遥感原理与应用_第3章_2遥感平台与遥感传感器-遥感传感器与成像原理

1、遥感原理与应用 Remote Sensing Principle and Application,遥感物理基础,遥感平台特点,遥感传感器,影像处理基础,影像几何处理,影像辐射处理,遥感影像判读,影像识别分类,遥感技术应用,遥感系统,影像处理,遥感应用,影像处理,遥感,遥感原理与应用课程框架,遥感平台与遥感传感器,遥感平台及运行特点 遥感传感器及成像原理,传感器定义及组成 传感器类型 摄影类型的传感器 扫描成像类型的传感器 雷达成像类型的传感器,遥感传感器及成像原理,传感器(Sensor) 收集、量测和记录从目标反射或辐射来的电磁波的仪器，是遥感技术系统的核心。 传感器组成 传感器一般由收集器、探测器、处理器和输出器4部分组成。,传感器定义及组成,收集器：收集地物辐射来的能量。具体的元件如透镜组、反射镜组、天线等。 探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。具体的元器件如感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件、共振腔谐振器等。 处理器：对收集的信号进行处理。如显影、定影、信号放大、变换、校正和编码等。具体的处理器类型有摄影处理装置和电子处理装置。 输出器：输出获取的数据。输出器类型有扫描晒

2、像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、彩色喷墨仪等等。,传感器定义及组成,遥感传感器是获取遥感数据的关键设备，由于设计和获取数据的特点不同，传感器的种类也就繁多，就其将基本结构原理来看，目前遥感中使用的传感器大体上可分为如下一些类型： 摄影类型的传感器 扫描成像类型的传感器 雷达成像类型的传感器,传感器类型,摄影类-分幅式摄像机,一次曝光得到一幅影像。 以单中心投影方式获取某一观测区的一幅影像的成像方式。 主要由收集器物镜和探测器感光胶片组成，暗盒、快门、光栏及机械传动装置等。 自动暴光控制装备（太阳高度角，地物发射亮度等）；自动卷片；时间控制器；像移改正装置。,RMKA30/23摄像机,f:305.18mm; 像幅： 230230mm； H:250km; 1/m:1:820000; 4-6s暴光一次,摄影类传感器,摄影类-缝隙摄像机,又称航带摄像机。在摄影瞬间获取影像，与航向垂直，且与缝隙等宽的一条地面影像。连续暴光，不需要快门。,Wp:航摄软片卷绕速度 Wi:影像在航摄机焦平面内移动速度 W:飞机地速,摄影类传感器,摄影类-全景摄像机,镜头转动式 又称航带摄像机。在摄影瞬间获取

3、在物镜焦平面上平行于飞行方向设置一狭缝，随物镜作垂直航线方向扫描。由于物镜摆动的幅面很大，可将航线两边地平线内的影像摄入底片，故称全景摄影机。,摆动物镜筒,摄影类传感器,摄影类-多光谱摄像机,多镜头型多光谱摄影机：由多个物镜构成的摄影机。 单镜头分光束多光谱摄影机：在物镜后加分光装置，将光分解成多个光束；或利用响应不同波段的多感光层胶片进行多光谱摄影。,摄影类传感器,玻璃棱镜可以将白光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。,The Prism Experiment (Newton, 1666),Zhou, 2006,棱镜分光实验光谱分解,摄影类传感器,摄影像片的几何特征,像片的比例尺 像片的投影 像点位移,摄影类传感器,像片的比例尺,航片上两点之间的距离与地面上相应两点实际水平距离之比，称之为摄影比例尺1/m。平坦地区、摄影时像片处于水平状态（垂直摄影），则像片比例尺等于像机焦距（f）与航高（H）之比。,摄影类传感器,像片的投影,中心投影和垂直投影,航片是中心投影，即摄影光线交于同一点 地图是正射投影，即摄影光线平行且垂直投影面。,摄影类传感器,正射投影:比例尺 和投影距离无关,中心投影:

4、焦距固定，航高改 变，其比例尺也随之改变,H1,H2,f,正射投影,中心投影,摄影类传感器,地形起伏对正射投影 无影响,对中心投影引起投影差 航片各部分的比例尺不同,B,A,C,a,b,c,A,C,A,B,C,a,b,c,C,A,摄影类传感器,正射投影:总是水平的， 不存在倾斜问题,中心投影，若投影面倾斜， 航片各部分的比例尺不同,倾斜,水平,A,B,C,a,b,c,H,f,摄影类传感器,影像处理相关概念,地形起伏导致像点移位,像点位移,在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺变化外，还会引起平面上的点位在像片上的位置移动，这种现象称为像点位移。,摄影类传感器,摄影类传感器的弱点：乳胶片感光技术本身存在着致命的弱点，它所传感的辐射波段仅限于可见光及其附近；其次，照相一次成型，图象存储、 传输和处理都不方便。 扫描成像类传感器：逐点逐行地以时序方式获取二维图像，有两种主要的形式： 光/机扫描仪，它的特点是对地面直接扫描成像，这类仪器如红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪、自旋和步进式成像仪及多频段频谱仪等； 瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，

5、这类仪器有线阵列CCD推扫式成像仪，电视摄像机等。,扫描类成像传感器,光/机扫描成像,概念：依靠机械传动装置使光学镜头摆动，形成对目标地物逐点逐行扫描。探测元件把接收到的电磁波能量能转换成电信号，在磁介质上记录或再经电/光转换成为光能量，再设置于焦平面的胶片上形成影像。 瞬时视场角：扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。即扫描仪的空间分辨率。 总视场角：扫描带的地面宽度称总视场。从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。,扫描类成像传感器,光/机扫描成像示意图,扫描类成像传感器,几种常见的光/机扫描仪,红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。 多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。 专题制图仪TM：专题制图仪TM的成像原理与MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提高到30米；探测波段由4个增加到7个。,扫描类成像传感器,

6、光/机扫描仪的特点,利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法。输出的电学图象数据，存储、传输和处理方面十分方便。但装置庞杂，高速运动使其可靠性差；在成像机理上，存在着目标辐射能量利用率低的致命弱点。,扫描类成像传感器,推扫式扫描成像,法国SPOT卫星上装载的HRV（High Resolution Visible range instrument）是一种线阵列推扫式扫描仪。仪器中有一个平面反射镜，将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组，然后聚焦在CCD线阵列元件上，CCD的输出端以一路时序视频信号输出。由于使用线阵列的CCD元件作为探测器，在瞬间能同时得到垂直于航线的一条图像线，不需要用摆动的扫描镜，以“推扫”方式获取沿轨道德连续图像条带。 扫描方式上具有推扫式扫描成像特点。探测元件数目越多，体积越小，分辨率就越高。电子藕合器件CCD逐步替代光学机械扫描系统。,扫描类成像传感器,推扫式成像示意图,扫描类成像传感器,电荷耦合器件：CCD (Charge Coupled Device) ，是一种由硅等半导体材料制成的固体器件，受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达到一路时序输

7、出信号。 CCD的缺点：光谱灵敏度的有限，只能在可见光和近红外（1.2m以内）区能直接响应地物辐射来的电磁波。对于热红外区没有反应。因此，如果要使CCD元件能探测热红外区的电磁波，只有借助其他仪器（如多元阵列热红外探测器），将热红外区的电磁辐射转换成电能，再由CCD元件响应和感知。 思考：为什么CDD相机相比光/机类相机空间分辨率较高？,扫描类成像传感器,高光谱成像光谱仪,成像光谱仪：既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术，称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。 特点：高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图像是多达数百个波段的非常窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、近红外、中红外和热红外区域全部光谱带，可以收集200或200以上波段的收据数据，使图像中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般传统的传感器成像在波段之间存在间隔。,扫描类成像传感器,多光谱/高光谱比较,扫描类成像传感器,成像光谱仪类型,成像光谱仪按其结构的不同，可分为两种类型 面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪。它利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件将收集到的光谱信息分散成若干

8、个波段后，分别成像于面阵列的不同行。这种仪器利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，利用线阵列探测器及沿轨道方向的运动完成空间扫描，它具有空间分辨率高（不低于1030m等特点，主要用于航天遥感。 线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪。它利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别成像于线阵列探测器的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运行完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。,扫描类成像传感器,面阵探测器加推扫式示意图,扫描类成像传感器,线阵列探测器加光机扫描示意图,扫描类成像传感器,微波遥感与雷达成像,微波遥感：指通过传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来认识地物的技术。 物体的微波反射、发射与它们的可见光或热红外的反射、发射无直接关系。一般说来，微波响应给人们一个完全不同于光和热的视角去观察世界。 为什么研究微波遥感？,雷达类成像传感器,微波遥感的特点,地球上经常有40%-60%的地区被云层覆盖着，尤其是占地球面积五分之三的海洋上，气候条件变化更大，经常被云层遮蔽，可见光和红外遥感无能为力,全天候、全天时，能穿透云雾、

9、雨雪，不受天气影响,雷达类成像传感器,对土壤、森林、冰雪等有一定的穿透能力,1厘米波长,由树顶反射的微波信号,1米波长,由树顶、树干、地面反射的信号,由树顶、树干反射的信号,雷达类成像传感器,旱季,雨季,雷达类成像传感器,微波高度计和合成孔径雷达具有测量距离的能力，可用于测定大地水准面。 利用微波探测海面风力场，可提取海面动态信息。 根据冰的界电常数不同，可以探测海冰的结构和分类。 根据含盐度对水的界电常数影响可以探测海水的含盐度。,能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的信息,雷达类成像传感器,微波对海水海风等的变化敏感,雷达类成像传感器,同时记录振幅和相位信息，可获取高程信息,5-12汶川地震同震地表形变干涉图,Liu et al., 2009,利用干涉测量技术，可以监测地形变化，如地震、地壳运动等，精度可以达到厘米级。,雷达类成像传感器,微波遥感的缺陷 空间分辨率相对较低； 由于成像方式的特殊性，地物判读困难； 图像斑点噪声较为严重。,雷达类成像传感器,微波遥感的分类,雷达类成像传感器,讨论：在微波遥感中开展主动式遥感的必要性。,雷达类成像传感器,微波辐射计,微波辐射计主要用于探测

10、地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力 , 其发射强度与自身的亮度温度有关。通过扫描接收信号并换算成对应的亮度温度图 , 对地面物体状况的探测很有意义。 属被动遥感。,雷达类成像传感器,主动式微波-侧视雷达,侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面，发射一个窄的被束，覆盖地面上这一侧面的一个条带，然后接收在这一条带上地物的反射波，从而形成一个图像带。随着飞行器前进，不断地发射这种脉冲波束，又不断地接收回波，从而形成一幅一幅的雷达图像。 雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。,雷达类成像传感器,雷达侧视成像示意图,雷达类成像传感器,真实孔径雷达天线长度就 是实际的长度，为了提高 方位向的分辨率，理论上 增加孔径 D 就可以提高方 位向分辨率，但是实际上 是难以实现的，因为孔径 的大小决定了天线几何尺 寸的大小。 合成孔径雷达SAR,真实孔径雷达工作原理,雷达类成像传感器,合成孔径雷达,“合成天线”技术通过线性调频调制的“方位“压缩技术”，构

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