遥感地质学课件：专题-微波遥感.ppt

1、微 波 遥 感微波遥感分类微波遥感分类被动微波遥感、主动微波遥感被动微波遥感、主动微波遥感 被动微波遥感被动微波遥感 信号来源：系统自身不发射微波波束，只是接收目标物发射或散射的微波辐射（用亮温表示）。 典型传感器：传感器一般为微波辐射计，辐射精度目前约1K，空间分辨率一般都在公里级(卫星遥感)或米级(航空遥感) 。微波遥感分类微波遥感分类 主动微波遥感主动微波遥感 信号来源：系统自身发射微波辐射，并接收从目标反射或散射回来的电磁波。 构成：一部发射机，一部接收机，通常共用一幅天线。 典型传感器：高度计、散射计和成像雷达。高度计和散射计的空间分辨率较粗。雷达（雷达（Radar Radio De

2、tection and Ranging）微波遥感波段微波遥感波段微波遥感波段：300MHz到300GHz（波长从1mm到1m）被无线电界划分为：甚高频(VHF)、特高频（UHF）、超高频（SHF）和极高频（EHF）。微波遥感波段微波遥感波段波段名称频率区间（GHz)波段名称频率区间（GHz)P0.2250.390K10.9036.0L0.3901.550Q36.046.0S1.5504.20V46.056.0C4.205.75W56.0100X5.7510.90微波遥感波段微波遥感波段 地球资源应用中的常用波段：X, C，L 波长增加，穿透能力增加。 在晴朗天气状况下，大气对于波长小于30mm

3、的微波略有衰减。随波长减小，衰减增大。 波长小于10mm时，暴雨呈现强反射（用到了机载天气探测雷达系统）微波遥感波段微波遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。 C 波段可以用来对海洋及海冰进行成像，而L波段可以更深地穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用。较长的波长可以穿透的更深，在冠层、树干及土壤间发生多次散射。微波遥感极化微波遥感极化极化：电波的振动仅在单一平面水平极化：电场振动方向平行于水平面（“H”极化）垂直极化：电场振动方向垂直于水平面（“V”极化）微波遥感极化微波遥感极化HH or VV imagery are referred to as like

4、-polarised; HV or VH are cross-polarised. 与地表发生作用后，极化状态可能改变。 背向散射通常为两种极化的混合。 传感器可以设计成只探测H或V极化的背向散射。 依据发射的及接收的极化的差别，可以有四种组合：HH、VV、HV、VH地物的微波辐射地物的微波辐射 地物的微波发射地物的微波发射 热扫描波段8-14m300K黑体辐射曲线1m10m100m 1000m1000mm被动微波光谱辐射波长（）地物的微波辐射地物的微波辐射传感器所接收的被动微波信号由很多来源的信号（发射的、反射的和透射的）所组成1 1 目标的发射目标的发射; 2 ; 2 大气的发射大气的发射

5、; 3 ; 3 地表的反射地表的反射 4 4 从地表下的透射从地表下的透射4132被动微波传感器地物的微波辐射地物的微波辐射特点：辐射源多且微弱，需要很大面积的地表来提供能量，图像细节少； 来自地面的信号受大气干扰小；不同物体的微波发射率差别往往比红外波段发射率差别大（如海水的微波发射率一般为0.4，陆地的微波发射率为0.8 ）依据微波辐射鉴别地物波长范围： 0.15 30 cm频率范围：1200GHz中心频率： 1, 4, 6, 10, 18, 21, 37, 55, 90, 157, 183 GHz 地物的微波辐射地物的微波辐射应用应用：植被植被与空地想比，植被表面的发射较低。而且当植被覆

6、盖度增加时，微波辐射的水平极化和垂直极化的差别减小。评估植被覆盖度。海洋海洋水的微波辐射通常比较低，发射率随温度及盐分变化。监测海冰，估计海温。土壤湿度土壤湿度液态水吸收微波辐射。因此，湿润的土壤的微波辐射主要来自表面薄层。对于干燥的土壤，微波辐射可以来自10倍波长甚至100倍波长深的地里。对于雪和冰，微波可以透过，我们可以获得被雪或冰覆盖的地物的信息。地物的微波辐射地物的微波辐射北极地区海冰图。左图：冬季；右图：夏季利用被动微波遥感海冰地物的微波辐射地物的微波辐射利用被动微波估计陆地及海洋亮温美国南部陆地及墨西哥湾海水温度地物对微波的反射地物对微波的反射 散射镜面反射角反射地物对微波的反射地

7、物对微波的反射 地物对微波的反射地物对微波的反射对于长波雷达，地表较光滑，背向散射小。同样的地表对于短波雷达就显粗糙，在雷达图像中由于背向散射强而显得亮。 微波散射与表面粗糙程度的关系地物对微波的反射地物对微波的反射 微波散射与入射角的关系入射角：雷达入射波束与地表法线的夹角入射角：雷达入射波束与地表法线的夹角ERS SAR 数据的入射角是 23o，适合探测海洋波浪及其他海洋表面特征。大的入射角可以增加林地及空地的对比度。同一地区不同的入射角可以形成立体图像。 地物对微波的反射地物对微波的反射 微波散射与入射角的关系地物对微波的反射地物对微波的反射 微波散射与地物的介电常数的关系微波散射与地物

8、的介电常数的关系 介电常数：描述材料的电性质（电容、传导率、反射率）。通常定义为物体电容与真空电容之比。 自然界一般物体在干燥时，其介电常数在38之间，而水的介电常数接近80。 岩石的介电常数差别很小，很难依据介电常数来区别不同的类型。 介电常数增加，反射增加。 土壤含水越多，反射越强。 金属物体有很大导电率，故雷达回波信号也很强。地物对微波的反射地物对微波的反射冠层的背向散射与下列因素有关: 散射几何 (specular-diffuse) 散射体尺寸分布 冠层下表面反射率 叶面积 (density of scattering elements per unit volume) 极化 (垂直极

9、化的背向散射较强) 行结构及方位冠层背向散射与极化的关系（ L-band at 1.5 GHz, C-band at 5 GHz, X-band at 10.5 GHz）地物对微波的反射地物对微波的反射土壤的背向散射与下列因素有关: 散射几何 (specular-diffuse) 雷达俯角（多数土壤近镜面反射） 与土壤含水量正相关不同土壤湿度时背向散射的变化地物对微波的反射地物对微波的反射液体水的背向散射: 水的介电常数依赖于： 温度波长大于 10-15cm时,0摄氏度时的介电常数大于20度。 波长波长小于10-15cm时, 介电常数迅速减小 盐分 波长大于3-5cm 时，纯的 H20比海水的

10、介电常数更大雷达是倾斜照射，水面平静时，背向散射很小，雷达图像上通常很黑。但当波浪的尺度足够大时，图像也可以探测到。地物对微波的反射地物对微波的反射冰的背向散射: 冰的介电常数很低 (e.g. 2.5-6.0) 海冰的介电常数与盐分含量直接相关 (greater salinity = greater dielectric constant) 海冰的介电常数与温度直接相关 (higher temperatures associated with greater dielectric constants) 淡水冰的介电常数非常低，容易被雷达穿透可以识别冰下物质 (water vs regolith

11、) 可以探测冰川内部结构地物对微波的反射地物对微波的反射雪的背向散射: 干雪的背向散射比湿雪更大 波长较短时，雪的背向散射大，长波的背向散射小。 L波段基本看不到雪。 对于干雪, 雪水当量与背向散射有强的正相关。利用雷达制作雪水当量图必须选在夜晚 (since it is wet during the day) 地物对微波的反射地物对微波的反射总的来说，背向散射需考虑以下因素: Physical factors such as the dielectric constant of the surface materials which also depends strongly on the

12、moisture content; Geometric factors such as surface roughness, slopes, orientation of the objects relative to the radar beam direction; The types of landcover (soil, vegetation or man-made objects). Microwave frequency, polarisation and incidence angle. 微波对物体的透射微波对物体的透射微波辐射透入物体的深度，可表示为：bc2c真空中的光速；b物

13、体的导电率；物体的导磁率；电磁波的圆频率，=2f 。 金属有良好的导电性能，微波的穿透系数等于0。 冰和雪是不良导体，因此微波能穿透冰和雪的覆盖，以探测冰、雪覆盖下的地面情况。 水的介电常数大，微波很难透射。微波遥感器微波遥感器 Microwave radiometer: 测量微波区域地球的热辐射。强度与目标的温度与发射率、反射率及透射率有关。 波长较短。由于能量较低，图像相对noisy ，空间分辨率低，解译复杂。 可以测量视场中大气总的含水量，进行海冰制图，估算其他海洋参数（比如表面风及降雨速率）Radar altimeter 非成像雷达 垂直入射及接收 高度可以从发射及接收脉冲的时间延迟来

14、推断微波遥感器微波遥感器Microwave scatterometer 非成像 测量背向散射 在两个或更多方向扫描地表（usually by multiple sensors） 主要应用为测量海洋表面的风矢量 (that is, speed and direction) 。基本原理是海洋表面粗糙度的变化由风引起。 虽然不能成像，但也可以在很大的尺度上重建全球的风速图。微波遥感器微波遥感器成像雷达（真实孔径雷达成像雷达（真实孔径雷达RAR；合成孔径雷达；合成孔径雷达SAR） 一般结构发射机转换开关天线接收机记录显示器脉冲发生器脉冲回波发射脉冲微波遥感器微波遥感器(1) 脉冲发生器产生微波脉冲 (

15、2) 发射机(3) 双向通讯器（转换开关）(4) 方向天线把脉冲聚焦成一束(5) 返回的脉冲被天线接收，发送到接收器，进行转换、放大为视频信号。(6) 数字式记录或实时显示 过程微波遥感器微波遥感器 分辨率(1) 距离分辨率在垂直于飞行方向上对目标物的分辨能力（所能分辨的目标间最小距离）。 由脉冲宽度（脉冲持续时间）决定。微波遥感器微波遥感器地距分辨率Rg斜距分辨率Rsqd: Depression angleq1: off-nadir angleRs: slant-range resolution2CRsRg: ground-range resolutiondgCRqcos2C: speed

16、of light: pulse widthR: slant-range脉冲宽度，则在一个脉冲宽度内，电磁波往返距离: 2Rs = C微波遥感器微波遥感器距离分辨率的物理含义：脉冲时间为t, 两个不同距离的目标产生两个回波，要使两个回波不完全重叠，才能分清是哪一个回来的信号，必须有 2Dr/C 距离分辨率与距离无关。 若要提高距离分辨率，需要减小脉冲宽度。 脉冲宽度小，则S/N降低，需加大发射功率，造成设备庞大，费用昂贵。 目前一般采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率。微波遥感器微波遥感器脉冲压缩技术（Pulse compression/ De-chirping）对宽脉冲进行线性调频调制（啁啾Chi

17、rp），随时间的变化频率增加。接收时采用匹配滤波器对先收到的低频信号进行延迟，实现叠加增强，但脉冲宽度降低。来自两个相邻目标的回波可能重叠，但重叠区中两个回波在某一时刻的频率不同，也可以被分开。微波遥感器微波遥感器（2）方位分辨率由波束宽度与目标的距离决定。波束宽度由天线大小及波长决定。微波遥感器微波遥感器方位分辨率与天线大小、波长、距离有关，要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离。这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制。目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨率。微波遥感器微波遥感器合成孔径雷达合成孔径雷达(Synthetic Aperture

18、 Radar - SAR)特点：在距离向上，采用脉冲压缩(与真实孔径雷达相同)在方位上，采用合成孔径原理合成孔径基于多普勒效应Doppler effect:当目标与观测者之间有相对运动时，观测者接收到的频率与波源发出的频率不同，二者之差为多普勒频移。互相接近时，频率增加，远离时频率减少。q波源qcosCVffffdVV C微波遥感器微波遥感器合成孔径原理方位压缩微波遥感器微波遥感器实际波束宽度： b = / D实际分辨率： DL = bR = Ls (合成孔径长度)合成波束宽度： bs = / 2Ls = D/2R合成分辨率： DLs = bs R = D/2微波遥感器微波遥感器 合成孔径雷达

19、的方位分辨率与距离远近无关，因此可以用于高轨道卫星； 分辨率的大小为小天线的一半，这将提供很高的分辨率。 天线不能太小，因为合成孔径技术的基本原理是：小天线+信号处理=大天线缩小天线带来的一切技术问题都由星上的信号处理系统去解决，这对于星载的信号处理设备要求是很高的，使之技术复杂化。 微波遥感平台微波遥感平台典型的微波遥感平台：卫星：SAR sensors have been used on a number of satellites, (Seasat, ERS-1/2, JERS-1, RADARSAT)航天飞机：SIR-A, SIR-B, SIR-C/X-SAR微波遥感平台微波遥感平台E

20、RS European Remote Sensing Satellite, European Space Agency微波遥感平台微波遥感平台 ERS-1 was launched in July 1991 and ERS-2 in April 1995. ERS-1 uses a SAR instrument to acquire images of ocean, ice and land regardless of cloud and sunlight conditions. Other microwave instruments measure sea state, sea surfac

21、e winds, ocean circulation, sea and ice levels, as well as the seas surface temperature. Near polar sun-synchronous orbit Primarily oriented towards ocean and ice monitoring, but with an all-weather high resolution microwave imaging capability over land and coastal zones. 微波遥感平台微波遥感平台 ERS-2 is pract

22、ically identical to ERS-1, with the addition of the GOME sensor for global ozone monitoring. The orbits of ERS-1 and 2 are such that ERS-2 follows the same ground track as ERS-1, except for a 1-day delay. This provides an opportunity to obtain tandem interferometric data of an area using the SAR on

23、the two satellites. The tandem data has better coherence property than the data obtained from 35-day repeat passes of a single satellite. Currently, only ERS-2 remains in active operation. 微波遥感平台微波遥感平台ERS-1,2 OrbitTypeSun-SynchronousAltitude782 kmInclination98.5 degPeriod100 minRepeat Cycle 35 days微

24、波遥感平台微波遥感平台ERS SAR Instrument CharacteristicsFrequency5.3 GHz (C band)PolarisationLinear VVBandwidth15.55 MHzPeak power4.8 kWAntennae size10 m x 1 mIncidence angle 23o nominalSwath width100 kmResolution30 m (azimuth), 26.3 m (range)微波遥感平台微波遥感平台RADARSAT RADARSAT, Canada微波遥感平台微波遥感平台RADARSAT is a Canad

25、ian satellite operated by the Canadian Space Agency (CSA)/Canadian Center for Remote Sensing (CCRS) for gathering global data on ice conditions, crops, forests, oceans and geology. The satellite was launched in November 1995, with the launch service provided by NASA, USA. Using a single frequency (C

26、-Band), the RADARSAT SAR has the unique ability to shape and steer its radar beam over a 500 kilometre range. Users can have access to a variety of beam selections that can image swath from 35 kilometres to 500 kilometres with resolutions from 10 metres to 100 metres respectively. Incidence angles r

27、ange from less than 20 degrees to more than 50 degrees. 微波遥感平台微波遥感平台RADARSAT OrbitTypeSun-SynchronousAltitude798 kmInclination98.6 degPeriod100.7 minRepeat Cycle 24 days微波遥感平台微波遥感平台Sensor SAR (Synthetic Aperture Radar): The SAR is able to operate in several beam modes: Standard: Seven beam modes wit

28、h incidence angle ranging from 20 to 49 deg nominal, 100 km swath width and 25 m resolution. Wide: Three beam modes with varying incidence angles, 150 km swath width. Fine: Five beam modes with 50 km swath width and resolution better than 10 m. Scansar: Wide swath width (300 - 500 km) with a coarser

29、 resolution of 50 to 100 m. Extended mode. 微波遥感平台微波遥感平台RADARSAT Operating Modes微波遥感平台微波遥感平台MODEResolution (m)Range x azimuth (m)LOOKSWIDTH(km)INCIDENCE ANGLE (degrees)Standard25 x 28410020-49Wide - 148-30 x 28416520 - 31Wide - 232-25 x 28415031 - 39Fine resolution11-9 x 914537 - 48ScanSAR narrow50 x

30、 502 - 430520 - 40ScanSAR wide100 x 1004 - 851020 - 49Extended (H)22-19 x 2847550 - 60Extended (L)63-28 x 28417010 - 23RADARSAT Operating Modes微波遥感平台微波遥感平台Frequency/wavelength 5.3 GHz (C band)/ 5.6 cmPolarisationLinear HHBandwidth11.6, 17.3 or 30.0 MHzPeak power5 kWAntennae size15 m x 1.5 mIncidence

31、 angleMode dependentResolutionMode dependentRADARSAT SAR Instrument Characteristics微波遥感平台微波遥感平台JERS-1 JERS-1 (Japanese Earth Resource Satellite), Japan JERS-1 was launched in February 1992 by NASDA (Japanese Space Agency). This satellite carries a L-band SAR and an optical sensor for generation of g

32、lobal data set in order to survey resources and to establish an integrated Earth observation system. 微波遥感平台微波遥感平台JERS-1 OrbitTypeSun-SynchronousAltitude568 kmInclination97.7 degPeriod96 minRepeat Cycle 44 days微波遥感平台微波遥感平台Sensors SAR (Synthetic Aperture Radar) OPS (Optical Sensor) JERS-1 SAR Instrume

33、nt CharacteristicsFrequency1.275 GHz (L band)PolarisationLinear HHBandwidth15.55 MHzIncidence angle 35o nominalSwath width75 kmResolution18 m (azimuth, 3 looks), 18 m (range)微波遥感平台微波遥感平台SEASATUSA Seasat was the first Earth-orbiting satellite designed for remote sensing of the Earths oceans and had o

34、nboard the first spaceborne synthetic aperture radar (SAR). Seasat was managed by JPL and was launched on June 28, 1978 into a nearly circular 800 km orbit with an inclination of 108 degrees. Fourteen Earth orbits were completed each day. The Seasat SAR operated for 105 days until October 10, 1978,

35、when a massive short circuit in the satellite electrical system ended the mission.微波遥感平台微波遥感平台Satellite Altitude800 kmRadar Frequency1.275 GHz (L-band)Radar Wavelength23.5 cmSystem Bandwidth19 MHzTheoretical Resolution on the Surface25 m (azimuth) x 25 m (range)Number of Looks4Swath Width100 kmAnten

36、na Dimensions10.74 m x 2.16 mAntenna Look Angle20 degrees from verticalIncidence angle on the surface23 degrees 3 degrees across the swathPolarizationHorizontal transmit, Horizontal receive (HH) Transmitted Pulse Length33.4 microsecondsPulse repetition frequency (PRF) 1463-1640 HzTransmitted peak po

37、wer1.0 kWData recorder bit rate (on the ground)110 Mbits/s (5 bits/word)Seasat 参数雷达图像的特点雷达图像的特点 目标物反射的回波强则影像呈浅色调，反射的回波弱则呈深色调。因此影像色调深浅与地物反射回波的强弱有关。 但地物对微波的反射能量大小又与地物本身的导电率、表面粗糙度、入射波的角度以及极化波长等因素有关。 入射角太小，距离分辨率低，入射角太大则镜面反射强，故目前大多采用1050度入射。雷达图像特点雷达图像特点TIME(Near Range)(Far Range)RETURN INTENSITYIMAGETONE

38、RADARSIGNATURETERRAINFEATURESPECULAR(SMOOTH)SURFACECORNERREFLECTORSDIFFUSESURFACESHADOWHIGHLIGHTRANGE (LOOK)DIRECTIONAZIMUTH (FLIGHT)DIRECTIONDEPRESSIONANGLETRANSMITTEDPULSE雷达图像的特点雷达图像的特点 雷达图像的变形：像片上呈正方形的田块，在雷达图像上往往被压缩成菱形或长方形。雷达阴影：雷达阴影：有地形起伏时，背向雷达的斜坡往往照不到，有地形起伏时，背向雷达的斜坡往往照不到，产生阴影。产生阴影。因为雷达图像是根据天线对目标

39、物的射程远近记录在图像上的，故近射程的地面部分在图像上被压缩，而远射程的地面部分则伸长。透视收缩透视收缩(Foreshortening ): 有地形起伏时，面向雷达一侧的斜坡在图像上被压缩，而另一侧则延长。由于透视收缩，导致前坡的能量集中，显得比后坡亮。顶底位移顶底位移(Layover)：观测角度进一步减小时，斜坡顶部反射的信号比底部反射的信号提前到达雷达。在图像上显示顶部与底部颠倒。雷达图像的特点雷达图像的特点雷达阴影透视收缩及顶底位移雷达图像特点雷达图像特点雷达图像上显示的透视收缩雷达图像特点雷达图像特点雷达图像解译雷达图像解译从下图中判断第一年的冰和多年的冰：第一年的冰通常薄且光滑，反射

40、大部份雷达波。第一年的冰通常薄且光滑，反射大部份雷达波。多年的冰经过断裂及再结冰，表面粗糙，背向散射强。多年的冰经过断裂及再结冰，表面粗糙，背向散射强。雷达图像解译雷达图像解译One property of radar pulses gave rise to an extraordinary image acquired from SIR-A in November, 1981. The color scene below is a Landsat subimage of the Selma Sand Sheet in the Sahara Desert within northwestern

41、 Sudan.干沙的介电常数比较低，雷达穿透深（约10英尺）。雷达条带显示了沙下的地形。雷达图像解译雷达图像解译ERS SAR image (pixel size=12.5 m)城区的图像很亮（角散射），植被的色调中等（体散射），空地及水面色调很暗（镜面反射）雷达图像解译雷达图像解译SPOT Multispectral image in Natural Colour(pixel size=20 m)雷达图像解译雷达图像解译This SAR image shows an area of the sea near a busy port. Many ships can be seen as bri

42、ght spots in this image due to corner reflection. The sea is calm, and hence the ships can be easily detected against the dark background.雷达图像解译雷达图像解译Dry Soil: Some of the incident radar energy is able to penetrate into the soil surface, resulting in less backscattered intensity.Wet Soil: The large

43、difference in electrical properties between water and air results in higher backscattered radar intensity.Flooded Soil: Radar is specularly reflected off the water surface, resulting in low backscattered intensity. The flooded area appears dark in the SAR image.微波遥感应用微波遥感应用利用雷达立体像对及干涉原理构建DEM微波遥感应用微波遥感应用微波遥感应用微波遥感应用进一步与光学遥感图像结合微波遥感应用微波遥感应用变化检测微波遥感应用微波遥感应用监测热带雨林监测热带雨林Multiseasonal ERS-1 SAR image (May 92, Dec. 92, April 92 in R,G,B).