遙感方式和傳感器不同極化方式使目標(biāo)對(duì)電磁波產(chǎn)生不同的響應(yīng)，使雷達(dá)回波強(qiáng)度不同。得到的圖像有差異，可以更全面的反映目標(biāo)的特性和結(jié)構(gòu)，提高識(shí)別的精度VHHHVVHV依據(jù)發(fā)射的及接收的極化的差別，可以有四種組合。二.微波遙感方27（2）側(cè)視雷達(dá)：在飛機(jī)或衛(wèi)星平臺(tái)上由傳感器向與飛行方向垂直的側(cè)面,發(fā)射很窄的脈沖，然后接收從目標(biāo)物返回的后向散射波；二.微波遙感方式和傳感器近程目標(biāo)先回波，遠(yuǎn)程目標(biāo)后回波；隨著飛行器前進(jìn),不斷地發(fā)射這種脈沖波束,又不斷地接收回波,這樣逐行掃描，形成一幅二維的雷達(dá)圖像?；夭◤?qiáng)弱因地物而異，按時(shí)間序列記錄下來。（2）側(cè)視雷達(dá)：在飛機(jī)或衛(wèi)星平臺(tái)上由傳感器向與飛行方向垂直的28距離（Range）與方位（Azimuth）雷達(dá)天線隨飛行器前進(jìn)，發(fā)出的波束依次向前掃描（方位向-E）；天線發(fā)出的能量短脈沖指向飛行器的一側(cè)掃描（距離向-D）。地面分辨率：距離分辨率×方位分辨率距離（Range）與方位（Azimuth）雷達(dá)天線隨飛行器前291)距離分辨率：垂直于飛行方向上對(duì)目標(biāo)物的分辨能力（所能分辨的目標(biāo)間最小距離）。由脈沖寬度（脈沖持續(xù)時(shí)間）和俯角決定。二.微波遙感方式和傳感器1)距離分辨率：垂直于飛行方向上對(duì)目標(biāo)物的分辨能力（所能分辨30二.微波遙感方式和傳感器

距離向分辨率包括斜距和地距斜距的距離分辨率理論上等于脈沖寬度的一半。二.微波遙感方式和傳感器距離向分辨率包括斜距和地距31設(shè)俯角50,脈沖寬度0.1s，則距離分辨力Pg=0.50.110-6(s)2.998108(m/s)/cos50=0.50.12.998/0.642788100=23.2m用同樣的方法可以計(jì)算出當(dāng)俯角為35度時(shí)，距離分辨率為18米。設(shè)俯角50,脈沖寬度0.1s，則距離分辨力32距離分辨率隨脈沖寬度和俯角變化：脈沖寬度越小（一次探測(cè)到的地面單元長(zhǎng)度越短），分辨率越高。俯角越大，可分辨的距離越大，分辨率越小。近程分辨率比遠(yuǎn)程低。二.微波遙感方式和傳感器距離分辨率隨脈沖寬度和俯角變化：二.微波遙感方式和傳感器33Pa指沿航向上可以分辨的兩點(diǎn)間的最小距離。要區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)，必須要求兩個(gè)目標(biāo)不在同一波束內(nèi)。近距離點(diǎn)比遠(yuǎn)距離點(diǎn)方位上的分辨率強(qiáng)；2）方位分辨率Pa（AzimuthResolution）方位分辨率Pa取決于雷達(dá)波束照射的地面帶寬的角寬度，即波束寬度β,和斜距R.Pa指沿航向上可以分辨的兩點(diǎn)間的最小距離。近距離點(diǎn)比遠(yuǎn)距離點(diǎn)34對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)：波長(zhǎng)變短方位分辨率提高孔徑變大方位分辨率提高距離變大方位分辨率降低對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)：35二.微波遙感方式和傳感器例:設(shè)衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長(zhǎng)=3cm,距目標(biāo)地物200km,則方位分辨力Pa=[310-2(m)/4(m)]200103(m)=1500m若要求方位分辨率達(dá)到3m,則天線孔徑需2000m。提高方位分辨率的方法：用合成孔徑天線來代替真實(shí)孔徑天線，以縮短天線孔徑。要提高方位分辨率，需采用波長(zhǎng)較短的電磁波，加大天線孔徑和縮短觀測(cè)距離。二.微波遙感方式和傳感器例:設(shè)衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長(zhǎng)36

（3）合成孔徑雷達(dá)（SAR，SyntheticApertureRadar）基本原理：利用短的雷達(dá)天線，在飛機(jī)的勻速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程中，在沿飛行航跡方向上形成一個(gè)虛擬的天線陣列；以一定的時(shí)間間隔發(fā)射脈沖信號(hào)，天線在不同的位置接收回波信號(hào)，對(duì)這些回波信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果類似于用一個(gè)很大的合成天線得到的信號(hào)。這個(gè)方法相當(dāng)于組成一個(gè)比實(shí)際天線大得多的合成天線.（3）合成孔徑雷達(dá)（SAR，SyntheticApert37合成后的天線孔徑為L(zhǎng)s,則其方位分辨率為:Ps=(λ/Ls)R（1）∵合成孔徑（Ls）=真實(shí)天線的方位分辨率(Pa)∴Ls=Pa=(λ/D)R代入（1）式則有Ps=D由于雙程相移,方位分辨率還可提高一倍,即Ps=D/2

由此可知，合成孔徑雷達(dá)方位向的分辨率與距離無關(guān)，所以，即使從衛(wèi)星的高度上也可以獲得高分辨率的圖像。合成后的天線孔徑為L(zhǎng)s,則其方位分辨率為:Ps=(λ/38第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺(tái)3.2攝影成像3.3掃描成像3.4微波遙感與成像3.5遙感圖像的特征第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺(tái)39遙感影像的特征1.圖像的幾何特征：目標(biāo)地物的大小、形狀及空間分布特點(diǎn)——（空間分辨率）；2.物理特征：目標(biāo)地物的屬性特點(diǎn)——（輻射分辨率）；3.時(shí)間特征：目標(biāo)地物的變化動(dòng)態(tài)特點(diǎn)——（時(shí)間分辨率）。這三方面特征的表現(xiàn)參數(shù)為：空間分辨率光譜分辨率輻射分辨率時(shí)間分辨率遙感影像的特征1.圖像的幾何特征：目標(biāo)地物的大小、形狀及空間40一.遙感圖像的空間分辨率（spatialresolution）空間分辨率：指遙感圖像上可以區(qū)分的最小單元的尺寸或大小。三種表示法：（1）像元（pixel），掃描儀瞬時(shí)視場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的地面實(shí)際大小。單位為米（m）。掃描影像。（2）瞬時(shí)視場(chǎng)（IFOV）,單個(gè)探測(cè)單元的受光角度或觀測(cè)視野，單位為毫弧度（mrad）。（3）線對(duì)數(shù)（linepairs）,對(duì)于攝影系統(tǒng)而言，攝影最小單元的確定往往通過1毫米間隔內(nèi)包含的線對(duì)數(shù)表示，單位為線對(duì)/毫米。一.遙感圖像的空間分辨率（spatialresolutio41一.遙感圖像的空間分辨率攝影成像地面分辨率Rg

，單位線對(duì)/m，取決于系統(tǒng)分辨率、焦距以及航高。地面分辨率的計(jì)算：Rs：系統(tǒng)分辨率，單位線對(duì)/mmH：航高，單位mf：焦距，單位mm實(shí)際空間分辨率為Rg/2.1m一.遙感圖像的空間分辨率攝影成像1m42不同空間分辨率的圖像不同空間分辨率的圖像431米10米30米分辨率越高，目標(biāo)越清楚1米10米30米分辨率越高，目標(biāo)越清楚44一般而言：遙感系統(tǒng)的空間分辨率越高，其識(shí)別物體的能力越強(qiáng)。實(shí)際上：每一目標(biāo)在圖像上的可分辨程度，不完全決定于空間分辨率的具體值，和它的形狀、大小，以及它與周圍物體亮度、結(jié)構(gòu)的反差。經(jīng)驗(yàn)證明：遙感器空間分辨率的選擇，一般應(yīng)選擇小于被探測(cè)目標(biāo)最小直徑的1/2。一.遙感圖像的空間分辨率一般而言：遙感系統(tǒng)的空間分辨率越高，其識(shí)別物體的能力越強(qiáng)。一45微波遙感圖像特征課件46

波譜分辨率：指?jìng)鞲衅髟诮邮漳繕?biāo)輻射的波譜時(shí)能分辨的最小波長(zhǎng)間隔。間隔↓分辨率↑廣義的波譜分辨率包括：波段數(shù)量的多少各波段的波長(zhǎng)位置波長(zhǎng)間隔的大小

二.遙感圖像的波譜分辨率全色

1個(gè)綜合波段多光譜（um級(jí)）Tm7個(gè)波段高光譜（nm級(jí)）OMIS128個(gè)波段波譜分辨率：指?jìng)鞲衅髟诮邮漳繕?biāo)輻射的波譜時(shí)能分辨的最小47圖中紅線內(nèi)為32nm光譜分辨的反射曲線，可見在1.2μm處出現(xiàn)明顯的雙谷形態(tài)。圖中紅線內(nèi)為32nm光譜分辨的反射曲線，可見在1.2μm48空間分辨率和光譜分辨率的矛盾

提高空間分辨率瞬時(shí)視場(chǎng)IFOV要變小。

IFOV小探測(cè)元件接受到的輻射能量相應(yīng)減少，即瞬時(shí)獲得的入射能量小對(duì)微弱能量差異的檢測(cè)能力差輻射分辨率低除技術(shù)上改進(jìn)探測(cè)元件以外，實(shí)際工作中考慮較高空間分辨率的圖像（例如SPOT-PAN）和較高光譜分辨率的圖像(例如TM)進(jìn)行圖像融合，避其弱點(diǎn)，達(dá)到既要清晰，又彩色豐富。

空間分辨率和光譜分辨率的矛盾提高空間分辨率瞬49北京西站（QB）北京西站（QB）50北京西站(重采樣)北京西站(重采樣)51融合結(jié)果融合結(jié)果52輻射分辨率：傳感器接收光譜信號(hào)時(shí)，能分辨的最小輻射差。一般用灰度的分級(jí)數(shù)表示（量化級(jí)數(shù)）。如黑白圖像常以4bits（0-16）記錄發(fā)射輻射值；而landsat/tm1-5,7波段，其數(shù)據(jù)記錄已8bits，取值范圍0-255。三.輻射分辨率灰度級(jí)越多，視覺效果越好（分辨能力越強(qiáng)，數(shù)據(jù)量越大）16級(jí)

2級(jí)256級(jí)輻射分辨率：傳感器接收光譜信號(hào)時(shí)，能分辨的最小輻射差。一般用53三.輻射分辨率

遙感影像的輻射分辨率為：RL=(Rmax-Rmin)/D

例如：Landsat5的TM3其最小輻射量值Rmin=-0.0083mv/(cm2·sr·μm)

最大輻射量值Rmax=1.410mv/(cm2·sr·μm)

量化級(jí)D為28=256級(jí)其輻射分辨率RL=(Rmax-Rmin)/D=0.0055mv/(cm2·sr·μm)三.輻射分辨率遙感影像的輻射分辨率為：54暗區(qū)11bit可以區(qū)分陰影中地物8bit丟失了陰影中的信息ChibaCity,Japan8比特與11比特高亮區(qū)11bit可以區(qū)分建筑結(jié)構(gòu)8bit使高亮區(qū)曝光過度暗區(qū)ChibaCity,Japan8比特55時(shí)間分辨率：對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)探測(cè)時(shí)，相鄰兩次探測(cè)的時(shí)間間隔（重訪周期）。短：一天內(nèi)的變化，小時(shí)為單位中：一年內(nèi)的變化，以天為單位長(zhǎng)：以年為單位四.時(shí)間分辨率時(shí)間分辨率：對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)探測(cè)時(shí)，相鄰兩次探測(cè)的時(shí)間間隔56四.時(shí)間分辨率靜止氣象衛(wèi)星：1次/0.5小時(shí)（氣象）極軌氣象衛(wèi)星：12小時(shí)（氣象）Landsat:16天（植物、作物長(zhǎng)勢(shì)）CBERS、SPOT：26天（植物、作物長(zhǎng)勢(shì)）還有不定期的。（城市發(fā)展、土地利用等為一年或多年為單位）四.時(shí)間分辨率靜止氣象衛(wèi)星：1次/0.5小時(shí)（氣象）57森林資源變化檢測(cè)CanadaTM543=RGBTM54(84)+TM5（91）=RGB1984.7.17&1991.6.19森林資源變化檢測(cè)CanadaTM543=RGB582001年5月2003年10月遙感圖像的時(shí)間信息2001年5月2003年10月遙感圖像的時(shí)間信息59紹興1994tm7432004tm7432013olr743紹興1994tm7432004tm7432013olr74360第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺(tái)3.2攝影成像3.3掃描成像3.4微波遙感與成像3.5遙感圖像的特征安裝好envi第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺(tái)61微波

波長(zhǎng)范圍1mm到1m，可進(jìn)一步劃分為若干不同頻率(波長(zhǎng))的波段：

P波段：0.3-1GHz(30-100cm)Previous

L波段：1-2GHz(15-30cm)Long S波段：2-4GHz(7.5-15cm)Short

C波段：4-8GHz(3.75-7.5cm)Compromise

X波段：8-12.5GHz(2.42-3.75cm) Ka波段：12.5-18Ghz(1.67-2.42cm)K－under頻率

K波段：18-26.5Ghz(1.13-1.67cm)Kurtz Ku波段：26.5-40Ghz(0.75-1.13cm)K－above微波波長(zhǎng)范圍1mm到1m，可進(jìn)一步劃分為若干不同頻率62一.微波遙感的特點(diǎn)概念：微波遙感是指通過微波傳感器獲取從目標(biāo)地物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過判讀處理來識(shí)別地物的技術(shù)。為什么需要微波遙感？一.微波遙感的特點(diǎn)概念：微波遙感是指通過微波傳感器獲取從目標(biāo)63

地球上經(jīng)常有40%-60%的地區(qū)被云層覆蓋著，尤其是占地球面積五分之三的海洋上，氣候條件變化更大，經(jīng)常被云層遮蔽。地球上經(jīng)常有40%-60%的地區(qū)被云層覆蓋著，尤其是占64一.微波遙感的特點(diǎn)特點(diǎn)：1.能全天候、全天時(shí)工作2.對(duì)某些地物具有特殊的波譜特征3.對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力4.對(duì)海洋遙感具有特殊意義5.分辨率較低，但特性明顯一.微波遙感的特點(diǎn)特點(diǎn)：651.可以全天候全天時(shí)工作。微波的波長(zhǎng)較可見可和紅外線大,幾乎不受云霧的散射影響。一.微波遙感的特點(diǎn)10:30am14:30pm22:30pm光學(xué)雷達(dá)1.可以全天候全天時(shí)工作。微波的波長(zhǎng)較可見可和紅外線大,幾乎662.某些地物的微波波譜差異大（針對(duì)被動(dòng)微波遙感），特別是很好區(qū)分水和冰(在微波波段兩者的比輻射率懸殊，分別為0.4和0.99)。紅外波段，水的比輻射率為0.96，冰的比輻射率為0.92

。一.微波遙感的特點(diǎn)冬季夏季2.某些地物的微波波譜差異大（針對(duì)被動(dòng)微波遙感），特別是很67

3.對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力趨膚深度：電磁波衰減(振幅減小)1/e倍(約37%)的穿透深度。微波對(duì)地物的穿透力與地物的介電常數(shù)成反比，與波長(zhǎng)成正比。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透力越強(qiáng)。（2m純雪,X波段(λ<3.75cm)探測(cè)雪的表面，L波段(λ>15cm)可探測(cè)地表）介電常數(shù)比較高的物體（金屬，含水量高的物體），穿透力弱。一.微波遙感的特點(diǎn)3.對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力一.微波遙感的68

熱帶雨林地區(qū)的地貌特征SIR-C衛(wèi)星獲得的SAR-L(合成孔徑雷達(dá))影像熱帶雨林地區(qū)的地貌特征SIR-C衛(wèi)星獲得的SAR-L69微波對(duì)松散的沙土有一定的穿透能力，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透能力越強(qiáng)；地物濕度越小，穿透越深。1001.0100.10.010.10.20.30.4穿透深度(m)土壤濕度(gramscm-2)1.3GHz4.0GHz10.0GHz沙土沃土粘土微波對(duì)松散的沙土有一定的穿透能力，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，1001.01070MSS+SIR-A沙哈拉1981.11蘇丹西北撒哈拉沙漠松散沉積物（沙、砂礫等），介電常數(shù)較基巖小，故穿深能力較基巖大，一般可穿透地表下數(shù)厘米至數(shù)米。MSS+SIR-A沙哈拉1981.11蘇丹西北撒哈拉沙漠71一.微波遙感的特點(diǎn)4.對(duì)海洋遙感具有特殊意義雷達(dá)的后向散射強(qiáng)度和粗糙度關(guān)系很大，海洋中，海面受風(fēng)浪影響起伏多變，粗糙隨之變化，導(dǎo)致微波的后向散射系數(shù)也隨之變化，微波遙感可以探測(cè)海面風(fēng)浪以及海洋環(huán)流的情況。海洋內(nèi)波一.微波遙感的特點(diǎn)4.對(duì)海洋遙感具有特殊意義海洋內(nèi)波72一.微波遙感的特點(diǎn)5.分辨率較低，但特性明顯由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象顯著，故分辨率較低；觀測(cè)精度和取樣速度不好協(xié)調(diào)；微波的能量較弱，但特性明顯；

一.微波遙感的特點(diǎn)5.分辨率較低，但特性明顯73微波遙感分類：主動(dòng)微波遙感、被動(dòng)微波遙感1.主動(dòng)微波遙感信號(hào)來源：系統(tǒng)自身發(fā)射微波輻射，并接收從目標(biāo)后向散射回來的電磁波。主要傳感器：雷達(dá)，高度計(jì)、散射計(jì)。二.微波遙感方式和傳感器微波遙感分類：二.微波遙感方式和傳感器742.被動(dòng)微波遙感信號(hào)來源：系統(tǒng)自身不發(fā)射微波波束，只是接收目標(biāo)物發(fā)射的微波輻射（用亮溫表示）。典型傳感器：微波輻射計(jì)：被動(dòng)接收目標(biāo)地物微波輻射的傳感器，主要用于探測(cè)地面各點(diǎn)的亮度溫度并生成亮度溫度圖像。二.微波遙感方式和傳感器2.被動(dòng)微波遙感二.微波遙感方式和傳感器75FY-3微波輻射計(jì)大氣溫度、水汽廓線，大氣降雨、大氣可降水量、云中液態(tài)水含量；反演海面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)速、風(fēng)向)、臺(tái)風(fēng)、海冰的監(jiān)側(cè)；獲取陸地面溫度、土壤濕度、積雪深度與水當(dāng)量、干旱、洪澇、沙漠，陸地水文與地理環(huán)境、植被生物量、農(nóng)作物生長(zhǎng)評(píng)估FY-3微波輻射計(jì)大氣溫度、水汽廓線，大氣降雨、大氣可降水量76二.微波遙感方式和傳感器1.主動(dòng)微波遙感微波主動(dòng)遙感：微波散射計(jì)，雷達(dá)高度計(jì)，雷達(dá)（1）雷達(dá)雷達(dá)（Radar–RadioDetectionandRanging）意為無線電波探測(cè)物體并測(cè)定物體距離。應(yīng)用波段：微波（主要），紅外，激光；類型：非成像雷達(dá)，

成像雷達(dá)二.微波遙感方式和傳感器1.主動(dòng)微波遙感77二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)一般結(jié)構(gòu)：二.微波遙感方式和傳感器78雷達(dá)測(cè)距：電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當(dāng)雷達(dá)在時(shí)間t1發(fā)射出一個(gè)窄脈沖,被目標(biāo)反射后,在時(shí)間t2返回,則目標(biāo)地物的距離為:

二.微波遙感方式和傳感器

R=(t2-t1)*c/2雷達(dá)測(cè)距：電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當(dāng)雷達(dá)在時(shí)間t79二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)測(cè)速度：—多普勒效應(yīng)指由觀察者和輻射源（或目標(biāo)與傳感器）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所引起的電磁發(fā)射頻率與回波頻率的變化。其變化量與物理運(yùn)動(dòng)速度成正比，根據(jù)多普勒效應(yīng)可以測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體。二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)測(cè)速度：80二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)其他方面的信息：地物對(duì)微波反射能力的強(qiáng)弱反映自身的性質(zhì)和形狀。TM432SIR-C(L)渤海灣薊運(yùn)河河口一帶二.微波遙感方式和傳感器雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)其他方面的信息：地物對(duì)微81二.微波遙感方式和傳感器地物對(duì)微波散射能力的影響因素：1）介電常數(shù)ε2）地表粗糙度3)波長(zhǎng)4）微波遙感極化方式其他因素（俯角、地表幾何特征等）二.微波遙感方式和傳感器地物對(duì)微波散射能力的影響因素：82二.微波遙感方式和傳感器1）介電常數(shù)ε：反映物體電學(xué)性質(zhì)，由物質(zhì)組成和溫度決定。直接影響到物體對(duì)電磁波的反射。

介電常數(shù)越大，回波越強(qiáng)，雷達(dá)圖像上的色調(diào)越淺。一般干燥物體，介電常數(shù)在3-8之間；水的介電常數(shù)接近80。隨著物體含水量的增加，其介電常數(shù)幾乎線性增加，會(huì)產(chǎn)生20-80的變化；巖石的介電常數(shù)差別很小；金屬物體有很大導(dǎo)電率，介電常數(shù)很大，故雷達(dá)回波信號(hào)也很強(qiáng)；旱季雨季二.微波遙感方式和傳感器1）介電常數(shù)ε：反映物體電學(xué)性質(zhì)，由83

散射鏡面反射角反射地物對(duì)微波的反射二.微波遙感方式和傳感器2）地表粗糙度對(duì)回波強(qiáng)度有明顯影響。中等強(qiáng)度回波無回波強(qiáng)回波地表粗糙度（H）往往是相對(duì)波長(zhǎng)(λ)而言的。H<<λ光滑表面；H>>λ粗糙表面

散射鏡面反射角反射地物對(duì)微波的反射二.微波遙感方式和傳感84二.微波遙感方式和傳感器3)波長(zhǎng)波長(zhǎng)越短反射能力越強(qiáng)。ERS-1C-bandJERS-1L-band二.微波遙感方式和傳感器3)波長(zhǎng)ERS-1C-bandJE854）極化方式：極化：表示電磁波電場(chǎng)振動(dòng)方向的變化。二.微波遙感方式和傳感器水平極化：電場(chǎng)振動(dòng)方向平行于水平面（“H”極化）垂直極化：電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于水平面（“V”極化）4）極化方式：二.微波遙感方式和傳感器水平極化：電場(chǎng)振動(dòng)方向86依據(jù)發(fā)射的及接收的極化的差別，可以有四種組合。二.微波遙感方式和傳感器不同極化方式使目標(biāo)對(duì)電磁波產(chǎn)生不同的響應(yīng)，使雷達(dá)回波強(qiáng)度不同。得到的圖像有差異，可以更全面的反映目標(biāo)的特性和結(jié)構(gòu)，提高識(shí)別的精度VHHHVVHV依據(jù)發(fā)射的及接收的極化的差別，可以有四種組合。二.微波遙感方87（2）側(cè)視雷達(dá)：在飛機(jī)或衛(wèi)星平臺(tái)上由傳感器向與飛行方向垂直的側(cè)面,發(fā)射很窄的脈沖，然后接收從目標(biāo)物返回的后向散射波；二.微波遙感方式和傳感器近程目標(biāo)先回波，遠(yuǎn)程目標(biāo)后回波；隨著飛行器前進(jìn),不斷地發(fā)射這種脈沖波束,又不斷地接收回波,這樣逐行掃描，形成一幅二維的雷達(dá)圖像。回波強(qiáng)弱因地物而異，按時(shí)間序列記錄下來。（2）側(cè)視雷達(dá)：在飛機(jī)或衛(wèi)星平臺(tái)上由傳感器向與飛行方向垂直的88距離（Range）與方位（Azimuth）雷達(dá)天線隨飛行器前進(jìn)，發(fā)出的波束依次向前掃描（方位向-E）；天線發(fā)出的能量短脈沖指向飛行器的一側(cè)掃描（距離向-D）。地面分辨率：距離分辨率×方位分辨率距離（Range）與方位（Azimuth）雷達(dá)天線隨飛行器前891)距離分辨率：垂直于飛行方向上對(duì)目標(biāo)物的分辨能力（所能分辨的目標(biāo)間最小距離）。由脈沖寬度（脈沖持續(xù)時(shí)間）和俯角決定。二.微波遙感方式和傳感器1)距離分辨率：垂直于飛行方向上對(duì)目標(biāo)物的分辨能力（所能分辨90二.微波遙感方式和傳感器

距離向分辨率包括斜距和地距斜距的距離分辨率理論上等于脈沖寬度的一半。二.微波遙感方式和傳感器距離向分辨率包括斜距和地距91設(shè)俯角50,脈沖寬度0.1s，則距離分辨力Pg=0.50.110-6(s)2.998108(m/s)/cos50=0.50.12.998/0.642788100=23.2m用同樣的方法可以計(jì)算出當(dāng)俯角為35度時(shí)，距離分辨率為18米。設(shè)俯角50,脈沖寬度0.1s，則距離分辨力92距離分辨率隨脈沖寬度和俯角變化：脈沖寬度越?。ㄒ淮翁綔y(cè)到的地面單元長(zhǎng)度越短），分辨率越高。俯角越大，可分辨的距離越大，分辨率越小。近程分辨率比遠(yuǎn)程低。二.微波遙感方式和傳感器距離分辨率隨脈沖寬度和俯角變化：二.微波遙感方式和傳感器93Pa指沿航向上可以分辨的兩點(diǎn)間的最小距離。要區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)，必須要求兩個(gè)目標(biāo)不在同一波束內(nèi)。近距離點(diǎn)比遠(yuǎn)距離點(diǎn)方位上的分辨率強(qiáng)；2）方位分辨率Pa（AzimuthResolution）方位分辨率Pa取決于雷達(dá)波束照射的地面帶寬的角寬度，即波束寬度β,和斜距R.Pa指沿航向上可以分辨的兩點(diǎn)間的最小距離。近距離點(diǎn)比遠(yuǎn)距離點(diǎn)94對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)：波長(zhǎng)變短方位分辨率提高孔徑變大方位分辨率提高距離變大方位分辨率降低對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)：95二.微波遙感方式和傳感器例:設(shè)衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長(zhǎng)=3cm,距目標(biāo)地物200km,則方位分辨力Pa=[310-2(m)/4(m)]200103(m)=1500m若要求方位分辨率達(dá)到3m,則天線孔徑需2000m。提高方位分辨率的方法：用合成孔徑天線來代替真實(shí)孔徑天線，以縮短天線孔徑。要提高方位分辨率，需采用波長(zhǎng)較短的電磁波，加大天線孔徑和縮短觀測(cè)距離。二.微波遙感方式和傳感器例:設(shè)衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長(zhǎng)96

（3）合成孔徑雷達(dá)（SAR，SyntheticApertureRadar）基本原理：利用短的雷達(dá)天線，在飛機(jī)的勻速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程中，在沿飛行航跡方向上形成一個(gè)虛擬的天線陣列；以一定的時(shí)間間隔發(fā)射脈沖信號(hào)，天線在不同的位置接收回波信號(hào)，對(duì)這些回波信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果類似于用一個(gè)很大的合成天線得到的信號(hào)。這個(gè)方法相當(dāng)于組成一個(gè)比實(shí)際天線大得多的合成天線.（3）合成孔徑雷達(dá)（SAR，SyntheticApert97合成后的天線孔徑為L(zhǎng)s,則其方位分辨率為:Ps=(λ/Ls)R（1）∵合成孔徑（Ls）=真實(shí)天線的方位分辨率(Pa)∴Ls=Pa=(λ/D)R代入（1）式則有Ps=D由于雙程相移,方位分辨率還可提高一倍,即Ps=D/2

由此可知，合成孔徑雷達(dá)方位向的分辨率與距離無關(guān)，所以，即使從衛(wèi)星的高度上也可以獲得高分辨率的圖像。合成后的天線孔徑為L(zhǎng)s,則其方位分辨率為:Ps=(λ/98第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺(tái)3.2攝影成像3.3掃描成像3.4微波遙感與成像3.5遙感圖像的特征第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺(tái)99遙感影像的特征1.圖像的幾何特征：目標(biāo)地物的大小、形狀及空間分布特點(diǎn)——（空間分辨率）；2.物理特征：目標(biāo)地物的屬性特點(diǎn)——（輻射分辨率）；3.時(shí)間特征：目標(biāo)地物的變化動(dòng)態(tài)特點(diǎn)——（時(shí)間分辨率）。這三方面特征的表現(xiàn)參數(shù)為：空間分辨率光譜分辨率輻射分辨率時(shí)間分辨率遙感影像的特征1.圖像的幾何特征：目標(biāo)地物的大小、形狀及空間100一.遙感圖像的空間分辨率（spatialresolution）空間分辨率：指遙感圖像上可以區(qū)分的最小單元的尺寸或大小。三種表示法：（1）像元（pixel），掃描儀瞬時(shí)視場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的地面實(shí)際大小。單位為米（m）。掃描影像。（2）瞬時(shí)視場(chǎng)（IFOV）,單個(gè)探測(cè)單元的受光角度或觀測(cè)視野，單位為毫弧度（mrad）。（3）線對(duì)數(shù)（linepairs）,對(duì)于攝影系統(tǒng)而言，攝影最小單元的確定往往通過1毫米間隔內(nèi)包含的線對(duì)數(shù)表示，單位為線對(duì)/毫米。一.遙感圖像的空間分辨率（spatialresolutio101一.遙感圖像的空間分辨率攝影成像地面分辨率Rg

，單位線對(duì)/m，取決于系統(tǒng)分辨率、焦距以及航高。地面分辨率的計(jì)算：Rs：系統(tǒng)分辨率，單位線對(duì)/mmH：航高，單位mf：焦距，單位mm實(shí)際空間分辨率為Rg/2.1m一.遙感圖像的空間分辨率攝影成像1m102不同空間分辨率的圖像不同空間分辨率的圖像1031米10米30米分辨率越高，目標(biāo)越清楚1米10米30米分辨率越高，目標(biāo)越清楚104一般而言：遙感系統(tǒng)的空間分辨率越高，其識(shí)別物體的能力越強(qiáng)。實(shí)際上：每一目標(biāo)在圖像上的可分辨程度，不完全決定于空間分辨率的具體值，和它的形狀、大小，以及它與周圍物體亮度、結(jié)構(gòu)的反差。經(jīng)驗(yàn)證明：遙感器空間分辨率的選擇，一般應(yīng)選擇小于被探測(cè)目標(biāo)最小直徑的1/2。一.遙感圖像的空間分辨率一般而言：遙感系統(tǒng)的空間分辨率越高，其識(shí)別物體的能力越強(qiáng)。一105微波遙感圖像特征課件106

波譜分辨率：指?jìng)鞲衅髟诮邮漳繕?biāo)輻射的波譜時(shí)能分辨的最小波長(zhǎng)間隔。間隔↓分辨率↑廣義的波譜分辨率包括：波段數(shù)量的