SARscape中SAR数据的地理编码和辐射定标

SAR系统观测到的是电磁波入射地球表面后反射（后向散射）的雷达脉冲的强度和相位信息。这个信息编码到雷达坐标系统下，即斜距坐标系，被记录下来。在一些应用中，需要将SAR数据从斜距坐标系转到地理坐标系。这个过程就是SAR数据的地理编码（Geocoding）。

图 SAR数据地理编码示意图

      雷达传感器测量的是发射脉冲和接收信号强度的比，这个比值称为后向散射。经过辐射定标的后向散射强度信息，不受SAR数据观测几何（不同SAR传感器或不同接收模式）的影响，相当于归一化到同一标准下，可以进行对比和分析。这个过程就是SAR数据的辐射定标（Calibration）。

根据雷达方程，SAR数据辐射定标的公式为：

公式中：

P_d ——传感器接收到的后向散射强度 

P_t ——传输功率、 P_n ——附加功率 、G ^A ——透射和接收天线增益 

G ^E ——雷达接收器的电流增益 、G_p ——处理器常数、R ——距离传播损耗

 θ_el ——天线仰角、θ_az ——天线方位角 

L ——大气（La）和系统（Ls）的损耗 、A ——散射面积

总的来说，SAR数据的辐射定标参数包括：散射面积（A）、天线增益（G₂）和距离传播损耗（R³）。

 为了得到定标所用到的几何参数，需要输入DEM文件，所以在SARscape中，地理编码和辐射定标的操作是在同一个工具中完成的，在地理编码的时候可以计算出定标参数。

 定标结果是无量纲的（单位是linear），由于后向散射的量级都比较小，实际工作中便于分析往往会转成dB的单位，如果要输出dB为单位的定标结果（10*log10 of the linear value），可以选择相应单位的定标结果输出。

定标结果一般采用以下命名：

• Sigma——后向散射系数，就是通常说的散射体反射回来的雷达强度，单位是dB
• Gamma——用入射角归一化的后向散射系数
• Beta——雷达亮度（反射率）系数

  要输出某个形式的后向散射系数，也可以通过地理编码时的参数设置实现。

   下面以Sentinel1数据为例，说明SAR数据地理编码和辐射定标的操作

第一步，打开/SARscape/Basic/Intensity Processing/Geocoding/Geocoding and Radiometric Calibration工具。

• 数据输入（Input Files），输入哨兵1的强度数据_slc_pwr。可以输入任何需要地理编码的数据，软件默认的筛选条件是_pwr、_gr、_slc、_fil，如果需要做地理编码的不包含这些后缀，选择*.*。
• 可选文件（Option Files），控制点文件和散射范围文件。
• 投影参数（DEM/Cartographic System），输入DEM文件或投影信息提供地理编码的坐标系信息。若是输入DEM数据，最后输出结果默认以DEM投影参数为准。如果不输入DEM数据，则设置Output Projection。
• 参数设置（Parameters）面板，主要参数（Principal Parameters）
  • 像元大小（X Grid Size）：20
  • 像元大小（Y Grid Size）：20
  • 辐射定标（Radiometric Calibration）：是否进行辐射定标，选择True就是进行辐射定标。
  • 散射面积（Scattering Area）：选择辐射定标的话，该参数激活。散射面积用于辐射定标，有两个选项，Local Incidence Angle是运算快，对地形起伏大的区域，精度低一些；true area方法运算时间长，精度高。默认的是Local Incidence Angle的方法。
  • 辐射归一化（Radiometric Normalization）：是否进行辐射归一化，选择True就是进行辐射归一化，要在下面设置归一化的方法。默认为False。
  • 辐射归一化方法（Normalization Method）：提供两个辐射归一化方法，Cosine correction方法是后向散射变异系数只在距离向做补偿；Semi-empirical correction方法是后向散射系数变异系数既考虑了距离向也考虑了地形条件。选择辐射归一化不选择，该参数激活。
  • 局部入射角校正（Local Incidence Angle）：是否生成每个像元的入射角文件。默认为False，不生成。
  • 叠掩/阴影处理（Layover/Shadow）：是否生成叠掩/阴影区域的掩膜文件，默认为False，不生成。
  • 生成原始几何（Additional Original Geometry）：是否生成斜距或者地距的定标结果。默认为False，不生成。
  • 输出类型（Output type）：定标结果的输出单位，默认为Linear，可以选择dB，或者两者都输出

  

  图 地理编码的主要参数设置

• 输出文件（output files），输出路径和文件名，默认自动添加了_geo后缀。

单击Exec执行。完成后，结果在ENVI中自动加载并显示_slc_pwr_geo数据，拉伸方法选择SARscape。

图 地理编码和辐射定标的结果

如果选择了辐射定标，查看_geo数据的DN值，就是sigma后向散射系数，默认得到的是linear的值。

图 得到的sigma后向散射系数

     默认的辐射定标的结果是sigma，如果要得到gamma或者beta，在Geocoding和Radiometric Calibration面板中的参数设置，选择Other Parameters参数，设置相应的定标结果。

图 选择其他定标结果

      如果设置了gamma 或者beta的定标结果输出，处理得到的数据就会带有_sigma、_gamma、_beta的标识。

图 三种定标结果输出

     如果辐射定标的结果在后向散射很大的区域存在NaN值，说明该像元的后向散射系数超过了软件设定的阈值，可以在Geocoding和Radiometric Calibration面板中的参数设置，选择Other Parameters参数，将Max Value in Calibration参数调大。默认是5。

图 设置辐射定标最大值的阈值

     数据中若存在海域，如果海域区域的定标结果为NaN，原因是地理编码和辐射定标时使用的参考DEM中海域没有值，这种情况下，如果研究区是海域区域，在参考坐标系中，使用平均椭球体高程即可。如果研究区不包括海域区域，则不予处理。