3.2 遥感平台与遥感传感器-传感器及成像原理

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1、一、遥感平台及运行特点一、遥感平台及运行特点 二、遥感传感器及成像原理二、遥感传感器及成像原理 1 第三章第三章 遥感平台与遥感传感器遥感平台与遥感传感器 2 一、传感器定义及组成 二、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遥感传感器及成像原理 内容提要内容提要 (Outline) 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。 一、传感器的定义及组成一、传感器的定义及组成 3 传感器的组成部分传感器的组成部分 传感器的

2、四个组成部分： 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像仪、阴极射线管、 电视显像管、磁带记录仪、彩色喷墨仪等等。 4 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：

3、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 二、传感器类型二、传感器类型 5 摄影成像摄影成像 定义： -摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。 -传统摄影：依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录 物体影像。 -数字摄影：通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换， 以数字信号来记录物体的影像。 依据探测波段 -近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影 6 摄影成像摄影成像 7 1 摄影类摄影类-分幅式摄像机分幅式摄像机 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。 一张像片上的所有像点共用一个摄影 中心和同一个像片面，即所谓中心投 影

4、，就是平面上各点的投影光线均通 过一个固定点（投影中心或透视中 心），投射到一平面（投影平面）上 形成的透视关系。 8 9 1 摄影类摄影类-缝隙摄像机缝隙摄像机 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 H f WWW ip 1 摄影类摄影类-全景摄像机全景摄像机 镜头转动式 又称航带摄像机。在摄影瞬间 获取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

5、。 航线 缝隙 扫描方向 飞行方向 摆动物镜筒 11 1 摄影类摄影类-多光谱摄像机多光谱摄像机 - 对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机。 -可充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征，来增 多获取目标的信息量，以提高识别地物能力。 -有三种基本类型： 多摄影机型多光谱摄影机 多镜头型多光谱摄影机 光束分离型多光谱摄影机 12 1 摄影类摄影类-多光谱摄像机多光谱摄像机 13 a、多相机组合型；b 、多镜头组合型； c 、光束分离型 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

6、镜分光实验光谱分解棱镜分光实验光谱分解 14 摄影像片的几何特征摄影像片的几何特征 (1) 像片的比例尺 (2) 像片的投影 (3) 像点位移 15 (1) 像片的比例尺像片的比例尺 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。 f H 比例尺比例尺 =f/H 像平面 投影中心 地物 16 (2) 像片的投影像片的投影 中心投影和垂直投影 A BC D a b c d 中心投影 A BC D a b c d 正射投影 航片是中心投影，即摄影光线交于同一点 地图是

7、正射投影，即摄影光线平行且垂直投影面。 17 中心投影和垂直投影的区别中心投影和垂直投影的区别 正射投影:比例尺 和投影距离无关 中心投影: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 18 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 abc A C A B C a b c C A 19 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 ABC a b c H f 20 (3) 像点位移像点位移 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

8、点 位在像片上的位置移动，这 种现象称为像点位移。 hH Rh h H rh h S n N R r A0 A h h a0 a H-h f H A h 地面点 像点 21 2 扫描成像类传感器扫描成像类传感器 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： (1) 光/机扫描仪(mechanical line scanning)，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

9、和步进式成像仪及多频段频谱仪等； (2) 推扫式扫描仪(push broom scanning)，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，这类仪 器有线阵列CCD推扫式成像仪等。 22 (1) 光光/机扫描成像机扫描成像 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，在设置于焦平面的胶 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

10、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。 23 光光/机扫描成像示意图机扫描成像示意图 24 几种常见的光几种常见的光/机扫描仪机扫描仪 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。

11、 25 光光/机扫描仪的特点机扫描仪的特点 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。 26 (2) 推扫式扫描成像推扫式扫描成像 用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的 一种成像方式 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。由于使用线阵列的C

12、CD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。 27 推扫式成像示意图推扫式成像示意图 28 29 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。

13、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？ (3) 高光谱成像光谱仪高光谱成像光谱仪 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

14、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。 30 多光谱多光谱/ 高光谱比较高光谱比较 31 成像光谱仪类型成像光谱仪类型 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

15、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。 面阵探测器加推扫式示意图面阵探测器加推扫式示意图 线阵列探测器加光机扫描示意图线阵列探测器加光机扫描示意图 34 3 微波遥感与雷达成像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。 为什么应用微波遥感？ 35 微波波段：微波波段： 波长

16、在波长在1米（不含米（不含1米）到米）到1毫米之间的电磁波，是毫米之间的电磁波，是 分米波、厘米波、毫米和亚毫米波的统称分米波、厘米波、毫米和亚毫米波的统称 36 37 微波极化：微波极化： 38 39 40 同一地区同一同一地区同一 波段不同极化波段不同极化 的雷达图像存的雷达图像存 在着明显的区在着明显的区 别。别。 不同极化的图不同极化的图 像就象不同波像就象不同波 段一样可彩色段一样可彩色 合成。合成。 41 微波遥感的特点微波遥感的特点 42 微波遥感的特点微波遥感的特点 (1) 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 1.全天候、全天时, 能穿透云雾、雨雪，不受天气影响 微波雷达遥感可以作为光学图像的补充，对多云多雾地区监测，发挥重要作用微波雷达遥感可以作为光学图像的补充，对多云多雾地区监测，发挥重要作用 43 微波遥感