航天遥感传感器.ppt

航天遥感航天遥感-遥感传感器遥感传感器本次课程主要内容本次课程主要内容1、遥感器结构、遥感器结构2、框幅式成像原理、框幅式成像原理3、摆扫式成像原理、摆扫式成像原理4、推扫式成像原理、推扫式成像原理传感器的类型传感器是获取地面目标电磁辐射信息的装传感器是获取地面目标电磁辐射信息的装置，它是遥感技术系统中数据获取的关键置，它是遥感技术系统中数据获取的关键设备传感器的性能决定遥感的能力，即传感器传感器的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度信息量的大小和可靠程度概述 遥感器结构遥感器结构定义：遥感器是记录地物反射或者发射电磁波能量的装置，定义：遥感器是记录地物反射或者发射电磁波能量的装置，是遥感平台的核心部分遥感器的一般组成：是遥感平台的核心部分遥感器的一般组成：收集器收集器探测器探测器处理器处理器记录器记录器遥感器遥感器1））收集器收集器：透镜、反射镜、天线透镜、反射镜、天线2））探测器探测器：将收集的辐射能转换成化学能或电能将收集的辐射能转换成化学能或电能感光胶片、光电管、光电二极管、电子耦合器件感光胶片、光电管、光电二极管、电子耦合器件（（CCDCCD）、热电偶探测器、热释电探测器、天线）、热电偶探测器、热释电探测器、天线3））处理器处理器：对收集到的信号进行处理，对收集到的信号进行处理，显影、定显影、定影、影、信号放大、变换、校正信号放大、变换、校正等。

包括摄影处理装等包括摄影处理装置和电子处理装置置和电子处理装置4））记录器记录器：胶片、磁带、磁盘：胶片、磁带、磁盘传感器分类传感器分类•按记录方式分：成像方式；非成像方式按记录方式分：成像方式；非成像方式•按工作波段：可见光传感器；红外传感器；按工作波段：可见光传感器；红外传感器；微波传感器可见光到近红外区的光学波段微波传感器可见光到近红外区的光学波段称为光学传感器，微波波段的传感器称为微称为光学传感器，微波波段的传感器称为微波传感器波传感器•按照工作方式：主动传感器；被动传感器按照工作方式：主动传感器；被动传感器成像传感器类型成像传感器类型使用胶片记录使用胶片记录使用磁记录使用磁记录高光谱高光谱传感器的性能传感器的性能•分辨率是遥感技术及其应用中的一个重要分辨率是遥感技术及其应用中的一个重要概念，也是衡量遥感数据质量特征的一个概念，也是衡量遥感数据质量特征的一个重要指标包括：重要指标包括：•空间分辨率空间分辨率•光谱分辨率光谱分辨率•辐射分辨率；温度分辨率（热红外遥感）辐射分辨率；温度分辨率（热红外遥感）•时间分辨率时间分辨率•遥感图像的空间分辨率（几何分辨率）遥感图像的空间分辨率（几何分辨率）   遥感图像上的像元对应地面单元的尺度，一般指成像时，遥感图像上的像元对应地面单元的尺度，一般指成像时，星星下点下点地面对应图像像元的所代表的地面范围的大小。

如，北地面对应图像像元的所代表的地面范围的大小如，北京京1号小卫星全色号小卫星全色4米，多光谱米，多光谱32米米航空遥感影像一般说成图比例尺，如航空遥感影像一般说成图比例尺，如1：：2000；；1：：5000常用遥感数据的空间分辨率常用遥感数据的空间分辨率l 美国美国NOAANOAA极轨气象卫星极轨气象卫星AVHRR AVHRR （（Advanced Very High Resolution RadiometerAdvanced Very High Resolution Radiometer）） 1.1km1.1kml Terra Terra卫星（上午星，卫星（上午星，EOS-AM1EOS-AM1）；）；Aqua Aqua （下午星（下午星 ，，EOS-PM1EOS-PM1））MODISMODIS（（Moderate-resolution Imaging SpectroradiometerModerate-resolution Imaging Spectroradiometer））10001000米米/500/500米米/250/250米米l LandSat 5LandSat 5 TM TM 多光谱多光谱 3030米米 热红外热红外 120120米米l 中巴资源卫星（中巴资源卫星（CBERS-1CBERS-1））全色和多光谱全色和多光谱 2020米米l 法国法国SPOT5 SPOT5 多光谱多光谱 1010米米 全色（全色（panpan））2.52.5米米l 美国美国IKONOS IKONOS 多光谱多光谱4 4米；全色米；全色1 1米米l 美国美国QuickBirdQuickBird多光谱为多光谱为2.442.44米；全色为米；全色为0.610.61米；米；WorldViewWorldView为为0.50.5米米传感器的性能空间分辨率摄影成像方式的空间分辨率。

摄影成像方式的空间分辨率取取决决于于物物镜镜分分辨辨率率、、大大气气传传输输对对分分辨辨率率的的影影响响和和感感光光材材料的分辨率料的分辨率常用线对常用线对/mmmm 像解率（像解率（photographic resolution??）：单位距离内能）：单位距离内能分辨的线宽或间隔相等平等细线的条数分辨的线宽或间隔相等平等细线的条数 Resolving power test chart传感器的性能空间分辨率扫描成像方式的空间分辨率扫描成像方式的空间分辨率瞬时视场：扫描成像过程中一个光敏探测元件通过望远瞬时视场：扫描成像过程中一个光敏探测元件通过望远镜系统投射到地面上的直径或者边长镜系统投射到地面上的直径或者边长视场角（视场角（Field Of View,  FOV）、瞬时视场角）、瞬时视场角（（Instantaneous Field Of View,  IFOV））S: 探测元件的边长探测元件的边长H: 遥感平台的高度遥感平台的高度  f :  望远镜系统的焦距望远镜系统的焦距 Effect of pixel size in the digitizing process. In this synthetic image, circles represent tree crowns of 6 m diameter on a contrasting background. (a) 10 cm pixel; (b) 50 cm pixel; (c) 1 m pixel; (d) 2 m pixel; (e) 4 m pixel; (f) 8 m pixel(a)(b)(c)(d)(e)(f)空间分辨率传感器的性能不同空间分辨率的图像不同空间分辨率的图像1米米30米米80米并不是空间分辨率越高越好u不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。

并不一定是距离越近越好，观测越细微越好u要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察遥感图像的波谱分辨率遥感图像的波谱分辨率遥感器所选用的波段数量的多遥感器所选用的波段数量的多少，以及波段波长间隔的大小少，以及波段波长间隔的大小间隔越小，分辨率越高间隔越小，分辨率越高传感器在接收目标辐射的光谱传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔时能分辨的最小波长间隔间隔愈小，分辨率愈高间隔愈小，分辨率愈高0.40.60.81.02.02.61.21.41.61.82.22.40204060Reflectance (%)Wavelength ( m)Dry bare soil (grey-brown)Vegetation (green)Water (clear)Landsat MSSLandsat TMSPOT HRGNOAA AVHRRSpectral bands of the sensors传感器的性能光谱分辨率光谱分辨率在光谱分辨率在10-1 数量级范围内的为多光谱数量级范围内的为多光谱(Multispectral)，这样的，这样的遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段，如美陆地卫星遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段，如美陆地卫星TM和和法国法国SPOT卫星等卫星等;光谱分辨率在光谱分辨率在10-2 的遥感信息称之为高光谱的遥感信息称之为高光谱(Hyperspectral)遥感。

由于其光谱分辨率高达纳米遥感由于其光谱分辨率高达纳米(nm)数量级，往数量级，往往具有波段多的特点，即在可见到近红外光谱区其光谱通道多达数十往具有波段多的特点，即在可见到近红外光谱区其光谱通道多达数十甚至超过甚至超过100以上波谱分辨率波谱分辨率辐射分辨率辐射分辨率•辐射分辨率：遥感传感器接收波谱信号时，辐射分辨率：遥感传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差，能分辨的最小辐射度差，即遥感传感器将即遥感传感器将截获的电磁辐射能够分出的等级反映为截获的电磁辐射能够分出的等级反映为图像的灰阶数，如图像的灰阶数，如 64 灰阶、灰阶、128 灰阶、灰阶、256 灰阶等•TM、、SPOT等遥感图像等遥感图像 8bit 量化级量化级256•IKONOS 和和QuickBird 为为11bit 量化级量化级 2048辐射分辨率——传感器的性能传感器的探测灵敏精度传感器的探测灵敏精度动态范围（动态范围（Dynamic range））信噪比（信噪比（S/N））8-bit256 greys6-bit64 greys4-bit16 greys3-bit8 greys2-bit4 greys1-bit2 greys辐射分辨率辐射分辨率Maximum brightness = 255Maximum brightness = 127辐射亮度范围辐射亮度范围温度分辨率温度分辨率•温度分辨率：指热红外传感器分辨地表热温度分辨率：指热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力。

辐射（温度）最小差异的能力•与探测器的响应率和传感器系统内的噪声与探测器的响应率和传感器系统内的噪声有直接关系，一般为噪声等效温度的有直接关系，一般为噪声等效温度的2-6倍•红外系统的噪声等效温度限制在红外系统的噪声等效温度限制在0.1-0.5K，，系统的温度分辨率为系统的温度分辨率为0.2-3K•目前，目前，TM（（10.4-12.5）的第六波段，温度）的第六波段，温度分辨率可达到分辨率可达到0.5K遥感器按照一定的时间周期重复采集数据，这种重复观测遥感器按照一定的时间周期重复采集数据，这种重复观测的最小时间间隔称为时间分辨率，也称为重访周期的最小时间间隔称为时间分辨率，也称为重访周期也称卫星的覆盖周期、重访周期，重复获得同一地区的最也称卫星的覆盖周期、重访周期，重复获得同一地区的最短时间间隔注意和卫星运行周期的区别）短时间间隔注意和卫星运行周期的区别）时间分辨率时间分辨率用途：研究对象的时间序列的变化用途：研究对象的时间序列的变化      如：如：   1）自然规律的时间考虑）自然规律的时间考虑                   作物监测：农时，拔节期、抽穗期、乳熟期作物监测：农时，拔节期、抽穗期、乳熟期                   树木：树木： 叶子发芽、生长、开始黄枯叶子发芽、生长、开始黄枯                   地质、土壤：不长植物，不随季节变化而变化地质、土壤：不长植物，不随季节变化而变化                    2）社会经济现象的时间考虑）社会经济现象的时间考虑                     城市扩张城市扩张       环境污染监测环境污染监测                    3）天气预报）天气预报                    高时间分辨率高时间分辨率传感器的性能时间分辨率常用遥感数据的时间分辨率常用遥感数据的时间分辨率l 静止气象卫星：静止气象卫星：20-3020-30秒秒 （气象）（气象）l 美国美国NOAANOAA极轨气象卫星极轨气象卫星AVHRR AVHRR （（Advanced Very High Resolution RadiometerAdvanced Very High Resolution Radiometer）） 每天上午、下午每天上午、下午l TerraTerra卫星（上午星，卫星（上午星，EOS-AM1EOS-AM1）；）；Aqua Aqua （下午星（下午星 ，，EOS-PM1EOS-PM1））MODISMODIS（（Moderate-resolution Imaging SpectroradiometerModerate-resolution Imaging Spectroradiometer））每天最多每天最多4 4次，白天两次（次，白天两次（1010：：3030；；1 1：：3030），晚上两次），晚上两次l LandSat 5 TMLandSat 5 TM 16 16天天l 中巴资源卫星（中巴资源卫星（CBERS-1CBERS-1））2626天（可通过侧摆提高时间分辨率）天（可通过侧摆提高时间分辨率）l 法国法国SPOT5 SPOT5 2626天（最快天（最快6 6天）天）l 美国美国IKONOS IKONOS 可达可达1-31-3天（通过侧摆提高时间分辨率）天（通过侧摆提高时间分辨率）l 美国美国QuickBirdQuickBird数据数据1 – 6天天 取决于纬度高低取决于纬度高低1984198419881988198919891991199119921992199419941996199619971997199919992000200020012001Temporal land cover change利用多年遥感数据，区域的时间序列分析传感器的性能        四种分辨率对于一种传感器是相互制约的，有矛盾的。

四种分辨率对于一种传感器是相互制约的，有矛盾的在同等敏感度水平上，空间分辨率增高，光谱分辨率或辐射在同等敏感度水平上，空间分辨率增高，光谱分辨率或辐射分辨率就不可能高分辨率就不可能高其根本原因是传感器是要获得一定光能其根本原因是传感器是要获得一定光能才能响应才能响应提提高高空空间间分分辨辨率率－－>提提高高瞬瞬时时视视场场－－>探探测测元元件件接接受受到到的的辐辐射射能量相应减少，降低了图像的辐射亮度等级能量相应减少，降低了图像的辐射亮度等级      提提高高光光谱谱分分辨辨率率－－>探探测测元元件件接接受受到到的的辐辐射射能能量量相相应应减减少少，，降低了图像的辐射亮度等级降低了图像的辐射亮度等级遥感器成像类型遥感器成像类型•摄影类型遥感器（框幅式）摄影类型遥感器（框幅式）•扫描成像类型的遥感器扫描成像类型的遥感器    摆扫式；推扫式摆扫式；推扫式摄影类型传感器摄影原理针孔摄影机针孔摄影机单透镜摄影机单透镜摄影机f 焦距长焦距长o物距物距i 像距像距对于遥感成像对于遥感成像,  do >> di这样像距为固定值，等于焦距这样像距为固定值，等于焦距 在航空摄影中在航空摄影中O 很大、无限远很大、无限远摄影类型传感器摄影原理3.2.1 摄影机•定义：摄影机是成像遥感最常用的传感器，定义：摄影机是成像遥感最常用的传感器，可装载在地面平台、航空平台及航天平台可装载在地面平台、航空平台及航天平台上，有上，有框幅式和和全景式摄影机之分。

摄影机之分框幅式摄像机框幅式摄像机框幅式中心投影框幅式中心投影地面被拍地面被拍摄物体摄物体透镜透镜像平面像平面是其他成像（不包括雷是其他成像（不包括雷达）的基础达）的基础真彩色真彩色彩红外彩红外框幅式摄影航空遥感影像框幅式摄影航空遥感影像数码摄影机数码摄影机•成像原理与一般摄影机同，为框幅式摄像成像原理与一般摄影机同，为框幅式摄像机，结构也类似所不同的是其记录介质机，结构也类似所不同的是其记录介质不是感光胶片，而是光敏电子器件，如不是感光胶片，而是光敏电子器件，如CCD（电荷耦合器件（电荷耦合器件Charge Coupled Device的缩写）的缩写） 全景式摄影机全景式摄影机•缝隙式摄影机缝隙式摄影机•镜头转动式摄影机镜头转动式摄影机缝隙式全景摄影机缝隙摄影机，又称推扫式摄影机：这种摄影机在卫星或飞缝隙摄影机，又称推扫式摄影机：这种摄影机在卫星或飞机上，在摄影瞬间所获得的影像是与航线方向垂直且与缝机上，在摄影瞬间所获得的影像是与航线方向垂直且与缝隙等宽的一条线状影像隙等宽的一条线状影像摄影类型传感器胶片在旋转镜头的焦距胶片在旋转镜头的焦距处沿一曲面曝光缝隙处沿一曲面曝光。

缝隙在物镜的焦面上平行于在物镜的焦面上平行于飞行方向，并随物镜作飞行方向，并随物镜作垂直于航线方向的扫描垂直于航线方向的扫描镜头转动式摄影机镜头转动式摄影机摄影类型传感器全景摄影机全景摄影畸变：相片两端的地表景全景摄影畸变：相片两端的地表景物被压缩类似于垂直于轨道的扫物被压缩类似于垂直于轨道的扫描仪的工作原理描仪的工作原理全景摄影机的特点是焦距长，可达600 mm以上，可在长约23 cm，宽达128 cm的胶片上成像它的精密透镜既小又轻，扫描视场很大，可达180度全景图片全景图片“勇气勇气”号火星探测器发回的第一张其着陆地点的号火星探测器发回的第一张其着陆地点的三维图像来源：美国宇航局网站）三维图像来源：美国宇航局网站）摄影类型传感器多光谱摄影机同一瞬间摄取多个波段图像的摄影机同一瞬间摄取多个波段图像的摄影机多摄影机型多摄影机型多镜头型多镜头型光束分离型：经过分光镜头分成几个光束光束分离型：经过分光镜头分成几个光束a、多相机组合型；、多相机组合型；b 、多镜头组合型；、多镜头组合型； c 、光束分离型、光束分离型扫描成像遥感器扫描成像遥感器卫星运行方向卫星运行方向摆扫式成像摆扫式成像摆扫面垂直于卫星运行方向摆扫面垂直于卫星运行方向摆扫式成像系统特点摆扫式成像系统特点•利用平台的行进和旋转扫描镜，对于平台利用平台的行进和旋转扫描镜，对于平台行进的垂直方向的地面（物平面）进行扫行进的垂直方向的地面（物平面）进行扫描描•包括：包括：  热红外扫描仪热红外扫描仪 NOAA/AVHRR、、MODIS 、、MSS/TM等多光谱扫描等多光谱扫描仪仪•同一扫描行分辨率不同同一扫描行分辨率不同    aθ=a0sec2 θθ扫描原理扫描原理以以MSS为例为例扫描轨迹扫描轨迹MSS只由西向东扫描，只由西向东扫描，不回扫（又东向西）不回扫（又东向西）TM包括回扫，包括回扫，7个波段，个波段，共共100个，个，TM的的1、、2、、3、、4、、5、、7波段有波段有16个个探测器，探测器，TM6为为4个。

个卫星运行方向卫星运行方向推扫式成像推扫式成像中巴资源卫星、中巴资源卫星、SPOT5的的HRG、、 IKONOS、、QuickBird等的等的CCD相机相机包括北京包括北京1号小卫星号小卫星推扫式扫描仪特点推扫式扫描仪特点•空间分辨率高空间分辨率高•全色和多光谱数据采用不同的全色和多光谱数据采用不同的CCD相机成相机成像像•能够侧摆成像能够侧摆成像    北京北京1号小卫星侧摆号小卫星侧摆±±30度度    中巴资源卫星中巴资源卫星±±32度度SPOT 5的扫描方式的扫描方式三三种种扫扫描描方方式式同同轨轨立立体体成成像像三三台台扫扫描描仪仪宽宽扫扫描描推扫式成像推扫式成像--QuickBird•目前空间分辨率最高的商业遥感卫星数据目前空间分辨率最高的商业遥感卫星数据•全色全色0.61m；多光谱；多光谱2.44m•美国美国DigitalGlobe公司公司•WorldView，全色，全色0.5mQuickBird推扫式成像推扫式成像 •大约大约4秒钟获取秒钟获取 16.5 km x 16.5 km 地面范围图像地面范围图像•传感器包括传感器包括:–全色全色Panchromatic –多光谱多光谱•蓝蓝•绿绿•红红•近红外近红外16.5 kmEach line is 1 pixel deepSensor Focal Plane has 5 color linesQuickBird 传感器传感器Panchromatic (BW)DCAMultispectral (MS)DCAMS MS MS MS MS MS BWBWBWBWBWBW30° Field of Regard2° Field of View视场视场2°16.5 kmField of View:成像时刻的视场宽度为成像时刻的视场宽度为16.5km通过侧摆通过侧摆±±30度，总视场度，总视场456km30°~456 km高光谱成像光谱仪（高光谱成像光谱仪（Imaging Spectrometer））以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。

通过将传统的空间成像技图像信息的仪器通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起，可以术与地物光谱技术有机地结合在一起，可以实现对同一地区同时获取几十个到几百个波实现对同一地区同时获取几十个到几百个波段的地物反射光谱图像段的地物反射光谱图像高光谱成像光谱仪高光谱成像光谱仪高光谱成像高光谱成像本次课程结束，请提问！本次课程结束，请提问！。