第三章-遙感成像原理與遙感圖像特征

1、第三章 遙感傳感器及其成像原理一、遙感圖像特征二、遙感傳感器三、遙感數(shù)據(jù)的選購(gòu)（視時(shí)間）n幾何特征n物理特征n時(shí)間特征一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征這三方面特征的表現(xiàn)參數(shù)為： 空間分辨率 光譜分辨率 輻射分辨率 時(shí)間分辨率1）空間空間分辨率（地面分辨率）分辨率（地面分辨率）一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征一般有三種表示方法：(1)像元(2)線(xiàn)對(duì)數(shù)(3)瞬時(shí)視場(chǎng)空間分辨率，也稱(chēng)地面分辨率，它們均反映對(duì)兩個(gè)非?？拷哪繕?biāo)物的識(shí)別、區(qū)分能力。空間分辨率：是針對(duì)遙感器或圖像而言的，指圖像上能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元的尺寸或大小，或指遙感器區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)的最小角度或線(xiàn)性距離的度量。地面分辨率：是針對(duì)地面而言

2、，是指可以識(shí)別的最小地面距離或最小目標(biāo)物的大小。一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征（1）像元（pixel） 指單個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的地面面積大小，單位為mm或kmkm。 如美國(guó)QuickBird商業(yè)衛(wèi)星一個(gè)像元相當(dāng)?shù)孛婷娣e0.61m0.61m，簡(jiǎn)稱(chēng)其空間分辨率為0.61m，Landsat/TM一個(gè)像元相當(dāng)?shù)孛婷娣e28.5m28.5m，簡(jiǎn)稱(chēng)其空間分辨率為30m。（2）線(xiàn)對(duì)數(shù)（line pairs） 對(duì)于攝影系統(tǒng)而言，影像最小單元常通過(guò)1mm間隔內(nèi)包含的線(xiàn)對(duì)數(shù)確定，單位為線(xiàn)對(duì)/mm。所謂線(xiàn)對(duì)指一對(duì)同等大小的明暗條紋或規(guī)則間隔的明暗條對(duì)。（3）瞬時(shí)視場(chǎng)（IFOV） 指遙感器內(nèi)單個(gè)探測(cè)元件的受光角度或觀測(cè)視野

3、。單位為毫弧度（mrad）。 一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征 S f H IFOV S: 探測(cè)元件的邊長(zhǎng)H: 遙感平臺(tái)的航高 f : 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的焦距 fSIFOV越小，最小可分辨單元越小，空間分辨率越高。IFOV取決于遙感器光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器的大小。一個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)的信息，表示一個(gè)像元。在任何一個(gè)給定的瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)，往往包含著不止一種地面覆蓋類(lèi)型，它所記錄的是一種復(fù)合信號(hào)響應(yīng)。因此，一般圖像包含的是“純像元”和“混合”像元的集合體，這依賴(lài)于IFOV的大小和地面物體的空間復(fù)雜性。（4）地面分辨率的計(jì)算HfRRgsRs：膠片的分辨率和攝影鏡頭的分辨率所構(gòu)成的系統(tǒng)分辨率，單位線(xiàn)對(duì)/mmH：攝影機(jī)距地面

4、高度，單位mf：攝影機(jī)焦距，單位mmR g:地面分辨率，單位線(xiàn)對(duì)/mm攝影方式：攝影方式：一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征 S f H IFOV fSHHIFOVS: 探測(cè)元件的邊長(zhǎng)H: 遙感平臺(tái)的航高 f : 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的焦距 一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征（4）地面分辨率的計(jì)算掃描方式：掃描方式：IFOV也可理解成：掃描成像過(guò)程中一個(gè)光敏探測(cè)元件通過(guò)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)投射到地面上的直徑或者邊長(zhǎng)。一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征例1：攝影機(jī)焦距152mm，航高為6000m，系統(tǒng)分辨率為40線(xiàn)對(duì)/mm。求地面分辨率。（P80）解：mHfRRsg/線(xiàn)線(xiàn)對(duì)對(duì)式中：Rg的單位是 線(xiàn)對(duì)/m1m1線(xiàn)對(duì)/ m表

5、明：1m中只能區(qū)分1個(gè)線(xiàn)對(duì)，也就是2條線(xiàn)（一明一暗），每條線(xiàn)為0.5m，因此其分辨能力為0.5m，也即地面分辨率為0.5m。（書(shū)中不太好理解）例2：SPOT-HRV全色波段的探測(cè)元件長(zhǎng)度為13m;焦距為1m; 軌道高度為822km。求地面分辨率。解：IFOV=HS/f=8.221051310-61=10.686m一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征例3：Landsat-MSS多光譜掃描儀，每個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)為86rad，衛(wèi)星高度為915km，因此每個(gè)像元的地面分辨率為79m79m，每個(gè)波段由6個(gè)相同大小的探測(cè)單元與飛行方向平等排列，這樣在瞬間看到的地面大小為474

6、m79m，又由于掃描總視場(chǎng)為11.56，對(duì)應(yīng)地面寬度為185km，因此掃描一次每個(gè)波段獲取6條掃描線(xiàn)圖像，其地面范圍為474m 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(shí)間里衛(wèi)星正好向前移動(dòng)474m，因此掃描線(xiàn)正好銜接。1234560.50.6m0.60.7m0.70.8m0.81.1m10.412.6m掃描方向衛(wèi)星前進(jìn)方向成像板mkmmm.一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征 一般來(lái)說(shuō)：遙感系統(tǒng)的空間分辨率越高，其識(shí)別物體的能力越強(qiáng)。但實(shí)際上每一目標(biāo)在圖像上的可分辨程度，不完全決定于空間分辨率的具體值，而是和它的形狀、大小，以及它與周?chē)矬w亮度、結(jié)

7、構(gòu)的相對(duì)差有關(guān)（反差）。例如MSS的空間分辨率為79m，但是寬僅10-20m的鐵路，公路，當(dāng)它們通過(guò)沙漠、水域、草原等背景光譜較單調(diào)或與道路光譜差異大的地區(qū)，往往清晰可辨。 經(jīng)驗(yàn)證明：遙感器空間分辨率的選擇，一般應(yīng)選擇小于被探測(cè)目標(biāo)最小直徑的1/2。 波譜分辨率：指?jìng)鞲衅髟诮邮漳繕?biāo)輻射的波譜時(shí)能分辨的最小波長(zhǎng)間隔。 間隔，分辨率 光譜分辨率通過(guò)遙感器所選用的波段數(shù)量的多少、各波段的波長(zhǎng)位置、及波長(zhǎng)間隔的大小，即選擇的通道數(shù)、每個(gè)通道的中心波長(zhǎng)、帶寬，這三個(gè)因素共同決定光譜分辨率。 Landsat/TM有7個(gè)波段，如TM3波段（0.63-0.69 m ，波段間隔為0.06 m ） 航空可見(jiàn)、紅外

8、成像光譜儀AVIRIS有224個(gè)波段（0.4-2.45m波段間隔近10nm）。一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征2）波譜分辨率（光譜分辨率）波譜分辨率（光譜分辨率）圖中紅線(xiàn)內(nèi)為圖中紅線(xiàn)內(nèi)為32nm光譜分辨的反射曲線(xiàn)，可見(jiàn)光譜分辨的反射曲線(xiàn)，可見(jiàn)在在1.2 m 處出現(xiàn)明顯的雙谷形態(tài)。處出現(xiàn)明顯的雙谷形態(tài)。 輻射分辨率：指?jìng)鞲衅髟诮邮漳繕?biāo)輻射的波譜信號(hào)時(shí)，能分辨的最小輻射度差。 （能量上、強(qiáng)度上的分辨，表現(xiàn)為灰度量化級(jí)）。例如：Landsat5的TM3其最小輻射量值Rmin=-0.0083mv/(cm2srm) 最大輻射量值Rmax=1.410mv/(cm2srm) 量化級(jí)D為28=256級(jí)其輻射分

9、辨率RL=(Rmax -Rmin)/D=0.0055 mv/(cm2srm) 一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征3）輻射輻射分辨率分辨率空間分辨率和光譜分辨率的矛盾 提高空間分辨率 瞬時(shí)視場(chǎng)IFOV要小。 IFOV小 探測(cè)元件接受到的輻射能量相應(yīng)減少，即瞬時(shí)獲得的入射能量小 對(duì)微弱能量差異的檢測(cè)能力差 輻射分辨率低 除技術(shù)上改進(jìn)探測(cè)元件以外，實(shí)際工作中考慮較高空間分辨率的圖像（例如SPOT-HRV-PAN）和較高光譜分辨率的圖像(例如LANDSAT-TM)進(jìn)行圖像融合，避其弱點(diǎn)，達(dá)到既要清晰，又彩色豐富。 一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征4）時(shí)間分辨率）時(shí)間分辨率 也叫衛(wèi)星的覆蓋周期、重訪(fǎng)周期。

10、 重復(fù)獲得同一地區(qū)的最短時(shí)間間隔。重復(fù)獲得同一地區(qū)的最短時(shí)間間隔。用途：注意研究對(duì)象的時(shí)間序列的變化。 比如說(shuō) 1）自然規(guī)律的時(shí)間考慮 農(nóng)作物監(jiān)測(cè)：農(nóng)時(shí)，拔節(jié)期、氧化期、乳熟期 植被： 葉子展開(kāi)、葉子開(kāi)始黃枯 地質(zhì)、土壤：不長(zhǎng)莊稼 2）社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的時(shí)間考慮 城市研究：根據(jù)對(duì)城市的發(fā)展特點(diǎn)了解狀況。 環(huán)境污染監(jiān)測(cè)：立法前后、總量控制前后 一、遙感圖像特征一、遙感圖像特征1、遙感器概述、遙感器概述 定義：定義：接收、記錄目標(biāo)物電磁波特性的儀器。接收、記錄目標(biāo)物電磁波特性的儀器。 分類(lèi)分類(lèi)n 根據(jù)工作方式的不同，可以分為根據(jù)工作方式的不同，可以分為2類(lèi)：類(lèi)： 1）主動(dòng)式主動(dòng)式：人工輻射源向目標(biāo)地物

11、發(fā)射電磁波，然后接收從目標(biāo)地：人工輻射源向目標(biāo)地物發(fā)射電磁波，然后接收從目標(biāo)地 物反射回來(lái)的能量。物反射回來(lái)的能量。如：側(cè)視雷達(dá)、激光雷達(dá)、微波散射計(jì)等如：側(cè)視雷達(dá)、激光雷達(dá)、微波散射計(jì)等 2）被動(dòng)式被動(dòng)式：接收自然界地物所輻射的能量。：接收自然界地物所輻射的能量。 如：攝影機(jī)、多波段掃描儀、微波輻射計(jì)、紅外輻射計(jì)等如：攝影機(jī)、多波段掃描儀、微波輻射計(jì)、紅外輻射計(jì)等n 遙感器按照記錄方式分類(lèi)遙感器按照記錄方式分類(lèi) 1）非成像方式非成像方式：探測(cè)到地物輻射強(qiáng)度按照數(shù)字或者曲線(xiàn)圖形表示。：探測(cè)到地物輻射強(qiáng)度按照數(shù)字或者曲線(xiàn)圖形表示。 如：輻射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)、散射計(jì)、激光高度計(jì)等。如：輻射計(jì)、雷達(dá)高

12、度計(jì)、散射計(jì)、激光高度計(jì)等。 2）成像方式：成像方式： 地物輻射（反射、發(fā)射或兩個(gè)兼有）能量的強(qiáng)度用圖成地物輻射（反射、發(fā)射或兩個(gè)兼有）能量的強(qiáng)度用圖成像方式表示。像方式表示。如：攝影機(jī)、掃描儀、成像雷達(dá)。如：攝影機(jī)、掃描儀、成像雷達(dá)。二、二、 遙感傳感器遙感傳感器遙感器的組成不論那一種遙感器，都有以下4個(gè)部分組成。n 收集器：收集地物輻射來(lái)的能量。類(lèi)型：透鏡組、 反射鏡組、天線(xiàn)等n 探測(cè)器：將收集的輻射能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能或電能。 舉例：CCD、攝影感光膠片n 處理器：對(duì)收集的信號(hào)進(jìn)行處理。類(lèi)型：攝影處理 裝置、電子處理裝置n 輸出器：輸出獲取的數(shù)據(jù)。舉例：磁帶記錄儀、掃 描曬像儀、彩色噴墨儀等二

13、、二、 遙感傳感器遙感傳感器2、成像方式遙感器、成像方式遙感器 攝影成像類(lèi)型（光學(xué)/電成像類(lèi)型）成像方式遙感器 掃描成像類(lèi)型（光電成像類(lèi)型） 微波成像類(lèi)型（雷達(dá)成像類(lèi)型）二、二、 遙感傳感器遙感傳感器 攝影成像類(lèi)型攝影成像類(lèi)型 攝影成像原理：通過(guò)成像設(shè)備獲取物體影像的技術(shù)。 分類(lèi) 傳統(tǒng)攝影：依靠光學(xué)鏡頭及放置在焦平面 的感光膠片來(lái)記錄物體影像。 數(shù)字?jǐn)z影：通過(guò)放置在焦平面的光敏元件， 經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)來(lái)記錄 物體影像。n探測(cè)波段：近紫外攝影、可見(jiàn)光攝影、紅外攝影、多光譜攝影 二、二、 遙感傳感器遙感傳感器 攝影成像類(lèi)型攝影成像類(lèi)型 常見(jiàn)攝影機(jī)：分幅式攝影機(jī)、全景式攝影機(jī)、 多光譜攝影機(jī)

14、、數(shù)碼攝影機(jī) 特點(diǎn)1) 歷史悠久、較為完善、使用廣泛。2) 信息量大、分辨率高3) 受到感光劑的限制，感光范圍0.291.10微米，而且只能在晴朗的白天工作。二、二、 遙感傳感器遙感傳感器分幅式攝影機(jī)全景攝影機(jī)全景攝影機(jī)多光譜攝影機(jī)多光譜攝影機(jī)有三種類(lèi)型多相機(jī)組合型、多鏡頭組合型和光束分離型數(shù)碼攝影機(jī) 成像原理與一般攝影機(jī)同，結(jié)構(gòu)也類(lèi)似。所不同的是其記錄介質(zhì)不是感光膠片，而是光敏電子器件，如CCD(電荷合耦器件彩色紅外照相機(jī)v 掃描成像原理：掃描成像原理：依靠探測(cè)元件和掃描鏡對(duì)目標(biāo)地物以瞬時(shí)視場(chǎng)為單位進(jìn)行的逐點(diǎn)、逐行取樣，以得到目標(biāo)地物電磁輻射特性信息，形成一定譜段的圖像。（2 2）掃描成像）

15、掃描成像v 探測(cè)波段：紫外、紅外、可見(jiàn)光和微波波段v 成像方式：光/機(jī)掃描成像、固體自?huà)呙璩上瘛?高光譜成像。二、二、 遙感傳感器遙感傳感器 對(duì)物面掃描：對(duì)地面直接掃描，采用光/機(jī) 掃描系統(tǒng)。 掃描成像方式 對(duì)影像掃描：先在像面上形成影像，然后 對(duì)影像進(jìn)行掃描。采用CCD固體自?huà)呙璩上裣到y(tǒng)。二、二、 遙感傳感器遙感傳感器 帚掃式，撣掃式。掃描方式 推掃式。 面陣式。 掃描原理:以MSS為例掃描原理:以MSS為例1234560.50.6m0.60.7m0.70.8m0.81.1m10.412.6m掃描方向衛(wèi)星前進(jìn)方向成像板v光/機(jī)掃描圖像的幾何特征取決于光/機(jī)掃描的瞬時(shí)視場(chǎng)角和總視場(chǎng)角。 瞬時(shí)視

16、場(chǎng)角（瞬時(shí)視場(chǎng)角（2）：掃描鏡在旋轉(zhuǎn)的一瞬間，接收到的目標(biāo)物電磁輻射限制在一個(gè)很小的角度之內(nèi)，這個(gè)角度就稱(chēng)為瞬時(shí)視場(chǎng)角?？傄晥?chǎng)角總視場(chǎng)角/總掃描角（總掃描角（2）：從遙感平臺(tái)到地面掃描帶外側(cè)所構(gòu)成的夾角?？傄晥?chǎng)總視場(chǎng)L：掃描帶的地面寬度。L=2Htg 探測(cè)元件的選擇：探測(cè)元件的選擇：v進(jìn)行不同波段的探測(cè)，需采用不同的掃描探測(cè)元件。v不同的探測(cè)元件其響應(yīng)波長(zhǎng)不同。v依據(jù)目標(biāo)地物電磁波特性（波段）和大氣窗口來(lái)確定，選擇對(duì)相應(yīng)波段響應(yīng)敏感的探測(cè)元件。v舉例： 一般地物：T300K， max10m 選響應(yīng)波 段為8 14m探測(cè)元件 森林火災(zāi)：T800K， max3.5m 選響應(yīng)波段為3 5m探測(cè)元件W

17、HY?bT maxkmb310898. 2（3）固體自?huà)呙璩上瘢┕腆w自?huà)呙璩上駐掃描方式：用固定的探測(cè)元件，通過(guò)遙感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行掃描。v優(yōu)勢(shì)：突破了光/機(jī)掃描儀對(duì)可供選擇的探測(cè)器有很大限制的缺點(diǎn)。 光/機(jī)掃描儀：要立即測(cè)出每個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)的輻射特征，就要求探測(cè)元件的響應(yīng)速度足夠快。舉例：在1/20s內(nèi)掃描完一幅含512512個(gè)像元的圖像，光/機(jī)掃描中，一個(gè)探測(cè)元件對(duì)一幅圖像要掃描512條線(xiàn)，每條線(xiàn)512個(gè)像元，則探測(cè)元件在每個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)的停留時(shí)間只有 1（20512512）=1.910-7,約 0.2s要求探測(cè)元件的響應(yīng)時(shí)間至少要Near-InfreardChannel 3: 3.55-

18、3.93 um Near-InfraredChannel 4: 10.311.3 um Thermal-InfreardChannel 5: 11.512.5 um Thermal-Infrared1） 高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)2） 中分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)3） 低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)4） 航空遙感數(shù)據(jù)三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)1 有什么樣的數(shù)據(jù) 高分辨率（高清晰度）遙感衛(wèi)星像片空間分辨率一般為5m-10m左右（現(xiàn)在的說(shuō)法是小于5米），衛(wèi)星一般在距地600km左右的太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行。 其影像廣泛應(yīng)用于精度相對(duì)較高的城市內(nèi)部的綠化、交通、污染、建筑密度、土地、地籍等的現(xiàn)狀調(diào)查、規(guī)劃、測(cè)繪地圖；大型工程選址、勘

19、察、測(cè)圖和已有工程受損監(jiān)測(cè)等；還可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、災(zāi)害等領(lǐng)域內(nèi)的詳細(xì)調(diào)查和監(jiān)測(cè)。三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)1）高分辨率數(shù)據(jù)三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)1）高分辨率數(shù)據(jù)（1）IKONOS影像（美國(guó)）（2）QuickBird影像（美國(guó)）（3）SPOT-5影像（法國(guó)）（4）SPIN-2（俄國(guó)）（5） BhasKara-1，-2影像(印度)空間分辨率為5.8m （6）IRS系列IRS-P6 （印度） 空間分辨率為2.5m（7） EROS影像(以色列)空間分辨率為1m數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳感器傳感器成像方式成像方式光譜光譜空間分辨率空間分辨率（m）成像波段成像波段（m）成像幅寬成像幅寬（km）覆蓋周期覆

20、蓋周期軌道高度軌道高度 空間分辨率一般在80m-10m左右，衛(wèi)星一般在700km- 900km的近極地太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行。而重復(fù)（更新）覆蓋同一地區(qū)的時(shí)間間隔為幾天至幾十天等。 它們廣泛用于資源調(diào)查、環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、地質(zhì)礦產(chǎn)和城建規(guī)劃等近50個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。 三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)2）中等分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù) （1 1） LANDSAT-MSSLANDSAT-MSS（美國(guó)）影像（美國(guó)）影像（2 2） LANDSAT-TMLANDSAT-TM/ETM/ETM（美國(guó)）影像（美國(guó)）影像（3 3） SPOT-HRVSPOT-HRV（1-41-4）（法國(guó)）影像（法國(guó)）影像（4 4

21、） CBRS(CBRS(中巴的資源衛(wèi)星中巴的資源衛(wèi)星 ) )三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)2）中等分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù) 氣象衛(wèi)星是空間分辨率（清晰度）相對(duì)較低的衛(wèi)星采集（“攝像”）系統(tǒng)，它們就是每天電視氣象預(yù)報(bào)時(shí)的“氣象衛(wèi)星云圖”，廣泛應(yīng)用于宏觀觀測(cè)的對(duì)象，如：氣象預(yù)報(bào)和觀測(cè)海洋表面深度海浪、海冰等。 （1 1）NOAANOAA氣象衛(wèi)星影像氣象衛(wèi)星影像（2 2）中國(guó)風(fēng)云）中國(guó)風(fēng)云2 2號(hào)衛(wèi)星影像號(hào)衛(wèi)星影像三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)三、遙感數(shù)據(jù)選購(gòu)3）低分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù) 2.1 航空遙感數(shù)據(jù) 建國(guó)以來(lái)，航空照片已經(jīng)覆蓋全國(guó)各地，數(shù)目達(dá)數(shù)百萬(wàn)張。這些數(shù)據(jù)主要存在各省的測(cè)繪部門(mén)。不僅有歷史的照片，而且近年來(lái)，隨著數(shù)字化潮流的