1、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)PreviousL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)Kunder频率K波段：
2、18-26.5Ghz (1.13-1.67 cm)Kurtz Ku波段：26.5-40Ghz (0.75-1.13 cm)Kabove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1.1.可以全天候全天时工作。可以全天候
3、全天时工作。微波的波长较可见可微波的波长较可见可和红外线大和红外线大,几乎不受云雾的散射影响。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。l波长越长，穿透力越强。（2m纯
4、雪,X波段(15cm)可探测地表）l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。1001.0100.10.010.10.20.30.4穿透深度(m)土壤湿度(grams cm-2)1.3GHz4.0GHz10.0GHz沙土沙土沃土沃土粘土粘土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
5、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。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：微波遥感分类：主动微波遥感、被动微波遥感主动微波遥感、被动微波遥感1.1.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，并接收从目标后向散射回来的电磁波。主要传感器：雷达，雷达，高度计、散射计。二.微波遥感方式和传感器2.2.被动微波遥感被动微
6、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l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；l反演海面风场(风速、风向)、台风、海冰的监侧；l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 an
7、d 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 二.微波遥感方式和传感器雷达测速度：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
8、反映自身的性质和形状。TM432SIR-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
9、地地物物对对微微波波的的反反射射二.微波遥感方式和传感器2 2）地表粗糙度对回波强度有明显影响。）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-bandJERS-1 L-band4 4）极化方式：）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 H”极化）垂直极化：电场振动方向垂直于水平面（“V 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
10、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VHHHVVHV（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（距离（Range）与方位（）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）
11、。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2sCP2cosgCP 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Pg =0.5 0.110-6(s)2.998 108(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。2cosgCP距离分辨率随脉冲宽度和俯角变化：脉冲宽度越小（
12、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2cosgCPPa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。*PaRRD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.PaRD对于真实孔径雷达：对于真实孔径雷达：l波长变短方位分辨率提高波长变短方位分辨率提高l孔径变大方位分辨率提高孔径变大方位分辨率提高l距离变大方位分辨率降低距离变大方位分辨率降低二.微
13、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Pa =3 10-2(m)/4(m)200103(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：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。用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。PaRD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
14、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。PaRD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
15、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）。（
16、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/mmH：航高，单位mf：焦距，单位mm实际空间分辨率为Rg/2.HfRRgs1m不不同同空空间间分分辨辨率率的的图图像像1米米10米米30米米分辨率越高，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、
17、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：l波段数量的多少l各波段的波长位置l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图中红线内为32nm32nm光谱分辨的反射曲线，可见在光谱分辨的反射曲线，可见在1.2 1.2 m m 处出现明显的双谷形态。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
18、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。北京西站北京西站（QB）北京西站北京西站(重采样重采样)融合结果融合结果辐射分辨率：辐射分辨率：传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。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
19、录已8bits，取值范围0-255。三.辐射分辨率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）1616级级 2级级256级级三.辐射分辨率辐射分辨率 遥感影像的辐射分辨率为：RL=(Rmax-Rmin)/D 例如：Landsat5的TM3其最小辐射量值Rmin=-0.0083mv/(cm2srm)最大辐射量值Rmax=1.410mv/(cm2srm)量化级D为28=256级其辐射分辨率RL=(Rmax-Rmin)/D=0.0055 mv/(cm2srm)暗区暗区11 11 bitbit可可以区分阴以区分阴影中地物影中地物8 8 bitbit丢失丢失了阴影中了阴影中的信息的信息
20、Chiba City,Japan8比特比特 与与 11比特比特高亮区高亮区11 11 bitbit可可以区分建以区分建筑结构筑结构8 8 bit使高使高亮区曝光亮区曝光过度过度时间分辨率：时间分辨率：对同一目标进行对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的重复探测时，相邻两次探测的时间间隔（重访周期）。时间间隔（重访周期）。短：一天内的变化，小时为单短：一天内的变化，小时为单位位中：一年内的变化，以天为单中：一年内的变化，以天为单位位长：以年为单位长：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）=RGB1984.7.17&1991.6.192001年5月2003年10月遥感图像的时间信息遥感图像的时间信息绍兴1994tm7432004tm7432013olr743
