1、第九章 合成孔徑雷達（SAR）衛星遙感在海岸帶環境監測中的應用 一、概述 二、SAR遙感研究現狀與發展前景 三、SAR遙感技術在海洋以及海岸帶的應用 一、概述（一）、合成孔徑雷達 SAR一般由發射機、調制器、天線、接收機、數據記錄和處理等系統組成。發射脈沖通過天線射向地面，接收地物后向散射信號（雷達回波），經處理生成SAR圖像。 （二）、雷達波散射特性 1、后向散射系數 雷達波的極化后向散射系數 是單位面積上目標的pq極化 (p,q=v,h為垂直、水平極化)雷達散射截面，為無量綱系數或dB 。 0pq2、雷達圖像強度 圖像像元顯示的強度 與對應地面單元的雷達后向散射系數 成直接的比例關系： 是

2、一個與距離有關的系統因子，它與發射功率、地面單元的大小及天線增益函數等有關。 ),(jiPji,0),()(),(0jijkjiP)( jk（二）、雷達波散射特性 3、雷達圖像斑點 隨機面元的雷達波散射是生成圖像斑點的原因，表現為地表目標的不同單元所對應像元的圖像色調有隨機變化。 二、SAR遙感研究現狀與發展前景 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發射時間（年.月）1978.061981.111984.11994.041991.071995.041991.031992.02199

3、5.11任務期限3個月3a8a8a2a2a2a5a軌道傾角/()108385757或極軌98.5739898.6飛行高度/km794252250325800300570798-821衛星發射質量/kg100024001850014002750工作波段LLLL,C,XCSLC極化方式HHHHHH全極化VVHHHH視角/()204715601560239060351060距離分辨率/m25405817581730153018(4視)9100方位分辨率/m25(4視)40(6視)25(4視)25(4視)30(4視)153018(4視)9100測繪帶寬/km1005010602010010075455

4、10天線尺寸/mm10.72.169.42.1610.72.16124.1101151.5122.2151.5波束操縱方式機械電掃機械電掃信號帶寬/MHz196121215.551511.6,17.3或30.0發射功率/W100010001000L:3600,C:2235,X:1000480019000011005000發射脈寬/s33.430.430.4L:30.4,C:3337.123542重復頻率/Hz146316401464182414641824120019001640172030001550169012701390目的及應用海洋陸地資源多參數觀測資源 資源資源三、SAR遙感技術在海

5、洋以及海岸帶的應用 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,如大洋風浪與涌浪,淺海區波浪折射、繞射等;（2）海面風場、海流流場、鋒面等海面運動;（3）顯示大陸邊緣、海山與海流切變區的海洋內波;（4）強海流區域和河口附近海域渦流;（5）內海灣潮流展示,從近岸到近海區域的水系分布;（6）淺海水下地形和淺海水深調制,海面起伏;（7）運動船舶產生的海面尾跡;（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）風暴潮、熱帶氣旋、降雨等; 三、SAR遙感技術在海洋以及海岸帶的應用 由此能提供定量的海洋信息有: （1）海面風場（風速風向）、

6、海面流場定量重構；（2）淺海下地形重構與水深反演； （3）海面艦船識別；（4）海洋油污染，船漏油、海難、井噴、排污等突發性事件監測；（5）海洋水產、海洋運輸作業與漁業安全；（6）海冰監測、海面冰山監測；（7）災害性海況預報：風暴潮、巨浪、臺風、海嘯、暴雨等；（8）海岸帶制圖；海岸帶資源調查、海岸線變遷及土地利用、灘涂與海灣水域面 積、河口動態及淺水地形監測等。特別是對常年云霧覆蓋、植被茂密的熱帶海岸，微波SAR具有獨特的遙感能力。 （一）、SAR圖像預處理 SAR圖像數據的預處理，主要是幾何校正與斑噪濾除。1、幾何校正 具體工作流程為： 輸入試驗區地形圖，生成DEM； 輸入成像雷達工作參數，生

7、成試驗區的模擬雷達影像； 以模擬影像為參考坐標系，選取對應控制點與實際影像進行配準； 對配準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，如精度要求高，應采用較大比例尺的地形圖。 （一）、SAR圖像預處理 2、斑點噪聲濾除 改善和濾除斑點噪聲常用的方法大體分兩類：一是成像前的多視平滑預處理；二是成像后的濾波技術。成像前的多視平滑處理會損害空間分辨率，現大都采用后者。 近年來，有不少斑點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自適應濾波、改良K-均值自適應濾波等。 （二）、SAR圖像海洋特征要素探測 SAR-C觀測到的海浪黃海海面海浪 波段極化

8、圖像CV VSIR-C020km（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512512像元大小）的區域進行海浪譜反演；（2)在計算圖像譜前，須對圖像進行輻射校正，將SAR圖像中給出的各點的灰度值轉化為 ，不同來源的SAR圖像輻射校正方法有所不同，建議按照數據提供機構推薦的輻射校正方法進行。（3）從SAR圖像上提取波浪譜信息，先選擇合適的子圖像（如512512像元）， 進行二維快速傅里葉變換（FFT），得到SAR圖像譜。 02、內波探測 SAR對內波的成像機制是內波對海表面的微尺度波動產生調制作用，使得海面粗糙度發生變化，從而在SAR影像上以

9、明暗相間的條紋顯示出來。SAR內波成像主要包括三個物理過程：1、內波在傳播過程中引起海表面流場發生輻聚和輻散的變化；2、變化的表層流場通過調制表面微尺度波，改變了海面粗糙度；3、海面微尺度波使雷達波發生Bragg散射，從而在SAR圖像上形成明暗相間的內波條紋 。星載SAR的內波成像與SAR的極化方式、工作波段等參數密切相關，同時也受到內波的外在屬性（例如：波長、波向）和內在特性（例如躍層深度、振幅）等參數的影響。 （二）、SAR圖像海洋特征要素探測 黃海內波ERS-2 SAR影像（1997.7.23） 南海內波可見光遙感影像（SPOT-3,1996.7.24） 南海海面內波的L波段HH極化SI

10、R-C圖像(1994.4.18) 南海海面內波的 波段極化圖像LH HSIR-C(1)飛行方向照射方向北010kmAA SAR對內波成像的示意圖 傳播方向大陸架SAR圖像海表面內波輻聚輻散21hh 2h1h21hh 21hh （1）對SAR圖像進行幾何校正，確定內波的位置，同時對SAR圖像進行濾波和圖像增強處理，改善內波圖像質量；（2）從SAR圖像測量得到兩個由半日潮或全日潮產生的獨立內波群的間距A值和單個內波中最亮點與最暗點的間距（或亮帶中心點與暗帶中心點的間距）D值；（3）將從SAR圖像上測量的內波群的間距A帶入式： ，計算內波波速，其中 為半日潮或全日潮周期。（4）將內波波速 、水深 和

11、g代入式： ，計算內波深度；（5）將內波波速 、水深 、D值和g代入式： ，計算內波振幅。 TACg/TgCh2/1222 12)4(ghCghghghggCh2/1222 2420432. 134gghCghgDgCh（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、船舶目標的檢測（1）靜止船舶目標 靜止船舶目標在SAR圖像上可能是孤立點或小區域，在海面回波比較強的時候，區分它們和噪聲斑點是較困難的，采用如下步驟可較好地區分它們。A 原始圖像進行斑噪濾波處理；B 用恒虛警率（CFAR）閾值方法作分割，判斷是否有適當大小的候選目標存在；C 用雙閾值KSW法再次分割；D

12、 經過分割后，相鄰的目標點被聚集成候選目標；E 對候選目標進行特征檢測。可選擇三個特征：目標的大小、強峰點占整個目標 的比例和所有船舶的對比度。F 對船舶目標進行參數提取，如幾何參數包括傳播的長度、寬度、朝向。 （2）運動船舶目標 運動船舶目標往往通過其尾跡來間接檢測。根據尾跡的特征，可以估計船只的運動方向、速度甚至船只的類型、結構和噸位。尾跡成像條件取決于船體結構與運動速度、SAR系統參數（如船只到SAR平臺速度及其到星下點的距離），以及海面風速風向、海流和波浪狀況。 （二）、SAR圖像海洋特征要素探測 由海洋衛星Seasat SAR觀測的海面尾跡識別運動船只中國L波段機載SAR在山東煙臺海

13、域觀測的運動船跡煙臺海域圖像L-SA R飛行方向照射方向北01 km4、海冰信息提取 由Radarsat SAR 觀測的渤海遼東灣海冰 2 0 004 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 3 6 102 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 7 7 0-1 8 .0 0-2 5 .5 0-3 3 .0 0區域 的圖像AHH（二）、SAR圖像海洋特征要素探測 5、海洋污染監測A SAR影像的預處理B 直接分析C 關聯分析D 模型研究E 基于研究結果的結論 （二）、SAR圖像海洋特征要素探測 6、淺海水深反演 定量的淺海水深計算與反演一般是在下墊海底與粗糙海面的物理數學模型基礎上，根據輻射定標，計算歸一化后向散射截面 ；通過 和雷達參數(波長、極化和入射角)等，求作用量譜 ；輸入 、海面風速風向和初始流速流向等數據，利用特征線方法和迭代計算海表層流