華北理工微波遙感專題講座：合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星遙感在海岸帶環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星遙感在海岸帶環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

一、概述

二、SAR遙感研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

三、SAR遙感技術(shù)在海洋以及海岸帶的應(yīng)用

一、概述（一）、合成孔徑雷達(dá)

SAR一般由發(fā)射機(jī)、調(diào)制器、天線、接收機(jī)、數(shù)據(jù)記錄和處理等系統(tǒng)組成。發(fā)射脈沖通過天線射向地面，接收地物后向散射信號（雷達(dá)回波），經(jīng)處理生成SAR圖像。

（二）、雷達(dá)波散射特性

1、后向散射系數(shù)雷達(dá)波的極化后向散射系數(shù)是單位面積上目標(biāo)的pq極化

(p,q=v,h為垂直、水平極化)雷達(dá)散射截面，為無量綱系數(shù)或dB。

2、雷達(dá)圖像強(qiáng)度

圖像像元顯示的強(qiáng)度與對應(yīng)地面單元的雷達(dá)后向散射系數(shù)成直接的比例關(guān)系：是一個與距離有關(guān)的系統(tǒng)因子，它與發(fā)射功率、地面單元的大小及天線增益函數(shù)等有關(guān)。

（二）、雷達(dá)波散射特性

3、雷達(dá)圖像斑點(diǎn)

隨機(jī)面元的雷達(dá)波散射是生成圖像斑點(diǎn)的原因，表現(xiàn)為地表目標(biāo)的不同單元所對應(yīng)像元的圖像色調(diào)有隨機(jī)變化。

二、SAR遙感研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

國際上主要星載SAR的情況

美國歐空局俄羅斯日本加拿大型號SeasatSIR-ASIR-BSIR-CERS-1,2AlmazJERS-1Radarsat發(fā)射時間（年.月）1978.061981.111984.11994.041991.071995.041991.031992.021995.11任務(wù)期限3個月3a8a8a2a2a2a5a軌道傾角/(°)108385757或極軌98.5739898.6飛行高度/km794252250～325

800300570798-821衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量/kg>1000

24001850014002750工作波段LLLL,C,XCSLC極化方式HHHHHH全極化VV

HHHH視角/(°)204715～6015～602390～603510～60距離分辨率/m254058～1758～173015～3018(4視)9～100方位分辨率/m25(4視)40(6視)25(4視)25(4視)30(4視)15～3018(4視)9～100測繪帶寬/km1005010～6020～100100

7545～510天線尺寸/m×m10.7×2.169.4×2.1610.7×2.1612×4.110×115×1.512×2.215×1.5波束操縱方式

機(jī)械電掃

機(jī)械

電掃信號帶寬/MHz196121215.55

1511.6,17.3或30.0發(fā)射功率/W100010001000L:3600,C:2235,X:1000480019000011005000發(fā)射脈寬/μs33.430.430.4L:30.4,C:3337.12

3542重復(fù)頻率/Hz1463～16401464～18241464～18241200～19001640～172030001550～16901270～1390目的及應(yīng)用海洋陸地資源多參數(shù)觀測資源

資源資源三、SAR遙感技術(shù)在海洋以及海岸帶的應(yīng)用

SAR遙感圖像可顯示重要的海洋特征，例如:（1）大面積海域的海面波浪場,如大洋風(fēng)浪與涌浪,淺海區(qū)波浪折射、繞射等;（2）海面風(fēng)場、海流流場、鋒面等海面運(yùn)動;（3）顯示大陸邊緣、海山與海流切變區(qū)的海洋內(nèi)波;（4）強(qiáng)海流區(qū)域和河口附近海域渦流;（5）內(nèi)海灣潮流展示,從近岸到近海區(qū)域的水系分布;（6）淺海水下地形和淺海水深調(diào)制,海面起伏;（7）運(yùn)動船舶產(chǎn)生的海面尾跡;（8）各類型的海冰及其變化;（9）海面溢油及海面油污染;（10）海岸帶地物變遷;（11）風(fēng)暴潮、熱帶氣旋、降雨等;

三、SAR遙感技術(shù)在海洋以及海岸帶的應(yīng)用

由此能提供定量的海洋信息有:（1）海面風(fēng)場（風(fēng)速風(fēng)向）、海面流場定量重構(gòu)；（2）淺海下地形重構(gòu)與水深反演；（3）海面艦船識別；（4）海洋油污染，船漏油、海難、井噴、排污等突發(fā)性事件監(jiān)測；（5）海洋水產(chǎn)、海洋運(yùn)輸作業(yè)與漁業(yè)安全；（6）海冰監(jiān)測、海面冰山監(jiān)測；（7）災(zāi)害性海況預(yù)報：風(fēng)暴潮、巨浪、臺風(fēng)、海嘯、暴雨等；（8）海岸帶制圖；海岸帶資源調(diào)查、海岸線變遷及土地利用、灘涂與海灣水域面積、河口動態(tài)及淺水地形監(jiān)測等。特別是對常年云霧覆蓋、植被茂密的熱帶海岸，微波SAR具有獨(dú)特的遙感能力。

（一）、SAR圖像預(yù)處理

SAR圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要是幾何校正與斑噪濾除。1、幾何校正具體工作流程為：

輸入試驗區(qū)地形圖，生成DEM；

輸入成像雷達(dá)工作參數(shù)，生成試驗區(qū)的模擬雷達(dá)影像；

以模擬影像為參考坐標(biāo)系，選取對應(yīng)控制點(diǎn)與實際影像進(jìn)行配準(zhǔn)；

對配準(zhǔn)后的影像實施正射投影校正。

校正精度與所用地形圖的比例尺有關(guān)，如精度要求高，應(yīng)采用較大比例尺的地形圖。

（一）、SAR圖像預(yù)處理

2、斑點(diǎn)噪聲濾除改善和濾除斑點(diǎn)噪聲常用的方法大體分兩類：一是成像前的多視平滑預(yù)處理；二是成像后的濾波技術(shù)。成像前的多視平滑處理會損害空間分辨率，現(xiàn)大都采用后者。近年來，有不少斑點(diǎn)噪聲分布概率模型以及濾波處理算法的研究。其中有均值濾波、中值濾波、Frost自適應(yīng)濾波、改良K-均值自適應(yīng)濾波等。

（二）、SAR圖像海洋特征要素探測

SAR-C觀測到的海浪（二）、SAR圖像海洋特征要素探測

1、海浪的遙感探測

（1）在SAR圖像上選擇兩塊子圖像（如512×512像元大?。┑膮^(qū)域進(jìn)行海浪譜反演；（2)在計算圖像譜前，須對圖像進(jìn)行輻射校正，將SAR圖像中給出的各點(diǎn)的灰度值轉(zhuǎn)化為，不同來源的SAR圖像輻射校正方法有所不同，建議按照數(shù)據(jù)提供機(jī)構(gòu)推薦的輻射校正方法進(jìn)行。（3）從SAR圖像上提取波浪譜信息，先選擇合適的子圖像（如512×512像元），進(jìn)行二維快速傅里葉變換（FFT），得到SAR圖像譜。

2、內(nèi)波探測

SAR對內(nèi)波的成像機(jī)制是內(nèi)波對海表面的微尺度波動產(chǎn)生調(diào)制作用，使得海面粗糙度發(fā)生變化，從而在SAR影像上以明暗相間的條紋顯示出來。SAR內(nèi)波成像主要包括三個物理過程：1、內(nèi)波在傳播過程中引起海表面流場發(fā)生輻聚和輻散的變化；2、變化的表層流場通過調(diào)制表面微尺度波，改變了海面粗糙度；3、海面微尺度波使雷達(dá)波發(fā)生Bragg散射，從而在SAR圖像上形成明暗相間的內(nèi)波條紋

。星載SAR的內(nèi)波成像與SAR的極化方式、工作波段等參數(shù)密切相關(guān)，同時也受到內(nèi)波的外在屬性（例如：波長、波向）和內(nèi)在特性（例如躍層深度、振幅）等參數(shù)的影響。

（二）、SAR圖像海洋特征要素探測

黃海內(nèi)波ERS-2SAR影像（1997.7.23）

南海內(nèi)波可見光遙感影像（SPOT-3,1996.7.24）

南海海面內(nèi)波的L波段HH極化SIR-C圖像(1994.4.18)

SAR對內(nèi)波成像的示意圖

（1）對SAR圖像進(jìn)行幾何校正，確定內(nèi)波的位置，同時對SAR圖像進(jìn)行濾波和圖像增強(qiáng)處理，改善內(nèi)波圖像質(zhì)量；（2）從SAR圖像測量得到兩個由半日潮或全日潮產(chǎn)生的獨(dú)立內(nèi)波群的間距A值和單個內(nèi)波中最亮點(diǎn)與最暗點(diǎn)的間距（或亮帶中心點(diǎn)與暗帶中心點(diǎn)的間距）D值；（3）將從SAR圖像上測量的內(nèi)波群的間距A帶入式：，計算內(nèi)波波速，其中為半日潮或全日潮周期。（4）將內(nèi)波波速、水深和g‘代入式：，計算內(nèi)波深度；（5）將內(nèi)波波速、水深、D值和g‘代入式：，計算內(nèi)波振幅。

（二）、SAR圖像海洋特征要素探測

（二）、SAR圖像海洋特征要素探測

3、船舶目標(biāo)的檢測（1）靜止船舶目標(biāo)靜止船舶目標(biāo)在SAR圖像上可能是孤立點(diǎn)或小區(qū)域，在海面回波比較強(qiáng)的時候，區(qū)分它們和噪聲斑點(diǎn)是較困難的，采用如下步驟可較好地區(qū)分它們。A原始圖像進(jìn)行斑噪濾波處理；B用恒虛警率（CFAR）閾值方法作分割，判斷是否有適當(dāng)大小的候選目標(biāo)存在；C用雙閾值KSW法再次分割；D經(jīng)過分割后，相鄰的目標(biāo)點(diǎn)被聚集成候選目標(biāo)；E對候選目標(biāo)進(jìn)行特征檢測。可選擇三個特征：目標(biāo)的大小、強(qiáng)峰點(diǎn)占整個目標(biāo)的比例和所有船舶的對比度。F對船舶目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)提取，如幾何參數(shù)包括傳播的長度、寬度、朝向。

（2）運(yùn)動船舶目標(biāo)運(yùn)動船舶目標(biāo)往往通過其尾跡來間接檢測。根據(jù)尾跡的特征，可以估計船只的運(yùn)動方向、速度甚至船只的類型、結(jié)構(gòu)和噸位。尾跡成像條件取決于船體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動速度、SAR系統(tǒng)參數(shù)（如船只到SAR平臺速度及其到星下點(diǎn)的距離），以及海面風(fēng)速風(fēng)向、海流和波浪狀況。

（二）、SAR圖像海洋特征要素探測

由海洋衛(wèi)星SeasatSAR觀測的海面尾跡識別運(yùn)動船只中國L波段機(jī)載SAR在山東煙臺海域觀測的運(yùn)動船跡4、海冰信息提取

由RadarsatSAR觀測的渤海遼東灣海冰

（二）、SAR圖像海洋特征要素探測

5、海洋污染監(jiān)測ASAR影像的預(yù)處理B直接分析C關(guān)聯(lián)分析D模型研究E基于研究結(jié)果的結(jié)論

（二）、SAR圖像海洋特征要素探測