【RS】雷达radar、合成孔径雷达SAR、相干雷达INSAR、激光雷达LIDAR先回顾一下遥感的概念遥感使用安放在承载工具平台的某种装置传感器在不直接接触被研究的目标情况下“遥远的感知remote sensing”感测目标的特征信息一般是电磁波的反射辐射或者发射辐射经过传输、处理从中提取人们感兴趣的信息的过程。武汉大学遥感信息工程学院大二下《遥感原理与应用》第1章现在介绍一种典型的遥感传感器及其成像原理——雷达radar。武汉大学遥感信息工程学院大二下《遥感原理与应用》第4章文章目录【RS】雷达radar、合成孔径雷达SAR、相干雷达INSAR、激光雷达LIDAR1 雷达radar1.1 概念与基本原理1.2 分辨率2 合成孔径雷达SAR2.1 概念与基本原理2.2 合成孔径雷达的分辨率3 侧视雷达图像的几何特征3.1 侧视雷达图像的几何特征3.2 侧视雷达图像的色调特征3.3 侧视雷达图像的其他特征4 相干雷达INSAR5 激光雷达LIDAR5.1 概念与特点5.2 LiDAR 的应用1 雷达radar1.1 概念与基本原理作为一种典型的遥感传感器这里所说的指成像雷达主要指工作在微波波段0.8~100cm有源主动、天线侧向扫描、能产生高分辨率影像的雷达 。其原理主要是用雷达一点一点地测量来自地球的回波信号并以模拟形式记录成图像或以数字形式记录在磁带上。它必须相对于地面探测目标运动即必须搭载在飞机、卫星或航天飞机上。真实孔径侧视雷达RA-SLR, Real Aperture Side-looking Radar成像过程如下上图中成像雷达的斜距R天线至目标的径向距离地面距离Rg从航迹(地面轨迹)到目标的水平距离。后向散射回波装在平台一侧或两侧的水平孔径天线将发射机产生的高功率微波短脉冲所以之前说是“一点一点地测”侧向发射出去以窄的扇形波束扫过地面一条窄带。微波遇目标后发生反射和散射其中沿发射方向返回的部分称后向散射回波。这里的“后向”的意思是沿着来时方向返回雷达的那一部分散射能量成像雷达每发射一个脉冲形成一条影像线而与平台运行速度同步移动的胶片完成航向地面覆盖形成连续条带状雷达影像。1.2 分辨率地面分辨率指的是在影像上两个能够区分的目标间的最小距离。对于成像雷达来说分为1. 距离向分辨率 (Rr垂直航向方向)成像雷达使用的是距离成像因此其分辨率也是一种距离分辨率即在脉冲发射的方向上能分辨两个目标的最小距离。如上图设脉冲每次雷达脉冲的持续时间为τ ττ光速为c cc只有当两个地物的斜距达到( τ c ) / 2 (τc)/2(τc)/2的时候这两个地物的两次后向散射回波的时间间隔才能大于τ ττ如下图也就是说雷达的斜距分辨率R d ( τ c ) / 2 R_d(τc)/2Rd​(τc)/2同理地距分辨率R r ( τ c sec ⁡ φ ) / 2 Rr(τc\secφ)/2Rr(τcsecφ)/2。P.S. 正割sec是余弦cos的倒数哦这意味着对于成像雷达距离向上越远的地物越能分清。当然也得考虑信号衰减距离增加后确定性accuracy上去了但当距离增加超过一定范围的时候随着信号强度衰减信噪比SNR却下去了即精度precision下去了。类似的关系在大三下地理信息工程方向的《空间数据智能分析》的第11章中构造地理加权回归分析GWR中使用加权线性最小二乘的解算算子的时候使用的空间权重矩阵的核函数的带宽逐渐增加其对二者的作用与上述相反如果忘了确定性accuracy和精度precision是啥请回去复习大一上《普通测量学》第7章误差的基本知识然后自己品一下由公式来看设计雷达传感器时缩短雷达脉冲的持续时间为τ ττ有助于提高其距离分辨率。2. 方位向分辨率 (Ra航向方向方位分辨率是在相邻的两束脉冲之间能分辨两个目标的最小距离。对于成像雷达来说与天线直径D有关成像雷达的方位分辨率R β β R λ R / D R_ββR λR/DRβ​βRλR/D其中波瓣角β与光学上的最小分辨角意义相近。从公式来看方位向上越近的地物越能分清设计雷达传感器时增大雷达天线直径D有助于提高其方位分辨率。2 合成孔径雷达SAR2.1 概念与基本原理本文第1章已经说明真实孔径雷达分辨率距离分辨率R r ( τ c sec ⁡ φ ) / 2 R_r(τc \secφ)/2Rr​(τcsecφ)/2方位分辨率R β β R λ R / D R_ββR λR/DRβ​βRλR/D增大R后φ减小距离分辨率提高因此将雷达传感器搭载到轨道卫星平台上这样R就足够大了但是R大了之后方位分辨率降低。为了增大雷达的天线直径D以提高其方位分辨率可以设计合成孔径雷达SARSynthetic Aperture Radar模拟线性天线阵应用多普勒效应和数据处理技术用一个小天线的来回移动合成一个大天线使方位分辨率提高几十至几百倍从而实现在轨道高度获取距离向和方位向分辨率都很高的雷达图像其实现的基本原理是用一个小天线作为辐射单元将此单元沿一直线不断移动距离L S L_SLS​其存贮的信号和实际天线阵列诸单元所接收的信号相似从而实现增大等效的雷达天线直径D2.2 合成孔径雷达的分辨率1. 方位向分辨率∵R s λ R / L s R_sλR/ LsRs​λR/Ls①又L s R β λ R / D L_s R_β λR/DLs​Rβ​λR/D②②代入①得R s D R_s DRs​D∴ 双程相移往返导致相位差放大到单程的2倍R s D / 2 R_sD/2Rs​D/2即方位分辨率为R s D / 2 R_sD/2Rs​D/2方位分辨率只与实际使用的天线孔径有关。2. 距离向分辨率距离向的比例尺由小变大越远影像比例尺越大如上图1 / m c 1 / m b 1 / m a 1/m_c1/m_b1/m_a1/mc​1/mb​1/ma​。3 侧视雷达图像的几何特征3.1 侧视雷达图像的几何特征续 2.2 节距离向分辨率的规律因此侧视雷达图像会有近距离压缩的现象对于DEM等反映地形起伏的数据会有透视收缩和叠掩现象因此需要进行几何纠正此外还会因为地形遮挡的斜距投影出现雷达影像阴影其影响造成山体前倾。朝向传感器的山坡影像被压缩而背向传感器的山坡被拉长还会出现不同地物点重影现象。这也是因为雷达采用距离成像的原理导致的。高差产生的投影差与中心投影影像投影差位移的方向相反。3.2 侧视雷达图像的色调特征1. 与入射角有关朝向飞机方向的坡面 → 反射强烈 → 很亮朝天顶方向 → 弱些 → 较亮背向飞机方向 → 反射很弱(没回波) → 很暗2. 与地面粗糙程度有关地面地物微小起伏小于雷达波波长 → 镜面漫反射 → 很暗地面微小起伏大于或等于发射波长 → 漫反射 → 较亮“角隅反射” → 反射波强度更大 → 很亮3. 与地物的电特性有关物体复介电常数高 → 反射雷达波强 → 亮复介电常数是描述材料在交流电场或电磁波中“储能”和“耗能”能力的复数形式介电常数常写作ε ∗ ε ′ − j ε ′ ′ \varepsilon^*\varepsilon-j\varepsilonε∗ε′−jε′′其相对形式为ε r ∗ ε r ′ − j ε r ′ ′ \varepsilon_r^*\varepsilon_r-j\varepsilon_rεr∗​εr′​−jεr′′​其中实部ε ′ \varepsilonε′表示材料被电场极化、储存电能的能力。它越大说明材料越容易极化电容效应越强虚部ε ′ ′ \varepsilonε′′表示介质损耗也就是电磁能转化为热能等形式被消耗的能力。它越大说明材料对电磁波吸收、衰减、发热越明显导电性越好当材料中有较多自由电荷或载流子时在交变电场作用下这些电荷会移动形成电流这个过程会消耗电磁能并转化为热能所以表现为较大的介电损耗也就是较大的ε ′ ′ \varepsilonε′′。常用损耗角正切表示损耗强弱tan ⁡ δ ε ′ ′ ε ′ \tan\delta\frac{\varepsilon}{\varepsilon}tanδε′ε′′​如果你忘了的话请去复习大二上《遥感物理基础》雷达波从空气射到地物表面时会遇到一个介质界面。空气的相对介电常数约接近 1而地物的复介电常数为ε r ∗ ε r ′ − j ε r ′ ′ \varepsilon_r^*\varepsilon_r-j\varepsilon_rεr∗​εr′​−jεr′′​如果地物的 KaTeX parse error: Double superscript at position 16: \varepsilon_r^*̲较高说明它和空气的电磁阻抗差异更大。阻抗差异越大反射越强。对于非磁性材料介质波阻抗近似为η η 0 ε r ∗ \eta\frac{\eta_0}{\sqrt{\varepsilon_r^*}}ηεr∗​​η0​​界面反射系数可近似写成Γ ε r ∗ − 1 ε r ∗ 1 \Gamma\frac{\sqrt{\varepsilon_r^*}-1}{\sqrt{\varepsilon_r^*}1}Γεr∗​​1εr∗​​−1​反射强度大致与∣ Γ ∣ 2 |\Gamma|^2∣Γ∣2有关。所以当复介电常数变大时∣ Γ ∣ 2 |\Gamma|^2∣Γ∣2通常增大反射回来的雷达波增强。在雷达图像里某个区域越亮表示雷达接收到的后向散射能量越强。所以ε r ∗ 高 ⇒ 反射系数大 ⇒ 回波强 ⇒ 雷达图像亮 \varepsilon_r^* 高 \Rightarrow 反射系数大 \Rightarrow 回波强 \Rightarrow 雷达图像亮εr∗​高⇒反射系数大⇒回波强⇒雷达图像亮例如湿土壤通常比干土壤更亮因为水分会显著提高土壤的介电常数金属、潮湿地表、建筑物等也容易产生较强雷达回波。3.3 侧视雷达图像的其他特征侧视雷达图像有较强的穿透能力因为用的是微波波长长衍射能力好。它能穿透云层、树木和水得到下面的地表信息。另一方面微波在物体内会产生体散射因此能将地下的一些状况反映出来。例如使用Cosmo-SkyMed高分辨率雷达图像进行地下管线检测4 相干雷达INSAR利用SAR在平行轨道上对同一地区获取两幅或以上的单视复数影像来形成干涉进而得到该地区的三维地表信息。该方法充分利用了雷达回波信号所携带的相位信息获得同一区域的重复观测数据距离差形成干涉得到相应的相位差结合观测平台的轨道参数等提取高程信息。例如 ERS-1/2/ ENVISAT 组合。5 激光雷达LIDAR5.1 概念与特点激光雷达LIDAR是激光探测及测距系统的简称。其基本工作原理是通过发射激光脉冲并测量反射信号的时间来获取目标的距离、速度等信息。对地表的扫描频率极高已知空间点Os的坐标XsYsZs)及该点到地面点PXYZ的距离则P点的坐标很容易得到。由于激光雷达缺少光谱信息所以一般在激光雷达旁加装一个数码相机或数码摄影机以增加激光扫描数据的光谱信息。它们可以同步获得数据。LiDAR 的基本特点全天时全天候获取地面三维数据能部分穿透植被同时测量地面和非地面层很少需要进入测量现场不需要大量地面控制点快速获取数据24小时内可提取测区的 DEM 数据精度较高均匀稳定能够接收无穷次回波5.2 LiDAR 的应用1. 森林监测与管理LiDAR系统的最早商业应用领域之一是森林监测与管理使用 LiDAR可以获得森林及树冠下面地形的准确数据 (树高、树冠覆盖、材质和生态环境等)即数字表面模型(DSM)及数字高程模型(DEM)。这两者的区别在大三上的《摄影测量学》和大三下的《空间数据智能分析》中都有讲到忘了的话请回去复习森林测绘以前是借助空中摄影和地面测量进行的。这些方法不仅费时费力而且只能分析样点结果还是推断的。激光扫描法则能克服这些缺点提供有关树高、木材体积和一片林区垂直结构的完整3D信息。通过激光扫描技术提取得完整的3D森林模型。在单个树木分析的基础上可确定以下的参数• 单个树高• 一片林区的平均树高• 一片林区的木材体积• 一片林区的平均密度• 每片林区的平均生长体积此外LiDAR得到的 DTM还可以来规划和改善森林运输道路以及进行倾斜度分析以便测定危险。使用 LiDAR 进行森林监测与管理的一般方法1. 数据获取利用机载 LiDAR、无人机 LiDAR 或地面 LiDAR 对森林区域进行扫描发射激光脉冲并记录返回信号获得高密度三维点云数据。激光可以部分穿透树冠因此既能获取树冠表面信息也能获取林下地形信息。2. 点云预处理对原始点云进行去噪、配准、坐标校正和分类处理将点云分为地面点、植被点、建筑物或其他目标点。然后利用地面点生成数字高程模型DEM/DTM利用树冠最高点生成数字表面模型DSM。3. 建立树冠高度模型用 DSM 减去 DTM得到树冠高度模型CHMCHM DSM - DTM通过 CHM 可以提取树高、林冠起伏、树冠覆盖度和林分垂直结构等信息。4. 提取森林结构参数根据 LiDAR 点云和树冠高度模型可以计算树高、平均树高、最大树高树冠覆盖度、冠层密度单木位置、树冠直径、树冠面积林分密度、蓄积量、生物量林下地形、坡度、沟谷和道路条件冠层垂直结构和生态环境特征。5. 单木识别与林分调查通过点云分割或树冠分割算法识别单株树木提取每棵树的位置、高度、冠幅等参数。再结合样地调查数据建立模型估算胸径、材积、生物量和碳储量。6. 动态监测与变化分析多期 LiDAR 数据可以用于比较森林变化例如树木生长量采伐或倒木区域病虫害、风倒、火灾后的损害范围林冠退化或恢复情况森林碳储量变化。7. 森林经营与管理应用LiDAR 数据可为森林管理提供决策依据如制定采伐计划和抚育方案评估森林资源储量监测森林健康状况评估火灾风险和防火通道保护野生动物栖息地规划林区道路和生态保护区。LiDAR 通过获取森林的三维结构信息能够准确测量树高、树冠覆盖、林分密度、地形和生物量等参数是森林资源调查、生态监测和精细化经营管理的重要技术手段。2. 构建数字城市模型在电信、无线通讯、法律实施和灾难管理等众多领域中都需要准确的数字城市模型建筑物建模、城市规划、噪声模拟、无线网络规划、DEM叠加DOM数据得到的假三维的电子沙盘就像Cesium的Cesium.createWorldTerrain图层那样的等等。3. 地貌特征获取湿地、限制进入地区、危险区域密集的植被覆盖和没有可通行的道路传统的地面摄像测量技术很难对沼泽、野生动物保护区及森林保护区进行勘测危险地带的地貌特征获取。其余LiDAR的典型应用包括水深、海岸线、侵蚀状况监测、抗震救灾生成堰塞湖三维晕渲地形图等。