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1、第三章 遥感传感器及其成像原理,内 容 提 纲,遥感图像特征 几何特征 物理特征 时间特征 遥感传感器 扫描成像类传感器 雷达成像类传感器,3.1 遥感图像特征,遥感图像特征几何特征物理特征时间特征,这三个方面的特征表现为空间分辨率光谱分辨率辐射分辨率时间分辨率,3.1.1 空间分辨率,空间分辨率：是针对遥感器或图像而言的，指图像上能够能够识别的两个相邻地物的最小单元的尺寸或大小，是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。 地面分辨率：是针对地面而言，空间分辨率数值在地面上的实际尺寸称为地面分辨率。,空间分辨率的三种具体表示方法,像元分辨率（扫描影像）像元所对应的地面实际尺寸（米）线对（摄影影
2、像）线对在地面的覆盖宽度（米）瞬时视场（扫描影像）遥感器内单个探测元件的受光角度或观测视野，单位为毫弧度（mrad）,空间分辨率的表现形式,高分辨率影像,低分辨率影像,（1）像元（pixel）：对扫描影像而言，指单个像元所对应的地面面积大小，单位为mm或kmkm。 （2）线对数（line pairs） 对于摄影系统而言，影像最小单元常通过1mm间隔内包含的线对数确定，单位为线对/mm。线对指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗条对。,像元小影像分辨率高，信息量大； 反之，影像分辨率低，信息量小。,（3）瞬时视场（IFOV） 指遥感器内单个探测元件的观测视野。,S: 探测元件的尺寸；H: 遥感
3、平台的航高；f : 望远镜系统的焦距,IFOV越小，最小可分辨单元越小，空间分辨率越高 IFOV取决于遥感器光学系统和探测器的大小 一个瞬时视场内的信息，表示一个像元,S: 探测元件的边长 H: 遥感平台的航高 f : 望远镜系统的焦距,IFOV也可理解成：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。,（4）地面分辨率的计算（扫描影响）,（4）地面分辨率的计算（摄影影像）,Rs：胶片的分辨率和摄影镜头的分辨率所构成的系统分辨率，单位线对/mm H：摄影机距地面高度，单位m f：摄影机焦距，单位mm R g:地面分辨率，单位线对/mm,摄影比例尺：,空间分辨率与平台高
4、度和传感器焦距有关,1线对/ m表明：1m中只能区分1个线对，也就是2条线（一明一暗），每条线为0.5m，因此其分辨能力为0.5m，也即地面分辨率为0.5m。,例：摄影机焦距152mm，航高为6000m，系统分辨率为40线对/mm。求地面分辨率。,（4）地面分辨率的计算（摄影影像）,一般来说：遥感系统的空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。但实际上每一目标在图像上的可分辨程度，不完全决定于空间分辨率的具体值，而是和它的形状、大小，以及它与周围物体亮度、结构的相对差有关（反差）。 例如MSS的空间分辨率为79m，但是宽仅10-20m的铁路，公路，当它们通过沙漠、水域、草原等背景光谱较单调或与道路
5、光谱差异大的地区，往往清晰可辨。 经验证明：遥感器空间分辨率的选择，一般应选择小于被探测目标最小直径的1/2。,空间分辨率举例,QuickBird图像 （美国，2001，分辨率最高的一颗商业卫星）,波谱分辨率：指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。间隔，分辨率 波长间隔愈小，分辨率愈高。即在等长的波段宽度下，传感器的波段数越多，各个波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，识别性越强。 光谱分辨率通过遥感器所选用的的通道数（波段数量的多少）、每个通道的中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。,3.1.2 波谱分辨率（光谱分辨率）,波谱范围？波段划分？,3.1.2 波谱分
6、辨率（光谱分辨率）,例如：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。 一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。 现在的技术可以达到5-6nm（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。,3.1.2 波谱分辨率（光谱分辨率）,辐射分辨率：反映了传感器对电磁波探测的灵敏度。辐射分辨率越高，对电磁波能量的细微差别越灵敏，因此需要较高的量化比特数（对应于遥感图像的灰度级数目）才能记录电磁波能量的细微差别。一般地，辐射分辨率越高，图像的比特数越大，色调层次越丰富，辐
7、射分辨率越低，图像的比特数越小，色调层次越少。,3.1.3 辐射分辨率,2比特图像 6比特图像,3.1.3 辐射分辨率,辐射分辨率算法是RL =（Rmax-Rmin ）/D，Rmax为最大辐射量值，Rmin为最小辐射量值，D为量化级。RL越小，表明传感器越灵敏。 例如：Landsat5的TM3 最小辐射量值Rmin=-0.0083mv/(cm2srm) 最大辐射量值Rmax=1.410mv/(cm2srm) 量化级D为28=256级，其辐射分辨率RL=(Rmax Rmin)/D=0.0055 mv/(cm2srm),3.1.3 辐射分辨率,提高空间分辨率 瞬时视场IFOV要小。IFOV小 探测
8、元件接受到的辐射能量相应减少，即瞬时获得的入射能量小 对微弱能量差异的检测能力差 辐射分辨率低除技术上改进探测元件以外，实际工作中考虑较高空间分辨率的图像（例如SPOT-HRV-PAN）和较高光谱分辨率的图像(例如LANDSAT-TM)进行图像融合，避其弱点，达到既要清晰，又色彩丰富。,空间分辨率和光谱分辨率的矛盾,时间分辨率：是相邻两次对地面同一区域进行观测的时间间隔。 对卫星遥感而言，时间分辨率与卫星和传感器的设计能力（如卫星的高度、传感器的视场角大小、传感器的观测角度等）、星载传感器的视场角所扫过的地面细长条带的重叠度、观测对象的纬度（纬度越高，星载传感器的视场角所扫过的地面细长条带的重
9、叠度越大，重访周期越短）等因素有关。在周期性的对地观测中，时间分辨率越高，对地面动态目标的监视、变化检测、运动规律分析越有利。,3.1.3 时间（时相）分辨率,（重访周期T： 取决于卫星和传感器的特性、地面带宽、目标所处纬度）,D时 （D+T）时,3.1.3 时间（时相）分辨率,Landsat-47卫星:采用轨道高度为、轨道面倾角为度的太阳同步轨道，重访周期为16天。 SPOT卫星:采用轨道高度约为、轨道面倾角为度的太阳同步轨道，重访周期为26天。 IKONOS卫星:搭载了一台EK数码相机，既可以垂直观测，也可以倾斜观测，垂直观测获取1米分辩率全色图像的重访周期约为3天，倾斜观测获取1.5米分
10、辩率全色图像的重访周期为12天。 QuickBird卫星:提供0.61米分辨率的全色图像和2.442.88米分辨率的多光谱图像，重访周期为13.5天(与纬度有关)。,3.1.3 时间（时相）分辨率,传感器数据获取技术趋向“三多和三高” 多平台：卫星、航天飞机、无人机 多传感器：全景相机、光电扫描仪、CCD线阵面阵扫描仪、激光扫描仪、合成孔径雷达 多角度：CCD阵列可同时获取三个角度的扫描成像,Terra卫星上的MISR可同时从9个角度对地观测成像,3.1.5 传感器技术的发展前景,传感器数据获取技术趋向“三多和三高” 空间分辨率：IKNOS的1m到Quird的0.61m到“地眼一号” 0.64
11、1m黑白分辨率 高光谱分辨率：已经达到5-6nm，500-600个波段，在轨的对地观测卫星（EOS- Terra卫星）具有220个波段。 时间分辨率：1-3天的周期覆盖率，利用INSAR/D-INSAR/双天线INSAR进行高精度三维地形及其变化的测定成为可能；遥感小卫星星座,3.1.5 传感器技术的发展前景,3.2.1 传感器概述,定义：传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。 分类 根据工作方式的不同，可以分为2类 主动式：人工辐射源向目标地物发射电磁波，然后接收从目标地 物反射回来的能量。如：侧视雷达、激光雷达、微波散射计等 被动式：接收自然界地物所辐射的能量。如：摄影机、多波
12、段扫描仪、微波辐射计、红外辐射计等,3.2 遥感传感器,按传感器工作的波段: -可见光传感器、红外传感器、微波传感器 遥感器按照记录方式分类1）非成像方式：探测到地物辐射强度按照数字或者曲线图形表示。如：辐射计、雷达高度计、散射计、激光高度计等。2）成像方式： 地物辐射（反射、发射或两个兼有）能量的强度用成像方式表示。如：摄影机、扫描仪、成像雷达。,3.2.2 传感器分类,成像传感器是目前最常见的传感器类型,成像传感器,（雷达成像类型）,（摄影成像类型）,（扫描成像类型）,收集器：收集地面目标辐射的电磁波能量。具体元件：透镜组、反射镜组、天线等。 探测器：将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能
13、。具体的元件主要有感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件（CCD、CMOS）。 处理器：对转换后的信号进行各种处理，如显影、定影、信号放大、变换、校正和编码等。 输出器：输出信息的装置。输出器类型主要有、阴极射线管、电视显象管、磁带记录仪等。,3.2.3 传感器的组成,对物面扫描的成像仪 对地面直接扫描成像，采用光机扫描系统（红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪 ） 对像面扫描的成像仪 瞬间在像面上先形成一幅影像，然后对影像进行扫描成像（线阵列CCD推扫式成像仪 ） 成像光谱仪 具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器,3.2.3 扫描成像类传感器,扫描成像原理：依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬
14、时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。,探测波段：紫外、红外、可见光和微波波段成像方式：光机扫描成像、CCD固体自扫描成像、成像光谱仪。,3.2.4 扫描成像类型的传感器工作原理,光机扫描仪是借助遥感平台沿飞行方向运动与遥感器自身的光机对目标地物逐点、逐行横向扫描，达到地面覆盖，得到地面条带图像的成像装置。 红外扫描仪 多光谱扫描仪,光机扫描仪,利用光学系统的机械 转动和飞行器向前飞 行的两个相互垂直的 运动方向，形成对地 物目标的二维扫描， 逐点逐行将不同目标物的红外辐射能汇聚到红外探测器上，红外探测器将光能转变成电信号，电信号通过放大处理后记
15、录下来，经过电光能转换器件把电信号在普通胶片上成像。,红外扫描仪工作原理,当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线方向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射能，由刈幅的一边到另一边依次进人传感器； 地面辐射能经探测器输出视频信号，经电子放大器放大和调制，在阴极射线管上显示出一条相应于地面扫描视场内的景物的图像线，这条图像线经曝光后在底片上记录下来。 接着第二个扫描镜面扫视地面，由于飞机向前运动，胶片也作同步旋转，记录的第二条图像正好与第一条衔接。依次下去，就得到一条与地面范围相应的二维条带图像。,红外扫描仪成像过程,瞬时视场角（2） 扫描镜在旋转的一瞬 间，接收到的目标物 电磁辐射限制在一个 很小
16、的角度之内，这个角度就称为瞬时视场角 总视场角/总扫描角（2）：从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角。 总视场L：扫描带的地面宽度。L=2Htg,红外扫描仪的瞬时视场,d：探测器尺寸（直径或宽度）；f:扫描仪的焦距,红外扫描仪垂直指向地面的空间分辨率,H: 航高,在仪器设计时已经确定，所以对于一个使用着的传感器，其地面分辨率的变化只与航高有关。航高大，a0值自然就大，则地面分辨率差。,视场角,红外扫描仪的分辨率,多光谱扫描仪是在红外扫描仪的基础上发展起来的，其探测波长包括电磁波的紫外、可见光和红外三个部分。 多光谱扫描仪主要由两个部分组成：机械扫描装置和分光装置。它是由扫描镜收集地面的电磁辐射，系统把收集到的电磁辐射汇聚成光束，然后通过分光装置分成不同波长的电磁波，它们分别被一组不同探测器所探测，经过信号放大，然后记录在磁带上，或通过电光转换后记录在胶片上。,多光谱扫描仪（MSS）,
