微波遙感圖像特征

關(guān)于微波遙感圖像特征第一頁，共六十頁，2022年，8月28日微波

波長范圍1mm到1m，可進一步劃分為若干不同頻率(波長)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第二頁，共六十頁，2022年，8月28日一.微波遙感的特點概念：微波遙感是指通過微波傳感器獲取從目標地物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過判讀處理來識別地物的技術(shù)。為什么需要微波遙感？第三頁，共六十頁，2022年，8月28日

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。第四頁，共六十頁，2022年，8月28日一.微波遙感的特點特點：1.能全天候、全天時工作2.對某些地物具有特殊的波譜特征3.對冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力4.對海洋遙感具有特殊意義5.分辨率較低，但特性明顯第五頁，共六十頁，2022年，8月28日1.可以全天候全天時工作。微波的波長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10:30am14:30pm22:30pm光學(xué)雷達第六頁，共六十頁，2022年，8月28日2.某些地物的微波波譜差異大（針對被動微波遙感），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.微波遙感的特點冬季夏季第七頁，共六十頁，2022年，8月28日

3.對冰、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。微波對地物的穿透力與地物的介電常數(shù)成反比，與波長成正比。波長越長，穿透力越強。（2m純雪,X波段(λ<3.75cm)探測雪的表面，L波段(λ>15cm)可探測地表）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.微波遙感的特點第八頁，共六十頁，2022年，8月28日

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)影像第九頁，共六十頁，2022年，8月28日微波對松散的沙土有一定的穿透能力，波長越長，穿透能力越強；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沙土沃土粘土第十頁，共六十頁，2022年，8月28日MSS+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。第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日一.微波遙感的特點4.對海洋遙感具有特殊意義雷達的后向散射強度和粗糙度關(guān)系很大，海洋中，海面受風浪影響起伏多變，粗糙隨之變化，導(dǎo)致微波的后向散射系數(shù)也隨之變化，微波遙感可以探測海面風浪以及海洋環(huán)流的情況。海洋內(nèi)波第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日一.微波遙感的特點5.分辨率較低，但特性明顯由于波長較長，衍射現(xiàn)象顯著，故分辨率較低；觀測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；

第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日微波遙感分類：主動微波遙感、被動微波遙感1.主動微波遙感信號來源：系統(tǒng)自身發(fā)射微波輻射，并接收從目標后向散射回來的電磁波。主要傳感器：雷達，高度計、散射計。二.微波遙感方式和傳感器第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2.被動微波遙感信號來源：系統(tǒng)自身不發(fā)射微波波束，只是接收目標物發(fā)射的微波輻射（用亮溫表示）。典型傳感器：微波輻射計：被動接收目標地物微波輻射的傳感器，主要用于探測地面各點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第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日FY-3微波輻射計大氣溫度、水汽廓線，大氣降雨、大氣可降水量、云中液態(tài)水含量；反演海面風場(風速、風向)、臺風、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)作物生長評估第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日二.微波遙感方式和傳感器1.主動微波遙感微波主動遙感：微波散射計，雷達高度計，雷達（1）雷達雷達（Radar–RadioDetectionandRanging）意為無線電波探測物體并測定物體距離。應(yīng)用波段：微波（主要），紅外，激光；類型：非成像雷達，

成像雷達第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日二.微波遙感方式和傳感器雷達一般結(jié)構(gòu)：第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日雷達測距：電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當雷達在時間t1發(fā)射出一個窄脈沖,被目標反射后,在時間t2返回,則目標地物的距離為:

二.微波遙感方式和傳感器

R=(t2-t1)*c/2第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日二.微波遙感方式和傳感器雷達測速度：—多普勒效應(yīng)指由觀察者和輻射源（或目標與傳感器）的相對運動，所引起的電磁發(fā)射頻率與回波頻率的變化。其變化量與物理運動速度成正比，根據(jù)多普勒效應(yīng)可以測定運動目標物體。第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日二.微波遙感方式和傳感器雷達探測目標其他方面的信息：地物對微波反射能力的強弱反映自身的性質(zhì)和形狀。TM432SIR-C(L)渤海灣薊運河河口一帶第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日二.微波遙感方式和傳感器地物對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4）微波遙感極化方式其他因素（俯角、地表幾何特征等）第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日二.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。直接影響到物體對電磁波的反射。

介電常數(shù)越大，回波越強，雷達圖像上的色調(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，故雷達回波信號也很強；旱季雨季第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

散射鏡面反射角反射地物對微波的反射二.微波遙感方式和傳感器2）地表粗糙度對回波強度有明顯影響。中等強度回波無回波強回波地表粗糙度（H）往往是相對波長(λ)而言的。H<<λ光滑表面；H>>λ粗糙表面第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日二.微波遙感方式和傳感器3)波長波長越短反射能力越強。ERS-1C-bandJERS-1L-band第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日4）極化方式：極化：表示電磁波電場振動方向的變化。二.微波遙感方式和傳感器水平極化：電場振動方向平行于水平面（“H”極化）垂直極化：電場振動方向垂直于水平面（“V”極化）第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日依據(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對電磁波產(chǎn)生不同的響應(yīng)，使雷達回波強度不同。得到的圖像有差異，可以更全面的反映目標的特性和結(jié)構(gòu)，提高識別的精度VHHHVVHV第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日（2）側(cè)視雷達：在飛機或衛(wèi)星平臺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，然后接收從目標物返回的后向散射波；二.微波遙感方式和傳感器近程目標先回波，遠程目標后回波；隨著飛行器前進,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圖像。回波強弱因地物而異，按時間序列記錄下來。第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日距離（Range）與方位（Azimuth）雷達天線隨飛行器前進，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×方位分辨率第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日1)距離分辨率：垂直于飛行方向上對目標物的分辨能力（所能分辨的目標間最小距離）。由脈沖寬度（脈沖持續(xù)時間）和俯角決定。二.微波遙感方式和傳感器第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日二.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。第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日設(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算出當俯角為35度時，距離分辨率為18米。第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日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到的地面單元長度越短），分辨率越高。俯角越大，可分辨的距離越大，分辨率越小。近程分辨率比遠程低。二.微波遙感方式和傳感器第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日Pa指沿航向上可以分辨的兩點間的最小距離。要區(qū)分兩個目標，必須要求兩個目標不在同一波束內(nèi)。近距離點比遠距離點方位上的分辨率強；2）方位分辨率Pa（AzimuthResolution）方位分辨率Pa取決于雷達波束照射的地面帶寬的角寬度，即波束寬度β,和斜距R.第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日對于真實孔徑雷達：波長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第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日二.微波遙感方式和傳感器例:設(shè)衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長=3cm,距目標地物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孔徑天線，以縮短天線孔徑。要提高方位分辨率，需采用波長較短的電磁波，加大天線孔徑和縮短觀測距離。第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日

（3）合成孔徑雷達（SAR，SyntheticApertureRadar）基本原理：利用短的雷達天線，在飛機的勻速前進運動過程中，在沿飛行航跡方向上形成一個虛擬的天線陣列；以一定的時間間隔發(fā)射脈沖信號，天線在不同的位置接收回波信號，對這些回波信號進行處理，結(jié)果類似于用一個很大的合成天線得到的信號。這個方法相當于組成一個比實際天線大得多的合成天線.第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日合成后的天線孔徑為Ls,則其方位分辨率為:Ps=(λ/Ls)R（1）∵合成孔徑（Ls）=真實天線的方位分辨率(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。第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日第三章遙感成像原理與遙感圖像特征3.1遙感平臺3.2攝影成像3.3掃描成像3.4微波遙感與成像3.5遙感圖像的特征第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日遙感影像的特征1.圖像的幾何特征：目標地物的大小、形狀及空間分布特點——（空間分辨率）；2.物理特征：目標地物的屬性特點——（輻射分辨率）；3.時間特征：目標地物的變化動態(tài)特點——（時間分辨率）。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間分辨率第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日一.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），掃描儀瞬時視場所對應(yīng)的地面實際大小。單位為米（m）。掃描影像。（2）瞬時視場（IFOV）,單個探測單元的受光角度或觀測視野，單位為毫弧度（mrad）。（3）線對數(shù)（linepairs）,對于攝影系統(tǒng)而言，攝影最小單元的確定往往通過1毫米間隔內(nèi)包含的線對數(shù)表示，單位為線對/毫米。第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日一.遙感圖像的空間分辨率攝影成像地面分辨率Rg

，單位線對/m，取決于系統(tǒng)分辨率、焦距以及航高。地面分辨率的計算：Rs：系統(tǒng)分辨率，單位線對/mmH：航高，單位mf：焦距，單位mm實際空間分辨率為Rg/2.1m第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日不同空間分辨率的圖像第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日1米10米30米分辨率越高，目標越清楚第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日一般而言：遙感系統(tǒng)的空間分辨率越高，其識別物體的能力越強。實際上：每一目標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)驗證明：遙感器空間分辨率的選擇，一般應(yīng)選擇小于被探測目標最小直徑的1/2。一.遙感圖像的空間分辨率第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日

波譜分辨率：指傳感器在接收目標輻射的波譜時能分辨的最小波長間隔。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位置波長間隔的大小

二.遙感圖像的波譜分辨率全色

1個綜合波段多光譜（um級）Tm7個波段高光譜（nm級）OMIS128個波段第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日圖中紅線內(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)。第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日空間分辨率和光譜分辨率的矛盾

提高空間分辨率瞬時視場IFOV要變小。

IFOV小探測元件接受到的輻射能量相應(yīng)減少，即瞬時獲得的入射能量小對微弱能量差異的檢測能力差輻射分辨率低除技術(shù)上改進探測元件以外，實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)進行圖像融合，避其弱點，達到既要清晰，又彩色豐富。

第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日北京西站（QB）第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日北京西站(重采樣)第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日融合結(jié)果第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射分辨率：傳感器接收光譜信號時，能分辨的最小輻射差。一般用灰度的分級數(shù)表示（量化級數(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.輻射分辨率灰度級越多，視覺效果越好（分辨能力越強，數(shù)據(jù)量越大）16級

2級256級第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日三.輻射分辨率

遙感影像的輻射分辨率為：RL=(Rmax-Rmin)/D

例如：Landsat5的