現(xiàn)代遙感導(dǎo)論66

第六章微波遙感數(shù)據(jù)本章提要(…)§1主動微波遙感§2雷達(dá)圖像的特點§3激光雷達(dá)本章主要介紹主動微波遙感數(shù)據(jù)，重點是雷達(dá)遙感成像原理、數(shù)據(jù)的獲取和圖像特點，最后介紹了激光雷達(dá)?！?主動微波遙感主動微波傳感器機(jī)載雷達(dá)遙感系統(tǒng)（SLAR）星載雷達(dá)遙感系統(tǒng)主動微波傳感器微波遙感的傳感器有成像和非成像方式兩種類型。雷達(dá)是主動微波遙感成像的傳感器

非成像方式如散射計、高度計、無線電地下探測器成像方式如微波輻射計和雷達(dá)真實孔徑側(cè)視雷達(dá)采用真實長度的天線接收地物后向散射并通過側(cè)視成像合成孔徑雷達(dá)通過一定的信號處理方法，使得合成孔徑雷達(dá)的等效孔徑長度相當(dāng)于一個真實孔徑雷達(dá)的天線長度,從而提高分辨率

微波（雷達(dá)）遙感成像過程示意圖微波遙感成像機(jī)理微波（雷達(dá)）遙感傳感器包括天線、信號發(fā)射與接收設(shè)備。

微波遙感成像機(jī)理側(cè)視雷達(dá)距離分辨率：在側(cè)視方向上的分辨率，垂直于飛行方向。微波遙感成像機(jī)理將地物AB兩點區(qū)分開來的條件是其回波時間間隔必須為：τ距離向分解T為脈沖周期；c為光速；θ為入射角；△y為距離向分辨率①當(dāng)θ變小，sinθ趨近于0，△y趨近于無窮大，這就是雷達(dá)遙感必須側(cè)視的原因；②調(diào)制脈沖周期必須盡可能地小，以提高距離向分辨率；③距離向分辨率△y與航高H無關(guān)；④距離向分辨率并非為一個常數(shù)，比例尺隨著y增大（θ增大）而增大。側(cè)視雷達(dá)

方位分辨率：沿航線方向上的分辨率，平行于飛行方向，又稱沿跡分辨率。微波遙感成像機(jī)理注意：⑴方位向的幾何分辨率取決于雷達(dá)波束在方位向的張角β。 根據(jù)雷達(dá)天線理論：β≈

λ/D（D為雷達(dá)天線口徑）

ra=β×R=λ×R/D（R為斜距）⑵方位分辨率與航高有關(guān)。合成孔徑雷達(dá)基本思想：用一個小天線作為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動。在移動中選擇若干個位置，在每個位置上發(fā)射一個信號，接收相應(yīng)發(fā)射位置的回波信號貯存記錄下來。存貯時同時保存接收信號的幅度和相位。

以實際孔徑天線進(jìn)行工作的側(cè)視雷達(dá)，稱為真實孔徑側(cè)視雷達(dá)（RAR）合成孔徑雷達(dá)（SAR）

完全擺脫了受雷達(dá)天線孔徑的束縛，將提高方位向幾何分辨率問題轉(zhuǎn)換為傳感器響應(yīng)速度記錄地物目標(biāo)回波相位史變化過程問題，從而有效地提高了雷達(dá)遙感圖像方位向（X向）幾何分辨率。SAR實際上對于地面一個點進(jìn)行多次測試其反射回波，然后將這些回波按其相位變化次序合成起來，由此等效于一個孔徑巨大的天線。這樣，對于航跡向（X向）的分辨率取決于對一個點進(jìn)行測試回波的次數(shù)。SAR傳感器可以裝載在飛機(jī)上，也可以裝載在衛(wèi)星上。自SAR出現(xiàn)后，RAR就被取代了。SAR成象過程更為復(fù)雜，噪聲信號也更為強(qiáng)烈，噪聲訊號多為點狀，遙感中稱之為斑點噪聲。§2

微波遙感成像機(jī)理機(jī)載雷達(dá)遙感系統(tǒng)（SLAR）

雷達(dá)的遙感平臺有飛機(jī)和衛(wèi)星，以飛機(jī)為平臺的雷達(dá)叫機(jī)載雷達(dá)遙感（Side-lookingairborneradar，SLAR）。星載雷達(dá)遙感系統(tǒng)

參數(shù)SIRSIR-C/X-SARALMAZ-1ERS-1ERS-2JERS-1RadarsatAB發(fā)射日期1981.111984.101994.41991.31991.71995春1992.21995.11軌道高度（km）245～260225300～360785785568798波長(cm)/波段23.5/L23.5/L.C.X10/S5.7/CC23/L5.6/C極化HH全極化HHVVHHHHHH入射角47°～53°15°～60°15°～60°30°～60°23°24°35°10°～60°距離分辨率(m)46-1410-60303025189~100方位分辨率(m)253010-153025189~100覆蓋寬度(km)5015~902×3501001007545~500發(fā)射國家美國美國前蘇聯(lián)歐空局歐空局日本加拿大工作壽命(年)18個月2～32～325已發(fā)射的主要航天合成孔徑成像雷達(dá)系統(tǒng)§2雷達(dá)圖像的特點雷達(dá)圖像的亮度雷達(dá)圖像的波長雷達(dá)圖像的穿透力雷達(dá)圖像的極化雷達(dá)圖像的幾何特性圖像的輻射特征雷達(dá)圖像的應(yīng)用雷達(dá)圖像的亮度雷達(dá)回波（即雷達(dá)后向散射）的強(qiáng)度可簡單的理解為雷達(dá)圖像的亮度值。雷達(dá)回波強(qiáng)度與雷達(dá)遙感系統(tǒng)參數(shù)、后向散射系數(shù)直接相關(guān)。其中：

雷達(dá)遙感系統(tǒng)參數(shù)包括：波長/頻率、入射角/俯角、極化方式/探測方向等；

后向散射系數(shù)：以雷達(dá)后向散射截面或雷達(dá)后向散射系數(shù)表示，可以表征地表特征，包括物理特征——介電常數(shù)、表面粗糙度、散射特點（表面散射和體散射），幾何特征——陰影、疊掩、透視收縮、坡度、形狀、局地入射角等。

雷達(dá)圖像的波長波段名稱波段范圍（GHz）波段名稱波段范圍（GHz)PLSCXK0.23-0.390.39-1.551.55-3.903.90-6.206.20-10.9010.90-36.00KuKaQVW15.25-17.2533.00-36.0036.00-46.0046.00-56.0056.00-100.00雷達(dá)（Radar，RadioandRangeDirection）是英文“無線電探測與測距”的縮寫。雷達(dá)應(yīng)用的微波波長范圍一般只是若干個小的波長范圍。在地球資源應(yīng)用中的常用波段是X、C、L。C波段可以用來對海洋及海冰進(jìn)行成像；L波段可以更深地穿透植被，ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。雷達(dá)圖像的穿透力

微波輻射具有很強(qiáng)的地表穿透能力，除了能穿云破霧以外，對一些地物（介質(zhì)），如巖石、土壤、松散沉積物、植被、冰層等，有穿透一定深度的能力。微波頻率的高端（如1cm波長）可獲得植被層頂部的信息，而微波頻率的低端（如1m波長）可獲得植被層底層甚至地表以下的信息。

微波穿透特性

微波對土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲線可用以下圖表示：

0510152025濕度3020605040D（m）

穿透深度W（%）

由圖看到，波長越長，目標(biāo)地物越干燥，微波對其穿透性越好，基本呈線性關(guān)系。LSCx雷達(dá)圖像的極化：水平極化與垂直極化（HorizontalPolarizationandVerticalPolarization）

振動方向在過傳播直線的豎直平面上的電磁波極化叫做垂直極化（V）振動方向垂直于過傳播直線的豎直平面的電磁波極化叫做水平極化（H）VHVH電磁波極化示意圖雷達(dá)圖像的幾何特性

雷達(dá)系統(tǒng)的圖像記錄有兩種類型：斜距圖像和地距圖像。在斜距圖像上，各目標(biāo)點間的相對距離與目標(biāo)間的地面實際距離并不保持恒定的比例關(guān)系，圖像會產(chǎn)生不均勻畸變。這就是雷達(dá)斜距圖像的比例失真。

斜距圖像的比例失真

雷達(dá)圖像的幾何特性雷達(dá)是按時間序列記錄回波信號，入射角與地面坡角的不同組合，會出現(xiàn)不同程度的透視收縮現(xiàn)象。即在有地形起伏時，面向雷達(dá)一側(cè)的斜坡在圖像上被壓縮，而另一側(cè)則被延長。

雷達(dá)影像的透視收縮現(xiàn)象雷達(dá)圖像的幾何特性雷達(dá)是一個測距系統(tǒng)，發(fā)射雷達(dá)脈沖的曲率使近目標(biāo)（即髙目標(biāo)的頂部）回波先到達(dá)，遠(yuǎn)目標(biāo)（即髙目標(biāo)的底部）回波后到達(dá)。因而頂部先成像，并向近射程方向位移。這種雷達(dá)回波的超前現(xiàn)象，便形成了雷達(dá)圖像的頂?shù)孜灰疲疮B掩現(xiàn)象。

疊掩現(xiàn)象雷達(dá)圖像的幾何特性雷達(dá)視差，就是兩張重疊圖像上的兩個像點分別產(chǎn)生的位移量之差。當(dāng)雷達(dá)沿兩條不同軌道觀察高于地面的同一目標(biāo)時，不同的起伏位移會造成圖像視差。

雷達(dá)陰影圖像的輻射特征具有相同后向散射截面的兩個相鄰觀測單元，如在細(xì)微特征上有差異，則它們的回波信號也會不同，這樣本來具有常數(shù)后向散射截面的圖像上同質(zhì)區(qū)域，像元間會出現(xiàn)亮度變化，這被稱為斑點（speckle）。那些回波功率衰減到遠(yuǎn)低于平均值電平的像素的灰度值很低，在圖像上就表現(xiàn)為黑點；那些回波功率增強(qiáng)到遠(yuǎn)高于平均值電平的像素很亮，在圖像上表現(xiàn)為亮點。

RADARSAT-1圖像上的斑點

雷達(dá)圖像的應(yīng)用海洋環(huán)境調(diào)查地質(zhì)制圖和非金屬礦產(chǎn)資源調(diào)查洪水動態(tài)檢測與評估地貌研究和地圖測繪軍事偵察§3激光雷達(dá)激光雷達(dá)即Lidar，是“光探測和測距”(Lightdetectionand

ranging)的簡稱。激光雷達(dá)也是一種主動傳感器，通過發(fā)送光脈沖，并測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的時間延遲來探測目標(biāo)。

激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)

———工作光源

可見光－多光譜遙感用自然光源，包括太陽、大地輻射特點：波長短、太陽光能量大優(yōu)點：無噪聲、穩(wěn)定、直接反映植被光合作用、地表溫度缺點：受制于自然提供的條件，選擇余地小雷達(dá)遙感用人造光源特點：波長長、瞬間能量大、可調(diào)節(jié)優(yōu)點：利用鏡面反射、散射可識別地物幾何形狀、有四種極化方式缺點：噪聲大、信息提取復(fù)雜與可見光—多光譜遙感的比較———成象機(jī)制

相同點：1）基本上都是在基本垂直于航跡方向上條帶掃描成象（航空遙感一般用框幅式成象除外）

2）都可以數(shù)字成象

3）都是反映地物面狀信息不同點：可見光－多光譜是以分割視場等立體角成像，投影為中心或多中心投影；雷達(dá)遙感是以嚴(yán)格區(qū)分電磁波回波的時序成像，投影為斜距投影，象元的對應(yīng)地面單元縱橫尺寸受制于不同因素?！b感平臺

相同點：1）都使用航空、航天飛行器平臺

2）衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置兩者基本相同

3）對平臺姿態(tài)都有嚴(yán)格要求

不同點：可見光－多光譜遙感對衛(wèi)星軌道要求嚴(yán)格，通常必須太陽同步、近極地；雷達(dá)遙感可以不使用太陽同步、近極地，因為主動、側(cè)視角可調(diào)節(jié)，不強(qiáng)調(diào)成象重復(fù)周期?！獛缀握`差來源與誤差特點

共同誤差來源：1）遙感平臺姿態(tài)三個方位：俯仰、航向、滾翻

2）大氣湍流折射偏差

3）地表起伏可見光－多光譜遙感特點：

1）天氣作用因素影響大；

2）地表起伏、遙感平臺姿態(tài)作用因素影響相對較小，其原因是直視正射；

3）星下點像元對應(yīng)地面單元面積小，影像兩側(cè)像元對應(yīng)地面單元面積大；

4）鏡頭屈光度不線性，造成成象誤差；

雷達(dá)遙感影像幾何誤差特點：

1）天氣作用因素影響?。?/p>

2）地表起伏、遙感平臺姿態(tài)作用因素影響大，其原因是斜視；

3）距離向靠近地面航跡的像元地面單元面積大，而遠(yuǎn)離地面航跡的像元地面單元面積??；

4）成象機(jī)理本身造成：入射角不同、脈沖調(diào)制不穩(wěn)定、解調(diào)數(shù)據(jù)處理誤差等因素。 雷達(dá)遙感幾何誤差校正較困難，特別是山區(qū)?！椛湔`差來源

共同誤差1）大氣環(huán)境背景噪聲誤差2）系統(tǒng)本身噪聲誤差

可見光－多光譜遙感特點

1）大氣環(huán)境背景噪聲包括：米氏散射、瑞利散射噪聲，這種噪 聲在可見光－多光譜遙感中影響大，但在一定情況下，這種 噪聲也表達(dá)為一種信息；

2）系統(tǒng)本身傳感器上熱噪聲誤差小，因為只是接收傳感器；

3）太陽陰影