遙感原理與應用-第3章.

1、第三章 遙感傳感器及其成像原理內(nèi)容提綱掃描成像類傳感器掃描成像類傳感器雷達成像儀雷達成像儀傳感器分類 攝影類型的傳感器攝影類型的傳感器 掃描成像類型的傳感器掃描成像類型的傳感器 雷達成像類型的傳感器雷達成像類型的傳感器 非圖像類型的傳感器非圖像類型的傳感器 3.1掃描成像類傳感器 對物面掃描的成像儀對地面直接掃描成像（紅外掃描儀、多光譜掃描儀、成像光譜儀 ） 對像面掃描的成像儀瞬間在像面上先形成一幅影像，然后對影像進行掃描成像（線陣列CCD推掃式成像儀 ） 成像光譜儀以多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器 3.1.1 對物面掃描的成像儀 紅外掃描儀 MSS多光譜掃描儀 TM專題制

2、圖儀 ETM+增強型專題制圖儀紅外掃描儀掃描成像過程 當旋轉(zhuǎn)棱鏡旋轉(zhuǎn)時，第一個鏡面對地面橫越航線方向掃視當旋轉(zhuǎn)棱鏡旋轉(zhuǎn)時，第一個鏡面對地面橫越航線方向掃視一次，在掃描視場內(nèi)的地面輻射能，由刈幅的一邊到另一一次，在掃描視場內(nèi)的地面輻射能，由刈幅的一邊到另一邊依次進人傳感器，邊依次進人傳感器， 經(jīng)探測器輸出視頻信號，經(jīng)探測器輸出視頻信號， 經(jīng)電子放大器放大和調(diào)制，經(jīng)電子放大器放大和調(diào)制， 在陰極射線管上顯示出一條相應于地面掃描視場內(nèi)的景物在陰極射線管上顯示出一條相應于地面掃描視場內(nèi)的景物的圖像線，這條圖像線經(jīng)曝光后在底片上記錄下來。的圖像線，這條圖像線經(jīng)曝光后在底片上記錄下來。 接著第二個掃描鏡面

3、掃視地面，由于飛機向前運動，膠片接著第二個掃描鏡面掃視地面，由于飛機向前運動，膠片也作同步旋轉(zhuǎn)，記錄的第二條圖像正好與第一條銜接。依也作同步旋轉(zhuǎn)，記錄的第二條圖像正好與第一條銜接。依次下去，就得到一條與地面范圍相應的二維條帶圖像。次下去，就得到一條與地面范圍相應的二維條帶圖像。紅外掃描儀的分辨率紅外掃描儀的瞬時視場紅外掃描儀的瞬時視場fdd：探測器尺寸（直徑或?qū)挾龋?；f:掃描儀的焦距紅外掃描儀垂直指向地面的空間分辨率HfdHa0H: 航高航高 在儀器設計時已經(jīng)確定，所以對于一個使用著的傳感器，其地面分辨率的變化只與航高有關。航高大，a0值自然就大，則地面分辨率差。0a：掃描角0H：航高0：地面

4、分辨率0a0：平行于航行方向地面分辨率seccos00HHHsec0aHa：垂直于航行方向地面分辨率20secsecaaa全景畸變 由于地面分辨率隨掃描角發(fā)生變化，使紅外掃描影像產(chǎn)生由于地面分辨率隨掃描角發(fā)生變化，使紅外掃描影像產(chǎn)生畸變，這種畸變通常稱之為全景畸變，形成原因是像距?；?，這種畸變通常稱之為全景畸變，形成原因是像距保持不變，總在焦面上，而物距隨掃描角發(fā)生變化所致。持不變，總在焦面上，而物距隨掃描角發(fā)生變化所致。掃描線的銜接當掃描鏡的某一個反射鏡面掃完一次后，第二個反射鏡面接著重復掃描，飛機的飛行使得兩次掃描銜接。如何讓每相鄰兩條帶很好地銜接，可由以下的關系式來確定。假定旋轉(zhuǎn)棱鏡掃

5、描一次的時間為t，一個探測器地面分辨率為a，若要使兩條掃描帶的重疊度為零，但又不能有空隙，則必須taW W為飛機的地速aWt ：將出現(xiàn)掃描漏洞aWt ：將出現(xiàn)掃描重疊HaWttHW瞬時視場和掃描周期都瞬時視場和掃描周期都為常數(shù)，所以只要速度為常數(shù)，所以只要速度w w與航高與航高H H之比為一常數(shù)，之比為一常數(shù)，就能使掃描線正確銜接，就能使掃描線正確銜接，不出現(xiàn)條紋圖像不出現(xiàn)條紋圖像熱紅外像片的色調(diào)特征 4TW熱紅外像片上的色調(diào)變化與相應的地物的輻射強度變化成函數(shù)關系。地物發(fā)射電磁波的功率和地物的發(fā)射率成正比，與地物溫度的四次方成正比，因此圖像上的色調(diào)也與這兩個因素成相應關系。熱紅外像片中飛機巳

6、發(fā)動的發(fā)動機溫度較高，色調(diào)很淺，顯得亮。尾噴溫度更高，色調(diào)顯得更亮。未發(fā)動的飛機發(fā)動機，溫度較低，顯得很暗。水泥跑道發(fā)射率較高，出現(xiàn)灰色調(diào)。飛機的金屬蒙皮，發(fā)射率很低，顯得很黑。從像片上可看出，熱紅外掃描儀對溫度比對發(fā)射本領的敏感性更高，因為它與溫度的四次方成正比，溫度的變化能產(chǎn)生較高的色調(diào)差別。MSS多光譜掃描儀 陸地衛(wèi)星上的陸地衛(wèi)星上的 MSSMSS（Multispectral ScannerMultispectral Scanner） 由掃描反射鏡、校正器、聚光系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)快門、由掃描反射鏡、校正器、聚光系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)快門、成像板、光學纖維、濾光器和探測器等組成。成像板、光學纖維、濾光器和探測

7、器等組成。掃描反射鏡 掃描反射鏡是一個表面鍍銀的橢圓形的鉸反射鏡，長軸為33cm，短軸為23cm。當儀器垂直觀察地面時，來自地面的光線與進入聚光鏡的光線成90。掃描鏡擺動的幅度為2.89 ，擺動頻率為13.62Hz，周期為73.42ms，它的總觀測視場角為 11.56。 掃描鏡的作用是獲取垂直飛行方向兩邊共185km范圍內(nèi)的來自景物的輻射能量，配合飛行器的往前運行獲得地表的二維圖像反射鏡組 反射鏡組由主反射鏡和次反射鏡組成，焦距為82.3cm，第一反射鏡的孔徑為22.9cm，第二反射鏡的孔徑為8.9cm，相對孔徑為3.6。 反射鏡組的作用是將掃描鏡反射進入的地面景物聚集在成像面上。成像板 成像

8、板上排列有 242個玻璃纖維單元，按波段排列成四列，每列有 6個纖維單元，每個纖維單元為掃描儀的瞬時視場的構像范圍，由于瞬時視場為86rad，而衛(wèi)星高度為915km，因此它觀察到地面上的面積為 79m x 79m。mradKM7986915探測器 探測器的作用是將輻射能轉(zhuǎn)變成電信號輸出。它的數(shù)量與成像板上的光學纖維單元的個數(shù)相同，所使用的類型與響應波長有關， MSS 4-6采用18個光電倍增管， MSS-7使用6個硅光電二極管， Landsat2,3的MSS8采用2個汞鋼篩熱敏感探測器。 其致冷方式采用輻射致冷器致冷。經(jīng)探測器檢波后輸出的模擬信號進入模數(shù)變換器進行數(shù)字化，再由發(fā)射機內(nèi)調(diào)制器調(diào)制

9、后向地面發(fā)送或記錄在寬帶磁帶記錄儀上。MSS成像過程 掃描儀每個探測器的瞬時視場為86rad，衛(wèi)星高為915km，因此掃貓瞬間每個像元的地面分辨率為 79m x 79m，每個波段由 6個相同大小的探測單元與飛行方向平行排列，這樣在瞬間看到的地面大小為474m x 79m。又由于掃描總視場為 11.56，地面寬度為185km，因此掃描一次每個波段獲取6條掃描線圖像，其地面范圍為 474m x 185km。又因掃描周期為73.42ms，衛(wèi)星速度（地速）為6.5KM/s，在掃描一次的時間里衛(wèi)星往前正好移動474m，因此掃描線恰好銜接。自西往東對地面的有效掃描時間為33ms，即在33ms內(nèi)掃描地面的寬

10、度為185km，按以上寬度計算，每9.958 s內(nèi)掃描鏡視軸僅在地面上移動了56m，因此采樣后的MSS像元空間分辨率為56m x 79m （Landsat為68m x 83m）。采樣后對每個像元（每個信道的一次采樣）采用6bit進行編碼,24路輸出共需144bit，都在9.958S內(nèi)生成，反算成每個字節(jié)（6bit）所需的時間為0.3983S（其中包括同步信號約占0.3983S) ，每個bit為隊0.0664S，因此，bit速率約為15Mbit/s（15MHz）。采樣后的數(shù)據(jù)用脈碼調(diào)制方式以 2229.5MHz或 2265.5MHz的頻率饋入天線向地面發(fā)送。smsKMm958. 933/1855

11、6MSS產(chǎn)品 粗加工產(chǎn)品，它是經(jīng)過了輻射校準（系統(tǒng)噪聲改正）、幾何校正（系統(tǒng)誤差改正）、分幅注記（28.6s掃描390次分一幅）。 精加工產(chǎn)品，它是在粗加工的基礎上，用地面控制點迸行了糾正（去除了系統(tǒng)誤差和偶然誤差) 特殊處理產(chǎn)品。TM專題制圖儀TM成像過程TM各波段特征ETM+增強型專題制圖儀波段號 類型波譜范圍 /um地面分辨率 1Blue-Green 0.450-0.51530m 2Green0.525-0.605 30m 3Red0.630-0.69 30m 4Near IR 0.775-0.90 30m 5SWIR1.550-1.75 30m 6LWIR10.40-12.560m 7

12、SWIR 2.090-2.35 30m 8Pan0.520-0.9015m3.1.2 對像面掃描的成像儀 HRV線陣列推掃式掃描儀 像面掃描 用電子槍準確地瞄準靶極上的點并對靶面進行掃用電子槍準確地瞄準靶極上的點并對靶面進行掃描描( (所以又稱電子掃描成像為像面掃描成像所以又稱電子掃描成像為像面掃描成像) )。靶。靶面上點從電子束中攝取電子，使靶極達到零電位。面上點從電子束中攝取電子，使靶極達到零電位。從電子槍中射出的電子束的電子數(shù)目是固定不變從電子槍中射出的電子束的電子數(shù)目是固定不變的，但靶面各點吸收電子的數(shù)目卻因各點的電位的，但靶面各點吸收電子的數(shù)目卻因各點的電位高低而不同，返回的剩余電子

13、數(shù)形成了圖像信號，高低而不同，返回的剩余電子數(shù)形成了圖像信號，即圖像的亮點，使靶面上對應點的電位高，則從即圖像的亮點，使靶面上對應點的電位高，則從電子束中吸收的電子數(shù)就多，剩余返回的電子數(shù)電子束中吸收的電子數(shù)就多，剩余返回的電子數(shù)少；反之，電子數(shù)多。于是，返回電子數(shù)的多少少；反之，電子數(shù)多。于是，返回電子數(shù)的多少就反映了圖像上各點的暗亮程度。就反映了圖像上各點的暗亮程度。 立體觀測方式 HRV平面反射鏡可繞指向衛(wèi)星前進方向的滾動軸(x)軸旋轉(zhuǎn)，從而在不同的軌道間實現(xiàn)立體觀測 HRG通過側擺可在不同軌道上形成異軌立體 HRS由前視后視相機組成，形成同軌立體3.1.3 成像光譜儀 以多路、連續(xù)并具

14、有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器 基本上屬于多光譜掃描儀，其構造與CCD線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區(qū)別僅在于通道數(shù)多，各通道的波段寬度很窄。 兩類成像光譜儀面陣探測器加推掃式掃描儀面陣探測器加推掃式掃描儀線陣列探測器加光機掃描儀陣列探測器加光機掃描儀光學機械掃描（多波段掃描儀）光學機械掃描（多波段掃描儀）電子束掃描（反束光導管攝像機）電子束掃描（反束光導管攝像機）CCDCCD（電荷耦合器件）（電荷耦合器件）非圖像方式（主動式和被動式非圖像方式（主動式和被動式）雷達高度計雷達高度計合成孔徑雷達合成孔徑雷達微波輻射計微波輻射計紅外輻射計紅外輻射計攝影法攝影法寬波段攝影寬波段攝影多波

15、段攝影多波段攝影被動方式被動方式圖像方式圖像方式遙遙感感技技術術掃描法掃描法主動方式主動方式側視雷達側視雷達激光雷達激光雷達推掃式推掃式CCD傳感器傳感器（SPOT）框幅式攝影機（傳統(tǒng)攝影框幅式攝影機（傳統(tǒng)攝影測量用）測量用）光機掃描攝影機（光機掃描攝影機（TM、MSS）三種常用航空航天遙感三種常用航空航天遙感（被動）傳感器（被動）傳感器3.2雷達成像儀 特點主動式遙感雷達信號（距離、方位、相對速度、反射特性）穿透特性 分類真實孔徑雷達合成孔徑雷達相干雷達激光雷達 雷達接收到的回波強度是系統(tǒng)參數(shù)和地面目標參數(shù)的復雜函數(shù)。 系統(tǒng)參數(shù)： 雷達波的波長 發(fā)射功率 照射面積和方向 極化等 地面目標參數(shù)

16、與地物的復介電常數(shù)、地面粗糙度等PolarizationPolarization TransmitReceiveTogether VHVH H VHV V VVV H HHH3.2.1 真實孔徑雷達真實孔徑雷達分辨率sec2cRr地距分辨率：2cRd斜距分辨率：脈沖寬度：俯角RDRR：波瓣角；R： 斜距。：波長成正比D: 天線孔徑3.2.2 合成孔徑雷達 基本思想：用一個小天線作為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動。在移動中選擇若干個位置，在每個位置上發(fā)射一個信號，接收相應發(fā)射位置的回波信號貯存記錄下來。存貯時同時保存接收信號的幅度和相位。 比較真實孔徑雷達天線的長度是實際長度，雷達波的發(fā)

17、射和接收都是以其自身有效長度的效率直接反映到顯示紀錄中；合成孔徑雷達用一個小天線作為單個輻射單元 ，記錄每個反射信號。真實孔徑天線在一個位置上接收目標的回波；合成孔徑天線是在不同位置上接收同一地物的回波信號。真實孔徑天線接收目標回波后，好像物鏡那樣聚合成像；合成孔徑天線對同一目標的信號不是在同一時刻得到，在每一個位置上都要記錄一個回波信號。 SAR的方位分辨率RLRss合成后天線孔徑為：RDRLsSAR方位分辨率：DRs由于雙程相移：2/DRs合成孔徑雷達的方位分辨力與距離無關，只與實際使用的天線孔徑有關合成孔徑雷達的方位分辨力與距離無關，只與實際使用的天線孔徑有關 方位分辨率定義：kmkmm

18、cmRDR240084mmDRs42823.2.3 側視雷達圖像的幾何特征 斜距投影 側視雷達圖像在垂直飛行方向（y）的像點位置是以飛機的目標的斜距來確定，稱之為斜距投影。圖像點的斜距算至地面距離為：22cosHRrG幾何特點 垂直于飛行方向的比例尺垂直于飛行方向的比例尺 變形變形壓縮與拉長壓縮與拉長 高差產(chǎn)生的投影差高差產(chǎn)生的投影差 雷達立體圖像的構像特點雷達立體圖像的構像特點垂直于飛行方向的比例尺cbcbabBCbcmABabmcos1cos1表示為：cos1m考慮到實測的斜距是按 比例尺縮小為影像，因此在側視方向上的比例尺為：cos11rmmy0，比例尺大90，比例尺小變形壓縮與拉長造成山體前傾，朝向傳感器造成山體前傾，朝向傳感器的山坡影像被壓縮的山坡影像被壓縮, ,而背向而背向傳感器的山坡被拉長，與中傳感器的山坡被拉長，與中心投影相反。心投影相反。還會出現(xiàn)不同地物點重影現(xiàn)還會出現(xiàn)不同地物點重影現(xiàn)象。地物點象。地物點ACAC之間的山坡在之間