微波遥感.pdf

1 微波遥感的优势与不足？优越性 1微波能穿透云雾，雨雪，具有全天候工作能力2微波对地 物有一定的穿透能力3微波能提供不同于可见光和热红外遥感所能提供的某些信息4微波遥 感的主动方式可进行干涉测量。不足 1雷达传感器的空间分辨能力比可见光和近红外传感器低 2其特殊的成像方式使得数据处理和解译相对困难3与可见光和红外传感器数据不能在空间 上位置一致 2电磁波的干涉：有两个（或两个以上的）频率，振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁 波在空间叠加时，合成波振幅为各个波振幅的矢量和。因此，会出现交叠区某些地方振动增强，某 些地方振动减弱或完全抵消现象，这种现象称为电磁波的干涉 3电磁波的衍射：如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大小的障碍物上，将会有一部分波从 障碍物边界外通过。这部分波在超越障碍物时，会改变方向，绕过边缘到达障碍物后面，这种使一 些辐射量发生方向改变的现象称为电磁波的衍射 4电磁波的极化：波的极化是指在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性。用电 场强度矢量的端点在空间描绘出的轨迹来表示。如果这种变化具有确定的规律，就称为极化电磁波 5微波的主要大气效应（1）一般来说，电磁波波长越短（频率高），大气衰减越显著，相反，波 长越长（频率低） ，大气衰减可忽略（2）大气对微波的衰减作用主要有：1大气中的水分子和氧 分子对微波的吸收2大气微粒对微波的散射（微粒直径波长， 发生米氏散射）3随波长的减小，云层微粒与雨滴微粒对微波的衰减也变得愈发显著 1微波散射计：是一种有源微波遥感器，功能是测量地物表面（或体积）的散射或反射特性 2微波高度计：高度计是一种主动式微波测量仪，具有独特的全天时，长时间历程，观测面积大， 观测精度高，时间准同步，信息量大的能力和特点、 3真实（合成）孔径雷达：运动平台携带真实孔径天线从空中掠过，由天线向平台的一侧或两侧发 射波束并扫描地面。这些波束在平台运动的方向上是很窄的，而在垂直于平台运动方向上是延展的 4多普勒效应：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化 5方位向分辨率：平行于雷达飞行方向的分辨率 6距离向分辨率：垂直于雷达飞行方向的分辨率 7.天线相关概念 （1）辐射方向图 ：天线辐射能量在三维角空间呈一定的分布，把这种分布归一化后 所绘制的曲线称为天线辐射方向图 （ 2）主瓣宽度（半功率波束宽度）：归一化辐射强度为最大值一半所对应的两个方位角之间的角度 （ 3）方向性系数 ：相对于平均辐射强度的最大辐射强度 （ 4）有效面积 ：天线在主波束方向垂直平面上的投影面积 （ 5）增益：被测天线辐射的功率密度与相同供电功率下无耗各向同性天线辐射功 率密度 Sri 的比值 天线孔径面积愈大，它具有更强的方向性（更窄的波束宽度）；孔径效率低导致方向性变差。 而孔径效率愈高，天线的主波束效率将随之下降，因而天线的方向性强与波束效率高之间有矛盾 （ 6）扫描方式 ：环形扫描、圆锥扫描、矩形扫描 （ 7）扫描周期 ：完成一次探测空间扫描所需要的时间 8天线互易性：同一天线用作发射或接收信号时，其性能不变 9熟悉应用较广的航空、航天飞机、卫星微波遥感系统？（ 1）机载雷达系统（最早的成像雷达系）： AIRSAR （NASA/JPL ） ，CV-580（2）航天飞机雷达系统：SIR-A, SIR-B, SIR-C/X-SAR （3）星载 雷达系统： SEASAT, ERS, JERS, Radarsat 10简单介绍RADARSAT-2 卫星主要特点？（1）高分辨率模式 （最高为1 米） ：更精细的目标检测、 识别、可以获取最大信息（2）四极化模式（ HH+HV+VV+VH)：改进地物识别、变化监测及分类的能 力（ 3）近实时编程服务：可满足处理紧急情况，需要快速得到图像用户的需求（4）左右视功能：提 高了重访频率和监测效率（5）近实时交付能力：数据接收后2-4 小时可以交付产品，对突发事态处理 , r S,G 4/ / 总辐射功率 立体角最大功率 平均辐射强度 最大辐射强度 D ri r S S G , , 有较好的帮助。 （6）较强的星上存储能力：拥有305G 的星上存储能力，可获取世界任何地方的数据 1体分辨率 :空间分辨率 *灰度分辨率 空间分辨率 ：可区分的两个地物目标的最小距离 灰度分辨率 ：可分辨率出两个地物目标的最小灰度对比度 2侧视雷达图像的近距离压缩 航迹向比例尺：取决于胶片记录地物目标的卷片速度与平台航速之比。 距离向比例尺：在斜距显示的图像上不是常数，它与俯角成反比。 3透视收缩：山坡在斜距图像上显示坡长L ，而坡长为L，L RmRI ，这种图像形变叫叠演 图像叠掩的形成条件：入射角 90° 5体散射 ：当雷达波束穿透地物时，由于地物内物质的不均匀性，和不连续的空间位置分布，引起 体内散射的各向同性。 6侧视雷达系统的基本工作参数包括哪些内容？（1）雷达波长：地面粗糙度的衡量、波的穿透能力 （ 2）雷达的极化方式：不同的极化方式对应不同的地物回波响应（3）雷达波束的入射角：入射角不 同，回波效果不同（4）雷达波束的照射带宽：雷达波束照射带内对应不同的俯角（5）雷达图像的显 示方式：地距形式、斜距形式 7影响雷达图像色调的因素主要有哪些？（1）表面粗糙度的影响：粗糙表面在图像上的色调是亮色 调，稍粗糙表面的是灰色调，光滑表面的是暗色调。（2）复介电常数：复介电常数越高，反射雷达波 束的作用越强，穿透作用越小。（3）波长： 1.。波长影响地物表面有效粗糙度, 2 波长不同，目标物 质的衰减作用和复介电常数不同（4）入射角： 1 入射角影响目标表面有效粗糙度, 2 入射角变化，影 响平均散射系数（5）极化方式： 1 电磁波与地表相互作用时，会使电磁波的极化方向产生不同程度的 旋转。 2 当地表较光滑时，回波与极化有相关关系。3 产生交叉极化的过程称为去极化。（6）亚表面 粗糙度和体散射（7）角反射器效应 8何谓角反射器：当地物目标具有两个或三个相互垂直的光滑表面时，就是所谓的角反射器。 角反射器的效应： （1）使回波信号相互增强（2）两面角而言，出现亮线（3）三面交点出现亮点（4） 两面角时，当指向角90°时，回波最强（5）不同材料的角反射器效应不同 9按地物目标对雷达波束反应不同可将地物分为哪几类，分别解释并举例说明？ （ 1）分布型目标（面目标） ：由许多同一类型的物质或点组成。这些组成物质或点的位置分布是随机 的。只有表面足够粗糙又具有较大的面积的地物目标才是分布目标。（农田，林地） （2）点目标：指 比分辩单元小得多的地物目标，即是在一个像素所对应的地块内比较小的独立地物目标（大面积随 机分布的孤立地物） （3）硬目标：既不占有相当面积，又不限制在分辩单元之内的地物，其在图像上 往往表现为一系列亮点或一定形状的亮线。（桥梁，输电线） 10植被、土壤、海洋、冰雪各自的散射特性有哪些？ 植被 ： （1）同极化与交叉极化之间存在差异（2）曲线呈平行趋势，对入射角不敏感（3）含水量高时， 散射系数值增大（4）不同波长的散射系数差异明显（5）不同作物不同生长期内，散射特性不同 土壤 ： （1）入射角增大，土壤散射系数减小（2）粗糙度增加，曲线变平缓（3）不同粗糙度土壤散射 特性曲线都交于同一入射角。 海洋 ： （1）海面散射系数随入射角变化的曲线斜率与风速有关；（2）逆风向散射系数大于其他方向（ 3） 油污覆盖海面雷达图像呈黑色，海面杂物为亮点 冰雪 ： （1）冰面回波信号很弱，呈黑色（2）融化阶段，浮冰增加了水面粗糙度，雷达信号显著增强 （ 3）雪的回波信号往往夹杂有地物的回波信息（ 4）雪层含水量不同，雷达回波信号也不同（5）雪 层厚度对雷达回波具有不同影响（6）不同雷达波对雪的穿透程度不同，回波信号也不同 1雷达图像校准的目的？包括哪些具体内容？ 校准目的 :（1）改正雷达系统本身的衰变造成接收信号的误差；（2）改正由于环境干扰造成的信号混 杂或噪声带来的误差。最终使雷达图像所反映的信号最大程度上真实表现地物目标的回波强度。 具体内容：（1）内部校准（克服信号获得过程中的系统误差）（2）外部校准（解决回波量测过程 中的随机误差） 2雷达图像的定标？ 雷达图像定标：确定图像的灰度与标准雷达散射截面的关系 原理：确定地物目标回波功率与图像灰度值之间的传递函数 （ 1）同一幅雷达图像上两个不同目标（或区域）的雷达截面积（或后向散射系数）之间相对测量： 短时期相对定标：指的是数秒钟的时间尺度，通常是在同一景图像内，要求是目标之间后向散射系数 比值的正确性。 （2）不同幅雷达图像（不同地域、或不同时相、或不同雷达系统）之间雷达截面积或 后向散射系数的相对测量：长时期相对定标：长时期指数小时至数年，通常同一地域的不同时相、不 同地域或不同的任务，甚至不同的雷达系统获得的图像定标（3）雷达截面积或后向散射系数的绝对 测量 ：绝对定标：绝对定标要求的后向散射系数与实际目标的相一致。 3雷达图像模拟的概念及应用？ （ 1）概念：根据地面实际情况或其他资料，按照雷达图像的成像机理，用计算机产生一幅雷达图像， 或根据已有雷达图像产生不同频率、不同极化的另外一种雷达图像。 （ 2） 应用 1 雷达系统最优化方案的依据2 用于图像的几何纠正3 用于培训图像判读分析人员4 军 事上无人驾驶飞机的导航、制导5 用作地物目标散射特性与雷达图像定量关系的参照 1等效中心投影：假设在雷达天线工作的同时，有一架相机在天线位置处拍摄了与雷达影像平均比 例尺一致的一张像片。利用中心投影的构像基本公式 共线方程来表达像点、目标点和雷达天线中 心（投影中心）点三者之间的坐标关系。 2锚点校正法：预先在地形图上确定一个格网，格网的间距由地形情况确定，然后读取格网点上的 高程，建立DEM 。对格网点按构像方程计算图像坐标。然后再对网格内的点按一次多项式内插，内 插后得到校正后图像。 3引起侧视雷达图像的几何变形的因素有哪些？ （ 1）斜距投影变形（2）外方位元素变化的影响（3）地形起伏的影响（4）地球曲率的影响（5）大 气折射的影响（6）地球自转的影 4利用雷达模拟图像进行几何校正主要流程？ （ 1） 生成雷达图像的模拟图像（2） 选取控制点（3） 建立纠正多项式（4） 像元重采样，完成实 际图像的几何精校正 5基于等效中心投影的构像方程 侧视雷达的构像方程： )( )( )( )( )( 0 22 Z Y ffydy Z X fx rrp p 1单张雷达图像量测应注意的问题 （ 1）地形起伏较小的地区，可保证一定的量测精度（2）光点尺寸的补偿（3） 地距图像和斜距图 2斜距侧视雷达图像距离量测的一般步骤 3雷达干涉测量的三种工作方式 1重轨干涉测量：这种方式只需要一个天线，在尽可能短的时间内，在大致相同的轨道上，两次获 取同一地区的数据 2距离向干涉测量（交轨干涉测量）：飞行平台上同时装载两个天线，其中一个负责发射并接收雷达 波束，另一个只负责接收，这样基线固定，只要能确定平台位置，就可获得高质量的干涉测量数据和 高程计算结果。基线选择余地较小，一般航空平台上多采用这种方式。 3方位向干涉测量（顺轨交涉测量）：两个天线安置的位置是一前一后的，在这种工作模式之下，地 物点的相位差是由观测期间地物点的相对运动引起的 4雷达干涉测量主要包括哪些步骤？ （ 1）数据配准1即确保用于计算干涉相位的两幅图像的点必须对应同一地面点2这步工作中主要 包括：生成影像，去除噪声，影像显示，重叠区的确定和数据配准 （ 2）干涉条纹图的生成1数据精确配准后，即可计算每一个同名点上的相位差2并将结果在屏幕 上灰度化显示出来，这时显示图像为干涉条纹图（干涉图）3干涉图质量的质量估计由相干系数作 为依据（相干系数越大，质量越好） （ 3） 相位解缠1 将相位由主值或相位差值恢复为真实值的过程（实质是计算相位差整周数部分）2 相 位解缠包括两个步骤（1）基于缠绕相位计算解缠相位的相位梯度估算值（2）积分 3相位解缠根据 采用的积分方法分为两类：（ 1）路径跟踪法（把可能的误差传递限制在噪声区内，选择合适的积分路 径隔绝噪声区，阻止误差全程传递）（2）最小范数法（转为最小范数问题，常用最小二乘法，逼近 水平方向和垂直方向的相位差，进行相位估计） （ 4）数字高程模型的重建：1相位解缠后，就可计算每个像元的高程值，得到一个地面高程数据集 合 2但有两问题： （1）点间的地面距离不等间隔（2）整个数据集合是一个矩阵状数据集合，与具 有地学编码的高程数据集合DEM 有差异 5干涉图的平地效应： “平地效应“指高度不变的平地在干涉图中所表现出来的干涉条纹随距离向和 方位向的变化而呈周期性变化的现象 常见“平地效应”消除的方法（1）基于轨道参数和成像区域中心点的大地经纬度-计算平地效应（2） 基于的已知的DEM 数据 -计算平地效应（3）通过测量距离向和方位向的占优势的干涉条纹频率-计算 平地相位 -消除平地效应 6试述干涉测量的主要应用（简答）（1）地形制图：1.区域地形测绘2.地形图镶嵌3.DEM 建立 （ 2）地球表面的形变场探测1.地震研究2.火山研究3.冰川研究4.细微的地形变化（3）海洋研 究：主要用于海洋表面监测 7试述雷达遥感图像的主要应用一、测绘方面的应用主要是SAR 图像在制图方面的应用。二、农业 方面的应用农作物的识别农作物的长势分析土壤湿度分析农作物估产。三、林业方面的应用识 别林种森林灾害森林储蓄量估测。四、水文雷达图像能清晰显示水陆边界、微地形和人工目标， 还能提供植被分布、土壤湿度和地表粗糙状况的信息。雷达测得的后向散射系数与地物介电常数有关， 因而可以从雷达图像中提取水分信息。雷达图像还可以用于冰川方面的研究。五、地质矿产雷达成 像的立体效应增强了地形信息。六、城市与考古。七、海洋海浪八、SAR 土地应用分析 )()()()( )()()()( )()()()( 332313 322212 312111 SPSPSP SPSPSP SPSPSP ZZaYYaXXaZ ZZaYYaXXaY ZZaYYaXXaX