微波遥感图像特性
发布网友
发布时间：2022-04-21 20:33
共1个回答
热心网友
时间：2024-04-11 13:36
微波遥感是使用波长从 1mm 到 100cm 范围内的电磁波获取地物微波信息，探测地物特性的一种方法。微波遥感的突出优点是具有全天候工作能力，不受云、雨、雾的影响，可在夜间工作，并能透过植被、冰雪干沙土，以获得近地面以下的信息。
微波遥感有两种成像方式，一种是主动成像方式，即利用传感器向地面发射微波，然后接受其散射波的成像方式，如合成孔径雷达、微波散射计、雷达高度计等都是些种成像方式; 另一种是被动成像方式，即观测地表目标的辐射方式，如利用微波辐射计成像。这里主要介绍机载侧视雷达成像特点。
( 一) 侧视雷达图像的色调特征
侧视雷达图像上的色调深浅，反映了地物后向散射雷达回波能量的强弱。回波越强，图像上的色调愈浅，反之色调愈深。当地面目标非常光滑时，例如金属，这时电磁波产生镜面反射 ( 图 3-38a) ，没有或很少有回波返回到接收天线，图像呈现黑色; 当地面目标的吸收能力很强时，例如水体，几乎没有雷达波束返回到接收天线，图像也呈现黑色。当地面目标的表面状况粗糙，电磁波射入后向四面八方发生不同角度的反射，这就产生了散射作用 ( 图 3-38b) 。散射发生时，雷达波有后向散射，即在入射方向上返回，被接收天线接收; 还有一种情况是入射波束没有从地物表面发生后向散射，但由于建筑物或高出地面的某些物体接收反射信号后的二次反射使接收天线接收到回波，这种反射称角反射( 图 3-38c) 。天线接收回波辐射信号后形成微波图像，图像上的亮度差异就是天线接收的辐射强弱差异。这种差异引起的原因有许多，其中地物表面的粗糙度、地物的电学特征、雷达波的极化 ( 偏振) 性质等都是很重要的影响因素，而地物表面粗糙度又与雷达波长和雷达照射的俯角大小有关。
图 3-38 反射 ( a) 、散射 ( b) 、角反射 ( c)
1. 极化性质
雷达图像上的色调特征与雷达波的极化性质有关。雷达波的极化 ( 偏振) 性质是指电场强度矢量方向随时间变化的方式，通常用电场强度矢量端点，在空间描绘出来的轨迹来表示，并规定电场的方向为极化方向。若电磁波电场矢量与入射面垂直被称为水平极化( H) ，若与入射面平行则称垂直极化 ( V) 。侧视雷达天线若发射和接收的都是水平极化波或都是垂直极化波，称同极化 ( HH 或 VV) 。若发射的极化波和接收的极化波不同，则称为交叉极化 ( 用 HV 或 VH 表示) 。大多数地面物体返回的电磁波极化性质与入射波极化性质相同。侧视雷达使用的微波极化性质不同，地物产生的回波强度也有差别，在雷达图像上的色调也会不一样，从而可以区分地物的性质。在以往资源调查中，绝大多数图像是采用 HH 方式获取的，因为这种回波信号最强。
2. 地面粗糙度、波长、入射角的影响
通常，地物表面光滑产生微波反射，而表面粗糙则产生微波散射。但由于波长及接触地面的入射角对地物的影响，在同样的地面情况下，出现不同情况。如对波长短的波束是粗糙的地物面，对于波长长的波束就可能变成光滑地物面了。入射角的影响也是类似，有实验表明当俯角在 15° ～ 55°之间时，地面的回波信号较强，成像效果较好，但是对不同地形条件，成像的最佳俯角也不一样。
3. 与地物的电磁波特性有关
物体的电磁波特性可以用复介电常数来量度，这个参数是各种不同物质的反射率和电导率的一种指标，复介电常数增大使地面反射率增高。一般金属物体电导率很高，反射雷达波很强，如金属桥梁、铁轨、铝金属飞机等。水的复介电常数为 80，对雷达波反射也较强，因此岩石和土壤的复介电常数随着湿度的增加约呈线性增大的趋势，所以潮湿的地面比干燥的地面更容易反射雷达能量。当然地物反射雷达波的特性也要与其他引起色调变化的因素结合起来分析，如水面很平坦时，由于形成镜面反射，反射波很弱。
( 二) 侧视雷达图像的几何特性
由于侧视雷达卫星是斜距投影，因此会引起图像产生近距离压缩、透视收缩、叠掩，使雷达图像的几何校正难度比较大。
1. 近距离压缩
观察图 3-39，有三个地物目标 A，B，C，就线性长度而言，三个目标物相等，因此在图像上应该表示为等长，这种图像称之为地距图像。实际上，雷达图像是通过天线接收倾斜方向的回波而生成的，我们称之为斜距图像。同样线长的目标物 A，B，C，由于在不同距离上产生回波，斜距图像显示出的地物为A1，B1，C1，它们的长度与原地物目标 ( A，B，C) 的视角的大小相关，视角越小、也就是地物距天线越近，在斜距图像上的长度就缩小越多，即 A1＜ Bl＜ C1。从图上就可以看出，同样长度的地物，投影到不同视角的对应半径上长度的变化，这种现象称为斜距显示的近距离压缩。随着地物与雷达天线距离的变化，图像上的比例尺也在变化，形成几何失真现象。
图 3-39 图像近距离压缩示意图
2. 透视收缩和叠掩
由于雷达卫星为侧视工作模式，当地形有一定的坡度时就会产生透视收缩，当坡度大到一定的角度就产生图像叠掩。
图 3-40 表示出三种面向雷达发射的坡度不同的山坡情况。当雷达波束出发后，对于图 3-40a 中面向雷达山坡，山坡较缓，雷达波束先到坡底，再到坡中部，最后到达坡顶。原来的山坡坡长为 L，在图像上则显示为 ΔR，则 ΔR ＜ L，这种现象称为透视收缩。透视收缩是指山上面向雷达的一面在图像上被压缩，这—部分往往表现为较高的亮度。根据前面关于斜距图像的分析，坡底的收缩一定比坡顶的收缩度大，各处收缩尺度不同，山坡的坡度越大，收缩量越大。
图 3-40b 中，山坡倾斜度很大，致使雷达波束传播时先到坡顶，再到坡中部，最后到达坡底。这时原来的山坡波长 L，在图像上显示为 ΔR'，显然 ΔR' ＜ L。但这时靠近天线的一端是山顶而不是山底，正好与图 3-40a 相反，也就是说当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，因此在图像的距离方向上，山顶与山底的相对位置出现颠倒，这种现象称为雷达叠掩。同时收缩度也与前面相反，坡底的收缩度变小，坡顶的收缩度变大。
图 3-40c 是一种特殊情况，即当斜坡上的部位基本位于与天线同等距离时，将雷达波同时反射回去，在图像上斜坡成为一个点，坡长与坡度都看不到了。
图 3-40 透视收缩和叠掩示意图
3. 雷达图像阴影
由于地形的变化，雷达波束有不能达到的地方，这是由于这些地方没有回波信号产生，在图像上就会出现一个暗区，这就是雷达阴影区。山坡距雷达天线越远，波束越倾斜，或者山坡的后坡倾角越大，阴影也越长，阴影区的面积就越大 ( 图 3-41) 。
图 3-41 雷达阴影图示意图
( 三) 侧视雷达图像的透视性
侧视雷达由于一般采用厘米波，波长比可见光大得多，对云雾、树木具有穿透能力，所以雷达成像时，不受气象、植被条件的影响，具有全天候工作能力，这对于经常受云雾笼罩的地区显示出特殊的意义。例如图 3-42 是在热带地区 ( 印度尼西亚) 的侧视雷达图像，该区全年绝大部分时间有浓厚的云层，地面森林覆盖度大，但由于雷达能穿过云层和树木，得到的是地面图像，因此可以在雷达影像上清晰地看到火山地貌。同时侧视雷达对地物也具有一定的穿透能力，能透过一定深度的松散土层、冰层等取得地形、地质资料，对隐伏构造的判译也很有利。但侧视雷达对水体几乎不能穿透，水体对雷达波的敏感反应，可以用来探测浅层地下水的埋藏深度。雷达对地物的穿透深度，随物体性质不同有很大差别，并随波长的增加而增大，具体变化如图 3-43 所示。
图 3-42 赤道地区 ( 印度尼西亚某地区)侧视雷达像片
图 3-43 侧视雷达对不同地物的穿透深度示意图
复习思考题
1. 什么是成像遥感技术系统? 由哪几部分组成?
2. 传感器的基本组成包括哪四个分系统?
3. 传感器性能包括哪些方面?
4. 图像像元的意义是什么?
5. 典型的摄影方式遥感器有哪些类型?
6. TM 专题制图仪工作的基本特点是什么?
7. 红外扫描仪工作的基本特点是什么?
8. 成像波谱仪的基本特点是什么?
9. 简述固体自扫描传感器的成像过程。
10. 真实孔径侧视雷达与合成孔径侧视雷达的分辨率有何区别?
11. 简要说明 Landsat-5，7 陆地卫星轨道参数及其搭载传感器工作参数。
12. 简要说明 SPOT 卫星、QuickBird 卫星、CBERS 卫星、Radarsat 卫星搭载传感器类型及其工作参数。
13. 航空摄影遥感图像上像点位移的规律是什么?
14. 说明 TM，ETM + 图像上各波段的工作波长、地物的波谱特性。
15. 简要说明固体自扫描图像特性。
16. 白天和夜间热图像上水体的色调特征各是什么? 为什么?
17. 说明光阴影、热阴影、雷达阴影有何区别。
18. 成像雷达图像影像色调深浅的影响因素是什么?
