過去20年,商用雷達成像衛星發射上天,如加拿大的RASARSAT衛星,歐洲航天局(ESA)的ERS-1和ERS-2遙感衛星,數字雷達圖像的應用越來越廣泛。
大多數遙感系統將太陽作為能量源,成像雷達系統則不同,它是主動傳感器,通過發射微波能量并記錄回波信號獲取地表特征信息。大部分成像雷達系統產生波長為1cm~1m的微波,比探測雨雪的氣象雷達波長更長。
這些微波信號穿過大氣層和云層時幾乎不受影響,也不會衰減。因此無論白天夜晚,成像雷達體系幾乎可以在任何天氣條件下形成地表特征地圖。這些特點使得雷達成像特別適用于熱帶和極地地區,因為這些地區常年有云層覆蓋,阻礙了可見光遙感探測。
雷達圖像不僅可以提供地表的地形信息,還有地表的物理和生物物理性質。雷達圖像長期應用于地質研究,通過地表景象形成顯示其內部結構特征的地圖。衛星雷達圖像通常用于監控北極海域的冰川情況,以及探測海洋表層泄漏的石油。雷達成像也應用于植被和農作物品種繪圖、景觀生態學、水文學、火山學。
分析數字雷達圖像前,必須先使用“Import process(導入處理)”將圖像導入至TNTmips工程文件,TNTmips可以將以下傳感器的雷達數據格式直接導入:
ERS-SAR:歐洲航天局ERS-1和ERS-2衛星RADARSAT:加拿大RADARSAT衛星
在其中一些數據格式中,除圖像主文件以外,還有單獨的頭文件和引導文件,這些也是導入處理所必須的。導入雷達圖像時,要確保以上所有文件在同一目錄下。
如果雷達圖像是其他文件格式,可以使用“用戶定義”格式選項導入這些圖像。使用這一選項時,必須創建一個格式文件來指定圖像文件的結構、數值數據的類型、字節順序以及在圖像頭文件和附屬文件中經常查找的其他信息。
成像雷達系統向一側發射離散的雷達脈沖,每個脈沖照射垂直于航行方向的地面區域中的一個條帶。微波與物體表面或物體的一部分相互作用后返回雷達天線,系統記錄該區域的脈沖回波及其往返的強度變化。
由于微波在空氣中以光速運動,對每個回波信號進行計時,就可以估算距離向(垂直于航行方向)對應的圖像位置。航空器或航天器向前飛行(方位向),通過一系列的脈沖回波就可以形成圖像。
雷達幾何成像中一個重要因素就是下視角,定義為飛機水平面與雷達天線和特定地形特征之間連線的垂直夾角,這條連線反映了脈沖的往返路徑。地物與航行路徑的距離越近,下視角越大,隨著距離的增大而減小。
不同因素影響著雷達圖像在距離向和方位向的分辨率。距離向分辨率主要取決于單個脈沖的持續時間(微秒級),并且在遠區會隨著下視角的減小而改善提高。
方位向分辨率主要取決于單個脈沖形成的波束寬度,波束寬度越窄,方位向分辨率越高。在早期的機載雷達系統中,可以通過增加雷達天線的物理尺寸來減小波束寬度,但在實踐中對天線的尺寸是有限制要求的,天線不能很大。
現代合成孔徑雷達(SAR)系統的天線尺寸較短,但可以通過對多重雷達回波的綜合處理,形成較長的等效合成天線。某一地表特征的圖像,是由天線連續變化位置并收發脈沖而形成的。天線與目標之間的相對運動使回波信號產生差異,對不同脈沖數據進行解算,就能以良好的方位向分辨率確定地物特征的正確位置。
在雷達圖像中,回波越強的區域亮度越高,因為成像雷達系統采用側視方式,只有一小部分發射能量反射回到天線并被系統檢測到。雷達回波強度有多個影響因素,包括地表的朝向、粗糙度和電特性,以及雷達回波的極化方向。
相對平坦的區域,表面粗糙度這一基本特征決定了雷達圖像特性。光滑的水平面像一面鏡子,產生特定方向的回波(見圖),例如平靜的水面。
雷達發射的全部能量幾乎都從與入射角相等的反射角方向傳播出去,即反射的能量都遠離了雷達天線。正是因為幾乎沒有能量返回雷達天線,平滑區域的成像色彩就很暗淡,例如上圖中的河流。
當雷達發射信號照在粗糙的地表,表面的不規則性使雷達能量散射到很多個方向,其中一小部分返回雷達天線,雷達系統檢測到這些能量,并在圖像中形成色彩明亮的部分。因此在雷達圖像中,地表物體的亮度與粗糙程度成正比,即越粗糙越明亮。
由于地物表面朝向相對于雷達信號傳播路徑的不同,地形也會影響圖像亮度。在其他因素都相同的情況下,垂直于傳播路徑或直接面向傳感器的表面形成的回波最強,背向傳感器的山坡形成的回波較弱。
如果山坡背面傾斜度大于下視角,那么雷達脈沖不能照射到這些區域,該區域就成為陰影區。由于距離增大、下視角減小,陰影區會增多,導致一些較為平緩的山坡背面也成為陰影區。前一頁的雷達圖像中,綿長的山脊線非常明顯,正是山坡正面和背面明暗交匯的結果。
在雷達圖像中,人口居住區的建筑物通常亮度較高,這是建筑物的形狀導致的。建筑物的側面平坦,垂直與地面相交,形成了角反射器。如右圖所示,雷達信號經過兩次平面反射后,向著雷達天線方向傳播,與下視角大小無關。有時雷達圖像將角反射器成像作為校準回波信號強度的一種手段。
電力線高塔和橋架等金屬物體在雷達圖像中非常明亮,這是因為其介電常數值很大。大多數干燥的自然界物質介電常數值很小,但潮濕的土壤、積雪和植被的介電常數值較大,其雷達反射率也會增加。因此雷達圖像也可以用于估算地表物質的水分含量。
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原文標題:合成孔徑雷達數字圖像解譯
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