01-SAR基础知识.pdf

SAR基础知识技术支持邮箱：ENVI-IDL技术支持热线：400-819-2881-5官方技术博客：http:/ QQ群：826195565邓书斌Esri中国 遥感事业部D 1、SAR基础 2、InSAR基础 3、InSAR技术与地表形变主要内容主要内容1、SAR基础Radar概念概念 Radar（Radio Detection And Ranging），一个Radar系统主要包括三个功能：发射微波信号到场景 接收从场景中传回的部分后向散射能量 观测返回的强度（检测）和延时（测距）信号RAR真实孔径雷达成像分辨率雷达天线长度 SAR（Synthetic Aperture Radar）：合成孔径雷达 用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理的侧视雷达。可以获取高分辨率的地球表面图像，是目前广泛使用的雷达系统。SAR合成孔径雷达合成孔径雷达波长和频率f的关系：=c/f振幅A和强度I：I=A2 反映电磁波能量相位（phase）：描述波的振动状态的物理量 =，L：传播距离极化（polarization)，光学中叫偏振几个波的概念几个波的概念SAR参数参数波长波长 雷达遥感使用的微波部分的电磁频谱，频率从0.3GHz至300 GHz，波长从1米到1毫米。微波中常用的波段有：P-band=65 cm AIRSAR L-band=23 cm JERS-1 SAR,ALOS PALSAR S-band=10 cm Almaz-1 C-band=5 cm ERS-1/2 SAR,RADARSAT-1/2,ENVISAT ASAR,RISAT-1 X-band=3 cm TerraSAR-X-1,COSMO-SkyMed K-band=1.2 cm 军事领域波长越长穿透能力就越强，如波长大于2cm的雷达系统不会受到云的影响。SAR参数参数波长波长 雷达频率的应用：冰雪识别，小型特征，使用X-band 地质制图，大型特征，使用L-band 叶面渗透，最好使用低频率，如P-band 一般情况，C-band是折中波段波段名称的字母是早起军事应用遗留下来的SAR参数参数极化极化 极化：电磁波振动的矢量方向，即电场的方向SAR参数参数极化极化特点 当雷达作用于地球表面时，其极化方式可能改变，产生随机极化反射信号，其中包含水平和垂直两种分量 极化方式是否改变取决于目标的物理和电特性 雷达可以接收反射信号的水平和垂直极化分量 四种模式：HH、VV、HV、VH 对于同一区域，不同极化方式获取的图像不同SAR参数参数极化极化 美国航天飞机SAR获取的XVV、CHV、LHV的图像 不同波长、不同极化的散射机理差异SAR参数参数入射角入射角(视角视角)入射角是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角（）。微波与表面的相互作用复杂，不同的角度区域会产生不同的回波。小入射角通常返回较强的信号，随入射角增加，返回信号逐渐减弱 根据雷达距离地表高度的情况，入射角会随着近距离到远距离的改变而改变，从而影响成像几何。SAR参数参数入射角入射角 雷达反射随着入射角的增大而减小不同地物随入射角变化的雷达反射变化情况入射角与雷达后向散射的关系不同的应用选择相应装置的依据SAR散射机制散射机制 雷达图像表示的是地面雷达后向散射的估算值 主要可分为5种散射：表面和体散射 双回波(Double Bounce)组合散射 穿透散射 介电属性散射。SAR散射机制散射机制 表面和体散射 粗糙的表面能得到更高的后向散射，平整表面在雷达图像上经常表现暗区域。双回波SAR散射机制散射机制 组合散射 一般发生在低频SAR系统（如L、P波段）包括表面、体散射、双回波等森林的组合散射（上-林冠层，中-树干层，下-地面层）SAR散射机制散射机制 穿透散射 根据极化方式和波长情况，微波可以透入植被、裸土（干雪或沙地）一般情况，波长越长，穿透能力越强。交叉极化(VH/HV)相比同极化（HH/VV）的渗透能力弱。SAR散射机制散射机制SAR穿透地表，可以清晰的看到沙漠下的地下河道SAR图像的理解图像的理解 图像亮度代表后向散射强度 像元内表面越粗糙，后向散射越强。光滑表面镜面反射，后向散射很弱 与散射体的复介电常数有关 含水量越大，后向散射越强水面上的溢油水面上的溢油SAR图像的斑点噪声图像的斑点噪声 SAR是相干系统，斑点噪声是其固有特性 均匀的区域，图像表现出明显的亮度随机变化，与分辨率、极化、入射角没有直接关系，属于乘机噪声 多视和滤波可以抑制斑点噪声 距离向(Range)：像平面内垂直于飞行方向 斜距(Slant range)：雷达到目标的距离方向，雷达探测斜距方向的回波信号 地距(Ground range)：将斜距投影到地球表面，是地面物体间的真实距离 方位向(Azimuth)：平行于飞行方向SAR的观测几何的观测几何SAR图像几何分辨率图像几何分辨率 距离分辨率Range 侧视方向上的分辨率称为距离分辨率 包括斜距分辨率和地距分辨率 方位分辨率Azimuth 沿航线方向上的分辨率，也称沿迹分辨率SAR图像几何特征图像几何特征 雷达图像的构像几何学属于斜距投影类型 斜距投影是以天线为中心，以斜距为半径的同心圆在像面空间上的投影 方位向的比例尺是个常量 距离向的比例尺由地面目标的位置由该目标到雷达天线的距离决定斜距影像地距影像SR=GR*sinSAR图像几何特征图像几何特征 在雷达成像中，地物目标的位置在方位向是按飞行平台的时序记录成像的 在距离向上是按照地物目标反射信息的先后记录成像的 在高程上即使微小变化都可造成相当大范围的扭曲 这些诱导因子包括透视收缩、叠掩、阴影SAR图像几何特征：图像几何特征：透视透视收缩收缩 透视收缩 山上面向雷达的一面在图像上被压缩，这一部分往往表现为较高的亮度SAR图像几何特征图像几何特征 需要提供高分辨率的DEM数据，透视收缩可通过几何校正和辐射定标进行校正用DEM校正不用DEM校正SAR图像几何图像几何特征：叠特征：叠掩掩 叠掩 当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达，因此在图像的距离方向，山顶与山底的相对位置出现颠倒SAR图像几何特征：叠掩图像几何特征：叠掩 叠掩SAR图像几何图像几何特征：特征：阴影阴影 阴影 地面上雷达信号照射不到的部分SAR图像几何特征图像几何特征 在地形起伏的区域 一般迎面坡是前向收缩 坡度较大时，顶底叠置 背面坡坡度较大时出现阴影阴影顶底叠置星载星载SAR获取模式获取模式 条带模式Stripmap 当运行Stripmap SAR时，雷达天线可以灵活的调整，改变入射角以获取不同的成像宽幅。最新的SAR系统都具有这种成像模式，包括RADARSAT-1/2，ENVISAT ASAR，ALOS PALSAR，TerraSAR-X-1，COSMOSkyMed和RISAT-1。星载星载SAR获取模式获取模式 扫描模式ScanSAR 扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间，最后获取一个完整的图像覆盖区域。星载星载SAR获取模式获取模式 聚束模式Spotlight 当执行聚束模式采集数据时，传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。与条带模式主要区别为：在使用相同物理天线时，聚束模式提供更好的方位分辨率；在可能成像的以一个区域内，聚束模式在单通道上的提供更多的视角；聚束模式可以更有效的获取多个小区域。RADARSAT-2成像模式说明成像模式说明SAR数据类型数据类型 单视复数（Single Look Complex-SLC）SAR数据由实部和虚部构成 相位分布在-之间 InSAR处理必须采用这种数据 振幅（Amplitude）、强度（Intensity）数据 对单通道SAR系统来说，相位没有提供任何信息，振幅（或强度、能量）是唯一有用的信息In-Phase：同相分量Quadrature：正交相位分量SAR数据类型数据类型 强度数据 对经过聚焦处理的SAR数据进行多视处理，多视得到的强度图像是距离向和/或方位向像元分辨率的平均值 一个L视数的图像，本质上是L的指数分布，产品级别产品形式定义L1A复数据产品（SLC）根据卫星参数，进行成像处理、相对辐射校正后获得的斜距复数据产品，提供斜地转换系数；复数据产品保留幅度、相位、极化信息。L1B单视图像产品（SLP）根据卫星参数，进行成像处理、相对辐射校正的图像数据斜距产品。多视图像产品（MLP）根据卫星参数，进行成像处理、多视处理、相对辐射校正、拼接后获得的图像数据产品。L2系统几何校正产品（SGC）根据卫星下传的姿轨数据，进行几何定位、地图投影、重采样后获得的系统级几何校正产品。例子：高分三号产品说明例子：高分三号产品说明PALSAR2产品级别说明产品级别说明系统系统发射时发射时间间波段波段极化极化图 幅 宽 度图 幅 宽 度（KM）分辨率分辨率重复周重复周期期轨道轨道精度精度(cm)接受模式接受模式国家国家ERS-2(2011年退役年退役)1995CVV10025 m3530Stripmap欧洲RADASAT1（2013年年4月月出现故障出现故障）1995CVV10-50010-30-10024100StripmapScanSAR加拿大ENVISAT-ASAR（2012失去联系失去联系）2002CVV100-400203530StripmapScanSAR欧洲ALOS（2011 已已 停停止运行止运行）2006LFull40-3507-14-10046100Stripmap日本TerraSAR-XTandem-X20072010XFull5-10-30-1001-3-161110SpotlightStripmapScanSAR德国Cosmo-skymed2007X,LFull10-30-2001-3-151-1610SpotlightStripmapScanSAR意大利RADASAT22007CFull10-5003-1001-2410SpotlightStripmapScanSAR加拿大主要星载主要星载SAR系统系统主要星载主要星载SAR系统系统系统系统发射发射时时间间波段波段极化极化图 幅 宽 度图 幅 宽 度（KM）分辨率分辨率重复周重复周期期轨道轨道精度精度(cm)接受模式接受模式国家国家ALOS-22014LFull25/35/60/70/3501/3/6/10/10014100-日本哨 兵哨 兵”-1A(Sentinel-1A)2014cFull20/80/100/250/4005/20/4012-欧空局GF-32016CFull10-6501-500m-12种中国其他：RiSAT1（印度C波段）、Kompsat5（韩国X波段）数据源数据源基本参数基本参数应用方向应用方向获取方式获取方式SentinelC波段、多极化4种工作模式（SM、IW、EWS、WV）地表形变大范围资源监测免费，中国区域提供IW模式GF-3C波段、多极化12种成像模式分辨率最高1米资源监测（大范围或局部高分辨率）各省高分中心负责分发Terrasar-XX波段、多极化、多入射角4种分辨率的成像模式分辨率最高1米地表形变高分辨率资源监测DEM提取（Tandem-x双星模式）付费RADASAT2C波段、多极化3种工作方式和分辨率最高3米地表形变高分辨率资源监测付费Cosmo-SkymedX波段、多极化、多入射角3种工作方式和5种分辨率的成像模式分辨率最高1米地表形变高分辨率资源监测付费ALOS-2L波段、多极化3种工作方式，6种分辨率的成像模式分辨率最高1米地表形变资源监测树高测量付费ALOS-1部分可免费下载目前常用的目前常用的SAR数据源数据源SAR特性特性 与光学遥感相比，SAR具有如下特性：全天候，不受云雾雪的影响，雨的影响有限 全天时，主动遥感系统 对地表有一定的穿透能力，与土壤含水量有关，依赖于波长 对植被有一定的穿透能力，依赖于波长和入射角 高分辨率，分辨率与距离无关 独特的辐射和几何特性 干涉测量能力 多极化观测能力雷达的应用雷达的应用 雷达数据 合成孔径雷达SAR SAR图像基本应用 雷达可以进行全天候观测，并且可以透过云层覆盖。自然应急救灾、农业估产、森林资源调查、军事应用、干旱监测 InSAR（干涉SAR）合成孔径雷达干涉测量(InSAR)及差分InSAR(D-InSAR)技术是近十几年来发展非常迅速的微波遥感技术。由于它具有全天候、全天时、覆盖面广和高精度获取地表形变信息的能力。能达到厘米级精度，采用短基线干涉像对序列，能达到毫米级精度。InSAR两个方面应用：DEM提取和地表形变监测2、InSAR基础 InSARSynthetic Aperture Radar Interferometry InSAR技术是利用雷达系统获取同一地区两幅SAR影像所提供的相位信息进行干涉处理，来获取地表的三维信息。InSAR（合成孔径）合成孔径）雷达干涉测量雷达干涉测量InSAR技术技术基本原理基本原理计算每次观测的相位计算每次观测的相位，通过相位，通过相位干干涉求解相位差，涉求解相位差，进而反进而反算地形及其算地形及其地表形变地表形变信息。信息。in SAR image#1:1 =R in SAR image#2:2 =(R+R)44 InSAR测量获取DEM时实际上假设地表没有变化干涉相位组成干涉相位组成NoiseAtmosphereMovementnNoiseAtmosphereMovementTopographyIntRhRBRR+4sin4421InSAR技术技术获取获取地表形变地表形变信息（信息（D-InSAR）雷达两次不同位置获取同一监测雷达两次不同位置获取同一监测区区域的相位域的相位，差分，差分干涉得到形变干涉得到形变信息信息地表形变diff Rmov+N+A4 大范围DEM数据获取 30/90米SRTM DEM，覆盖全球80%陆地 Tandem-X 全球覆盖的5米高分辨率DEM数据获取 高精度地表形变监测 InSAR技术应用最为广泛且最能发挥优势的领域 缓慢微小形变与突发形变 大覆盖范围 短周期、连续监测 高精度、低成本InSAR技术应用技术应用1.1960s，InSAR概念提出；2.1974，Graham最早提出应用InSAR测量地形；3.1986，Goldstein等首先获得机载InSAR的结果；4.1989，Gabriel等获得土壤表面形变结果；5.1993年，Massonet首先得到Landers地震的星载差分干涉结果；6.1995年，ERS2发射并与ERS1（1991）组合运行，提供了大量高质量InSAR数据，全球范围内掀起了InSAR研究热潮；7.1994、1996年SIR C都进行了重复轨道干涉试验；8.2000年，美国SRTM项目的成功；9.2001年，Envisat卫星发射；10.2006年，ALOS卫星发射；11.2007年，TerraSARX，COSMO SkyMed，RADASAT2，星载SAR进入米级分辨率时代。12.2010年，TanDEM-X，创新型雷达干涉仪InSAR技术发展历程技术发展历程 以前：专家系统 开源软件 非图形化界面.现在/未来 工具软件 简化操作.商业化软件的商业化软件的发展发展长弓，1-2年才能掌握滑膛枪，1-2月才能掌握自动来复枪，几小时内掌握3、InSAR技术与地表形变 常规D-InSAR技术 单时相差分干涉处理获取地表形变信息 主要用于突发形地表形变，如地震形变场分析监测等 干涉叠加技术 基于时序分析方法，可以获得形变速率，达到毫米精度 主要用于缓慢地表形变，如地面沉降 主要包括PS、SBAS 角反射器InSAR 人工目标网络，形变体上不存在或存在较少相干目标的情况 需要地表安装角反射器 山体滑坡监测等，空间监测范围较小，形变体变形幅度较小。地表地表形变测量的形变测量的主要主要InSAR技术技术 重复轨道InSAR测量DEM时实际上假设地表没有变化。实际上在发生地震、火山活动或者地壳运动的情况下，地表会有或大或小的形变。在InSAR技术的基础上，如果重复进行干涉成像或结合已有的精细DEM数据来消除干涉图中地形因素的影响，可以检测出地表的微小形变，这是D-InSAR的技术基础 三种技术方法：双过差分、三过差分、四过差分。从可靠性上讲，双过差分干涉最可靠，而且目前全球大部分地区都有免费的SRTM3的DEM，可以满足很多应用需求。D-InSAR 地形信息来自已有的高精度DEM 假设两幅SAR图像获取的时间段中存在SAR观测斜距方向的形变r，干涉位相1可表示为D-InSAR的的方法：双过（方法：双过（2pass）差分差分 0是由DEM按照干涉基线和入射角模拟的位相 差分干涉结果只与波长有关，与基线无关 实际差分干涉处理时，干涉位相仍然经过去平，而模拟位相只需模拟地形位相即可。需要三幅SAR图像，其中两幅应该是在事件发生前，其中一幅作为公共主图像，其干涉结果得到本底DEM信息；公共主图像与事件后的图像进行干涉，再与得到DEM的干涉图进行差分，得到形变。其原理与二过差分干涉基本相同，但是处理流程有一些不同。D-InSAR的方法：三过差分干涉的方法：三过差分干涉 四过差分干涉的数据要求较高，时空基线对适合的情况比较少。4幅SAR图像中3幅是事件发生前的，1幅是事件发生后的，但是无法找到公共主图像，只能分二组，一组生产DEM，一组包含事件形变信息。差分干涉流程类似于二过差分干涉，不同的是DEM是由另一组干涉生成。D-InSAR的的方法：四过方法：四过差分干涉差分干涉SLC 1 dataSLC 2 dataSLC 3 dataSLC 4 data干涉图干涉图差分干涉相干变化 技术特点 算法简单，参数较少 成本低，最少2景SAR图像即可 可监测较大的地表形变，在LOS方向上能探测的SAR图像相邻分辨单元之间的最大形变值不大于/2(如C波段为2.8cm，L波段为12cm)可连续、大范围监测 可以监测突发性质的地表形变 滑坡、地震、冰川移动、火山活动、矿区塌陷等 制约因素 相干条件时间基线和空间基线限制了可进行InSAR处理的数据量，以及地表覆盖物如浓密植被容易造成失相干 轨道误差依赖于精密轨道数据 大气影响非均一大气延迟对大区域处理的影响D-InSAR应用特点应用特点干涉叠加技术（干涉叠加技术（Interferometric Stacking）D-InSAR技术适用于大范围地表形变监测 单次测量对大的型变量监测有效，厘米级的（测量瞬间变化）时相上的失相干减少干涉相位精度 大气影响解决方案干涉叠加技术 挖掘时间序列SAR图像可以识别区域（像素）范围内，一定时间内地面位移表现在信号相关和一致性，获取地表毫米级的形变信息。主要包括两个应用方向：PS(Persistent Scatterers，永久散射体)点目标特征，较合适监测 SBAS(Small Baselines，短基线)分布式特征t PS技术将InSAR技术扩展到多时相的数据。假设研究区内有N+1副SAR图像，可得到N副相对于主图像的干涉图，再与DEM进行差分后生成N副差分干涉图，第K副图像差分相位为：PS-InSAR基本原理基本原理TBPS起源于2001年 相干目标密集的地区 城市、乡镇等 植被覆盖地区适用性降低 可以监测缓慢性质的地表形变 城市地表沉降监测、线性交通工程（地铁、高铁等）、人工建筑（港口、机场）等 数据量的要求 大于20-30以上景等，基线要求尽可能小 获取时间周期尽量连续，如一月一景 测量精度 形变速率1mmPS-InSAR应用特点应用特点 连接由长基线造成的相互独立的SAR影像，形成短基线SAR影像集合，以增加数据获取的采样率，从而可在已有的SAR影像数据集中形成若干小集合，每个小集合内SAR影像间的基线较小，集合间SAR影像的基线较大。SBAS(Small Baselines，短基线，短基线)基本原理基本原理TBSBAS起源于2002年 同时适合于城市区域和自然表面 可以监测缓慢性质的地表形变 城市地表沉降监测、线性交通工程（地铁、高铁等）、人工建筑（港口、机场）等 数据量的要求 大于5-10以上景等 获取时间周期可以不连续 测量精度 形变速率1mm 精度率低于PSSBAS应用特点应用特点 人工角反射器（Corner Reflector）辅助的InSAR技术。早期的人工角反射器用于SAR图像定标、InSAR精度验证等 目前应用于 低相干地区，如植被发育地区 重要工程设施、建筑物等 解算方法 传统D-InSAR PS-InSAR SBAS短基线角反射器干涉测量（角反射器干涉测量（CR-InSAR）进行进行InSAR的数据选择的数据选择DEM生产生产地表形变监测地表形变监测方法InSARDInSAR干涉叠加数据类型SLC数据（来自同一个传感器、同一种采集模式、相同的极化方式）数据数量2轨2轨/3轨/4轨至少20轨空间基线一般应小于临界基线的1/3，在能保证相干性的情况下选择相对大的从处理的角度，应选择基线较小的，理论上零基线最好基线要求尽可能小时间基线时间间隔尽可能小，最好是同时参与干涉的SAR数据须是形变发生前后分别获取的获取时间尽量连续，如一月一景空间分辨率DEM垂直精度和SAR空间分辨率无关监测形变体的空间范围数据模式测量的范围数据空间覆盖范围、观测对象的空间分布波段C波段、L波段和X波段可以做干涉测量其他植被发育不茂盛的季节，如冬季、初春，避免选择冰雪覆盖的时相采集时间要考虑到形变类型和特点大家辛苦了！大家辛苦了！休息休息，下一节内休息休息，下一节内容更精彩！容更精彩！