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1、三、传感器与遥感三、传感器与遥感成像原理成像原理中国农业大学中国农业大学信息与电气工程学院信息与电气工程学院 苏苏 伟伟地理信息工程地理信息工程系系第一章第一章 绪论(Cont)2009年2月18日 第二次课1. 传感器感器结构构2. 摄影成像影成像 () 框幅式摄影成像 () 缝隙式摄影成像 () 全景式摄影成像 () 多光谱摄影成像3. 扫描成像描成像 () 光机扫描成像 () 推帚式扫描成像4. 雷达成像雷达成像 () SAR () LIDAR主要主要内容内容 1. 传感器结构传感器结构传感器传感器 (Sensor)：传感器传感器是记录地物反射或者发射电磁波能量的装是记录地物反射或者发射
2、电磁波能量的装置，是遥感平台的核心部分置，是遥感平台的核心部分。组成：组成：任何类型的传感器都由收集器、探测器、处理器、输出器四任何类型的传感器都由收集器、探测器、处理器、输出器四个基本部件组成。个基本部件组成。收集器收集器探测器探测器处理器处理器输出器输出器传感器组成传感器组成1）收集器）收集器：负责收集地面目标辐射的电磁波能量。具体元件多样，如透镜、反射镜、天线等；2）探测器）探测器：将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能。如热敏探测元件、光电管、感光胶片等；3）处理器）处理器：对转换后的信号进行各种处理，如信号放大、变换、校正、编码、显影、定影；4）输出器）输出器：输出信息的装置。如磁带
3、记录仪、阴极射线管等。传感器分类传感器分类按记录方式：成像传感器（摄影成像、扫描成像）、非成像传感器（记录地物的一些物理参数）按传感器工作的波段：可见光传感器、红外传感器光学传感器微波传感器 按工作方式(接收目标自身的热辐射或反射太阳辐射)：主动传感器、被动传感器成像传感器成像传感器摄影类型传感器：框幅式、缝隙式、全景式、多光谱扫描成像类型的传感器：光机扫描、推扫式扫描雷达成像类型的传感器传感器传感器成像类型成像类型根据传感器的基本构造和成像原理将传感器分为：根据传感器的基本构造和成像原理将传感器分为：8传感器指向传感器指向天底向（Nadir）: 传感器指向垂直地面非天底向（Off-nadir
4、）: 传感器指向非垂直地面方向可变的非天底向指向：传感器阵列本身可旋转固定的非天底向指向2. 摄影成像之摄影成像之() 框幅式摄影成像地平面像平面光轴铅垂线垂直摄影铅垂线像平面倾斜摄影a地面主点像主点/像底点l成像原理与普通照相机相同，在某个摄影瞬间，地面上视场范围内目标的辐射一次性地通过镜头中心在焦平面上成像。l一个摄影中心和一个像平面。Comparison of the Comparison of the Optical Components of Optical Components of the Simple Camera with the Simple Camera with tho
5、se of the Human Eyethose of the Human Eye11Two Frame Cameras Mounted in the Fuselage of a PlaneTwo Frame Cameras Mounted in the Fuselage of a PlaneKodakKodak DCS 420 Digital DCS 420 Digital Camera with a Camera with a NikonNikon camera camera lens and bodylens and bodyAnalog and Digital Analog and D
6、igital CamerasCamerasHasselblad 70-mm cameraHasselblad 70-mm camera真真彩色合成彩色合成彩彩红外合成红外合成框幅式摄影框幅式摄影航空航空遥感影像遥感影像2. 摄影成像之摄影成像之()缝隙式摄影成像又称推扫式摄影成像或航带摄影成像。在飞机或卫星上，摄影瞬间所获取的影像，是与航线方向垂直且与缝隙等宽的一条线影像。当飞机或卫星向前飞行时，摄影机焦平面上与飞行方向成垂直的狭缝中的影像也连续变化。当摄影机内的胶片不断卷动，且其速度与地面在缝隙中的影像移动速度相同，则能得到连续的航带摄影像片。胶片卷动速度V与飞行速度v和相对航高H有关，以获
7、得清晰的影像V=v f/H, f为焦距15缝隙式摄影机多中心投影，不同缝隙对应的投影中心不同16又称扫描摄影成像或摇头摄影成像。在物镜的焦面上平行于飞行方向设置一条狭缝，并随物镜作垂直于航线方向的摆动扫描，得到一幅扫描成像的图像。物镜摆动的幅面很大，能将航线两边的地平线内的影像都摄入底片。-（全景摄影机）2. 摄影成像之摄影成像之()全景式摄影成像17全景式摄影机18成像特点成像特点焦距长，可达600mm幅面大，23cm(长)*128cm（宽）扫描视场大，可达180度全景畸变(panoramic distortion)：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，整个影像
8、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. 摄影成像之摄影成像之()多光谱摄影成像多光谱摄影成像对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影成像方式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。三种基本类型： 多摄影机型多光谱摄影成像 多镜头型多光谱摄影成像 光束分离型多光谱摄影成像多摄影机型多光谱摄影机多摄影机型多光谱摄影机用几架普通的航空摄影机组装而成，对各摄影机分别配以不同的滤光片和胶片的组合，采用同时曝光控制，以进行同时摄影。Century Century City, Los City, Los Angeles
9、AngelesFour 70-mm Hasselblad Cameras Four 70-mm Hasselblad Cameras Arranged to Obtain Multiband Vertical Arranged to Obtain Multiband Vertical Aerial PhotographyAerial Photography多镜头型多光谱摄影机多镜头型多光谱摄影机由多个物镜组成的摄影机，是用普通航空摄影机改制而成，在一架摄影机上配置多个镜头，同时选配相应的滤光片与不同感光特性的胶片组合，使各镜头在底片上成像的光谱，限制在规定的波段区内。要求： 快门的同步性要好，
10、以便在同一时刻获取地物的多光谱像片； 各物镜光轴严格平行，保证多光谱像片的套合精度； 事先确定曝光时间； 由于不同波长的光聚焦后的实际焦面位置不同，应使地物成像在最清楚的位置上光束分离型多光谱摄影机利用单镜头进行多光谱摄影。摄影时，光束通过一个镜头后，经分光装置分成几个光束，然后分别透过不同滤光片，分成不同波段，在相应的感光胶片上成像，实现多光谱摄影。Sir Isaac Newton Sir Isaac Newton discovered that discovered that white light could white light could be dispersed into be
11、dispersed into its spectral its spectral components by components by passing it through passing it through a prisma prism一束白光通过棱镜传播后将被散射，表现形式是其光谱组成White Light Separated into its Spectral Components Using White Light Separated into its Spectral Components Using a Prisma Prism3. 扫描成像之扫描成像之()光机扫描成像利用平台
12、的行进和旋转扫描镜对与平台行进的垂直方向的地面（物平面）进行扫描，获得二维遥感数据。组成：扫描系统（旋转扫描镜）、聚焦系统（反射镜组）、分光系统（棱镜、光栅）、检测系统（探测元件光电转换系统、放大器）、记录系统等组成。optical-mechanical scanner 成像原理：成像原理：3. 扫描成像之扫描成像之()光机扫描成像 Landsat MSS/TM/ETM+ TM TM数据的波谱段数据的波谱段 TM1TM10.450.520.450.52m m 蓝绿波段蓝绿波段 TM2TM20.520.600.520.60m m 绿红波段绿红波段 TM3TM30.630.690.630.69m
13、m 红波段红波段 TM4TM40.760.900.760.90m m 近红外波段近红外波段 TM5TM51.551.751.551.75m m 近红外波段近红外波段 TM6TM610.412.510.412.5m m 热红外波段热红外波段 TM7TM72.082.352.082.35m m 近红外波段近红外波段 TM数据是第二代多光谱段光学机械扫描仪，是在MSS基础上改进和发展而成的一种遥感器。TM采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收灵敏度。 ETMETM数据的波谱段数据的波谱段ETM1ETM10.450.520.450.52m m 蓝绿波段蓝绿波段 ETM2ET
14、M20.520.600.520.60m m 绿红波段绿红波段 ETM3ETM30.630.690.630.69m m 红波段红波段 ETM4ETM40.760.900.760.90m m 近红外波段近红外波段 ETM5ETM51.551.751.551.75m m 近红外波段近红外波段 ETM6ETM610.412.510.412.5m m 热红外波段热红外波段 ETM7ETM72.082.352.082.35m m 近红外波段近红外波段 ETM8ETM8（PANPAN）0.520.90 0.520.90 m m 可见光可见光近红外近红外 ETM ETM数据是在数据是在TMTM基础上改基础上改
15、进和发展而成的一种遥感器。进和发展而成的一种遥感器。 3. 扫描成像之扫描成像之()光机扫描成像 NOAA/AVHRR与与“风云云”气象气象卫星星数据来源：美国气象卫星。数据来源：美国气象卫星。数据来源：美国气象卫星。数据来源：美国气象卫星。近圆形太阳同步轨道。近圆形太阳同步轨道。近圆形太阳同步轨道。近圆形太阳同步轨道。卫星携带的环境监测遥感器主要有改进型甚高分卫星携带的环境监测遥感器主要有改进型甚高分卫星携带的环境监测遥感器主要有改进型甚高分卫星携带的环境监测遥感器主要有改进型甚高分辨率辐射计辨率辐射计辨率辐射计辨率辐射计( ( ( (AVHRR)AVHRR)AVHRR)AVHRR)和泰罗斯
16、业务垂直观测系统和泰罗斯业务垂直观测系统和泰罗斯业务垂直观测系统和泰罗斯业务垂直观测系统( ( ( (TOVS)TOVS)TOVS)TOVS)。NOAANOAANOAANOAA图像图像图像图像。参考网站参考网站参考网站参考网站: : : : http:/www.saa.noaa.gov/ http:/www.saa.noaa.gov/ http:/www.saa.noaa.gov/ http:/www.saa.noaa.gov/ http:/www.goes.noaa.gov/ http:/www.goes.noaa.gov/ http:/www.goes.noaa.gov/ http:/ww
17、w.goes.noaa.gov/ NextNextNOAA AVHRR imageNOAA AVHRR image时间：2003年1月18日地点：堪培拉影像：NOAA AVHRR用途：反映火灾的发生和痕迹。BACKBACK3. 扫描成像之扫描成像之()光机扫描成像 NOAA/AVHRR与与“风云云”气象气象卫星星NOAA/AVHRR有有5个通道，各通道的波长范围分别是：个通道，各通道的波长范围分别是： AVHRR1：0.580.68m，绿红 AVHRR2：0.725l. lm， 近红外 AVHRR3：0.480.53m，蓝绿 AVHRR4：0.530.68m，绿红 AVHRR5：10.512.
18、5m，热红外3. 扫描成像之扫描成像之()光机扫描成像 NOAA/AVHRR与与“风云云”气象气象卫星星FY-l-A的AVHRR数据与美国NOAA卫星的AVHRR很相似，可互相切换工作，互为备份。FY-1两卫星的实时传输采用与NOAA卫星兼容的体制，有高分辨率图像传输(HRPT)和4 km分辨率的自动图像传输(APT)两种。 FYFY图像图像 参考网站： http:/ http:/ FY-1D 图像图像BACKBACK3. 扫描成像之扫描成像之()推扫式成像Push-broom scanner把探测器按扫描方向（垂直于飞行方向）阵列式排列来感应地面响应，以代替机械的真扫描。若探测器按线性阵列排
19、列，则可以同时得到整行数据；若面阵式排列，则同时得到的是整幅图像。线阵列传感器多使用电荷耦合器件CCD（charge coupled device），每个探测器元件感应响应“扫描”行上一个唯一的地面分辨单元的能量，探测器的大小决定了每个地面分辨单元的大小。卫星运行方向卫星运行方向中巴资源卫星、SPOT/HRG、 IKONOS、QuickBird、北京1号小卫星推扫式成像原理空空间和和辐射分辨率高：射分辨率高：线性阵列系统可以为每个探测器提供较长的停留时间，以便更充分的测量每个地面分辨单元的能量。几何精度更高：几何精度更高：记录每行数据的探测元件间有固定的关系，具有更大的稳定性。体体积小、重量小
20、、重量轻、能耗低、能耗低：CCD是固态微电子装置。结构上可靠性高：构上可靠性高：因为没有光机扫描仪的机械运动部分。存在的存在的问题：由于使用了多个感光元件把光同时转换成电信号，因此当感光元件间存在灵敏度差时，往往会产生带状噪声，需要进行校准。线性阵列推线性阵列推扫式扫描仪特点扫式扫描仪特点SPOT5/HRG的垂直观测模式的垂直观测模式HRG - 高分辨率几何成像高分辨率几何成像仪(High Resolution Geometric Imaging Instrument)两台HRG的瞄准轴放在正中一档方向上，两台HRG位于铅垂线左右两侧，每台HRG的瞬时地面视场舷向宽60km，两台HRG的瞬时视
21、场左右相接，中间在天底点及其附近重叠3km，故两台HRG的瞬时地面视场合成一舷向宽117km、航向仅为20m宽的细长条。雷达雷达（RADAR，Radio Detection and Ranging，无线电波探测与测距），主动发射已知的微波信号（短脉冲），再接收这些信号与地面相互作用后的回波反射信号，并对这些信号的探测频率和极化位移等进行比较，生成地表的数字图像或模拟图像。侧视机机载雷达雷达(Side-Looking Airborne Radar， SLAR) 20世纪50年代，美国军方真真实孔径雷达孔径雷达（Real Aperture Radar, RAR）合成孔径雷达（合成孔径雷达（SAR，
22、Synthetic Aperture Radar)4. 4. 雷达成像之雷达成像之() SAR侧视机载雷达侧视机载雷达(SLAR，Side-Looking Airborne Radar)SAR的特点的特点为什么使用雷达成像技术全天候，穿透云雾能力（在我国西南部多雨、多云、多雾地区具有绝对优势）全天时工作穿透植被和树叶目标与频率的相互关系运动检测雷达波段划分雷达波段划分遥感中常用的微波范围为0.8-30cm使用的是波长1mm-1m(即频率300MHz-300GHz)的微波波段，比可见光-红外(0.38-15um)波长要大的多，最长的微波波长可以是最短的光学波长的250万倍。微波微波穿透特性穿透特
23、性微波对土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲线可用下图表示： 0 5 10 15 20 25 湿度30206050 40D （m） 穿透深度W（%）由图看到，波长越长，目标地物越干燥，微波对其穿透性越好，基本呈线性关系。LSCx应用领域应用领域地形测绘与地质研究中的应用 如埃及古河道的发现如埃及古河道的发现, , 阿尔贝托油田的分析阿尔贝托油田的分析农业和林业中的应用 如土地利用调查如土地利用调查, , 土壤水分测量土壤水分测量, , 作物生长与分类作物生长与分类海洋研究和监测方面的应用 如海面石油污染的监测如海面石油污染的监测军事方面的应用 如军事目标的识别与定位如军事目标的识别与定位减灾
24、防灾方面的应用 如森林火灾如森林火灾, ,地震等灾害的预报地震等灾害的预报4. 4. 雷达成像之雷达成像之() LIDAR激光雷达，或称机载激光雷达，是英文LIght Detection And Ranging的缩写，激光探测与测距，是一种高精密度的激光测试技术，其基本原理是由激光器发射光脉冲信号，探测器接收前方物体反射的光脉冲信号，通过测定光脉冲发射和接收的时间差来确定前方物体的距离(或运行速度)。LIDAR DATA494254.70 5420255.16 261.12 494254.67 5420252.35 261.36 494254.64 5420249.40 261.60 4942
25、54.61 5420246.42 261.96 494254.67 5420242.15 266.68 494254.65 5420238.93 267.48 494254.65 5420235.65 269.06 494254.65 5420232.36 270.69 494254.64 5420229.01 272.13 494254.61 5420226.27 271.93 494254.55 5420223.51 270.79 494254.49 5420221.04 269.63 494254.35 5420219.49 264.44494254.32 5420216.53 264.
26、53 494254.29 5420213.58 264.58 494254.26 5420210.73 264.80 494254.23 5420207.76 264.99 494254.20 5420204.80 265.15 494254.17 5420201.85 265.30 494254.14 5420198.99 265.69 494254.11 5420195.73 266.02 494254.08 5420192.78 266.27 494254.05 5420189.82 266.58 494254.03 5420186.86 266.94 494254.00 5420183
27、.90 267.34 494253.97 5420180.99 267.51 494253.95 5420177.87 268.06 494253.93 5420174.91 268.58 LIDAR系系统组成：成：(1) 定位与导航系统：动态差分GPS(即DGPS)技术和惯性测量装置(即IMU-Inertial Measurement Unit)；(2) 激光扫描仪：用来量测地物地貌的三维空间坐标信息，由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成；(3) 数码相机：获取地面的地物地貌真彩或红外数字影像信息(4) 中心控制单元：实现三个重要设备的精确同步，采用导航、定位和
28、管理系统构成同步记录IMU的角速度和加速度的增量以及GPS的位置、激光扫描仪和数码相机的数据。4. 雷达成像之雷达成像之() LIDARLIDAR测距原理测距原理激光雷达测高是通过量测光波从发射到被目标反射返回后接收所经历的时间 来计算目标到激光器的距离的。因此，目标到激光器的距离R可以表示为：为光波速度LIDAR数据的主要特点数据的主要特点（1）数据密度高数据密度高根据不同工程需要，可以灵活调节不同地表激光点采集间隔。Leica最新型号ALS50-II设备，激光点采集间距可以达到0.15米，甚至更小，数据采集密度极大，非常有利于真实地面高程模型的模拟。（2）数据精度高）数据精度高与传统航摄不
29、同，由于采用激光回波探测原理，LIDAR数据的高程精度不受航飞高度影响，且激光具有极高的方向指向性，加上LIDAR配置的高精度姿态测量系统，即使在没有地面控制点的情况下，也能达到较高的定位精度。LIDAR数据的主要特点数据的主要特点（3）植被穿透能力强）植被穿透能力强由于激光探测具有多次回波的特性，激光脉冲在穿越植被空隙时，可返回树冠、树枝、地面等多个高程数据，有效克服植被影响，更精确探测地面真实地形。 （4）不受阴影和太阳高度角影响不受阴影和太阳高度角影响LIDAR技术以主动测量方式采用激光测距方法，不依赖自然光；而因受太阳高度角、植被、山岭等影响传统航测方式无能为力的阴影地区，LIDAR在
30、这些区域获取数据的精度完全不受影响。 LIDAR数据的主要特点数据的主要特点森林管理、城市建模、海岸线监测、电力线监测、洪水模拟、管线布设、制作真正摄影像。LIDAR应用领域应用领域 树高以及树木结构的获取 森林蓄积量统计、估计收获量和木材增量 森林资源管理与监测 运输基础设施的设计与优化 规划排水及施肥措施 评估潜在侵蚀1. 森林区域应用概况森林区域应用概况2. 三维城市建模三维城市建模 结合地籍数据实现制图 提供建筑物的位置和高程 确定树木轮廓和植被高度 提供表面的细节 建筑物建模、城市规划 噪声模拟 无线网络规划 高程确定 洪水模拟 水流模拟 虚拟现实（如超市、旅游及信息系统等）2. 三
31、维城市建模三维城市建模3. 海岸线保护海岸线保护 能实现电力线矢量线的提取； 能确定特征点的3D坐标(如高压铁塔的位置, 电缆连接点, ) 电力线3D建模4.电力线监测电力线监测4.4.电力线监测电力线监测电力线特征点和特征值的获取5. 洪水模拟洪水模拟DSM洪涝区域6.1 基于高分辨率DSM实现： 狭长管道的设计 电力线的设计 地下管线设计(水管，气管，油管) 高速公路及铁路规划6. 狭长区域的规划与监测狭长区域的规划与监测6. 狭长区域的规划与监测狭长区域的规划与监测6.2 生成任意长度的高精度侧面或剖面图 确定是否通视 管线（水管、气管、油管）坡度的确定 填挖体积计算 确定待清理地物或植
32、被 结合规划和地图数据分析 对于传统测量及航测方法难以胜任区域的监测 区域被植被覆盖 测区含有滑坡区域 地面测绘难以安全实施 基于LIDAR得到的高分辨率DSM可以看出测区的基本情况（含植被、建筑物）7. 监测监测 通过高分辨率DTM的生成，可以很容易发现关键的地形特征： 断裂线 沉陷区域及沉陷过程 可能倒塌的区域7. 监测监测汶川地震唐家山堰塞湖三维晕渲图8. 应急响应及灾害评估应急响应及灾害评估LIDAR系统能提供以下技术保障：（1）灾害区域的定位： 确定地震破坏最严重的地方； 统计、分析断裂破坏的大致方位与走向等； 分析便捷的救援路线，指导救援工作的数理实施；（2）灾情评估： 结合使用光学影像和LIDAR点云数据，进行灾害前后的变化检测； 评估灾害前后的地物受损情况，统计受损区域的面积情况； 利用灾害前后的DTM数据定量地给出地形变化的具体指标。8. 应急响应及灾害评估应急响应及灾害评估马洪超：马洪超：80km2 5km2The end of this class.Question and Answer
