1、遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS内容提要：内容提要：高光谱、多角度和微波遥感是遥感技术的发高光谱、多角度和微波遥感是遥感技术的发展方向，本章内容包括高光谱遥感，多角度遥感展方向，本章内容包括高光谱遥感，多角度遥感和微波遥感。和微波遥感。重点：重点：高光谱遥感的原理与本质，双向反射的概念高光谱遥感的原理与本质，双向反射的概念、模型和反演方法，微波遥感的特性、侧视雷达、模型和反演方法，微波遥感的特性、侧视雷达影像的几何特征。影像的几何特征。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的基本概念高
2、光谱遥感的基本概念 定义定义：高光谱遥感是高光谱分辨率遥感：高光谱遥感是高光谱分辨率遥感(Hyperspectral Remote Sensing)的简称，是指的简称，是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体，利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。目前，一般将波长间隔目前，一般将波长间隔10nm以下，波段数以下，波段数36个个以上的遥感系统定义为高光谱遥感。以上的遥感系统定义为高光谱遥感。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的基本概念高光谱遥感的基本概
3、念 传感器传感器：高光谱遥感的传感器是：高光谱遥感的传感器是成像光谱成像光谱仪仪(Imaging Spectrometer)，它为每个像元提供，它为每个像元提供数十至数百个窄波段（通常波段宽度数十至数百个窄波段（通常波段宽度10nm）的光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲的光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。线。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的基本概念高光谱遥感的基本概念 成像光谱系统获得的连续波段宽度一般在成像光谱系统获得的连续波段宽度一般在10nm以内，这种数据能以足够的光谱分辨率区以内，这种数据能以足够的光谱分辨率区分
4、出那些具有诊断性光谱特征的地表物质。分出那些具有诊断性光谱特征的地表物质。应用高光谱分辨率数据也能将混合矿物或应用高光谱分辨率数据也能将混合矿物或矿物像元中混有植被光谱的情形，在单个像元矿物像元中混有植被光谱的情形，在单个像元内计算出各种成分的比例。内计算出各种成分的比例。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的应用高光谱遥感的应用在地质调查中的应用在地质调查中的应用 地质是高光谱遥感应用中最成功的一个领地质是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。主要用于区域地质制图和矿产勘探。各种域。主要用于区域地质制图和矿产勘探。各种矿物和岩石在电磁波谱上
5、显示的诊断光谱特性矿物和岩石在电磁波谱上显示的诊断光谱特性(diagnostic spectral feature)可以帮助人们识别可以帮助人们识别不同矿物成分。这些诊断性光谱特征只有利用不同矿物成分。这些诊断性光谱特征只有利用高光谱遥感数据才有可能被探测到。高光谱遥感数据才有可能被探测到。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的应用高光谱遥感的应用在植被研究中的应用在植被研究中的应用 高光谱遥感在植物生态学研究中主要涉及高光谱遥感在植物生态学研究中主要涉及以下几个方面：植物群落、种类的识别、冠层以下几个方面：植物群落、种类的识别、冠层结构
6、、状态或活力的评价、冠层水文状态的评结构、状态或活力的评价、冠层水文状态的评价和冠层生物化学成分的估计。价和冠层生物化学成分的估计。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的应用高光谱遥感的应用在其它领域中的应用在其它领域中的应用u大气遥感大气遥感 目前用高光谱研究大气，主要目标是水目前用高光谱研究大气，主要目标是水蒸气、云和气溶胶研究。蒸气、云和气溶胶研究。u水温与冰雪水温与冰雪 利用高光谱成像仪可以测定沿海、江河、利用高光谱成像仪可以测定沿海、江河、湖泊中的叶绿素、浮游生物、有机质、悬浮湖泊中的叶绿素、浮游生物、有机质、悬浮物和水生植物等
7、以及他们的分布。物和水生植物等以及他们的分布。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的应用高光谱遥感的应用在其它领域中的应用在其它领域中的应用u环境与灾害环境与灾害 高光谱图像可以用来探测危险环境因素。高光谱图像可以用来探测危险环境因素。例如：编制酸性矿物分布图，特殊蚀变矿物例如：编制酸性矿物分布图，特殊蚀变矿物分布图，评价野火危险的等级。分布图，评价野火危险的等级。u土壤调查土壤调查 高光谱土壤遥感可以提供土壤表面状况高光谱土壤遥感可以提供土壤表面状况和性质的空间信息，空间差异性。和性质的空间信息，空间差异性。遥遥 感感 原原 理理 与与
8、 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的应用高光谱遥感的应用在其它领域中的应用在其它领域中的应用u城市环境城市环境 高光谱和高空间分辨率遥感数据的结合，高光谱和高空间分辨率遥感数据的结合，有可能细分出城市地物和人工目标。有可能细分出城市地物和人工目标。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的发展前景高光谱遥感的发展前景 将来高光谱卫星传感器将以将来高光谱卫星传感器将以AVIRIS的工作的工作方式测量太阳反射光谱。它们将提供多时相全方式测量太阳反射光谱。它们将提供多时相全球各个区域的高光谱图像球各个区域的高光谱图像(
9、Green等，等，1998)。美国宇航局计划将两个成像光谱仪作为地美国宇航局计划将两个成像光谱仪作为地球观测系统球观测系统(EOS)的传感器的传感器中等分辨率成像中等分辨率成像光谱仪光谱仪(MODIS)和和高分辨率成像光谱仪高分辨率成像光谱仪(HIRIS)。其中，中等分辨率成像光谱仪。其中，中等分辨率成像光谱仪(MODIS)上一章已经进行了介绍。上一章已经进行了介绍。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的发展前景高光谱遥感的发展前景 HIRIS将有将有30m的空间分辨率的空间分辨率，获取，获取0.42.5m波长范围的波长范围的10nm宽的
10、宽的192个连续光谱段。个连续光谱段。它是它是AVIRIS的继承者。的继承者。HIRIS将获取沿飞行方将获取沿飞行方向前后向前后+60 -30 及横向及横向 24 的图像。虽然它的图像。虽然它的周期为的周期为16天，但由于它的指向能力，对于一天，但由于它的指向能力，对于一些特殊区域，其些特殊区域，其覆盖频率将会更高覆盖频率将会更高。HIRIS数数据将用于识别表面物质、测量小目标物的二向据将用于识别表面物质、测量小目标物的二向性反射分布函数性反射分布函数(BBDF)及执行小空间范围的生及执行小空间范围的生态学过程的态学过程的详细研究详细研究。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9
11、.1 高光谱遥感高光谱遥感 高光谱遥感的发展前景高光谱遥感的发展前景 与此同时，与此同时，NASA计划发射试验卫星计划发射试验卫星EO1，携带，携带Hyperion(高光谱成像仪高光谱成像仪)、ALI(先进的先进的陆地成像仪陆地成像仪)等高光谱传感器和大气纠正仪等高光谱传感器和大气纠正仪(Atmospheric Corrector)。这些计划的。这些计划的最终目的最终目的是评价各种地球系统过程，包括水文过程、生是评价各种地球系统过程，包括水文过程、生物地球化学过程、大气过程及固体地球过程。物地球化学过程、大气过程及固体地球过程。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.1 9.1 高光谱
12、遥感高光谱遥感 高光谱遥感的发展前景高光谱遥感的发展前景 现有的航空成像光谱仪技术系统的完善。现有的航空成像光谱仪技术系统的完善。例如，在例如，在传感器方面传感器方面：改善其获取数据的性能，：改善其获取数据的性能，提高图像数据的信噪比，增强机上实时数据处提高图像数据的信噪比，增强机上实时数据处理能力。理能力。数据分析处理方面数据分析处理方面：强调大气订正、信息：强调大气订正、信息提取技术，发展新算法和完善已有的算法，并提取技术，发展新算法和完善已有的算法，并向构成标准化应用处理算法软件包方向努力，向构成标准化应用处理算法软件包方向努力，特别是发展针对高光谱海量数据和丰富光谱信特别是发展针对高光
13、谱海量数据和丰富光谱信息特点的算法和软件，以提高高光谱数据处理息特点的算法和软件，以提高高光谱数据处理效率及其分析、研究和应用水平。效率及其分析、研究和应用水平。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 理想光滑表面的反射是镜面反射，理想粗理想光滑表面的反射是镜面反射，理想粗糙表面的反射是漫反射（朗伯反射）。传统的糙表面的反射是漫反射（朗伯反射）。传统的遥感技术主要采取垂直观测方式，以获得地表遥感技术主要采取垂直观测方式，以获得地表二维信息，对获取的数据则基于地面目标漫反二维信息，对获取的数据则基于地面目标漫反射的假定，作一些简单校正后，利用地面目标射的
14、假定，作一些简单校正后，利用地面目标的光谱特性进行解译。然而，通过这种遥感手的光谱特性进行解译。然而，通过这种遥感手段所获得的信息是以垂直反射光谱为基调的，段所获得的信息是以垂直反射光谱为基调的，没有涉及太阳光入射角度及观测角度的影响因没有涉及太阳光入射角度及观测角度的影响因素。这些在遥感技术发展的初期是合理的，也素。这些在遥感技术发展的初期是合理的，也取得了很大的成功。取得了很大的成功。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 随着遥感技术的发展及其面临的各种新的随着遥感技术的发展及其面临的各种新的要求，人们越来越迫切需要弄清各种地物与光要求，人们越来
15、越迫切需要弄清各种地物与光辐射之间相互作用的机理。事实在遥感图象辐射之间相互作用的机理。事实在遥感图象上，自然地表的表观亮度除取决于所测地物的上，自然地表的表观亮度除取决于所测地物的几何形态特征和光谱性质外，在很大程度上还几何形态特征和光谱性质外，在很大程度上还与入射光方向和观测方向有关。这两个方向的与入射光方向和观测方向有关。这两个方向的差异，明显地引起地表（冠层）反射的差别，差异，明显地引起地表（冠层）反射的差别，这种差别不仅随着标志这两个方向的双种角度这种差别不仅随着标志这两个方向的双种角度的变化而变化，而且随着地表（冠层）结构要的变化而变化，而且随着地表（冠层）结构要素变化而变化。基于
16、此，在遥感领域中，多角素变化而变化。基于此，在遥感领域中，多角度遥感特别是植被双向反射的研究就异军突度遥感特别是植被双向反射的研究就异军突起，迅速发展起来。起，迅速发展起来。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射概念双向反射概念 双向性反射双向性反射是自然界中物体表面反射的基是自然界中物体表面反射的基本宏观现象，即反射不仅具有方向性，这种方本宏观现象，即反射不仅具有方向性，这种方向性还依赖于入射的方向而异。向性还依赖于入射的方向而异。双向反射函数双向反射函数（即只是入射方向与反射方（即只是入射方向与反射方向夹角的函数）就是用来描述第五的这种双
17、向向夹角的函数）就是用来描述第五的这种双向反射性的。反射性的。BRDF(i,i,r,r)=)()(irdEdL遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射概念双向反射概念 BRDF中的参量图示XYZdAOdrRrdiIiri遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射概念双向反射概念式中式中i（天顶角）和（天顶角）和i（方位角）确定入射方向；（方位角）确定入射方向；r和和r描述某一反射方向；描述某一反射方向；dr、di相应表示相应表示在反射和入射方向上的两个非常小的（微分）立在反射和入射方向上的两个非常
18、小的（微分）立体角；体角；dE(i)表示在一个微分面积元表示在一个微分面积元dA（为叙（为叙述方便计，假定水平放置）之上，由于述方便计，假定水平放置）之上，由于di这个这个微分立体角内辐照度微分立体角内辐照度L(i)的增量所引致的的增量所引致的dA上上辐亮度的增量；辐亮度的增量；dL(r)则是由于增量则是由于增量dE(i)引引起的起的r方向上辐照度的增量。方向上辐照度的增量。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型双向反射模型模型种类模型种类：在地物双向反射光谱的研究中，最：在地物双向反射光谱的研究中，最基础的工作是建立计算地物基础的工作是
19、建立计算地物BRDF的数学模型，的数学模型，到现在为止，已建立了近百种不同的数学模型。到现在为止，已建立了近百种不同的数学模型。一般说来，模型可分为一般说来，模型可分为经验经验(统计统计)模型模型和和物理模物理模型型两种。两种。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型双向反射模型 经验（统计）模型经验（统计）模型 一般是描述性的，对观测到的数据作经验一般是描述性的，对观测到的数据作经验性的统计描述，或者进行相关分析，形成作为班性的统计描述，或者进行相关分析，形成作为班球上观测方向和入射方向天顶角、方位角经验函球上观测方向和入射方向天顶角、方
20、位角经验函数的数的BRDF模型。模型。优点优点：简单、直观。：简单、直观。缺点缺点：应用有局限。：应用有局限。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型双向反射模型 物理模型物理模型 基于物理基础建立的模型，通常试图找出产基于物理基础建立的模型，通常试图找出产生地面非郎伯体特性及观测数据的原因。生地面非郎伯体特性及观测数据的原因。优点优点：简单、可靠。：简单、可靠。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS 双向反射模型双向反射模型 几何光学模型辐射传输模型概况代表模型原始理论基础模型专业来源LiStrahler模型遥感像元分解理论遥感像元
21、分解理论RossNilsonKuusk模型SAIL 模型植被辐射传输理论植被生理、植被生态初期模型采用介质单元单次散射解释多次散射解释热点现象解释植株个体（如树冠）有无有叶片有有无现有模型单次散射介质多次散射介质热点产生根源模型适用范围植株叶片植株形状、尺度与分布由稀疏分布的致密个体组成的群体（如森林）叶片叶片叶片形状、尺度与分布任意状况、更适于均匀、不间断植被（如农作物）遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型双向反射模型几何光学模型几何光学模型 以几何光学原理为基础的经典模型。假定以几何光学原理为基础的经典模型。假定植被是由具有已知几何
22、形状和光学性质、并按一植被是由具有已知几何形状和光学性质、并按一定方式排列的几何体所组成，通过分析这些几何定方式排列的几何体所组成，通过分析这些几何体对光线的截获和遮阴及地表面的反射来确定植体对光线的截获和遮阴及地表面的反射来确定植被的反射系数。被的反射系数。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型双向反射模型混浊介质模型混浊介质模型 这类模型起源于随机介质（即混浊介质）中这类模型起源于随机介质（即混浊介质）中的辐射传输方程。假设植被的各组分（叶、茎、的辐射传输方程。假设植被的各组分（叶、茎、花或穗等）为已知光学性质和取向小的吸收和散花或穗
23、等）为已知光学性质和取向小的吸收和散射体，群体是由它们在水平方向按随机分布方式射体，群体是由它们在水平方向按随机分布方式组成的平面平行层（组成的平面平行层（Plane-Parallel Layer）的集合，）的集合，把叶面积指数（把叶面积指数（LAI）、叶角分布函数（）、叶角分布函数（LAD）等作为群体的基本结构参数来考虑群体结构对其等作为群体的基本结构参数来考虑群体结构对其垂直辐射场的影响。垂直辐射场的影响。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型双向反射模型混浊介质模型混浊介质模型 辐射传输模型以研究辐射在冠层中薄层或单辐射传输模型以研
24、究辐射在冠层中薄层或单元中的传输过程为基础，对辐射传输方程求解，元中的传输过程为基础，对辐射传输方程求解，推算辐射与冠层相互作用，由此解释辐射在冠层推算辐射与冠层相互作用，由此解释辐射在冠层中的传输机理，进而得到冠层及其下垫面对入射中的传输机理，进而得到冠层及其下垫面对入射辐射的吸收、透过和反射的方向和光谱特性。混辐射的吸收、透过和反射的方向和光谱特性。混浊介质模型是目前水平均匀群体中应用最广泛的浊介质模型是目前水平均匀群体中应用最广泛的模型。模型。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型双向反射模型混合模型混合模型 混合模型充分利用几何光
25、学模型和辐射传输混合模型充分利用几何光学模型和辐射传输模型上的优势，是几何光学模型和混浊介质模型模型上的优势，是几何光学模型和混浊介质模型的综合。对群体的每一组分的处理类似于混浊介的综合。对群体的每一组分的处理类似于混浊介质模型，被认为是光学性质已知的、小的吸收和质模型，被认为是光学性质已知的、小的吸收和散射体；而整个群体仍同几何模型一样，被处理散射体；而整个群体仍同几何模型一样，被处理成具有几何形状和空间分布特征植株的集合，联成具有几何形状和空间分布特征植株的集合，联系两者的关键是间隙率模型。此类模型是通用模系两者的关键是间隙率模型。此类模型是通用模型，也是最复杂的型，也是最复杂的BRDF模
26、型。模型。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型双向反射模型计算机模拟模型计算机模拟模型 计算机模拟模型能更灵活、更详细、更真实计算机模拟模型能更灵活、更详细、更真实地处理非均匀群体问题。它能同时真实地考虑植地处理非均匀群体问题。它能同时真实地考虑植被各组分的大小、形状和任意的空间分布方式对被各组分的大小、形状和任意的空间分布方式对群体群体BRDF的影响，模拟出群体内、外辐射场的的影响，模拟出群体内、外辐射场的统计特征，确定出可获得最大光合效能的最佳群统计特征，确定出可获得最大光合效能的最佳群体结构特征；研究群体中辐射与植株间的相互作体结
27、构特征；研究群体中辐射与植株间的相互作用过程以及这些过程与群体结构参数之间的关系。用过程以及这些过程与群体结构参数之间的关系。计算机模拟模型主要有两种方式：结构真实模型计算机模拟模型主要有两种方式：结构真实模型和蒙特卡洛方法。和蒙特卡洛方法。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.2 9.2 多角度遥感多角度遥感 双向反射模型反演法双向反射模型反演法 自自20世纪世纪70年代以来，许多研究结果表明，年代以来，许多研究结果表明，同垂直测量相比，非垂直的多角度测量对于估算同垂直测量相比，非垂直的多角度测量对于估算地物（特别是植被）的结构特征具有很大的优越地物（特别是植被）的结构特征具有很大
28、的优越性。对建立的物理模型，从逆过程分析，可以获性。对建立的物理模型，从逆过程分析，可以获得更丰富的冠层结构信息，因而，地物双向反射得更丰富的冠层结构信息，因而，地物双向反射物理模型反演技术的研究也是当前地物双向反射物理模型反演技术的研究也是当前地物双向反射特性研究中的一个重要内容。特性研究中的一个重要内容。目前用得较多的是目前用得较多的是最优化法最优化法、表搜索法表搜索法、神神经网络反演法经网络反演法等反演技术。等反演技术。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波是电磁辐射中波长范围微波是电磁辐射中波长范围1mm1m的电的电磁波段，频率磁波段，频率3
29、00GHz300MHz。微波遥感是以微波为信息传播媒介的遥感，微波遥感是以微波为信息传播媒介的遥感，它通过微波传感器获取目标物发射或反射的微波它通过微波传感器获取目标物发射或反射的微波辐射，经过图像分析解译来识别地物。微波遥感辐射，经过图像分析解译来识别地物。微波遥感分为分为无源（被动）微波遥感无源（被动）微波遥感和有源和有源（主动）微波（主动）微波遥感遥感两大类。两大类。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 无源微波遥感：无源微波遥感：所用的传感器本身不发射电磁所用的传感器本
30、身不发射电磁波，只靠接收目标和背景所发射的微波能量来探波，只靠接收目标和背景所发射的微波能量来探测目标特性。它所收到的电磁波信号强度与目标测目标特性。它所收到的电磁波信号强度与目标的发射率有关，也与目标、背景的温度、性质，的发射率有关，也与目标、背景的温度、性质，特别是目标物的表面温度密切相关。因此，其辐特别是目标物的表面温度密切相关。因此，其辐射测量等效于估计温度。射测量等效于估计温度。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 有源微波遥感：有源微波遥感：所用的传感器本身发射微波去所用的传感器本身发射微波去照射目标，然后接收目标反射或散射回来的微波照射目标
31、，然后接收目标反射或散射回来的微波信号，通过检测、分析回来的信号，确定目标的信号，通过检测、分析回来的信号，确定目标的各种特性及目标对传感器的距离和方位。有源微各种特性及目标对传感器的距离和方位。有源微波传感器记录的有关目标和背景的图像或数据，波传感器记录的有关目标和背景的图像或数据，与目标、背景的发射率无关，也与日照变化无关，与目标、背景的发射率无关，也与日照变化无关，图像较稳定、清晰，易识别。如果合理的选择频图像较稳定、清晰，易识别。如果合理的选择频率、极化方式和波束照射角，可获得较好的遥感率、极化方式和波束照射角，可获得较好的遥感效果。效果。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9
32、.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波遥感特性微波遥感特性微波的衰减微波的衰减 使用卫星和飞机上的微波传感器进行观测成使用卫星和飞机上的微波传感器进行观测成像时，由于微波要通过位于传感器和目标之间的像时，由于微波要通过位于传感器和目标之间的大气，所以会受到大气分子的吸收和散射，结果大气，所以会受到大气分子的吸收和散射，结果引起衰减。衰减强度与传输距离成指数关系。对引起衰减。衰减强度与传输距离成指数关系。对应于单位距离的衰减量叫衰减系数应于单位距离的衰减量叫衰减系数(attenuation coefficient)。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波
33、遥感特性微波遥感特性微波的辐射微波的辐射 根据辐射原理，地球表面除辐射可见光、红根据辐射原理，地球表面除辐射可见光、红外线以外，也辐射微弱的微波。黑体的辐射用普外线以外，也辐射微弱的微波。黑体的辐射用普朗克定律表示，普通的物体不一定是黑体，从热朗克定律表示，普通的物体不一定是黑体，从热辐射中测量物理温度时必须用发射率辐射中测量物理温度时必须用发射率进行修正。进行修正。因此，目标的物理温度因此，目标的物理温度T和被测的亮度温度和被测的亮度温度TB的的关系是关系是 TB=1/4T。物体的发射率为物体的发射率为01，随物体的介电常数，随物体的介电常数及表面的粗糙度等物理性质和频率、偏振特性、及表面的
34、粗糙度等物理性质和频率、偏振特性、入射角、方位角而变化。入射角、方位角而变化。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波遥感特性微波遥感特性微波的辐射微波的辐射 微波辐射计可以测量的是亮度温度，而与测微波辐射计可以测量的是亮度温度，而与测量目标物的性质及状态直接联系的是发射率和物量目标物的性质及状态直接联系的是发射率和物理温度。为此必须把发射率和物理温度分开，或理温度。为此必须把发射率和物理温度分开，或者研究出把亮度温度中包含的大气辐射成分分开者研究出把亮度温度中包含的大气辐射成分分开的算法。的算法。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9
35、.3 微波遥感微波遥感 微波遥感特性微波遥感特性微波的表面散射微波的表面散射 在两个介质的分界面上，当电磁波从一个介在两个介质的分界面上，当电磁波从一个介质中射入时，会在分界面上产生散射，这种散射质中射入时，会在分界面上产生散射，这种散射叫表面散射。表面散射的强度随介质表面的复介叫表面散射。表面散射的强度随介质表面的复介电常数的增加而增大，其散射角特性由表面的粗电常数的增加而增大，其散射角特性由表面的粗糙度决定。糙度决定。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波遥感特性微波遥感特性微波遥感的特点微波遥感的特点 1)全天时工作，不受时间限制，即使在夜间全
36、天时工作，不受时间限制，即使在夜间也能工作。这是由于微波传感器利用大地辐射中也能工作。这是由于微波传感器利用大地辐射中微波成分或雷达发射的微波来进行遥感，与太阳微波成分或雷达发射的微波来进行遥感，与太阳辐射无关。辐射无关。2)全天候工作，不受云、雾和小雨的影响。全天候工作，不受云、雾和小雨的影响。这是由于微波能穿透云、雾和小雨。这是由于微波能穿透云、雾和小雨。3)对某些地物有一定的穿透能力，可在一定对某些地物有一定的穿透能力，可在一定程度上获取隐伏的信息。程度上获取隐伏的信息。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波遥感特性微波遥感特性微波遥感的特点微
37、波遥感的特点 4)微波传感器的天线方向可调整，这样可增微波传感器的天线方向可调整，这样可增多所获地表特性。例如，适当调节天线的主向，多所获地表特性。例如，适当调节天线的主向，可在图像上产生适量的阴影，以突出地貌的形态可在图像上产生适量的阴影，以突出地貌的形态特征和敏感地形的细节。特征和敏感地形的细节。5)微波传感器接收到的微波信号与物质组成、微波传感器接收到的微波信号与物质组成、结构有关，能反映出被探测物体在微波波段表现结构有关，能反映出被探测物体在微波波段表现的特征，这是同在可见光、红外、紫外波段所表的特征，这是同在可见光、红外、紫外波段所表现的特征完全不同的。现的特征完全不同的。遥遥 感感
38、 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波遥感特性微波遥感特性微波遥感的特点微波遥感的特点 6)微波传感器可采用多种频率、多种极化方微波传感器可采用多种频率、多种极化方式、多个视角进行工作，来获取目标的空间关系、式、多个视角进行工作，来获取目标的空间关系、形状尺寸、表面粗糙度、对称性和复介电特性等形状尺寸、表面粗糙度、对称性和复介电特性等方面的信息。方面的信息。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波遥感特性微波遥感特性微波遥感的特点微波遥感的特点 微波遥感的弱点微波遥感的弱点：1）不能记录与颜色有关）不能记录与颜色有关的
39、信息，人们解译识别较为困难的信息，人们解译识别较为困难;2)设备大而复设备大而复杂，价格昂贵，相应的微波遥感资料的商品化程杂，价格昂贵，相应的微波遥感资料的商品化程度低，获取较为困难度低，获取较为困难;3)图像有特有的畸变，校图像有特有的畸变，校正过程复杂，技术难度高。正过程复杂，技术难度高。按照不同微波传感器所使用的电磁波谱段，按照不同微波传感器所使用的电磁波谱段，可将整个微波分为可将整个微波分为8个频段。不同国家、不同部个频段。不同国家、不同部门的划分方式并不完全相同。门的划分方式并不完全相同。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波传感器及其分类
40、微波传感器及其分类微波传感器的结构及工作原理微波传感器的结构及工作原理 微波传感器统称为雷达（微波传感器统称为雷达（Radar），是），是“无无线电探测和测距线电探测和测距”（Radio Detection and Ranging）的缩写词。雷达最早出现于）的缩写词。雷达最早出现于20世纪世纪30年代，目前已成为获取遥感信息的重要方式之一，年代，目前已成为获取遥感信息的重要方式之一，被广泛地应用于军事与国民经济的各个部门。被广泛地应用于军事与国民经济的各个部门。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波传感器及其分类微波传感器及其分类微波传感器的结构及工
41、作原理微波传感器的结构及工作原理 雷达的结构雷达的结构：雷达的种类很多，但其基本：雷达的种类很多，但其基本结构和工作原理大体相同。以主动式传感器为例，结构和工作原理大体相同。以主动式传感器为例，主要由收发定时转换开关、天线、发射机、脉冲主要由收发定时转换开关、天线、发射机、脉冲发生器、接收机、显示器所组成。发生器、接收机、显示器所组成。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波传感器及其分类微波传感器及其分类微波传感器的结构及工作原理微波传感器的结构及工作原理 雷达的工作原理雷达的工作原理：首先由脉冲发生器发出特定频：首先由脉冲发生器发出特定频率和振幅的
42、矩形脉冲，通过调制发射机发出微波振荡；率和振幅的矩形脉冲，通过调制发射机发出微波振荡；收发定时器转换开关以一定的时间间隔从天线向目标发收发定时器转换开关以一定的时间间隔从天线向目标发出离散的微波波束，微波波束射到目标后，产生散射，出离散的微波波束，微波波束射到目标后，产生散射，由目标返回的散射回波在两次发射的间隔期内被天线接由目标返回的散射回波在两次发射的间隔期内被天线接收；经接收机调解后送至显示器，在显示器荧光屏上便收；经接收机调解后送至显示器，在显示器荧光屏上便呈现出目标的回波影像，也可经过转换，形成胶片影像呈现出目标的回波影像，也可经过转换，形成胶片影像或数字图像。或数字图像。遥遥 感感
43、 原原 理理 与与 方方 法法RS 微波传感器及其分类微波传感器及其分类 微波传感器结构及工作原微波传感器结构及工作原理理 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波传感器及其分类微波传感器及其分类微波传感器的结构及工作原理微波传感器的结构及工作原理 雷达的工作原理雷达的工作原理：由于目标至天线的距离：由于目标至天线的距离不同，接收到回波信号的时间不一样，根据接收不同，接收到回波信号的时间不一样，根据接收时间的先后可确定不同目标物的空间位置；回波时间的先后可确定不同目标物的空间位置；回波信号的强弱则取决于目标对微波的反（散）射强信号的强弱则取决于目标对微
44、波的反（散）射强度，用于确定目标物的性质。度，用于确定目标物的性质。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波传感器及其分类微波传感器及其分类微波传感器的结构及工作原理微波传感器的结构及工作原理 微波波束：微波波束：微波波束是一种脉冲信号，每微波波束是一种脉冲信号，每一脉冲的持续时间叫一脉冲的持续时间叫脉冲宽度脉冲宽度，常用，常用表示。微表示。微波波束的形状像一朵不对称的花，其中伸得最长波波束的形状像一朵不对称的花，其中伸得最长的花瓣叫的花瓣叫主瓣主瓣，角称角称波束角波束角，在主瓣方向上微，在主瓣方向上微波强度波强度(功率功率)最大；伸得短的花瓣叫最大；
45、伸得短的花瓣叫副瓣或旁瓣副瓣或旁瓣，副瓣也要辐射一部分能量。副瓣也要辐射一部分能量。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波传感器及其分类微波传感器及其分类微波传感器的结构及工作原理微波传感器的结构及工作原理 微波波束：微波波束：波束角波束角是决定雷达性能很重是决定雷达性能很重要的指标之一，要的指标之一，角度数值越小，雷达的方向性角度数值越小，雷达的方向性越精确，主瓣的功率也越大，识别目标物的能力越精确，主瓣的功率也越大，识别目标物的能力越强。波束角的大小近似地与发射微波的波长越强。波束角的大小近似地与发射微波的波长成正比，与天线的有效孔径成反比，即有
46、：成正比，与天线的有效孔径成反比，即有：遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 微波传感器及其分类微波传感器及其分类微波传感器的类型微波传感器的类型 微波传感器的种类如表所示，其中微波散射微波传感器的种类如表所示，其中微波散射计和雷达高度计只能测量目标物散射回来的微波计和雷达高度计只能测量目标物散射回来的微波信号强度，测定目标物与传感器之间的距离，进信号强度，测定目标物与传感器之间的距离，进而准确测量地表面高度的变化，记录的是点状或而准确测量地表面高度的变化，记录的是点状或线状目标物的数据，但是不能形成影像；侧视雷线状目标物的数据，但是不能形成影像；侧视雷
47、达和微波辐射计是成像类型传感器，能够接收和达和微波辐射计是成像类型传感器，能够接收和记录目标物反射或发射的微波辐射信号，形成可记录目标物反射或发射的微波辐射信号，形成可视的区域遥感影像或者是数字图像。视的区域遥感影像或者是数字图像。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS 微波传感器的类型微波传感器的类型 传感器种类观测对象被动传感器passive sensor微波辐射计microwave radiometer固定视场，扫描式海面状态，海面温度，海风，海水盐分浓度，海冰水蒸气量，云层含水量降水强度大气温度，风臭氧，气溶胶，Nox，其它大气微量成分主动传感器active sensor微波散射
48、计microwave scatterometer土壤水分，地表面的粗糙度湖冰，海冰分布，积雪分布植被密度，海浪，海风，风向，风速雷达高度计microwave altimeter海面形状，大地水准面海流，中规模旋涡，潮汐，风速侧视雷达imaging radar合成孔径，真实孔径地表的影像海浪、海风地形，地质海冰，雪冰的监测遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 侧视雷达及其图像侧视雷达及其图像侧视雷达定义侧视雷达定义 侧视雷达侧视雷达SLAR（side looking airborne radar）是指向平台行进的垂直方向的一侧或两侧发射是指向平台行进的垂直
49、方向的一侧或两侧发射微波，然后接收目标返回的后向散射波，并以微波，然后接收目标返回的后向散射波，并以图像的形式进行记录的雷达系统。这种地物对图像的形式进行记录的雷达系统。这种地物对雷达波的响应就作为我们辨别各种地物的根据。雷达波的响应就作为我们辨别各种地物的根据。侧视雷达按其天线工作方式的不同，可以分为侧视雷达按其天线工作方式的不同，可以分为真实孔径雷达真实孔径雷达（RAR:real aperture radar）和）和合合成孔径雷达成孔径雷达(SAR：synthetic aperture radar)两类。两类。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS9.3 9.3 微波遥感微波遥感 侧
50、视雷达及其图像侧视雷达及其图像真实孔径雷达真实孔径雷达 成像过程成像过程：真实孔径雷达是对平台的行：真实孔径雷达是对平台的行进方向发射宽度很窄的微波脉冲，然后接收从进方向发射宽度很窄的微波脉冲，然后接收从目标物返回的后向散射波，从接收的信号中可目标物返回的后向散射波，从接收的信号中可以获得地表的图像。如图所示，按照反射脉冲以获得地表的图像。如图所示，按照反射脉冲返回的时间排列可以进行距离方向扫描；通过返回的时间排列可以进行距离方向扫描；通过平台的前进，扫描面在地表上移动，可以进行平台的前进，扫描面在地表上移动，可以进行航线方向的扫描。航线方向的扫描。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS
