衛(wèi)星雷達(dá)及微波測量原理

1、衛(wèi)星測高儀基本理論衛(wèi)星測高儀基本理論 以雷達(dá)頻率向地面?zhèn)鞑ヒ岳走_(dá)頻率向地面?zhèn)鞑ノ⒉}衝，且接收由地微波脈衝，且接收由地球表面反射的訊號(hào)。因球表面反射的訊號(hào)。因?yàn)樗牧己梅瓷湫再|(zhì)，為水的良好反射性質(zhì)，此法特別適用於海洋。此法特別適用於海洋。在決定廣大海水面之重在決定廣大海水面之重力場和大地起伏時(shí)，是力場和大地起伏時(shí)，是相當(dāng)有用的方法相當(dāng)有用的方法。衛(wèi)星測高儀簡介衛(wèi)星測高儀簡介GEOS-3Seasat-1GeosatERS-1OrbitPeriodHeight102 min840 km100 min760 km100 min780 km100 min770 kmInclinationRevolut

2、ions/day11514.110814.310814.398.514.3Launch dateLife time04/09/19753.5 years06/27/19785 months03/13/19855 years07/17/199123 yearsAltimeterBeamwidthFrequency2.613.9 GHz1.513.9 GHz2.013.6 GHz2.613.8 GHzFootprintAltimeteraccuracy3.614.2 km60 cm1.612 km10 cm9.6 km3.5 cm12 km10 cmTOPEX/POSEIDON TOPEX/POS

3、EIDON衛(wèi)星測高儀由美國太衛(wèi)星測高儀由美國太空總署及法國太空中空總署及法國太空中心聯(lián)合設(shè)計(jì)建造完成，心聯(lián)合設(shè)計(jì)建造完成，主要用來研究全球海主要用來研究全球海洋環(huán)流和全球氣候，洋環(huán)流和全球氣候，並開啟雙頻測高儀新並開啟雙頻測高儀新紀(jì)元紀(jì)元ERS-1之酬載之酬載n太陽同步軌道衛(wèi)星，使用微波技術(shù)來蒐集全球資料太陽同步軌道衛(wèi)星，使用微波技術(shù)來蒐集全球資料 。n軌道重複週期有軌道重複週期有3-day、35-day、168-day三種。三種。3-day重複週期計(jì)畫為期重複週期計(jì)畫為期3個(gè)月，監(jiān)視北極地帶冰所覆蓋的地個(gè)月，監(jiān)視北極地帶冰所覆蓋的地區(qū)；區(qū)；35-day重複週期計(jì)畫於重複週期計(jì)畫於199219

4、93年實(shí)施多任務(wù)階年實(shí)施多任務(wù)階段；段； 168-day重複週期計(jì)畫原先由重複週期計(jì)畫原先由1994年年4月月10日開始，日開始，但目前改為增加空間解析度，以覆蓋密度極高的雷達(dá)但目前改為增加空間解析度，以覆蓋密度極高的雷達(dá)測高儀來進(jìn)行海洋和大地任務(wù)。測高儀來進(jìn)行海洋和大地任務(wù)。n酬載包括三個(gè)地球觀測設(shè)備和三個(gè)維持設(shè)備：酬載包括三個(gè)地球觀測設(shè)備和三個(gè)維持設(shè)備：l 自動(dòng)微波設(shè)備（自動(dòng)微波設(shè)備（AMI, Active Microwave Instrument）l 雷達(dá)測高儀（雷達(dá)測高儀（Radar Altimeter）l 沿跡掃描輻射儀（沿跡掃描輻射儀（ATSR, Along Track Scann

5、ing Radiometer）l 微波聲納（微波聲納（MWS, Microwave Sounder）l 精密測距和測距離差設(shè)備精密測距和測距離差設(shè)備 （PRARE, Precise Range and Rangerate Equipment）l 雷射反射鏡（雷射反射鏡（LRR, Laser Retro-Reflector）ERS之測高儀應(yīng)用之測高儀應(yīng)用n測高儀提供經(jīng)濟(jì)上和科學(xué)上的重要資訊，測高儀提供經(jīng)濟(jì)上和科學(xué)上的重要資訊，對(duì)於海洋相關(guān)活動(dòng)更有顯著利益，包括對(duì)於海洋相關(guān)活動(dòng)更有顯著利益，包括航線和近海觀測能力及下列應(yīng)用：航線和近海觀測能力及下列應(yīng)用：l冰河製圖和監(jiān)測冰河製圖和監(jiān)測l天氣預(yù)測天氣

6、預(yù)測l海洋狀態(tài)預(yù)測海洋狀態(tài)預(yù)測l海洋表面地形和海洋環(huán)流海洋表面地形和海洋環(huán)流l實(shí)驗(yàn)性測高儀應(yīng)用於陸地實(shí)驗(yàn)性測高儀應(yīng)用於陸地衛(wèi)星測高儀的主要應(yīng)用衛(wèi)星測高儀的主要應(yīng)用n輔助計(jì)算全球海洋環(huán)流輔助計(jì)算全球海洋環(huán)流n計(jì)算全球海洋重力異常及海洋大地計(jì)算全球海洋重力異常及海洋大地水準(zhǔn)面水準(zhǔn)面n建立全球海潮模式建立全球海潮模式n計(jì)算海洋深度計(jì)算海洋深度n輔助陸地大地水準(zhǔn)面之決定輔助陸地大地水準(zhǔn)面之決定雷達(dá)衛(wèi)星的演進(jìn)雷達(dá)衛(wèi)星的演進(jìn)n SAR (Synthetic Aperture Radar)最早起源於1950年代，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家基於軍事用途，將雷達(dá)架設(shè)於飛機(jī)上探測目標(biāo)物，藉以提昇軌向 (along-track)

7、 的解析度，此雷達(dá)探測系統(tǒng)即稱之為側(cè)視口徑雷達(dá) (Side-Looking Aperture Radar, 簡稱SLAR)n SLAR在空載 (airborne) 的應(yīng)用上，解析度堪稱可接受。但在星載 (spaceborne) 的狀況，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的解析度，依理論而言需要數(shù)百公尺長的口徑長度，對(duì)硬體結(jié)構(gòu)而言是絕對(duì)不可能達(dá)到的。所幸Wiley (1965) 隨即提出 “Dopller beam sharpening”理論，利用雷達(dá)回波具有不同都卜勒頻率位移 (Dollper frequency shifts) 的原理，達(dá)到提高軌向解析度的目的。使雷達(dá)探測於衛(wèi)星上的應(yīng)用從此不再受限於航高和天線長度

8、的限制，而雷達(dá)遙測也從此邁入SAR的新紀(jì)元。n 目前正在運(yùn)作的SAR衛(wèi)星包括由美國太空總署於1978年發(fā)射的Seasat，蘇聯(lián)於1991年發(fā)射的ALMAZ，歐洲太空總署於1991年所發(fā)射的ERS-1，日本於1992年發(fā)射的J-ERS-1，以及1995年由歐洲太空總署發(fā)射的ERS-2和由加拿大發(fā)射之Radarsat。主要主要SAR衛(wèi)星特性一覽表衛(wèi)星特性一覽表CharacteristicAlmaz-1(Sovie Union)ERS-1(ESA)JERS-1(Japan)Radarsat(Canada)LaunchAltitude (km)3/31/913003607/17/917852/11/9

9、25681995 planned798Period of orbit (min)Orbit inclination917310198.59698.510198.6Orbits per dayDistance between orbits1622142515241425Orbit repeat period (days)Look angle511306035234435242059Swath width (km)Revisit period (days)350 (left/right)13100 (right)161875 (right)45500 (right)3+Wavelength (cm

10、)Polarization10 (S band)HH5.7 (c band)VV23 (L band)HH5.6 (C band)HHResolution (m)Lifetime (years)103023023182101005Onboard storageOther sensorsYesRadiometricscannerNoneRadaraltimeterscanningradiometerYesOpticalsensorYesnoneSIR（Shuttle Imaging Radar）系列）系列CharacteristicSIR-ASIR-BSIR-C/X-SARLaunchNov.,

11、 1981Oct., 1984Apr., Aug., 1994Altitude (km)Frequency259L-band(1.278 GHz)225L-band(1.28 GHz)X-band (3 cm)C-band (6 cm)L-band (23 cm)Wavelength (cm)23.5233, 6, 23Swath width (km)Ground resolution (m)50404040 502717(at 60depression)2558(at 15depression)15 9010 200PolarizationHHHHHH, HV, VH, VVAngle of

12、 incidence ()50Variable15 55Radiometric scannerradarSIR系列包括SIR-A, SIR-B, 以及 SIR-C/X-SAR,係由美國太空總署建造並發(fā)射升空。SAR的基本原理的基本原理nSARSAR的原理主要是由雷達(dá)發(fā)射出微波波段的電磁波到所探測的目標(biāo)物，再計(jì)算雷的原理主要是由雷達(dá)發(fā)射出微波波段的電磁波到所探測的目標(biāo)物，再計(jì)算雷達(dá)波束（達(dá)波束（Radar BeamRadar Beam）範(fàn)圍內(nèi)的回波能量，經(jīng)資料處理後以獲取初步影像。）範(fàn)圍內(nèi)的回波能量，經(jīng)資料處理後以獲取初步影像。n下圖以側(cè)視口徑雷達(dá)（下圖以側(cè)視口徑雷達(dá)（SLARSLAR）說明）說

13、明SARSAR影像的成像原理影像的成像原理 由實(shí)際天線構(gòu)成合成孔徑之概念由實(shí)際天線構(gòu)成合成孔徑之概念SAR Geometry飛行軌道飛行軌道高高度度NADIRIlluminationAngleRangeVectorSwath LengthGroundRangeFar RangeNearRangeSwathWidthSlantRangeAzimuthIncidenceAngleSAR系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)-偏振模式偏振模式n雷達(dá)訊號(hào)的發(fā)射或接收可為不同偏振模式。例雷達(dá)訊號(hào)的發(fā)射或接收可為不同偏振模式。例如，如，RADARSAT偏振模式為偏振模式為HH，ERS-1和和ERS-2則為則為VV。透過偏振模式

14、的運(yùn)作，可以過。透過偏振模式的運(yùn)作，可以過濾發(fā)射或接受的雷達(dá)訊號(hào)，使其僅來自固定的濾發(fā)射或接受的雷達(dá)訊號(hào)，使其僅來自固定的平面或方向。例如，平面或方向。例如，C-VV表示一表示一C波段的感測波段的感測器，其發(fā)射並接收垂直方向的雷達(dá)訊號(hào)。一般器，其發(fā)射並接收垂直方向的雷達(dá)訊號(hào)。一般而言，一個(gè)分佈方向與偏振模式方向類似的平而言，一個(gè)分佈方向與偏振模式方向類似的平面，其雷達(dá)回波訊號(hào)比較弱。舉例來說，垂直面，其雷達(dá)回波訊號(hào)比較弱。舉例來說，垂直的農(nóng)作物，其在的農(nóng)作物，其在HH偏振模式的影像中顯得比偏振模式的影像中顯得比VV偏振模式還要亮。偏振模式還要亮。SAR系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)-入射角入射角n入射角的定

15、義為目標(biāo)物所在處的垂直方向和雷達(dá)光束入射方向的入射角的定義為目標(biāo)物所在處的垂直方向和雷達(dá)光束入射方向的夾角。雷達(dá)回波的強(qiáng)弱，與雷達(dá)波束的入射角亦有極大的關(guān)連。夾角。雷達(dá)回波的強(qiáng)弱，與雷達(dá)波束的入射角亦有極大的關(guān)連。若雷達(dá)波束和目標(biāo)物成直角或以高入射角碰撞目標(biāo)物表面，其回若雷達(dá)波束和目標(biāo)物成直角或以高入射角碰撞目標(biāo)物表面，其回波強(qiáng)度比用低入射角來感測為強(qiáng)。當(dāng)以低入射角感測時(shí)，雷達(dá)波波強(qiáng)度比用低入射角來感測為強(qiáng)。當(dāng)以低入射角感測時(shí)，雷達(dá)波能量鮮少被反射到雷達(dá)的接受器，所以在影像上的色調(diào)是暗的。能量鮮少被反射到雷達(dá)的接受器，所以在影像上的色調(diào)是暗的。SAR系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)-觀測幾何觀測幾何nSAR是

16、一個(gè)側(cè)視感測成像系統(tǒng)，係記錄目標(biāo)物到感測器的斜距（是一個(gè)側(cè)視感測成像系統(tǒng)，係記錄目標(biāo)物到感測器的斜距（slant range），），而影像的獲取又是依據(jù)回波時(shí)間的先後順序而定，所以地形起伏較劇烈處，容易而影像的獲取又是依據(jù)回波時(shí)間的先後順序而定，所以地形起伏較劇烈處，容易產(chǎn)生幾何變形，其坡度和真實(shí)狀況會(huì)有出入。圖產(chǎn)生幾何變形，其坡度和真實(shí)狀況會(huì)有出入。圖a描述側(cè)視雷達(dá)與地形間的觀測幾描述側(cè)視雷達(dá)與地形間的觀測幾何關(guān)係；圖何關(guān)係；圖b、c、d為幾何變形狀況，說明不同地形對(duì)地形為幾何變形狀況，說明不同地形對(duì)地形abc投影到影像座標(biāo)投影到影像座標(biāo)abc的影響。圖的影響。圖b為前坡縮短；圖為前坡縮短；

17、圖c為疊置；圖為疊置；圖d為陰影。為陰影。SAR系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)-雜訊與斑駁現(xiàn)象雜訊與斑駁現(xiàn)象n由雷達(dá)成像的影像，其雜訊比起其他以光學(xué)原由雷達(dá)成像的影像，其雜訊比起其他以光學(xué)原理成像的影像還多。原因是緣於在同一個(gè)像元理成像的影像還多。原因是緣於在同一個(gè)像元內(nèi)之不同目標(biāo)物，它們反射的雷達(dá)回波訊號(hào)可內(nèi)之不同目標(biāo)物，它們反射的雷達(dá)回波訊號(hào)可能因?yàn)橥辔唬芤驗(yàn)橥辔唬╥n - phase），而加強(qiáng)該像元的），而加強(qiáng)該像元的回波強(qiáng)度；也可能因?yàn)榉聪啵ɑ夭◤?qiáng)度；也可能因?yàn)榉聪啵╫ut-of-phase）而）而使回波強(qiáng)度相互抵銷而減弱。這使得雷達(dá)影像使回波強(qiáng)度相互抵銷而減弱。這使得雷達(dá)影像常常是粒狀（常常

18、是粒狀（grainy）或木紋狀，而難以分辨）或木紋狀，而難以分辨特徵。欲改善這種情形，在後續(xù)的分析中，可特徵。欲改善這種情形，在後續(xù)的分析中，可選用適當(dāng)?shù)臑V波器以凸顯影像的特徵，增加其選用適當(dāng)?shù)臑V波器以凸顯影像的特徵，增加其應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)用價(jià)值。SAR地形地形參數(shù)參數(shù)-地表目標(biāo)物幾何特徵地表目標(biāo)物幾何特徵n不同地表性質(zhì)對(duì)雷達(dá)回波的影響。圖左不同地表性質(zhì)對(duì)雷達(dá)回波的影響。圖左 為鏡面反射；圖中為直角反射體；圖右為鏡面反射；圖中為直角反射體；圖右 為散射體。為散射體。SAR地形地形參數(shù)參數(shù)-地表粗糙度效應(yīng)地表粗糙度效應(yīng)n一般而言，地表的粗造度所造成的效應(yīng)，可以藉著調(diào)一般而言，地表的粗造度所造成的效應(yīng)

19、，可以藉著調(diào)整系統(tǒng)的波段或入射角而控制到某種程度。例如，低整系統(tǒng)的波段或入射角而控制到某種程度。例如，低頻的雷達(dá)波（如頻的雷達(dá)波（如L波段）為長波，可穿透地面，故運(yùn)用波段）為長波，可穿透地面，故運(yùn)用此波段的感測器可降低地表粗造度的影響。而入射角此波段的感測器可降低地表粗造度的影響。而入射角大小對(duì)粗糙度的效應(yīng)亦影響極大，入射角愈大，回波大小對(duì)粗糙度的效應(yīng)亦影響極大，入射角愈大，回波訊號(hào)受到地表粗糙度的影響愈大。訊號(hào)受到地表粗糙度的影響愈大。SAR地形地形參數(shù)參數(shù)-介電值（含水量）效應(yīng)介電值（含水量）效應(yīng)n介電值決定電磁能量傳遞的難易。例如介電值決定電磁能量傳遞的難易。例如金屬製品都是極佳的導(dǎo)電體

20、，故金屬目金屬製品都是極佳的導(dǎo)電體，故金屬目標(biāo)物的雷達(dá)回波都很強(qiáng)。而水是自然界標(biāo)物的雷達(dá)回波都很強(qiáng)。而水是自然界具有高介電常數(shù)的物質(zhì)之一，故土壤和具有高介電常數(shù)的物質(zhì)之一，故土壤和植物的回波訊號(hào)強(qiáng)弱，也會(huì)視其含水量植物的回波訊號(hào)強(qiáng)弱，也會(huì)視其含水量而有所不同。因此而有所不同。因此SAR的一個(gè)重要應(yīng)用，的一個(gè)重要應(yīng)用，就是估算土壤濕度，以預(yù)測農(nóng)作物的生就是估算土壤濕度，以預(yù)測農(nóng)作物的生長情形。長情形。SAR地形地形參數(shù)參數(shù)-紋理紋理/ /組織分佈組織分佈nTextureTexture的定義為的定義為 - - 影像中色調(diào)的變化率，單一特徵的集合體。影像中色調(diào)的變化率，單一特徵的集合體。通常影像的紋

21、理通常影像的紋理/ /組織分析只著重於某像元相較於鄰近像元的色調(diào)組織分析只著重於某像元相較於鄰近像元的色調(diào)變化，以辨識(shí)特定特徵。變化，以辨識(shí)特定特徵。nSARSAR影像中，大部分的影像中，大部分的texturetexture是由斑駁情形（是由斑駁情形（specklespeckle）造成的。）造成的。這些斑點(diǎn)可能是雷達(dá)資料本身的實(shí)際特徵，也可能是微波訊號(hào)的這些斑點(diǎn)可能是雷達(dá)資料本身的實(shí)際特徵，也可能是微波訊號(hào)的散射結(jié)果。在同一像元內(nèi)的不同目標(biāo)物，其回波訊號(hào)彼此間有相散射結(jié)果。在同一像元內(nèi)的不同目標(biāo)物，其回波訊號(hào)彼此間有相互加強(qiáng)或削弱的作用，使得此像元在影像上較亮或較暗。而某像互加強(qiáng)或削弱的作用，

22、使得此像元在影像上較亮或較暗。而某像元的回波訊號(hào)也可能合併到其鄰近像元，使得像元間的交互作用元的回波訊號(hào)也可能合併到其鄰近像元，使得像元間的交互作用強(qiáng)化原來的亮度或互相抵銷其強(qiáng)度。這種情形會(huì)形成影像的斑駁強(qiáng)化原來的亮度或互相抵銷其強(qiáng)度。這種情形會(huì)形成影像的斑駁現(xiàn)象，對(duì)於人工判釋或是電腦分析都會(huì)造成困擾。這些斑駁情形，現(xiàn)象，對(duì)於人工判釋或是電腦分析都會(huì)造成困擾。這些斑駁情形，可以藉由選擇合適的濾波器加以改善?？梢越逵蛇x擇合適的濾波器加以改善。n然而，透過影像的紋理然而，透過影像的紋理/ /組織分析，可以提供影像的巨觀組織特徵。組織分析，可以提供影像的巨觀組織特徵。例如植被、地形、和巖性等的變化特

23、徵，可以由例如植被、地形、和巖性等的變化特徵，可以由SARSAR影像的紋理影像的紋理/ /組織變化中萃取出來。無論是用一般的人工肉眼辨識(shí)，或由電腦組織變化中萃取出來。無論是用一般的人工肉眼辨識(shí)，或由電腦進(jìn)行土地類型分類，如果加入紋理進(jìn)行土地類型分類，如果加入紋理/ /組織的輔助分析，通常能獲得組織的輔助分析，通常能獲得較佳的分類結(jié)果。較佳的分類結(jié)果。SAR影像前期處理影像前期處理-輻射校正輻射校正n 一般購買的雷達(dá)影像均經(jīng)過初步輻射校正，因此影像間可以相互一般購買的雷達(dá)影像均經(jīng)過初步輻射校正，因此影像間可以相互做比較，而且我們可以從影像去判斷地面目標(biāo)物間的相對(duì)關(guān)係，做比較，而且我們可以從影像去

24、判斷地面目標(biāo)物間的相對(duì)關(guān)係，比較其特徵。為了能進(jìn)一步藉由影像來比較其特徵。為了能進(jìn)一步藉由影像來量化量化的描述地面特徵，必的描述地面特徵，必須做額外的輻射校正程序，以建立雷達(dá)影像資料和地面目標(biāo)物的須做額外的輻射校正程序，以建立雷達(dá)影像資料和地面目標(biāo)物的實(shí)質(zhì)關(guān)係，以利土壤濕度估算、農(nóng)作物生長模擬，和林地變遷偵實(shí)質(zhì)關(guān)係，以利土壤濕度估算、農(nóng)作物生長模擬，和林地變遷偵測等應(yīng)用。測等應(yīng)用。l天線型態(tài)校正天線型態(tài)校正 校正前校正前near range的部分較亮，而的部分較亮，而far range較暗；天線型態(tài)校正後整較暗；天線型態(tài)校正後整張影像的亮度則比較均勻。張影像的亮度則比較均勻。l雷達(dá)亮度和背向散

25、射係數(shù)校正雷達(dá)亮度和背向散射係數(shù)校正 由雷達(dá)影像處理系統(tǒng)（由雷達(dá)影像處理系統(tǒng)（SAR Processor）處理過的雷達(dá)影像，在將原始的雷達(dá)）處理過的雷達(dá)影像，在將原始的雷達(dá)訊號(hào)轉(zhuǎn)換為影像的過程中，有許多參數(shù)必須加以控制設(shè)定。這些參數(shù)會(huì)直接訊號(hào)轉(zhuǎn)換為影像的過程中，有許多參數(shù)必須加以控制設(shè)定。這些參數(shù)會(huì)直接影像輸出影像的外觀和資料值，造成輸出影像間的不一致性。因此，不同的影像輸出影像的外觀和資料值，造成輸出影像間的不一致性。因此，不同的雷達(dá)影像處理系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生影像強(qiáng)度差異的問題。為了避免後續(xù)應(yīng)用產(chǎn)生的雷達(dá)影像處理系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生影像強(qiáng)度差異的問題。為了避免後續(xù)應(yīng)用產(chǎn)生的困擾，必須進(jìn)行輻射校正程序，以雷

26、達(dá)亮度（困擾，必須進(jìn)行輻射校正程序，以雷達(dá)亮度（Radar Brightness）和背向散設(shè)）和背向散設(shè)係數(shù)（係數(shù)（Backscatter Coefficient）來表示影像的強(qiáng)度。）來表示影像的強(qiáng)度。SAR影像前期處理影像前期處理-幾何校正幾何校正n斜距到地距轉(zhuǎn)換斜距到地距轉(zhuǎn)換 由於由於SAR是以側(cè)視的方式來觀測目標(biāo)物，其發(fā)出的雷達(dá)脈衝以是以側(cè)視的方式來觀測目標(biāo)物，其發(fā)出的雷達(dá)脈衝以距距離感測器漸行漸遠(yuǎn)離感測器漸行漸遠(yuǎn)的方式和地面目標(biāo)物產(chǎn)生交互作用。這樣的觀的方式和地面目標(biāo)物產(chǎn)生交互作用。這樣的觀測方式會(huì)造成幾何變形，亦即，影像特徵在測方式會(huì)造成幾何變形，亦即，影像特徵在near range

27、的地方有的地方有壓縮（壓縮（compressed）現(xiàn)象。欲糾正幾何變形，必須將影像由）現(xiàn)象。欲糾正幾何變形，必須將影像由slant range（斜距方向（斜距方向 - 雷達(dá)到地面目標(biāo)物的距離）轉(zhuǎn)換至雷達(dá)到地面目標(biāo)物的距離）轉(zhuǎn)換至ground range（地距方向（地距方向 在地面上的實(shí)際距離）。在地面上的實(shí)際距離）。n衛(wèi)星影像正射糾正衛(wèi)星影像正射糾正 欲充分利用欲充分利用SAR影像，將它與其他向量圖層或主題圖套疊，以從影像，將它與其他向量圖層或主題圖套疊，以從事進(jìn)一步分析是必然的。在與其他資料套疊之前，必須先做正射事進(jìn)一步分析是必然的。在與其他資料套疊之前，必須先做正射糾正的動(dòng)作。透過這個(gè)步驟

28、，使糾正的動(dòng)作。透過這個(gè)步驟，使SAR影像的投影方式和幾何特徵，影像的投影方式和幾何特徵，得以跟欲套合的圖層一致。正射的影像，沒有之前影像的尺度扭得以跟欲套合的圖層一致。正射的影像，沒有之前影像的尺度扭曲或地形變形之情形。在正射影像上可直接計(jì)算出距離、面積、曲或地形變形之情形。在正射影像上可直接計(jì)算出距離、面積、和角度等。和角度等。SAR的應(yīng)用的應(yīng)用n地形圖的製作與更新地形圖的製作與更新n地質(zhì)學(xué)地質(zhì)學(xué)n海洋學(xué)海洋學(xué)n農(nóng)作物分類與監(jiān)控農(nóng)作物分類與監(jiān)控n水文學(xué)水文學(xué)n森林監(jiān)控森林監(jiān)控n冰河學(xué)冰河學(xué)INSAR 緣起緣起n雷達(dá)干涉量測技術(shù)（雷達(dá)干涉量測技術(shù)（Radar Interferometry）是

29、利用攝像雷）是利用攝像雷達(dá)所獲取之複數(shù)資料（達(dá)所獲取之複數(shù)資料（Complex Data），利用其相位），利用其相位（Phase）值來粹取出地表的三維資訊，此技術(shù)之萌芽最早）值來粹取出地表的三維資訊，此技術(shù)之萌芽最早應(yīng)用在觀測金星（應(yīng)用在觀測金星（Venus） 及月球的地表資訊上。及月球的地表資訊上。nGraham於於1974年首先利用合成口徑雷達(dá)（年首先利用合成口徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar, SAR）的資料來製作地形圖。）的資料來製作地形圖。n而利用空載及衛(wèi)星的而利用空載及衛(wèi)星的SAR感測器在側(cè)視的幾何條件下，可感測器在側(cè)視的幾何條件下，可以利用處理以利用處理S

30、AR資料的技術(shù)獲得較好的解析度，並量測其資料的技術(shù)獲得較好的解析度，並量測其二維座標(biāo)；並可利用干涉技術(shù)（二維座標(biāo)；並可利用干涉技術(shù)（Interferometry）來獲得地）來獲得地表的高程（數(shù)值地形模型，表的高程（數(shù)值地形模型，DTM）資料。）資料。n雷達(dá)影像由於能穿透雲(yún)層、不受氣候及日照條件影響，提雷達(dá)影像由於能穿透雲(yún)層、不受氣候及日照條件影響，提供全天候數(shù)據(jù)蒐集能力，而雷達(dá)干涉技術(shù)之使用能於短時(shí)供全天候數(shù)據(jù)蒐集能力，而雷達(dá)干涉技術(shù)之使用能於短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高精度之大區(qū)域之?dāng)?shù)值地形模型資料，為目前研間內(nèi)產(chǎn)生高精度之大區(qū)域之?dāng)?shù)值地形模型資料，為目前研究之新的領(lǐng)域，被稱為第四代衛(wèi)星遙測系統(tǒng)。究之新的

31、領(lǐng)域，被稱為第四代衛(wèi)星遙測系統(tǒng)。INSAR 的發(fā)展的發(fā)展n自從自從ESA（European Space Agency）在）在1991年七月發(fā)射了年七月發(fā)射了配備配備C波段（波段（Band）SAR的的ERS-1衛(wèi)星後，就有多篇的論文衛(wèi)星後，就有多篇的論文發(fā)表，大部分都是討論其潛在的應(yīng)用及評(píng)估發(fā)表，大部分都是討論其潛在的應(yīng)用及評(píng)估SAR干涉量測干涉量測技術(shù)的限制等。也有各種的模擬被利用來實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步應(yīng)技術(shù)的限制等。也有各種的模擬被利用來實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步應(yīng)用的最佳化設(shè)計(jì)。用的最佳化設(shè)計(jì)。n而在而在1995年發(fā)射了年發(fā)射了ERS-2衛(wèi)星後，利用衛(wèi)星後，利用ERS-1及及ERS-2衛(wèi)星衛(wèi)星的前後任務(wù)（的前後

32、任務(wù)（tandem mission）中，）中，INSAR的應(yīng)用就有明顯的應(yīng)用就有明顯的擴(kuò)充，其可提供的干涉資料僅有一天之差，從結(jié)果中可的擴(kuò)充，其可提供的干涉資料僅有一天之差，從結(jié)果中可確定，技術(shù)雖仍有待改進(jìn)，但結(jié)果卻非常的有希望。而於確定，技術(shù)雖仍有待改進(jìn)，但結(jié)果卻非常的有希望。而於1995年底發(fā)射成功之加拿大年底發(fā)射成功之加拿大RADARSAT衛(wèi)星，因?yàn)槠淙肷湫l(wèi)星，因?yàn)槠淙肷浣强烧{(diào)整（角可調(diào)整（20-50 ），更具有實(shí)用之潛力。），更具有實(shí)用之潛力。n目前較著名雷達(dá)干涉術(shù)研究主要有美國的噴射實(shí)驗(yàn)室（目前較著名雷達(dá)干涉術(shù)研究主要有美國的噴射實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laborato

33、ry）、阿拉斯加合成口徑雷達(dá)機(jī)構(gòu)）、阿拉斯加合成口徑雷達(dá)機(jī)構(gòu)（Alaska SAR Facility, ASF）、歐洲太空總署（）、歐洲太空總署（European Space Agency, ESA）等。）等。INSAR GeometryS1S2R1R2Ground trackBaselineSwathKKINSAR 原理原理n雷達(dá)干涉術(shù)，主要是透過兩個(gè)空間上分雷達(dá)干涉術(shù)，主要是透過兩個(gè)空間上分開之雷達(dá)天線，發(fā)射及接收訊號(hào)，兩分開之雷達(dá)天線，發(fā)射及接收訊號(hào)，兩分離之天線間之距離稱為基線（離之天線間之距離稱為基線（Baseline），），目前有兩種主要的雷達(dá)干涉產(chǎn)生類型：目前有兩種主要的雷達(dá)干涉

34、產(chǎn)生類型：l兩個(gè)雷達(dá)天線掛在一載臺(tái)上，第一個(gè)天線發(fā)射訊號(hào)，兩個(gè)雷達(dá)天線掛在一載臺(tái)上，第一個(gè)天線發(fā)射訊號(hào)，兩個(gè)天線同時(shí)接收回訊；如機(jī)載（兩個(gè)天線同時(shí)接收回訊；如機(jī)載（Airborne System）雷達(dá)干涉器，優(yōu)點(diǎn)為能同步觀測，缺點(diǎn)為固定的基雷達(dá)干涉器，優(yōu)點(diǎn)為能同步觀測，缺點(diǎn)為固定的基線長。線長。l載臺(tái)上僅掛一個(gè)雷達(dá)天線，重複軌道，非同步觀測；載臺(tái)上僅掛一個(gè)雷達(dá)天線，重複軌道，非同步觀測；如星載（如星載（Spaceborne System）合成雷達(dá)干涉器，優(yōu)）合成雷達(dá)干涉器，優(yōu)點(diǎn)為基線長可改變，缺點(diǎn)是需選取重複軌道，以不點(diǎn)為基線長可改變，缺點(diǎn)是需選取重複軌道，以不同時(shí)段之兩影像來處理，而不同時(shí)段

35、之兩影像具有同時(shí)段之兩影像來處理，而不同時(shí)段之兩影像具有地表反射特性之差異，一致性較差。地表反射特性之差異，一致性較差。DEM Generationn基線計(jì)算基線計(jì)算n次像元影像套合次像元影像套合n計(jì)算兩影像各像元之相位差計(jì)算兩影像各像元之相位差n消除地球曲率誤差消除地球曲率誤差n平滑化及細(xì)調(diào)平滑化及細(xì)調(diào)n產(chǎn)生雷達(dá)干涉圖產(chǎn)生雷達(dá)干涉圖n地形效應(yīng)改正地形效應(yīng)改正n全相位回復(fù)全相位回復(fù)n產(chǎn)生數(shù)值地形模型產(chǎn)生數(shù)值地形模型INSAR的應(yīng)用的應(yīng)用nSAR影像的幾何和亮度（影像的幾何和亮度（brightness）校正）校正主要作為主要作為SAR影像的精度率定之用。影像的精度率定之用。nDEM的製作的製作

36、以同一地區(qū)，但不同時(shí)間，且不同俯角拍攝的以同一地區(qū)，但不同時(shí)間，且不同俯角拍攝的SAR影像，利用相影像，利用相位差與斜距成正比的原理來產(chǎn)生該地區(qū)的位差與斜距成正比的原理來產(chǎn)生該地區(qū)的DEM。n以以D-INSAR偵測微變量偵測微變量l 應(yīng) 用 於 變 形 偵 測 之 雷 達(dá) 干 涉 術(shù) 稱 為 差 分 雷 達(dá) 干 涉 術(shù)應(yīng) 用 於 變 形 偵 測 之 雷 達(dá) 干 涉 術(shù) 稱 為 差 分 雷 達(dá) 干 涉 術(shù)（Differential INSAR, D-INSAR），其精度可達(dá)到毫米之譜。），其精度可達(dá)到毫米之譜。相關(guān)研究如冰山漂移、潮汐效應(yīng)和地震面移位，以及因?yàn)榛鹣嚓P(guān)研究如冰山漂移、潮汐效應(yīng)和地震

37、面移位，以及因?yàn)榛鹕交顒?dòng)、土崩、採礦和水源開發(fā)等所帶來的災(zāi)害。山活動(dòng)、土崩、採礦和水源開發(fā)等所帶來的災(zāi)害。l 利用利用INSAR技術(shù)所產(chǎn)生的干涉圖中，其干涉條紋可能為地形技術(shù)所產(chǎn)生的干涉圖中，其干涉條紋可能為地形本身所造成，此謂地形干涉條紋；但也可能是兩次攝像間地本身所造成，此謂地形干涉條紋；但也可能是兩次攝像間地表的變動(dòng)所致，則稱之為地表移位干涉條紋。欲擷取出真正表的變動(dòng)所致，則稱之為地表移位干涉條紋。欲擷取出真正的地表微變量，如地層下陷、土崩、地震面移位等現(xiàn)象，就的地表微變量，如地層下陷、土崩、地震面移位等現(xiàn)象，就必須使用差分式雷達(dá)干涉術(shù)（必須使用差分式雷達(dá)干涉術(shù)（D-INSAR）。）。I

38、NSAR 應(yīng)用的限制應(yīng)用的限制n時(shí)間上之一致性（時(shí)間上之一致性（Temporal Coherence）l重複軌道之雷達(dá)干涉術(shù)需維持兩張重複軌道之雷達(dá)干涉術(shù)需維持兩張SAR影像之反向影像之反向散射不變，故短週期（如散射不變，故短週期（如3天週期）之重複軌道量天週期）之重複軌道量測，較能滿足此一要求，特別是對(duì)植物生長區(qū)而言。測，較能滿足此一要求，特別是對(duì)植物生長區(qū)而言。直角反射器（直角反射器（Corner Reflector）屬固定反射率之點(diǎn)）屬固定反射率之點(diǎn)目標(biāo)，可利用其在植物生長區(qū)克服此類困難。目標(biāo)，可利用其在植物生長區(qū)克服此類困難。n空間上之一致性（空間上之一致性（Spatial Coher

39、ence）l對(duì)對(duì)SAR訊號(hào)之入射角，兩攝影位置最好能接近，一訊號(hào)之入射角，兩攝影位置最好能接近，一般而言，很難在基線長大於般而言，很難在基線長大於600 m以上維持此一要以上維持此一要求，最合適的情形為基線長維持在求，最合適的情形為基線長維持在50 m至至150 m之之間。間。衛(wèi)星雷達(dá)與大氣氣象同步衛(wèi)星氣象同步衛(wèi)星n同步衛(wèi)星特徵：同步衛(wèi)星特徵：高度：高度：36000 km對(duì)全球地表面積的四分之一進(jìn)行幾乎連續(xù)不斷的觀測對(duì)全球地表面積的四分之一進(jìn)行幾乎連續(xù)不斷的觀測監(jiān)測快速發(fā)展的風(fēng)暴及追蹤雲(yún)塊的移動(dòng)以推定風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測快速發(fā)展的風(fēng)暴及追蹤雲(yún)塊的移動(dòng)以推定風(fēng)向風(fēng)速nGOES (Geostationar

40、y Operational Environmental Satellite)系列系列 - 美國發(fā)射美國發(fā)射於於1975年發(fā)射第一顆年發(fā)射第一顆經(jīng)常維持兩顆同時(shí)作業(yè)，一顆位於經(jīng)常維持兩顆同時(shí)作業(yè)，一顆位於135 W, 一顆位於一顆位於75 WGOES-13的輻射計(jì)主要是可見光和紅外自旋掃瞄輻射計(jì)的輻射計(jì)主要是可見光和紅外自旋掃瞄輻射計(jì)(VISSR)，可用來拍，可用來拍攝雲(yún)圖、決定海面溫度和雲(yún)參數(shù)攝雲(yún)圖、決定海面溫度和雲(yún)參數(shù)自自 GOES-4後，裝載的輻射計(jì)後，裝載的輻射計(jì)VAS擴(kuò)大了擴(kuò)大了VISSR的性能的性能nGMS (Geostationary Meteorological Satellit

41、e)系列系列 - 日本發(fā)射日本發(fā)射於於1977年發(fā)射第一顆年發(fā)射第一顆位於位於140 E可見光和紅外自旋掃瞄輻射計(jì)以決定雲(yún)量、雲(yún)頂溫度、海面溫度、估計(jì)風(fēng)向可見光和紅外自旋掃瞄輻射計(jì)以決定雲(yún)量、雲(yún)頂溫度、海面溫度、估計(jì)風(fēng)向風(fēng)速風(fēng)速太空環(huán)境監(jiān)測器（太空環(huán)境監(jiān)測器（SEM）可觀測太陽黑子、）可觀測太陽黑子、粒子、和電子通量密度粒子、和電子通量密度氣象同步衛(wèi)星（續(xù)）氣象同步衛(wèi)星（續(xù)）衛(wèi)星名稱儀器GOES-1 3VISSR, DCS, WEFAX, SEMGOES-4 以後VAS, DCS, WEFAX, SEMGMSVISSR, DCS, SEMn VISSR: Visible and Infrare

42、d Spin Scan Radiometern DCS: Data Collection Systemn WEFAX: Weather Facsimilen SEM: Space Environment Monitorn VAS: VISSR Atmospheric Sounder衛(wèi)星雷達(dá)與大氣遙測衛(wèi)星雷達(dá)與大氣遙測n雲(yún)雲(yún)/雨帶分析雨帶分析n氣候監(jiān)控氣候監(jiān)控l聖嬰與反聖嬰現(xiàn)象（結(jié)合海面觀測）聖嬰與反聖嬰現(xiàn)象（結(jié)合海面觀測）l臭氧洞觀測臭氧洞觀測n大氣組成氣體之觀測、資訊獲取與大氣組成氣體之觀測、資訊獲取與分析分析n劇烈天氣觀測劇烈天氣觀測衛(wèi)星雷達(dá)與大氣遙測衛(wèi)星雷達(dá)與大氣遙測-雲(yún)雨帶分析雲(yún)雨帶分

43、析nSIR-C/X-SAR偵測的西太平洋海面。偵測的西太平洋海面。氣象學(xué)家可利用此類影像來研究熱帶氣象學(xué)家可利用此類影像來研究熱帶降雨降雨風(fēng)包風(fēng)包線的發(fā)生、分佈和活動(dòng)，瞭線的發(fā)生、分佈和活動(dòng)，瞭解大氣和海洋間的熱能交換，以及熱解大氣和海洋間的熱能交換，以及熱帶海洋上層海水的混合機(jī)制。影像上帶海洋上層海水的混合機(jī)制。影像上方的白色彎曲部分是所羅門群島的部方的白色彎曲部分是所羅門群島的部分環(huán)礁。環(huán)礁附近的兩個(gè)紅點(diǎn)是由雷分環(huán)礁。環(huán)礁附近的兩個(gè)紅點(diǎn)是由雷雨包上層較冷的冰晶微粒反射所形成。雨包上層較冷的冰晶微粒反射所形成。影像下方的黃綠色區(qū)域則是極強(qiáng)的雷影像下方的黃綠色區(qū)域則是極強(qiáng)的雷雨包，約雨包，約

44、15 km 15 km，包含一圓，包含一圓形暗區(qū)和一長方形暗區(qū)，該暗區(qū)應(yīng)是形暗區(qū)和一長方形暗區(qū)，該暗區(qū)應(yīng)是由於下極大的雨使海面平滑，因鏡面由於下極大的雨使海面平滑，因鏡面反射而導(dǎo)致雷達(dá)回波極弱。風(fēng)速最弱反射而導(dǎo)致雷達(dá)回波極弱。風(fēng)速最弱處為環(huán)礁內(nèi)的區(qū)域，為黑色；風(fēng)速中處為環(huán)礁內(nèi)的區(qū)域，為黑色；風(fēng)速中等處在影像中為藍(lán)綠色至黑色之雲(yún)霧等處在影像中為藍(lán)綠色至黑色之雲(yún)霧狀區(qū)域；風(fēng)速最強(qiáng)處則為黃綠色的大狀區(qū)域；風(fēng)速最強(qiáng)處則為黃綠色的大雷雨包。雷雨包。聖嬰聖嬰/反聖嬰現(xiàn)象介紹反聖嬰現(xiàn)象介紹-一般情形一般情形n正常狀況正常狀況 太平洋赤道地區(qū)的信風(fēng)（西太平洋赤道地區(qū)的信風(fēng)（西風(fēng)帶）把海水推擠到西太平風(fēng)帶）把海

45、水推擠到西太平洋，使得印尼附近的海面高洋，使得印尼附近的海面高於厄瓜多爾約於厄瓜多爾約 50 cm。西岸。西岸溫暖的海水促使暖空氣上升，溫暖的海水促使暖空氣上升，對(duì)流旺盛，故在印尼雨水甚對(duì)流旺盛，故在印尼雨水甚多，而東太平洋則相對(duì)較乾多，而東太平洋則相對(duì)較乾燥。西風(fēng)和海水西進(jìn)帶動(dòng)?xùn)|燥。西風(fēng)和海水西進(jìn)帶動(dòng)?xùn)|岸的湧升流，故東岸海面溫岸的湧升流，故東岸海面溫度較低。這些湧升流是由深度較低。這些湧升流是由深海湧出的冷水，富含浮游生海湧出的冷水，富含浮游生物等養(yǎng)分，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)食物物等養(yǎng)分，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)食物鏈扮演極重要的角色。鏈扮演極重要的角色。 聖嬰聖嬰/反聖嬰現(xiàn)象介紹反聖嬰現(xiàn)象介紹-聖嬰現(xiàn)象聖嬰現(xiàn)象n聖

46、嬰現(xiàn)象聖嬰現(xiàn)象 (El Nino) 聖嬰現(xiàn)象乃指太平洋赤道東岸聖嬰現(xiàn)象乃指太平洋赤道東岸高壓減弱，使信風(fēng)亦減弱，造高壓減弱，使信風(fēng)亦減弱，造成平時(shí)由東向西流的海水減少成平時(shí)由東向西流的海水減少甚至回流，導(dǎo)致斜溫線甚至回流，導(dǎo)致斜溫線 (thermocline)在東太平洋下降。在東太平洋下降。此時(shí)東岸湧升流減弱，水溫較此時(shí)東岸湧升流減弱，水溫較平時(shí)為高，使浮油生物減少並平時(shí)為高，使浮油生物減少並影響食物鏈及漁民生計(jì)。聖嬰影響食物鏈及漁民生計(jì)。聖嬰現(xiàn)象發(fā)生時(shí)雨帶隨著東岸的暖現(xiàn)象發(fā)生時(shí)雨帶隨著東岸的暖水東移，形成印尼和澳洲的乾水東移，形成印尼和澳洲的乾旱，以及秘魯?shù)乃疄?zāi)。此大氣旱，以及秘魯?shù)乃疄?zāi)。此大氣熱源東移並位於暖水區(qū)的效應(yīng)，熱源東移並位於暖水區(qū)的效應(yīng)，透過海氣作用造成透過海氣作用造成 全球大氣環(huán)全球大氣環(huán)流變遷，並影響全球氣候。流變遷，並影響全球氣候。以以ERS2雷達(dá)測高儀所觀測的聖嬰現(xiàn)象雷達(dá)測高儀所觀測的聖嬰現(xiàn)象結(jié)合結(jié)合TOPEX, AVHRR觀測之聖嬰現(xiàn)象觀測之聖嬰現(xiàn)象123聖嬰聖嬰/反聖嬰現(xiàn)象介紹反聖嬰現(xiàn)象介紹-反聖嬰現(xiàn)象反聖嬰現(xiàn)象