微波遥感的概念、几何及其应用

遥感简史

遥感的起源是从借助气球、风筝、鸽子和滑翔机开始进行航拍。
1908 年底，
在开发出可操作的飞机之后，
第一架功能性飞机被用于航空摄影。
在第一次世界大战和第二次世界大战期间，
航空照片被用作确定敌人在地面上位置的军事视角。
在 20 年代和 30 年代期间，
航空摄影是收集地面信息和准备专题地图以及地形图的标准来源。
从 1950 年代到 1960 年代，
黑白、彩色和红外图像在遥感中的使用得到了广泛应用。
航空摄影的使用有很多优点，
使其在许多应用中非常有效，
具体如下：

• 航空摄影对于绘制位于地面上非常偏远位置的特征非常有帮助。
• 借助立体捕获的图像，可以进行 3D 分析。
• 近红外航空图像提供超出人类视觉的光谱信息。

航空遥感图像也有一些缺点，
例如：

• 早期航拍照片高度依赖于天气条件。
• 航拍照片通常以模拟格式记录且未经过校准，
  因此无法进行定量分析。

微波遥感简介

遥感一词最早由美国海军研究办公室的 Evelyn Pruitt 在 1950 年代引入。
传统的航空摄影形式在 1960 年左右演变为遥感。
根据 sabins (1987) 的说法，
遥感是利用电磁能检测、记录和测量目标特征（例如地球表面）的方法。

EMS 的红外部分被认为是 0.7 – 1,000 μm。
最常见的遥感主要方面是电磁辐射。
1960 年末苏联人造卫星发射后，
卫星技术开始在遥感领域使用。
第一颗基于遥感的卫星是 Landsat，
它于 1972 年发射。
从现在开始，
现代遥感形式是微波和激光雷达遥感两种。

微波遥感（RADAR）概念

雷达一词代表“无线电探测和测距”。
简单而言，可以通过微波遥感一词来理解，
即使用微波辐射在不与地球表面物理接触的情况下收集地球表面的信息。
在微波遥感的情况下，
这一过程需要在感兴趣的方向上发射微波能量的短爆发或脉冲，
并记录从系统视场内的物体接收到“回波”或“反射”的强度和来源。

雷达系统通常基于通过大气传输长波微波（例如 3 – 25 厘米），
同时记录从地形反向散射的能量。
我们所知道目前形式的雷达是由 AH Taylor 和 LC Young 在 1920 年代后期研究而成。
微波传感器卫星的一些示例是 ERS-1 和 2、RADARSAT-1 和 2、ENVISAT ASAR、Sentinel-1 和 Risat-1。

航天飞机雷达地形任务 (SRTM)、TerraSAR-X 和地中海盆地观测小型卫星星座 (COSMO-SkyMed) 使用较短的波长（波段 X），
而较长的波长（波段 L 或 P）用于JERS-1 和 ALOS-PALSAR。
雷达遥感系统利用其在微波波段的电磁能“照亮”地形并检测从地形返回的能量，
发射器和接收器位于同一位置。
电磁波在材料中传播的方式可以用雷达方程来描述。
忽略路径损耗，
雷达方程可以写成如下（Fung 和 Ulaby 1983）：

• P_r =代表极化时接收到的脉冲（能量）；
• P_t = 定义为偏振t处的传输能量；
• G_t =代表发射天线在极化t (target)的目标方向上的增益；
• R =雷达与目标 t 之间的距离；
• σ_rt =雷达截面；
• A_r =极化r时接收天线孔径的有效接收面积。

以下几点表示雷达遥感的一些优点：

• 某些微波频率下的云层穿透。
• 1:10,000 到 1:400,000 的大面积地图天气图 卫星覆盖云层覆盖的国家是可能的。
• 昼夜探测和获取信息的能力。
• 有利于热和水分分析相关研究。
• 微波能穿透植被、沙子和雪的表层。
• 微波传感器基于自身的照明，有助于控制传感器。
• 雷达系统利用极化原理收集有关地球表面的信息（HH、VV、HV、VH）。
• 它可以测量海浪特性，甚至可以从轨道高度测量。
• 提供高质量的立体观察和雷达测量。

雷达系统中的极化概念

非极化能量在与行进路径垂直的所有方向上振动。
极化能量由雷达天线发送和接收。
这表示能量脉冲被过滤，
使得其电波振动被限制在垂直于传播方向的单个平面内。
天线产生的能量（脉冲）可能是垂直的，
也可能是水平的，
如下图所示。
发射的电磁能量脉冲与景观相互作用，
其中一部分以光速向传感车辆或航天器反向散射，
必须在此处再次过滤。
记录天线是否吸收背向散射辐射。
雷达可以记录多种类型的反向散射偏振辐射。
例如：

• VV = 发送和接收垂直能量
• HH = 发送和接收水平能量
• HV = 发送水平能量并垂直接收
• VH = 发送垂直能量并接收水平能量

现在可以理解极化一词，
它基本上是一种传输和记录能量的原理，
用于雷达以及激光雷达和声纳系统以检测能量。

上图显示不同形式的极化（VV 和 HH）。

上图显示微波遥感天线工作原理。

上图显示雷达极化。
许多成像雷达可在水平和垂直极化模式下发射和接收信号。
通过比较同偏振和交叉偏振图像，
分析人员可以了解地形表面的特征。

雷达波长

机载成像雷达经常使用 C、K 和 X 波段。
特定微波波段的选择对雷达图像的性质有多种影响。
下表代表了雷达系统在不同应用中使用的不同波长。

雷达系统的几何结构（雷达如何记录数据集）

雷达系统的几何组件如下：

• 方位角方向（一种雷达系统，传感器的位置安装在飞机机身下方并平行于飞机机身，如下图所示）。
  飞机的直线行进称为方位飞行方向。
• 距离方向，任何雷达图像的距离或观察方向是雷达照明的方向，
  与飞机或航天器的行进方向成直角。
  观察方向通常对特征解释有重大影响。
• 俯角，俯角用符号（γ）表示。
  它被定义为从飞机机身延伸出的水平面，
  与从天线沿着雷达视线到地面上特定点的能量电磁脉冲之间的角度。
• 视角，视角用符号(φ)表示，天线到地面的垂线与雷达视线的夹角。
• 入射角，用符号 (θ) 表示，雷达能量脉冲与其接触的垂直于地球表面的线之间的角度。
• 极化，它基本上是一种传输和记录能量的原理，
  用于雷达以及激光雷达和声纳系统以检测能量。

上面2张图片显示雷达系统的几何结构。

微波遥感应用

• 微波辐射测量提供了有关海冰覆盖的有用信息。
  与可见光和红外卫星图像不同，
  它可以在所有季节和一天中的任何时间使用，
  不受云层影响。
  它可以高度准确地显示冰边缘。

• 微波遥感在大气边界层预测中的应用。
  大气温度剖面是通过 5 毫米（54.5 GHz）辐射计角度扫描观测得出的。
  由于微波辐射计可以连续监测大气温度廓线，
  随时进行数值模型的初始化，
  有助于提高大气边界层演化预测的准确性；

• 监测大气温度、湿度和云中的水含量。
  Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A) 是一种 15 通道微波探测仪，
  旨在获取高层大气的温度分布，
  并为 AIRS 红外测量提供云过滤功能，
  以提高对流层温度分布的准确性。

• 大气和云的卫星遥感。
  TIROS-N TOVS 卫星数据用于获取大气温度剖面。

• 为了提高降雨量测量的准确性，
  已经开发了辐射计-雷达系统（λ=3.2 cm）。
  通过它的测量可以得到降雨分布和面积降雨量的变化，
  这可能有助于水文预测。

• 土壤湿度的微波遥感，
  土壤湿度对地面微波遥感系统的响应受到土地覆盖、植物密度和土壤温度等因素的影响。
  土壤的质地使检索过程更加困难和复杂。
  关于领域的排放和反向散射、土壤湿度和植被标准之间的联系，
  已经进行了多项研究。

• 雷达在林业中的应用表明，
  SAR 系统能够利用多时相和多频率 SAR 数据识别不同类型的（热带）森林覆盖。
  一些研究表明，
  合成孔径雷达 (SAR) 可用于确定地上生物量。
  利用合成孔径雷达 (SAR) 进行遥感，
  可从森林站点收集生物物理信息。

• 城市足迹的提取是微波遥感的重要应用领域之一。

• 微波遥感数据集也有助于冰川资源量的研究。

• 雪和冰川、冰川资源量、积雪监测、冰川后退、前进监测和冰川质量平衡估计。