微波遥感图像特征课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 遥感成像原理与遥感图像特征,3.1,遥感平台,3.2,摄影成像,3.3,扫描成像,3.4,微波遥感与成像,3.5,遥感图像的特征,安装好,envi,微波,波长范围,1mm,到,1m,，可进一步划分为若干不同频率,(,波长,),的波段：,P,波段：,0.3-1GHz (30-100 cm) Previous,L,波段：,1-2GHz (15-30 cm),Long,S,波段：,2-4GHz (7.5-15 cm) Short,C,波段：,4-8GHz (3.75-7.5 cm),Compromise,X,波段：,8-12.5GHz (2.42-3.75 cm),Ka,波段：,12.5-18Ghz (1.67-2.42 cm) K,under,频率,K,波段：,18-26.5Ghz (1.13-1.67 cm) Kurtz,Ku,波段：,26.5-40Ghz (0.75-1.13 cm) K,above,一,.,微波遥感的特点,概念：微波遥感是指通过,微波传感器,获取从目标地物,发射或反射,的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。,为什么需要微波遥感？,地球上经常有,40%-60%,的地区被云层覆盖着，尤其是占地球面积五分之三的海洋上，气候条件变化更大，经常被云层遮蔽。,一,.,微波遥感的特点,特点：,1.,能全天候、全天时工作,2.,对某些地物具有特殊的波谱特征,3.,对冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力,4.,对海洋遥感具有特殊意义,5.,分辨率较低，但特性明显,1.,可以全天候全天时工作。,微波的波长较可见可和红外线大,几乎不受云雾的散射影响。,一,.,微波遥感的特点,10:30am 14:30pm 22:30pm,光学,雷达,2.,某些地物的微波波谱差异大（针对被动微波遥感），,特别是很好区分水和冰,(,在微波波段两者的比辐射率悬殊，分别为,0.4,和,0.99),。,红外波段，水的比辐射率为,0.96,，冰的比辐射率为,0.92,。,一,.,微波遥感的特点,冬季,夏季,3.,对冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力,趋肤深度,：电磁波衰减,(,振幅减小,)1/,e,倍,(,约,37%),的穿透深度。,微波对地物的穿透力与地物的介电常数成反比，与波长成正比。,波长越长，穿透力越强。,（,2m,纯雪, X,波段,(,15cm),可探测地表）,介电常数比较高的物体（金属，含水量高的物体），穿透力弱。,一,.,微波遥感的特点,热带雨林地区的地貌特征,SIR-C,卫星获得的,SAR-L(,合成孔径雷达,),影像,微波对松散的沙土有一定的穿透能力，波长越长，,穿透能力越强；地物湿度越小，穿透越深。,100,1.0,10,0.1,0.01,0.1,0.2,0.3,0.4,穿透深度,(m),土壤湿度,(grams cm,-2,),1.3,GHz,4.0,GHz,10.0GHz,沙土,沃土,粘土,MSS+SIR-A,沙哈拉,1981.11,苏丹西北撒哈拉沙漠,松散沉积物（沙、砂砾等），介电常数较基岩小，故穿深能力较基岩大，一般可穿透地表下数厘米至数米。,一,.,微波遥感的特点,4.,对海洋遥感具有特殊意义,雷达的后向散射强度和粗糙度关系很大，海洋中，海面受风浪影响起伏多变，粗糙随之变化，导致微波的后向散射系数也随之变化，微波遥感可以探测海面风浪以及海洋环流的情况。,海洋内波,一,.,微波遥感的特点,5.,分辨率较低，但特性明显,由于波长较长，衍射现象显著，故分辨率较低；,观测精度和取样速度不好协调；,微波的能量较弱，但特性明显；,微波遥感分类：,主动微波遥感、被动微波遥感,1.,主动微波遥感,信号来源：,系统自身发射微波辐射，并接收从目标后向散射回来的电磁波。,主要传感器：,雷达，,高度计、散射计。,二,.,微波遥感方式和传感器,2.,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的微波辐射（用亮温表示）。,典型传感器：,微波辐射计：,被动接收目标地物微波辐射的传感器，,主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像。,二,.,微波遥感方式和传感器,FY-3,微波辐射计,大气温度,、,水汽廓线,，,大气降雨,、,大气可降水量,、,云中液态水含量,；,反演海面风场,(,风速、风向,),、,台风,、,海冰的监侧,；,获取,陆地面温度,、,土壤湿度,、,积雪深度与水当量,、,干旱,、,洪涝,、,沙漠,，,陆地水文与地理环境,、,植被生物量,、,农作物生长评估,二,.,微波遥感方式和传感器,1.,主动微波遥感,微波主动遥感：微波散射计，雷达高度计，,雷达,（,1,）雷达,雷达,（,Radar Radio Detection and Ranging,）意为无线电波探测物体并测定物体距离。,应用波段,：微波（主要），红外，激光；,类型：,非成像雷达，,成像雷达,二,.,微波遥感方式和传感器,雷达一般结构：,雷达测距：,电磁波在空间中的传播速度,c,是一定的,当雷达在时间,t1,发射出一个窄脉冲,被目标反射后,在时间,t2,返回,则目标地物的距离为,:,二,.,微波遥感方式和传感器,R=(t2-t1)*c/2,二,.,微波遥感方式和传感器,雷达测速度：,多普勒效应,指由观察者和辐射源（或目标与传感器）的相对运动，所引起的电磁发射频率与回波频率的变化。,其变化量与物理运动,速度成正比,，根据多普勒效应可以测定运动目标物体。,二,.,微波遥感方式和传感器,雷达探测目标其他方面的信息：地物对微波反射能力的强弱反映自身的性质和形状。,TM432,SIR-C(L),渤海湾蓟运河河口一带,二,.,微波遥感方式和传感器,地物对微波散射能力的影响因素：,1,）介电常数,2,）地表粗糙度,3),波长,4,）微波遥感极化方式,其他因素（俯角、地表几何特征等）,二,.,微波遥感方式和传感器,1,）介电常数,：反映物体电学性质，由物质组成和温度决定。,直接影响到物体对电磁波的反射。,介电常数越大，回波越强，雷达图像上的色调越浅。,一般干燥物体，介电常数在,3-8,之间；,水的介电常数接近,80,。,随着物体含水量的增加，其介电常数几乎线性增加，会产生,20-80,的变化；,岩石的介电常数差别很小；,金属物体有很大导电率，介电常数很大，故雷达回波信号也很强；,旱季,雨季,散射,镜面反射,角反射,地物对微波的反射,二,.,微波遥感方式和传感器,2,）地表粗糙度对回波强度有明显影响。,中等强度回波,无回波,强回波,地表粗糙度（,H,）往往是相对波长,(),而言的。,H ,粗糙表面,二,.,微波遥感方式和传感器,3),波长,波长越短反射能力越强。,ERS-1 C-band,JERS-1 L-band,4,）极化方式：,极化：,表示电磁波电场振动方向的变化。,二,.,微波遥感方式和传感器,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）,依据发射的及接收的极化的差别，可以有四种组合。,二,.,微波遥感方式和传感器,不同极化方式使目标对电磁波产生不同的响应，使雷达回波强度不同。,得到的图像有差异，可以更全面的反映目标的特性和结构，提高识别的精度,VH,HH,VV,HV,（,2,）侧视雷达：,在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面,发射很,窄,的脉冲，然后接收从目标物返回的后向散射波；,二,.,微波遥感方式和传感器,近程目标先回波，远程目标后回波；,随着飞行器前进,不断地发射这种脉冲波束,又不断地接收回波,这样逐行扫描，形成一幅二维的雷达图像。,回波强弱因地物而异，按时间序列记录下来。,距离（,Range,）与方位（,Azimuth,）,雷达天线随飞行器前进，发出的波束依次向前扫描（方位向,-E,）；天线发出的能量短脉冲指向飞行器的一侧扫描（距离向,-D,）。,地面分辨率：距离分辨率,方位分辨率,1),距离分辨率,：,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）和,俯角,决定。,二,.,微波遥感方式和传感器,二,.,微波遥感方式和传感器,距离向分辨率包括斜距和地距,斜距的距离分辨率理论上等于脉冲宽度的一半。,设俯角,50,脉冲宽度,0.1s,，则距,离分辨力,P,g,= 0.5,0.1,10,-6,(s) 2.998 10,8,(m/s)/cos 50,= 0.5 0.1 2.998 / 0.642788 100 = 23.2m,用同样的方法可以计算出当俯角为,35,度时，距离分辨率为,18,米。,距离分辨率随,脉冲宽度,和,俯角,变化：,脉冲宽度越小（一次探测到的地面单元长度越短），分辨率越高。,俯角越大，可分辨的距离越大，分辨率越小。近程分辨率比远程低。,二,.,微波遥感方式和传感器,Pa,指沿航向上可以分辨的两点间的最小距离。,要区分两个目标，必须要求两个目标不在同一波束内,。,近距离点比远距离点方位上的分辨率强,；,2,）方位分辨率,Pa,（,Azimuth Resolution,）,方位分辨率,Pa,取决于雷达波束照射的地面带宽的角宽度，即波束宽度,和斜距,R.,对于真实孔径雷达：,波长变短方位分辨率提高,孔径变大方位分辨率提高,距离变大方位分辨率降低,二,.,微波遥感方式和传感器,例,:,设卫星天线孔径,D=4m,波长,=3cm,距目标地物,200km,则方位分辨力,P,a = 3,10,-2,(m)/4(m),200,10,3,(m) =1500m,若要求方位分辨率达到,3m,则天线孔径需,2000m,。,提高方位分辨率的方法：,用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。,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。,（,3,）合成孔径雷达（,SAR,，,Synthetic Aperture Radar,）,基本原理：,利用短的雷达天线，在飞机的匀速前进运动过程中，在沿飞行航迹方向上形成一个虚拟的天线阵列；,以一定的时间间隔发射脉冲信号，天线在不同的位置接收回波信号，对这些回波信号进行处理，结果类似于用一个很大的,合成,天线得到的信号。,这个方法相当于,组成一个比实际天线大得多的合成天线,.,合成后的天线孔径为,Ls,则其方位分辨率为,: Ps=(/ Ls)R,（,1,）,合成孔径（,Ls,）,=,真实天线的方位分辨率,(Pa),Ls=Pa=(/D)R,代入（,1,）式,则有,Ps=D,由于双程相移,方位分辨率还可提高一倍,即,Ps=D/2,由此可知，合成孔径雷达方位向的分辨率与距离无关，所以，即使从卫星的高度上也可以获得高分辨率的图像。,第三章 遥感成像原理与遥感图像特征,3.1,遥感平台,3.2,摄影成像,3.3,扫描成像,3.4,微波遥感与成像,3.5,遥感图像的特征,遥感影像的特征,1.,图像的几何特征：目标地物的大小、形状及空间分布特点,（空间分辨率）；,2.,物理特征：目标地物的属性特点,（辐射分辨率）；,3.,时间特征：目标地物的变化动态特点,（时间分辨率）。,这三方面特征的表现参数为：,空间分辨率,光谱分辨率,辐射分辨率,时间分辨率,一,.,遥感图像的空间分辨率,（,spatial resolution,）,空间分辨率：,指遥感图像上可以区分的最小单元的尺寸或大小。,三种表示法：,（,1,）像元,（,pixel,），,扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小,。 单位为米（,m,）。,扫描影像,。,（,2,）瞬时视场,（,IFOV,）,单个探测单元的受光角度或观测视野，单位为毫弧度（,mrad,）。,（,3,）线对数,（,line pairs,）,对于,摄影系统,而言，摄影最小单元的确定往往通过,1,毫米间隔内包含的线对数表示，单位为线对,/,毫米。,一,.,遥感图像的空间分辨率,摄影成像,地面分辨率,Rg,，单位线对,/m,，取决于系统分辨率、焦距以及航高,。,地面分辨率的计算：,Rs,：系统分辨率，单位线对,/mm,H,：航高，单位,m,f,： 焦距，单位,mm,实际空间分辨率为,Rg/2.,1m,不同空间分辨率的图像,1,米,10,米,30,米,分辨率越高，目标越清楚,一般而言：遥感系统的空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。,实际上：每一目标在图像上的可分辨程度，不完全决定于空间分辨率的具体值，和它的,形状、大小,，以及它与周围物体亮度、结构的,反差,。,经验证明：遥感器空间分辨率的选择，一般应选择小于被探测目标最小直径的,1/2,。,一,.,遥感图像的空间分辨率,波谱分辨率,：指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。,间隔 分辨率,广义的波谱分辨率包括：,波段数量的多少,各波段的波长位置,波长间隔的大小,二,.,遥感图像的波谱分辨率,全色,1,个综合波段,多光谱（,um,级）,Tm 7,个波段,高光谱（,nm,级）,OMIS 128,个波段,图中红线内为,32nm,光谱分辨的反射曲线，可见在,1.2,m,处出现明显的双谷形态。,空间分辨率和光谱分辨率的矛盾,提高空间分辨率 瞬时视场,IFOV,要变小。,IFOV,小 探测元件接受到的辐射能量相应减少，即瞬时获得的入射能量小 对微弱能量差异的检测能力差 辐射分辨率低,除技术上改进探测元件以外，实际工作中考虑较高空间分辨率的图像（例如,SPOT-PAN,）和较高光谱分辨率的图像,(,例如,TM),进行图像融合，避其弱点，达到既要清晰，又彩色丰富。,北京西站（,QB,）,北京西站,(,重采样,),融合结果,辐射分辨率：,传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。,一般用灰度的分级数表示（,量化级数,）。,如黑白图像常以,4bits,（,0-16,）记录发射辐射值；而,landsat/tm 1-5,7,波段，其数据记录已,8bits,，取值范围,0-255,。,三,.,辐射,分辨率,灰度级越多，视觉效果越好（分辨能力越强，数据量越大）,16,级,2,级,256,级,三,.,辐射,分辨率,遥感影像的辐射分辨率为：,R,L,=(R,max,-R,min,)/D,例如：,Landsat5,的,TM3,其最小辐射量值,R,min,=-0.0083mv/(cm,2,sr,m),最大辐射量值,R,max,=1.410mv/(cm,2,sr,m),量化级,D,为,2,8,=256,级,其辐射分辨率,R,L,=(R,max,-R,min,)/D=0.0055 mv/(cm,2,sr,m),暗区,11,bit,可以区分阴影中地物,8,bit,丢失了阴影中的信息,Chiba City, Japan,8,比特 与,11,比特,高亮区,11,bit,可以区分建筑结构,8,bit,使高亮区曝光过度,时间分辨率：,对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔（重访周期）。,短：一天内的变化，小时为单位,中：一年内的变化，以天为单位,长：以年为单位,四,.,时间分辨率,四,.,时间分辨率,静止气象卫星：,1,次,/0.5,小时 （,气象,）,极轨气象卫星：,12,小时 （,气象,）,Landsat:16,天 （,植物、作物长势,）,CBERS,、,SPOT,：,26,天 （,植物、作物长势,）,还有不定期的。 （,城市发展、土地利用等为一年或多年为单位,）,森林资源变化检测,Canada TM543=RGB TM54(84)+TM5,（,91,）,=RGB,1984.7.17 & 1991.6.19,2001,年,5,月,2003,年,10,月,遥感图像的时间信息,绍兴,1994tm743,2004tm743,2013olr743,