第3章 遥感成像原理与遥感图像特征(2)
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4、对海洋遥感具有特殊意义：
适合于海面动态情况（海面风、海浪等） 的观测
5、分辨率较低，但特性明显。 3
3.4 微波遥感与成像
微波遥感传感器分类 1、雷达（侧视雷达）：成像 主动方式 2、微波高度计：不成像 3、微波散射计：不成像 1、微波辐射计：成像
被动方式
2、微波散射计：不成像
微波散射计：测量地物的散射或反射特性 微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确
感测人体选择8-12m, 探测森林火灾应选择3-5 m
69
3.5 遥感图像的特征
波谱分辨率
70
3.5 遥感图像的特征
辐射分辨率
传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。在遥感图象 上表现为每一像元的辐射量化级(D)。 如6bit, 7bit, 8bit, 11bit, …… 一个6-bit 的传感器可以记录26级（ 64 ）的亮度值， 一个8-bit 的传感器可以记录28级（ 256 ）的亮度值， 一个12-bit 的传感器可以记录212级（4096）的亮度值
即：距离越近，距离向分辨率 越低。
A: 近射程(near range); B: 远射程(far range)
13
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达工作原理——方位分辨力Pa
沿航线方向的分辨率—方位分辨率，沿迹分辨率 Pa= *R 波束宽度， R天线到该像元的倾斜距离 =/l, 波长， l天线长度 Pa = (/l)*R
31
探测目标表面粗糙程度是影响雷达后向散射 的重要因素，粗糙程度与雷达波长有关，波 长长时，粗糙度对后向散射的影响小。
32
在平滑表面A处，雷达波全部被反 射，没有产生后向散射，在雷达图 像上呈现黑安。在比较粗糙的B处， 有部分后向散射被雷达天线接收， 在图像上呈现明亮。
33
Local incidence angle
42
先进雷达技术应用
43
立体雷达测量成图技术 --相反的观测方向得到 的立体像对，非常有用。
44
相位差与相干雷达
45
干涉雷达系统 原理就是在平 台上安装两个 天线，但要求 错开一点距离， 对地面目标探 测后，通过计 算A便可求出 地面高程。
46
通过干涉雷达获得的地面高程图像
47
聚 束 图 像
26
Layover现象 非常严重。
27
雷达阴影产生的原理
28
雷 达 阴 影 在 图 像 上 的 表 现
29
目标特性与图像表征
30
在雷达图像影响最大的因素包括：
1：Surface roughness of the target 2：Radar viewing and surface geometry relationship 3：Moisture content and electrical properties of the target
空间分辨率
遥感图象上能够详细区分的最小单元的尺寸，是用来表征 图象分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像 解率或视场角来表示。
像元（pixel）：将地面信息单元离散化而形成的格网单元，
单位为米，是组成图象的基本单元。像元越小，空间分辨 率越高； 像解率是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细 线的条数来表示，如线/毫米或线对/毫米； 瞬时视场角(instantaneous field of view, IFOV): 指传感器的 张角及瞬时视域，又称角分辨率。
58
加拿大的RADASAT卫星雷达系统
RADASAT覆盖500公里， 可选择多种模式
59
机载三维成像仪
60
61
3.5 遥感图像的特征
遥感图像的表示方法
• 二维的连续的光密 度函数 • 图像上的光密度随 坐标x,y变化而变 化，如果取一个方 向的图像，则密度 随空间变化，是一 条连续的曲线。
遥感光学图像的数字化：
48
SAR
干涉SAR重复轨道相位图
49
通过干涉雷达获得的地面三维高程图像
50
航空雷达遥感系统基本原理
51
航天雷达遥感系统基本原理
52
机载合成孔 径雷达系统
L波段合成孔径雷达
53
L-SAR表明损害的堤坝和淹没地区
L-波段机载SAR用于洪 水监测
54
都江堰地区机载L-SAR图像
55
金门L-SAR图像
66
1米
30米
10米
67
空间分辨率的应用
• 范围——只有在很少对现实在制图适合的标准场景大小下 图像才是有用的。已有一些数据提供商可以按照范围给定 数据。 • 比例——图像的比例依图像数据的质量而定，且与空间分 辨率有非常密切的关系。通常，高空间分辨率数据集产生 高地图比例。下表提供了一些对各种没有失真的空间分辨 率，可达到的最佳地图比例的建议。 • 图像分辨率 典型地图比例 • 1000 m 1:1 500 000 • 100 m 1:250 000 • 30 m 1:80 000 • 10 m 1:25 000
合成孔径雷达工作原理
19
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理
20
雷达遥感图像畸变
21
斜距向几何畸变
22
近 距 离 端 图 像 压 缩
纠正后的正确图像 23
foreshortening
24
在陡峭山脉 地区的侧视 雷达图像上 存在严重的 forshorteni ng现象。
25
出现Layover 现象的原理
3.4 微波遥感与成像
介绍 雷达基础知识 几何特性与空间分辨率
雷达图像畸变
目标微波特性
雷达图像特性
雷达遥感应用
雷达遥感系统
1
3.4 微波遥感与成像
微波波段划分
2
3.4 微波遥感与成像
微波遥感的特点： 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：
在微波波段，水的比辐射率为0.4，冰的 比辐射率为0.99；而在红外波段，水的 比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92。 3、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿 透能力。
56
加拿大Convair-580 C/X SAR 系统
美国NASA的AirSAR系统
加拿大Sea Ice and Terrain Assessment(STAR)系统
57
航天雷达系统
卫 星 雷 达 系 统 卫欧 星空 雷局 达 系 统一 系 列 SEASAT 卫日 星本 雷 达 系 统一 系 列 JERSERS-
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理
提高航 迹向空 间分辨 率的有 效途径-合成孔 径技术
16
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理
理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为： ra =l/2 l为天线长度
17
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理
18
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达（SLR）工作原理 雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能 量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再 被天线接收。 由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时 间不同。
10
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达工作原理 遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行； 在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不 同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。 返回的信号被天线接收并记录下来
34
雷达侧视地面目标时，如果与 地面线性目标的走向垂直 （A），在图像上就表现明显， 否则（B），就弱。
35
形成角反射器的原理
36
城市 地区 的雷 达图 像上 角反 射器 现象 严重
37
雷达后向体（volume scattering）散射
38
雷达图像特性
39
光 斑
Baidu Nhomakorabea
40
光 斑
41
均匀草地成像 后，没有光斑 时（A），有 光斑时（B）。
68
1 meter
3.5 遥感图像的特征
波谱分辨率
传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。
间隔愈小，分辨率愈高。
或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越 宽，分辨率越低。
•不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很 大区别；如MSS（100-200nm）、AVIRIS（10 nm ） •传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能 取得好效果。
天线越长， Pa越小，方位分辨率越高
β
距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。
14
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理 合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）, 也是侧视 雷达。 基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术， 产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观 测精度。 在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处 理过程联系在一起。 在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同， 相位和强度不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地 面的实际影像。 15
雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时 间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区 分目标的不同部位。
6
3.4 微波遥感与成像
微波遥感传感器分类
合成孔径雷达
合成孔径雷达与侧视雷达类似 , 也是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信号。所不同的是将发射和接收天线 分成许多小单元 , 每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位 置不同，记录的回波相位和强度都不同。
极化的概念和极化类型
•水平极化：电磁波的电场
矢量与入射面垂直(入射波与 目标表面入射波处的法线所 组成的平面)。 •垂直极化：电磁波的电场 矢量与入射面平行。
8
同一地区 同一波段 不同极化 的雷达图 像存在着 明显的区 别。 不同极化 的图像就 象不同波 段一样可 彩色合成。
9
3.4 微波遥感与成像
目的：提高图象在飞行方向的分辨率。
7
HH - for horizontal transmit and horizontal receive, VV - for vertical transmit and vertical receive, HV - for horizontal transmit and vertical receive, and VH - for vertical transmit and horizontal receive.
亮度温度是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。 5
3.4 微波遥感与成像
微波遥感传感器分类
侧视雷达
侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方 向垂直的侧面 , 发射一个窄的波束 , 覆盖地面上这一侧面 的一个条带 , 然后接收在这一条带上地物的反射波 , 从而 形成一个图像带。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 , 从而形成一幅一幅的雷达图像 。
传感器在某一时刻所能感测的外来光（或其它电磁波）所来自的空间 角度区域
64
3.5 遥感图像的特征
空间分辨率
分辨率（像元大小）=平台高度*角分辨率（弧度） D= H * IFOV 如，飞机飞行高度8000米，角 分辨率为2.5毫弧度，则地面分 辨率为： 8000m*2.5*10-3=20m
65
不 同 空 间 分 辨 率 的 图 像
11
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达工作原理——有关术语
A：飞行方向；B：天底方向 E：方位向；D：距离向； C：扫描宽度
A：入射角; B：视角;
C：斜距; D：地距;φ：俯角 12
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达工作原理——距离分辨力Pg
在侧视方向的分辨率—距离分辨率 Pg=c /2sin 脉冲持续期(脉冲宽度)， 视角，c光速 越大（俯角（90-）越小）， Pg越小，分辨率越高
(a) 2级的Lena图像
(b) 16级的Lena图像
(c) 256级的Lena图像
得知地表高度变化，海浪的高度等参数。
4
3.4 微波遥感与成像
微波遥感传感器分类
微波辐射计
微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成 亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力 , 其 发射强度与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信 号并换算成对应的亮度温度图 , 对地面物体状况的探测很 有意义。
• 采样：按照一定的空间网格对连续图像进行空间坐标的数字化。 • 量化：对采样点的辐射值进行数字化。
遥感数字图像可以理解为多维数组.
62
3.5 遥感图像的特征
几何特征：目标地物的大小、形状及空间分布特点； 物理特征：目标地物的属性特点； 时间特征：目标地物的变化动态特点。
63
3.5 遥感图像的特征
适合于海面动态情况（海面风、海浪等） 的观测
5、分辨率较低，但特性明显。 3
3.4 微波遥感与成像
微波遥感传感器分类 1、雷达（侧视雷达）：成像 主动方式 2、微波高度计：不成像 3、微波散射计：不成像 1、微波辐射计：成像
被动方式
2、微波散射计：不成像
微波散射计：测量地物的散射或反射特性 微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确
感测人体选择8-12m, 探测森林火灾应选择3-5 m
69
3.5 遥感图像的特征
波谱分辨率
70
3.5 遥感图像的特征
辐射分辨率
传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。在遥感图象 上表现为每一像元的辐射量化级(D)。 如6bit, 7bit, 8bit, 11bit, …… 一个6-bit 的传感器可以记录26级（ 64 ）的亮度值， 一个8-bit 的传感器可以记录28级（ 256 ）的亮度值， 一个12-bit 的传感器可以记录212级（4096）的亮度值
即：距离越近，距离向分辨率 越低。
A: 近射程(near range); B: 远射程(far range)
13
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达工作原理——方位分辨力Pa
沿航线方向的分辨率—方位分辨率，沿迹分辨率 Pa= *R 波束宽度， R天线到该像元的倾斜距离 =/l, 波长， l天线长度 Pa = (/l)*R
31
探测目标表面粗糙程度是影响雷达后向散射 的重要因素，粗糙程度与雷达波长有关，波 长长时，粗糙度对后向散射的影响小。
32
在平滑表面A处，雷达波全部被反 射，没有产生后向散射，在雷达图 像上呈现黑安。在比较粗糙的B处， 有部分后向散射被雷达天线接收， 在图像上呈现明亮。
33
Local incidence angle
42
先进雷达技术应用
43
立体雷达测量成图技术 --相反的观测方向得到 的立体像对，非常有用。
44
相位差与相干雷达
45
干涉雷达系统 原理就是在平 台上安装两个 天线，但要求 错开一点距离， 对地面目标探 测后，通过计 算A便可求出 地面高程。
46
通过干涉雷达获得的地面高程图像
47
聚 束 图 像
26
Layover现象 非常严重。
27
雷达阴影产生的原理
28
雷 达 阴 影 在 图 像 上 的 表 现
29
目标特性与图像表征
30
在雷达图像影响最大的因素包括：
1：Surface roughness of the target 2：Radar viewing and surface geometry relationship 3：Moisture content and electrical properties of the target
空间分辨率
遥感图象上能够详细区分的最小单元的尺寸，是用来表征 图象分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像 解率或视场角来表示。
像元（pixel）：将地面信息单元离散化而形成的格网单元，
单位为米，是组成图象的基本单元。像元越小，空间分辨 率越高； 像解率是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细 线的条数来表示，如线/毫米或线对/毫米； 瞬时视场角(instantaneous field of view, IFOV): 指传感器的 张角及瞬时视域，又称角分辨率。
58
加拿大的RADASAT卫星雷达系统
RADASAT覆盖500公里， 可选择多种模式
59
机载三维成像仪
60
61
3.5 遥感图像的特征
遥感图像的表示方法
• 二维的连续的光密 度函数 • 图像上的光密度随 坐标x,y变化而变 化，如果取一个方 向的图像，则密度 随空间变化，是一 条连续的曲线。
遥感光学图像的数字化：
48
SAR
干涉SAR重复轨道相位图
49
通过干涉雷达获得的地面三维高程图像
50
航空雷达遥感系统基本原理
51
航天雷达遥感系统基本原理
52
机载合成孔 径雷达系统
L波段合成孔径雷达
53
L-SAR表明损害的堤坝和淹没地区
L-波段机载SAR用于洪 水监测
54
都江堰地区机载L-SAR图像
55
金门L-SAR图像
66
1米
30米
10米
67
空间分辨率的应用
• 范围——只有在很少对现实在制图适合的标准场景大小下 图像才是有用的。已有一些数据提供商可以按照范围给定 数据。 • 比例——图像的比例依图像数据的质量而定，且与空间分 辨率有非常密切的关系。通常，高空间分辨率数据集产生 高地图比例。下表提供了一些对各种没有失真的空间分辨 率，可达到的最佳地图比例的建议。 • 图像分辨率 典型地图比例 • 1000 m 1:1 500 000 • 100 m 1:250 000 • 30 m 1:80 000 • 10 m 1:25 000
合成孔径雷达工作原理
19
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理
20
雷达遥感图像畸变
21
斜距向几何畸变
22
近 距 离 端 图 像 压 缩
纠正后的正确图像 23
foreshortening
24
在陡峭山脉 地区的侧视 雷达图像上 存在严重的 forshorteni ng现象。
25
出现Layover 现象的原理
3.4 微波遥感与成像
介绍 雷达基础知识 几何特性与空间分辨率
雷达图像畸变
目标微波特性
雷达图像特性
雷达遥感应用
雷达遥感系统
1
3.4 微波遥感与成像
微波波段划分
2
3.4 微波遥感与成像
微波遥感的特点： 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：
在微波波段，水的比辐射率为0.4，冰的 比辐射率为0.99；而在红外波段，水的 比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92。 3、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿 透能力。
56
加拿大Convair-580 C/X SAR 系统
美国NASA的AirSAR系统
加拿大Sea Ice and Terrain Assessment(STAR)系统
57
航天雷达系统
卫 星 雷 达 系 统 卫欧 星空 雷局 达 系 统一 系 列 SEASAT 卫日 星本 雷 达 系 统一 系 列 JERSERS-
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理
提高航 迹向空 间分辨 率的有 效途径-合成孔 径技术
16
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理
理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为： ra =l/2 l为天线长度
17
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理
18
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达（SLR）工作原理 雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能 量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再 被天线接收。 由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时 间不同。
10
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达工作原理 遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行； 在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不 同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。 返回的信号被天线接收并记录下来
34
雷达侧视地面目标时，如果与 地面线性目标的走向垂直 （A），在图像上就表现明显， 否则（B），就弱。
35
形成角反射器的原理
36
城市 地区 的雷 达图 像上 角反 射器 现象 严重
37
雷达后向体（volume scattering）散射
38
雷达图像特性
39
光 斑
Baidu Nhomakorabea
40
光 斑
41
均匀草地成像 后，没有光斑 时（A），有 光斑时（B）。
68
1 meter
3.5 遥感图像的特征
波谱分辨率
传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。
间隔愈小，分辨率愈高。
或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越 宽，分辨率越低。
•不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很 大区别；如MSS（100-200nm）、AVIRIS（10 nm ） •传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能 取得好效果。
天线越长， Pa越小，方位分辨率越高
β
距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。
14
3.4 微波遥感与成像
合成孔径雷达工作原理 合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）, 也是侧视 雷达。 基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术， 产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观 测精度。 在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处 理过程联系在一起。 在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同， 相位和强度不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地 面的实际影像。 15
雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时 间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区 分目标的不同部位。
6
3.4 微波遥感与成像
微波遥感传感器分类
合成孔径雷达
合成孔径雷达与侧视雷达类似 , 也是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信号。所不同的是将发射和接收天线 分成许多小单元 , 每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位 置不同，记录的回波相位和强度都不同。
极化的概念和极化类型
•水平极化：电磁波的电场
矢量与入射面垂直(入射波与 目标表面入射波处的法线所 组成的平面)。 •垂直极化：电磁波的电场 矢量与入射面平行。
8
同一地区 同一波段 不同极化 的雷达图 像存在着 明显的区 别。 不同极化 的图像就 象不同波 段一样可 彩色合成。
9
3.4 微波遥感与成像
目的：提高图象在飞行方向的分辨率。
7
HH - for horizontal transmit and horizontal receive, VV - for vertical transmit and vertical receive, HV - for horizontal transmit and vertical receive, and VH - for vertical transmit and horizontal receive.
亮度温度是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。 5
3.4 微波遥感与成像
微波遥感传感器分类
侧视雷达
侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方 向垂直的侧面 , 发射一个窄的波束 , 覆盖地面上这一侧面 的一个条带 , 然后接收在这一条带上地物的反射波 , 从而 形成一个图像带。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 , 从而形成一幅一幅的雷达图像 。
传感器在某一时刻所能感测的外来光（或其它电磁波）所来自的空间 角度区域
64
3.5 遥感图像的特征
空间分辨率
分辨率（像元大小）=平台高度*角分辨率（弧度） D= H * IFOV 如，飞机飞行高度8000米，角 分辨率为2.5毫弧度，则地面分 辨率为： 8000m*2.5*10-3=20m
65
不 同 空 间 分 辨 率 的 图 像
11
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达工作原理——有关术语
A：飞行方向；B：天底方向 E：方位向；D：距离向； C：扫描宽度
A：入射角; B：视角;
C：斜距; D：地距;φ：俯角 12
3.4 微波遥感与成像
侧视雷达工作原理——距离分辨力Pg
在侧视方向的分辨率—距离分辨率 Pg=c /2sin 脉冲持续期(脉冲宽度)， 视角，c光速 越大（俯角（90-）越小）， Pg越小，分辨率越高
(a) 2级的Lena图像
(b) 16级的Lena图像
(c) 256级的Lena图像
得知地表高度变化，海浪的高度等参数。
4
3.4 微波遥感与成像
微波遥感传感器分类
微波辐射计
微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成 亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力 , 其 发射强度与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信 号并换算成对应的亮度温度图 , 对地面物体状况的探测很 有意义。
• 采样：按照一定的空间网格对连续图像进行空间坐标的数字化。 • 量化：对采样点的辐射值进行数字化。
遥感数字图像可以理解为多维数组.
62
3.5 遥感图像的特征
几何特征：目标地物的大小、形状及空间分布特点； 物理特征：目标地物的属性特点； 时间特征：目标地物的变化动态特点。
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3.5 遥感图像的特征