海洋遥感的微波基础.ppt

1、,第三讲 海洋遥感的微波基础,海洋遥感应用技术,目 录,一、微波遥感理论及特征二、微波遥感器,三、微波图像处理四、微波遥感应用五、发展与展望,一、微波遥感理论及特征,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。,微波波段的特征,微波穿透云层、雾和小雨的能力,微波具有穿透云层、雾和小雨的能力，而且太阳辐射对辐射测量没有太大的影响。因此微波辐射测量既可在恶劣的气候条件下，也可以在白天和黑夜发挥作用，具有较强的全天候、全天时的工作能力，这一特性优于可见光和红外波段的探测系统。,微波具有穿透被测物体的能力,微波穿透植物层的深度，取决

2、于植物的含水量，密度，波长和入射角。如果波长足够长而入射角又接近天底角，则微波可穿透植被区而到达地面。因此，微波频率的高端（波长较短）只能获得植被层顶部的信息，而微波频率的低端（波长较长），则可以获得植被层底层甚至地表以下的信息。,微波测得的信息与红外和可见光所测信息互为补充,利用微波得到的信息在与红外和可见光波段测得的信息是不同的。因此联合使用这三个波段的信息，其结果可以相互补充，更全面地了解被测物体的特性。,在可见光近红外波段所观测的信息基本上取决于植被和土壤表层分子的谐振特性，而微波波段范围内观察到的“颜色”则取决于研究对象面或体的几何特性以及目标介电特性，这样，将微波、可见光和红外辐射

3、配合运用，就能够研究表面上几何的和目标介电的特性以及分子谐振的特性。,另外，微波还可以提供某些附加的特性，这使其在某些应用方面具有独到之处。例如，根据不同类型冰的介电常数不同可以探测海冰的结构和分类；根据含盐度对水的介电常数的影响可以探测海水的含盐度等等。,微波传感器分辨率一般都比较低，这是因为其波长较长，衍射现象较显著。要提高分辨率必须加大天线尺寸。其次，观测精度和取样速度往往不能协调。,对海洋遥感具有特殊意义,微波对海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。,分辨率较低，但特性明显,水体微波辐射特征,海洋的微波辐射取决于两个主要因素：一、海面及一定深度的复介电常数

4、它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定 海水是由各种盐类、有机质、悬浮粒等组成的复杂水体 从微波辐射角度，海水可视为含NaCl等盐类的导电溶液 海水的介电常数是海水温度、盐度的函数因而海洋微波遥感可以测得海面及水下一定深度的温度和含盐度等信息,二、海面粗糙度：海面至一定深度内的几何形状结构。从这一角度可将海面分成4类： 平静海面：海面无风或风速很小，可用物理光学处理，当水面粗糙度较微波波长小得多时，可视为平坦海面，以静面反射为主。 风浪海面：海面有波浪而成为一个随机起伏得粗糙面。此时电磁波在界面上产生复杂多变的反射和散射，散射回波增强。同时，大风浪海面往往伴有泡沫带（含大量气泡和水滴

5、）。它的特征除与辐射亮度温度有关外，还与海浪谱、海面风速等有关。 污染海面：一般指油污染等形成两层介质，引起亮度温度的显著差异。油膜使海面趋于平滑，减弱回波强度，而呈黑色。 冻结海面：海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介电常数较水体小，引起亮度温度的明显差异。,水体微波辐射特征,二、微波遥感器,常用的有效的传感器包括下列五种：,非成像微波传感器,微波散射计是一种有源微波遥感器，专门用来测量各种地物的散射特性。它是通过测量地物对微波的散射强度，达到测定地物的后向散射系数的相对值。,高度计是一种主动式微波测量仪，它具有独特的全天时、长时间历程、观测面积大、观测精度高、时间准同步、信息量大的能力和特点。

6、卫星高度计以海面作为遥测靶，它的回波信号携带有十分丰富的海面特征信息，可以测量出瞬时海面至平台之间的距离、电磁波海面后向散射系数及回波波形。,无线电地下探测器,地下管线探测仪是采用电磁学原理，利用发射器给地下管线以一定频率的信号，使地下管线因此而形成相应的电磁场，再利用接收器来拾取并分析这种电磁场的变化，从而判断出地下目标的相应参数。,考古，发现埋藏在地下的文物和宝物。,检查底下管道、电线、电缆。是建筑施工、自来水装修、供变电、城市,改建等作业中必不可少工具。,可探各种金属矿物，且对某些高品位的矿，尤其对自然金块更为有效。,成像微波传感器,微波辐射计,微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的高

7、灵敏度接收机。,微波辐射计的应用范围 水文 土壤湿度分布用于预报河流水位和洪水 流域表面排水特性 水面的识别 雪盖范围、雪水当量和雪的湿度, 农业 土壤湿度分布用于估产和灌溉调度 冻融边界测绘 极区 海冰形成与发展，类型划分 大陆冰块测绘 海洋 风速 海面温度 海面盐度 油溢污染, 强风暴 热带气旋监测 局地强风暴 气象与气候 地面温度，大气温度剖面 水蒸气集结及剖面分布 大气液态水含量（可降水量） 海洋温度和表面风俗,雷达,1.真实孔径雷达,“真实孔径”雷达，顾名思义其雷达天线长度是实际长度，雷达波的发射和接收都是以其自身有效长度的效率直接反映到显示记录中。运动平台携带真实孔径天线从空中掠过

8、，由天线向平台的一侧或两侧发射波束并扫描地面。这些波束在平台运动的方向上是很窄的，而在垂直于平台运动方向上是延展的。脉冲几何分辨率在很大程度上是由天线长度和脉冲宽度决定的。由于脉冲和地形相互作用，入射的雷达波信号经地物的散射，一部分能量经后向散射，作为随时间改变的放大信号接收下来。,2、合成孔径雷达,合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含两方面的含义：即高的方位向分辨率，足够高的距离向分辨率。它采用以多普勒频移理论和雷达相干为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率，而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术来实现。合成孔径雷达系统通过飞机或星载飞行器的向前运动构成合成孔径。

9、当真实孔径太长，不可能实现的时候，合成孔径雷达就起到了不可估量的作用，它特别适用于星载的飞行器中。只要目标被发射能量波瓣照射到或位于波束宽度之内，此目标就会被采样并被成像。,SAR基本原理,信号特征,SAR是通过天线相对地面目标的运动来获得高分辨率。显然通过这种方法只能在方位向获得高分辨率。在距离向必须用其他的方法来获得高分辨率。通常采用脉冲压缩技术来获取距离向高分辨率，因为这种技术还能以较低的峰值功率产生较高的平均发射电平，从而达到较大的作用距离。,SRTM,载有C波段、X波段干涉雷达生成30米和90米分辨率,全球三维地形图,航天飞机升空日期:2000年2月11日航天飞机着陆日期:2000年

10、2月22日成像范围, 介于北纬60 和南纬54 之间, 80%地球陆地表面,SRTM 数据覆盖范围,航天飞机干涉成像雷达覆盖范围,微波遥感方式：主动和被动,微波遥感与成像,三、微波图像处理,角反射器定标,SAR图像的几何校正,HiWATER联合试验角反射器定标,斑点噪声及滤波,四、微波遥感应用,农业应用林业应用地质应用,水文与水灾应用,土地利用土地覆盖地形制图,海洋应用与海冰干涉测量,微波传感器及其海洋学应用,1）雷达遥感及合成孔径雷达（SAR）一个雷达成像系统，基本包含发射器、雷达天线、接收器、记录器等四个部分。雷达根据微波传播、接收的时差和多普勒变化以及回波的振幅、相位和极化方式来探测目标

11、的物理性质。雷达方程：,雷达回波强度与入射波长直接相关雷达遥感系统所选择的波长长短，一方面决定了表面粗糙度的大小和入射波穿透深度的能力；另一方面波长不同，地物目标的复介电常数不同。这都直接影响到雷达回波的强弱。因此，对于不同雷达波长，同一目标的影响特征不一样。下表列出了遥感常用的微波以及它们的波长、频率范围。,遥感常用的微波以及它们的波长、频率范围,微波传感器及其海洋学应用,微波传感器及其海洋学应用,雷达遥感系统的极化方式，影响到回波强度和对不同方位信息的表现能力。常用的有四种： 水平发射、水平接收（HH） 垂直发射、垂直接收（VV） 水平发射、垂直接收（HV） 垂直发射、水平接收（VH）前两

12、者为同向极化，后两者为异向极化。不同极化方向会导致目标对电磁波的不同响应，使雷达回波强度不同，并影响到对不同范围信息的表现能力。利用不同极化方式图像的差异，可以更好地观测和确定目标的特性和结构，提高图像的识别能力和精度。,SAR在海洋学中的应用,1978年6月，美国NASA发射了Seasat卫星，它是第一颗搭载了四个微波传感设备的地球观测卫星。包括：测量海表地形的雷达高度计（ALT）；测量海上风速和风向的Seasat-A卫星散射计（SASS）；测量海表风速、海表温度、大气水汽、降雨、冰盖的多通道扫描微波辐射计（SMMR）；测量海表信息、极地冰盖、海岸区域的合成孔径雷达（SAR）。该合成孔径雷达

13、在L波段（1.275GHz）运作，极化方式为同向极化，水平发射，水平接收。,NASA、前苏联、欧空局、日本、加拿大都发射过搭载合成孔径雷达的卫星。前苏联发射的Kosmos卫星的雷达运作波段为S波段，极化方式为HH极化。1991年欧空局发射了ERS-1，搭载了C波段、VV极化的主动微波仪。对于航天遥感，它首次使用较短的C波段，首次用VV极化，首次选用较陡的入射角（23）。1995年，又成功发射ERS-2。欧空局后继卫星ENVISAT于2002年3月发射，搭载的雷达运作波段为C波段，双极化，扫描刈幅100400km。加拿大1995年发射了RADARSAT-1，搭载了C波段、HH极化、入射角和扫描刈

14、幅可变的雷达，其突出特点是，按照入射角、覆盖宽度、空间分辨率不同的组合，可有8种不同工作模式，一直提供资料到2004年。日本在1992年发射了JERS-1，搭载雷达为L波段、HH极化方式。2000年2月，美国“奋进号”航天飞机执行了一项称为SRTM（ShuttleRadarTopographyMission）的计划，在仅仅11天的全球性作业中，利用单通道C波段的干涉成像雷达系统，获得了地球60N至56S间陆地表面80%面积的三维雷达数据。,SAR在海洋学中的应用,SAR通过对海面的二维测量，可以获得海面电磁波散射特性的几何分布图像。通过分析这些图像，可以获得海浪、海流、海冰以及海洋内波的分布。

15、Seasat的SAR图像首次最广泛地揭示了许多海洋现象，包括边界流、尺度范围在10-400Km的涡旋、温度峰面、浅海深度测量、与风暴相关的大气模式、雨团等。海表面波浪的观测是一个主要学科焦点，但后来很快发现在影像形成过程中，波的运动是非线性的。经过进一步的了解，并充分利用SIR-B的因低轨而不受线性影响的影像，最终消除了其非线性特性。ERS-1/2SAR以及ENVISATASAR的波浪模型结果，也都进行了纠正。,SAR在海洋学中的应用,SAR资料也用来测量海面风。SAR资料得出的高精度风速在沿海区域是很有用的，弥补了散射计风速在离陆地25Km海域无效的缺陷。 如上所述，合成孔径雷达获取的是二维

16、影像，影像的亮度即反映了海表微波散射信号的特性。油污监测 除海浪和海面风外，SAR资料还用来监测海洋油污染。现在用来评估油污的SAR资料主要来自加拿大的RADARSAT-1和欧空局的ENVISAT。油污监测最大的障碍就是准确地分辨出油膜跟影像里看起来类似的因素，包括风速、海面的天然膜、油脂状冰、内波、雨团等造成的干扰。因为这些因素都会对微波散射造成一定影响，致使在SAR影像上也会出现类似油膜的明暗带。分辨出这些干扰因素是油污自动监测算法的关键，成为很多研究人员关注的步骤。对于油污的持续观测，继续发射更高性能的SAR是至关重要的，并且已经有一些SAR业务计划在实施了。 日本的ALOS（Advan

17、cedLand-ObservingSatellite）和欧空局的TerraSAR-L都是搭载了L波段SAR的卫星。 TerraSAR-X和COSMO/SkyMed是德国和意大利的X波段的卫星，TerraSAR-X最高分辨率可达1m。 油污监测最有前景的是加拿大2005年发射的RADARSAT-2搭载的C波段SAR。,SAR在海洋学中的应用,合成孔径雷达也对海岸带及陆地环境监测。 2005年3月，美国NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）实施了一项研究，用SAR资料来评估南加州的沿岸污染情况。 该研究描述了南加州三大污染来源：暴雨径流、废水排放及天然碳氢化合物渗漏。

18、研究人员也表示，由于风、海浪等环境因素都会影响SAR监测效果，因此，对海洋的长期、实时地油污监测非常重要。,SAR在海洋学中的应用,总结,微波遥感在海洋动力环境研究、浅海水下地形、海洋油膜污染监测、海岸带及陆地环境监测、海面风场测量、极地海冰测量等领域得到了很好的应用。技术上当然也有待提高的方面：高度观测方面需要更高的空间和时间分辨率、主动/被动微波遥感混合互补测量、沿轨干涉测量、较长雷达波长测量。关于地球的更多了解，将提高我们对大气/海洋/陆地/冰整个系统的认识，更好地预测未来环境变化及其对地球上生命的影响。,五、微波遥感的发展与展望,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展历史,