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1、 遥感原理与应用 PrinciplesandApplicationsofRemoteSensing 第八讲遥感传感器及其成像原理 RemoteSensorandImagingPrinciple 一 传感器概述二 摄影成像类型传感器三 扫描成像类型传感器四 成像光谱仪五 雷达成像仪 主要内容 接收 记录目标地物电磁波信息的工具 1 定义 2 组成 收集器收集地物辐射的能量 如透镜组 反射镜组 天线等 探测器将收集的辐射能转换为化学能或电能 如摄影感光胶片 CCD 处理器对收集的信号进行处理 如显影 定影 电信号的放大处理 滤波 调制 变换等 输出器输出获取的数据 如磁带记录仪 扫描晒像仪等 1
2、按工作方式主动式 雷达 激光雷达被动式2 按成像方式摄影成像类型的传感器 扫描成像类型的传感器 雷达成像类型的传感器 非图像类型的传感器 3 分类 一 传感器概述二 摄影成像类型传感器三 扫描成像类型传感器四 成像光谱仪五 雷达成像仪 主要内容 传统摄影成像 利用光学镜头以及放置在焦平面的感光胶片记录影像 数字摄影成像 通过放置在焦平面的光敏元件 经光 电转化 以数字信号记录影像 1 框幅式摄影机 普通相机 外壳 镜筒 物镜 滤光片 暗匣 压片机构 卷片轴 操纵器 座架 减震器 吸气管 1 框幅式摄影机 普通相机 2 全景式摄影机 1 缝隙式摄影机 2 镜头转动式摄影机 全景畸变 panora
3、micdistortion 像距不变 物距随扫描角的增大而增大 出现两边比例尺逐渐缩小的现象 整个影象产生全景畸变 扫描时 飞机向前运动 扫描摆动的非线性因素 使畸变复杂化 2 镜头转动式摄影机 3 多光谱摄影机 1 单镜头光束分离 由于光束在分离过程中有一部分能量被损失 而且在不同波段的损耗量不等 所以这种摄影仪取得的多光谱像片的影像质量会受到不同程度的影响 2 多相机多光谱 4 摄影像片的几何特性 中心投影 所有投射线或其延长线都通过投影中心聚焦在投影面上成像 点的中心投影仍为点 特例 不成像 直线的中心投影仍为直线 特例 点 射线 不成像 面的中心投影仍为面 特例 直线 投影面倾斜对成像
4、的影响 4 摄影像片的几何特性 4 摄影像片的几何特性 地形影响 4 摄影像片的几何特性 比例尺 像片上的尺寸与实际尺寸之比 航片像幅大小 18cm 18cm短焦航摄机23cm 23cm中焦30cm 30cm长焦 1 m f H 4 摄影像片的几何特性 一 传感器概述二 摄影成像类型传感器三 扫描成像类型传感器四 成像光谱仪五 雷达成像仪 主要内容 记录方式 磁带 磁盘感应波段 不限 光能转化为电能 逐点逐行地以时序方式获取二维图像 扫描成像仪类型1 光机 机械扫描成像2 固体自扫描成像 推帚式扫描仪 3 高光谱成像光谱扫描仪 1 光机 机械扫描成像 光 机扫描成像系统 是在扫描仪的前方安装光
5、学镜头 依靠机械传动装置使镜头摆动 形成对目标地物的逐点逐行扫描 典型光 机扫描成像系统 1 光机 机械扫描成像 机载红外扫描仪 气象卫星上携带的AVHRR传感器 MSS多光谱扫描仪 TM ETM专题制图仪 1 红外扫描仪 镜头转动 分辨率 1 红外扫描仪 扫描仪瞬时视场角 扫描仪空间分辨率 分辨率 星下点 瞬时视场 在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对应的视场角度 1 红外扫描仪 分辨率 非星下点 观测视线倾斜时 扫描仪空间分辨率是变化的 产生全景畸变 1 红外扫描仪 分辨率 1 红外扫描仪 扫描线的衔接 出现扫描漏洞 出现扫描重叠 1 红外扫描仪 地速 热红
6、外像片上的色调变化与相应的地物的辐射强度变化成函数关系 地物发射电磁波的功率和地物的发射率成正比 与地物温度的四次方成正比 热红外像片的色调特征 1 红外扫描仪 热红外扫描仪对温度比对发射本领的敏感性更高 Landsat陆地卫星系列 Landsat1 5 MSS多光谱扫描仪Landsat4 5 TM专题制图仪Landsat7 ETM增强型专题制图仪 Landsat陆地卫星系列 2 MSS多光谱扫描仪 185Km Multi SpectralScanner 仪器结构 扫描方式 2 MSS多光谱扫描仪 扫描方式 2 MSS多光谱扫描仪 成像过程 D 73 42ms 2 MSS多光谱扫描仪 扫描衔接
7、 2 MSS多光谱扫描仪 16 30m 30m 120m 120m 增加一个扫描改正器 使扫描行垂直于飞行轨道 MSS不垂直 往返双向扫描 MSS从西向东 影像辐射分辨率为8bit TMBand321获取日期 2007 05 19 TMBand753获取日期 2007 05 19 TM1 0 45 0 52 m 属蓝光波段对水体有较强的穿透力 有利于浅水底部地貌判读 一般地物在此波段的反射率较低 而雪的反射率最大 所以在此波段图像上的雪地与其他地物分界明显 植被最暗 水体次之 新鲜雪最浅 但蓝光波段影像受大气散射影响严重 有时影像会模糊不清 各个波段主要特点 TMBand1 B蓝色波段获取日期
8、 2007 05 19 MSS4 0 5 0 6 m TM2 0 52 0 6 m 属绿光波段对水体有一定的透视能力 在清澈的水域 能反映几十米的深度 有利于观察水下地形 这在海岸带调查中作用很大 植被在此波段的反射率相对出现峰值 图像上易于区分植被的分布范围及生长密度 可用于林业资料分布 草场分布情况的调查 对水体污染 特别是由污染 情况也有好的反映 对陆地上颜色较浅的地层岩性和第四系松散沉积物 城市居民区 道路 采石场等均有明显的反映 呈浅色调 TMBand2 G绿色波段获取日期 2007 05 19 MSS5 0 6 0 7 m TM3 0 63 0 69 m 属红光波段对水体有一定的透
9、视能力 有利于反映水体混浊程度和泥沙流动情况 各类岩石 沉积岩 岩浆岩 变质岩 在此波段有较大差别 同时该波段图像能较好地反映地貌特征 有利于地质地貌判读 能区分健康植被和病害植被 在这一波段 健康植被反射率低 呈深色调 病害植被具有较高反射率 呈浅色调 TMBand3 R红色波段获取日期 2007 05 19 TMBand321获取日期 2007 05 19 MSS6 0 7 0 8 m MSS7 0 8 1 1 m TM4 0 76 0 9 m 属深红 近红外这几个波段效应相似 是水的强吸收和植被的强反射波段 对水和湿地反应灵敏 水陆边界清晰 有利于研究水体分布 岸线轮廓 土壤含水性 浅层
10、地下水等方面的调查 对平原区与水体有关的地质体有良好反映 如充水断层为黑色 淡黑线段 隐伏隆起与凹陷为浅与深相间组成的环带 此外 对研究平原区的石油构造 第四纪沉积物类型 新老洪积扇的划分等有帮助 对植被反映敏感 易于圈定植被分布范围 能区分树林 农作物 草地 对植被的病虫害调查较好 健康植被对近红外波段具有较强的反射 为明亮的浅色调 而病害植被为较深色调 从整体上说 MSS7 TM4的图像清晰 立体感强 能较清楚地显示各种地物细节 TMBand4 Nir近红外获取日期 2007 05 19 TM5 1 55 1 75 m 属近红外波段主要用于探测地物含水量 土壤湿度 植物含水量 植被长势的调
11、查 及地质调查中的岩石分类 不少岩石的反射高峰值在此波段内 并能区分雪与云 雪比云深 TMBand5 近红外1 55 1 75 m获取日期 2007 05 19 TM7 2 08 2 35 m 属近红外波段这是应地质工作者的要求而专门设计的 主要用于探测岩石类型 对粘土类矿物 碳酸盐类矿物及其岩性的研究有利 暗色调 有利于区域地质填图 大型蚀变带的研究 在TM7图像上水体呈黑色 其它物体影像与可见光差不多 TMBand7 近红外2 08 2 35 m获取日期 2007 05 19 TMBand752获取日期 2007 05 19 MSS8 10 4 12 6 m TM6 10 4 12 5 m
12、 属热红外波段此波段记录的是地物自身的热辐射信息 提供热显示的温度场资料 探测与热异常有关的石油天然气 煤 铀 硫化矿床氧化带等矿产 探测地热 森林火灾 3 5 m 等 TMBand6 热红外10 4 12 6 m获取日期 2007 05 19 TMBand6 热红外10 4 12 6 m获取日期 2003 08 30 各波段卫星图像的作用 4 ETM 增强型专题制图仪 EnhancedThematicMapperPlus TM1 TM2 TM3 TM4 TM5 TM6 TM7 PAN 线阵列由多个CCD组成 ChargeCoupledDevice 电荷耦合元件 用固定的探测元件 通过遥感平台
13、的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式 2 固体自扫描成像 推帚式扫描仪 典型的推帚式扫描仪1 SPOT卫星上的HRV传感器2 美国Ikonos Quikbird卫星传感器目前发射高分辨率卫星几乎均为线阵列 2 固体自扫描成像 推帚式扫描仪 SPOT 1 3HRV传感器 1 Multi 3000个20m 60Km2 Pan 6000个10m 60Km HighResolutionVisible 光谱波段 P 0 50 0 73 mB1 0 50 0 59 mB2 0 61 0 68 mB3 0 78 0 89 m SPOT的HRV具有倾斜观测能力 一 传感器概述二 摄影成像类型传感器三 扫描成
14、像类型传感器四 成像光谱仪五 雷达成像仪 主要内容 特点 波段更窄 波段数更多 成像光谱仪其构造与像面扫描仪或物面扫描仪相近 但通道多 光谱分辨率高 可以获得接近连续的光谱 真假草地的区分 仪器类型及成像方式 线阵列 光机扫描 面阵列 推扫扫描 典型的成像光谱仪1 美国NASAJPL的AVIRIS 0 4 2 5 224个波段 线阵列 光机扫描 2 美国EOS的MODIS 0 4 14 3 36个波段 面阵列 推扫扫描 一 传感器概述二 摄影成像类型传感器三 扫描成像类型传感器四 成像光谱仪五 雷达成像仪 主要内容 微波 Microwave 是电磁波的一种形式 晶体振动 其辐射频率大约在300
15、MHZ 300GHZ 波长1mm 1000mm 一般可分为毫米波 厘米波 分米波和米波 微波遥感的优势 1 微波遥感能穿透云雾 雨雪 具有全天候工作能力 2 微波对地物有一定穿透能力 3 微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息 4 微波遥感的主动方式即雷达遥感不仅可以记录电磁波振幅信号 而且可以记录电磁波相位信息 雷达系统的工作原理 1 雷达工作波段 2 侧视成像 Side Looking SLR 侧视雷达 3 雷达的分辨率 距离分辨率在脉冲发射方向上 能分辨两个目标的最小距离 方位分辨率相邻的两束脉冲之间能分辨两个目标的最小距离 1 距离分辨率 RangeResolution 为
16、脉冲宽度 为光速 为雷达波侧视角 R与探测距离无关 要提高 R 需要减小 但是减小 会使雷达的发射功率下降 从而使回波信号的信噪比 S N 下降 造成图像质量下降 为此 采用脉冲压缩技术来提高 R 2 方位分辨率 AzimuthResolution 式中 为雷达的波束宽度 L为雷达天线的孔径 R为雷达天线到地面目标的距离 要提高方位分辨率 需采用较短波长的电磁波 或加大天线孔径 或缩短观测距离 如要求方位向分辨率为25m 采用波长为5 7cm的微波 卫星高度为600km 侧视角40度 则天线尺寸应为1790m 这显然难以实现 合成孔径雷达 SAR SyntheticApertureRadar 真实孔径雷达 RAR 天线孔径D长度固定 合成孔径雷达 SAR 用一个小天线沿一直线移动 特点 距离向采用脉冲压缩技术来提高分辨率方位向通过合成孔径原理来改善分辨率 利用小天线作为单个发射接收单元 小天线随平台移动 在移动中选若干个位置 在每个位置上发射一个信号并接收来自地物目标的回波信号 记下回波信号的振幅和相位 当小天线移动一段距离后 将所有不同时刻接收的同一目标信号消除因时间和距离不同所引起
