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1、1,微波遥感,遥感科学与技术系 2010-9-26,2010-2011第一学期,2,参考书目：,微波遥感原理 舒宁 武汉大学出版社 (2000-03出版) 主动式雷达遥感 隋立春 测绘出版社 (2009-05出版) 地球卫星遥感卷1:理论与仪器 曲 (Qu.J.J.)、等 清华大学出版社 (2006-09出版) 微波技术基础 廖承恩 西安电子科技大学出版社 (1994-12出版),3,第一章 微波遥感原理,1.1 引言 空间遥感是在空间(卫星)平台上用电磁波与地球大气、地表、海洋环境相互作用的散射与辐射来进行观测。它从可见光摄影开始，经过红外热辐射探测，到20世纪70年代已发展到微波、毫米波遥
2、感。,4,1.1.1 微波遥感的学科地位、优越性,微波在电磁波谱中的位置-长波端,5,6,1）波长范围,可见光-近红外遥感载波波长0.38-0.76um 热红外遥感载波波长0.76-1000um 微波遥感载波波长1-1000mm,微波的频谱与能量谱(1焦耳=107 耳格)(MKS制-CGS制),7,2）波段划分,微波波段,毫米波,厘米波,分米波,0.1-1.0mm,0.1-1.0cm,0.1-1.0m,Ka,K,Ku,X,C,S,S,L,P,8,3）微波波段名称与相对频率、波长,9,4）常见雷达卫星载波,10,1.1.2 优越性-全天候，全天时，穿透性,微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候工作能力
3、。 全天时工作能力。 微波对地物具有一定穿透性。 微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的信息。 微波遥感的主动方式不仅记录电磁波振幅信号，而且可以记录电磁波相位信息。 行星际探测的主要手段。,11,1）全天候工作能力All weather capabilities,对云的透过性 （全球日平均云层覆盖率为40%-60%）,C,S,X,12,对雨的透过性 当波长大于3cm 大雨倾盆的地区 对微波影响很小。,C,S,X,13,2）全天时工作Day/night capabilities,雷达是有源传感器（自己提供照射）并不依赖于日光。 在汶川地震遥感监测中，高分辨率SAR发挥了重要作用。 在5月1
4、3日至5月15日，灾区一直是阴雨天，光学遥感（卫星和航空）都无法得到图像，通讯也基本中断，5月13日日本方面ALOS PALSAR首先获得ScanSAR模式的图像，但是分辨率为100米，无法应用；意大利的COSMO SkyMed首先得到都江堰3米和1米分辨率的SAR图像；5月14日我国的遥感1号得到分辨率为5米的灾区SAR图像。 5月底直升飞机失事，在找寻飞机残骸的过程中，P波段和L波段的雷达也发挥了重要的作用。 在2008春节期间我国南方地区的冰雪灾害过程中，在历次洪涝灾害过程中，在我国南方地区农作物生长的关键时刻，经常是阴云密布，或大雨滂沱，只有SAR能够工作得到遥感图像。,14,SWIS
5、S DAY/NIGHT IMAGE,15,16,3）一定的穿透性Surface penetration capabilities,穿透深度与 土壤湿度、 频率、土壤 类型的关系 对干沙可以穿透 几十米，对冰层 能穿透100m左右,L,C,X,17,SIR-A测绘沙特阿拉伯古河道（1981年）Shuttle Imaging Radar,18,4）不同于可见光和红外遥感的信息,微波高度计：大地水准面测量，内波，海面风场，海浪高度测量 合成孔径雷达：内波，海底地形，海洋溢油，舰只潜航尾迹，相位变化测量,19,5）相位测量-合成孔径雷达干涉测量,SRTM全球地形三维测量 Landers地震同震形变场,
6、Soufriere Hills volcano, Montserrat，UK,Landers earthquake 1992，nature,20,21,开采沉陷：实践证明InSAR技术用于开采沉陷监测可以达到厘米级的分辨率，完全满足精度要求，未来将是一种行之有效的开采沉陷监测方法。 冰川移动：InSAR技术对冰川研究有两个重要作用。首先InSAR技术能够提供完整的、高分辨率的、高精度的地形数据；其次，重复轨道能够测量冰的流动。 地表沉降：利用InSAR技术进行了城市地表沉降监测，与常规水准测量相比，两者相关度达0.943，说明InSAR测量值与其保持很高的一致性 火山研究：实践表明，基于InS
7、AR技术，一个月几次的重复观测很容易监测每月几个厘米的火山运动形变量，无论在热带雨林（如印尼的Merapi地区）还是在北极冰雪地带（北极Katmai地区），SAR图像均能保持令人满意的相干性。 地震形变：地震形变监测是InSAR技术应用最为成功的领域之一。 地壳运动：用InSAR技术研究地壳运动及板块漂移在国外已多有研究，其中规模最大的当属美国国家科学基金会(NSF)、地质调查所(USGS)和国家航空和航天局(NASA)联合发起的“地球探测”(Earthscope)计划. 滑坡监测：目前已有采用InSAR手段研究滑坡的先例。如对法国南部SaintEtienne de Tinee的滑坡现象应用
8、D-InSAR技术进行监测，几十个干涉图序列中提取位移梯度图，利用它们模拟该地区的变形模型，处理结果与常规离散监测方法吻合程度很高。 5,22,各种形变监测技术比较,23,SRTM全球地形三维测量航天飞机雷达地形测绘任务Shuttle Radar Topography Mission,2000年2月11日，11天生成全球80%陆地表面DEM（30m,16m）和SAR图像（30m），完成 了人类有文明以来5000年未能完成的使命。,24,6）深空探测的主要手段,行星际探测 金星表面温度（1967），月面地形，火星地形，火星水冰，宇宙背景微波辐射。 水遥感：干旱与洪涝、积雪冻土、海冰海洋监测、大洋
9、水准面测量精度7cm 天气雷达,25,通过对探测数据的处理，还获得了其它探测仪器的一些初步科学成果，比如：干涉成像仪获取的光谱图、干涉图，激光高度计获取的测距值，/X射线谱仪获取的能谱图，微波辐射计获取的月表亮温变化趋势图，空间环境探测仪获取的粒子计数图等。,26,二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖 。,
10、27,科学界普遍认为，宇宙诞生于距今137亿年前的一次大爆炸，作为大爆炸的“余烬”，微波背景辐射均匀地分布在整个宇宙空间。更精确地观测宇宙微波背景辐射，对于揭开宇宙形成和演变的奥秘至关重要。,28,29,由于微波的全天候特点，能穿过云层，还可能探测地下结构，随着空间分辨率的不断提高，高分辨率合成孔径雷达(SAR)与多通道辐射计成像(如：特别微波成像辐射计SSM/I)技术的发展，以及多源、多极化、多通道、多视角、多用途、主动与被动、多系列、连续多年的空间遥感计划的进行，已使微波遥感成为空间遥感发展最前沿的技术。 微波遥感技术已使以往受昼夜云雾影响的光与红外遥感获取全球环境35的信息增加到全天候地
11、获取全球环境95的信息，凸现了以微波遥感为主的发展态势。,30,5）缺点与不足,雷达图像分辨率较低 雷达成像处理困难 数据源较少,31,32,微波遥感的分类与应用,微波被动遥感：微波辐射计 根据普朗克定律，任何地物在一定温度下，不仅向空间发射红外辐射，而且还发射微波辐射，地物的微波辐射基本上和红外辐射相似，符合热辐射定律。但微波是低温状态下地物的重要辐射特性，其特点是地物的温度越低，微波辐射也就越明显。 尽管微波辐射比红外辐射能量要弱得多，但可以用无线电技术经调谐和放大线路来接收。目前，微波辐射在地学等领域正作为有力的探测手段，加速进行研究。,33,微波被动遥感传感器,Nimbus-5,6:E
12、SMR电扫描微波辐射计 Nimbus-7:10通道双极化SMMR F-8(DMSP)-13，14：7通道微波成像仪SMM/I TRMM热带降雨测量任务：微波成像仪TMI EOS-PM Aqua:多通道先进微波扫描辐射计AMSR-E FY-3： 10通道微波成像仪 HY-2：微波成像仪SMM/I 神州-4，嫦娥-1：多波段微波辐射计,34,应用范围,微波被动遥感对于水特别敏感，因此在区域和全球性水圈遥感中起着十分重要的关键作用。 比如，探测大气温度、水汽廓线，大气降雨、大气可降水量、云中液态水含量；反演海面风场(风速、风向)、台风、海冰的监侧；获取陆地面温度、土壤湿度、积雪深度与水当量、干旱、洪
13、涝、沙漠，陆地水文与地理环境、植被生物量、农作物生长评估及其在空间尺度上的分布与时间尺度上变化等。,35,FY-3微波辐射计,36,地基12通道微波辐射计,37,微波主动遥感：微波散射计，雷达高度计，固定孔径雷达，合成孔径雷达。 多通道（X，C，L，P），多模式（SCANSAR,）,多极化（HH，VV，HV，VH），高分辨率SAR,38,应用范围,雷达与SAR对于大气降雨、大气可降水量、云中液态水含量，海面风场、台风、海冰的监测，陆地土壤湿度、积雪、干旱洪涝灾害、陆地水文、植被与农作物生长监测等都有重要的应用。同时，还可在土地利用、地质资源与探矿、地下目标探测、大地河口与海岸监测、城市发展管理、海流与海面污染、海面舰船或地面目标的识别等民用和国防技术中有十分重要的关键性的应用。全极化SAR与INSAR图像还可以用来反演森林树木高度、地面数字高程、地面形变、各类地表的分类等。此外，逆合成孔径雷达ISAR、双站BiSAR等研究也正引起关注。,