《遙感原理與應(yīng)用》課件-第3章

1、第三章 遙感傳感器及其成像原理1內(nèi)容提綱掃描成像類傳感器雷達(dá)成像儀2傳感器分類攝影類型的傳感器掃描成像類型的傳感器雷達(dá)成像類型的傳感器非圖像類型的傳感器 343.1掃描成像類傳感器對(duì)物面掃描的成像儀對(duì)地面直接掃描成像（紅外掃描儀、多光譜掃描儀） 對(duì)像面掃描的成像儀瞬間在像面上先形成一條線圖像或一幅二維影像，然后對(duì)影像進(jìn)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 53.1.1 對(duì)物面掃描的成像儀紅外掃描儀MSS多光譜掃描儀 TM專題制圖儀 ETM+增強(qiáng)型專題制圖儀6紅外掃描儀7當(dāng)旋轉(zhuǎn)棱鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一個(gè)鏡面對(duì)地面橫越航線方向掃視一次，在掃

2、描視場(chǎng)內(nèi)的地面輻射能，由刈幅的一邊到另一邊依次進(jìn)人傳感器經(jīng)探測(cè)器輸出視頻信號(hào)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(yīng)于地面掃描視場(chǎng)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(lái)接著第二個(gè)掃描鏡面掃視地面，由于飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，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。依次下去，就得到一條與地面范圍相應(yīng)的二維條帶圖像。instantaneous field of view;IFOV定義：在掃描成像過(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?qū)?yīng)的視場(chǎng)角度掃描成像過(guò)程當(dāng)旋轉(zhuǎn)棱鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一個(gè)鏡面對(duì)地面橫越航線方向掃視一次，在掃描視場(chǎng)內(nèi)的地面輻射能，由刈幅的一邊到另

3、一邊依次進(jìn)人傳感器，經(jīng)探測(cè)器輸出視頻信號(hào)，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(yīng)于地面掃描視場(chǎng)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(lái)。接著第二個(gè)掃描鏡面掃視地面，由于飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，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。依次下去，就得到一條與地面范圍相應(yīng)的二維條帶圖像。8紅外掃描儀的分辨率9紅外掃描儀的瞬時(shí)視場(chǎng)d：探測(cè)器尺寸（直徑或?qū)挾龋籪:掃描儀的焦距紅外掃描儀垂直指向地面的空間分辨率H: 航高 在儀器設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，所以對(duì)于一個(gè)使用著的傳感器，其地面分辨率的變化只與航高有關(guān)。航高大，a0值自然就大，則地面分辨率差。10：掃描角 ：航高：地面分辨率：

4、平行于航行方向地面分辨率：垂直于航行方向地面分辨率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)生畸變，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。11溫度分辨率溫度分辨率與探測(cè)器的響應(yīng)率R和傳感器系統(tǒng)內(nèi)的噪聲N有直接關(guān)系紅外系統(tǒng)的噪聲等效溫度限制在0.1 0.5K之間，系統(tǒng)的溫度分辨率一般為等效噪聲的26倍。12掃描線的銜接13當(dāng)掃描鏡的某一個(gè)反射鏡面掃完一次后，第二個(gè)反射鏡面接著重復(fù)掃描，飛機(jī)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(guān)系式來(lái)確定。假定旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描一次的時(shí)間為t，一個(gè)探測(cè)器地面分辨率為a，若要使

5、兩條掃描帶的重疊度為零，但又不能有空隙，則必須W為飛機(jī)的地速：將出現(xiàn)掃描漏洞：將出現(xiàn)掃描重疊瞬時(shí)視場(chǎng)和掃描周期都為常數(shù)，所以只要速度w與航高H之比為一常數(shù)，就能使掃描線正確銜接，不出現(xiàn)條紋圖像。熱紅外像片的色調(diào)特征 14熱紅外像片上的色調(diào)變化與相應(yīng)的地物的輻射強(qiáng)度變化成函數(shù)關(guān)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(gè)因素成相應(yīng)關(guān)系。圖3-5 紅外像片熱紅外掃描儀對(duì)溫度比對(duì)發(fā)射本領(lǐng)的敏感性更高，因?yàn)樗c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 MSS（Multispectral Scanner）由

6、掃描反射鏡、校正器、聚光系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)快門、成像板、光學(xué)纖維、濾光器和探測(cè)器等組成。15掃描反射鏡掃描反射鏡是一個(gè)表面鍍銀的橢圓形的鈹反射鏡，長(zhǎng)軸為33cm，短軸為23cm。當(dāng)儀器垂直觀察地面時(shí)，來(lái)自地面的光線與進(jìn)入聚光鏡的光線成90。掃描鏡擺動(dòng)的幅度為2.89，擺動(dòng)頻率為13.62Hz，周期為73.42ms，它的總觀測(cè)視場(chǎng)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(lái)自景物的輻射能量，配合飛行器的往前運(yùn)行獲得地表的二維圖像。16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(duì)孔徑為3.6。

7、反射鏡組的作用是將掃描鏡反射進(jìn)入的地面景物聚集在成像面上。17成像板成像板上排列有 242個(gè)玻璃纖維單元，按波段排列成四列，每列有 6個(gè)纖維單元，每個(gè)纖維單元為掃描儀的瞬時(shí)視場(chǎng)的構(gòu)像范圍，由于瞬時(shí)視場(chǎng)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。18探測(cè)器探測(cè)器的作用是將輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。它的數(shù)量與成像板上的光學(xué)纖維單元的個(gè)數(shù)相同，所使用的類型與響應(yīng)波長(zhǎng)有關(guān)，MSS-4-6采用18個(gè)光電倍增管，MSS-7使用6個(gè)硅光電二極管，Landsat-2,3的MSS8采用2個(gè)汞鎘碲熱敏感探測(cè)器。其致冷方式采用輻射致冷器致冷。經(jīng)探測(cè)器檢波后輸出的模擬信號(hào)進(jìn)入模

8、數(shù)變換器進(jìn)行數(shù)字化，再由發(fā)射機(jī)內(nèi)調(diào)制器調(diào)制后向地面發(fā)送或記錄在寬帶磁帶記錄儀上。19MSS成像過(guò)程 掃描儀每個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)為86rad，衛(wèi)星高為915km，因此掃貓瞬間每個(gè)像元的地面分辨率為 79m x 79m，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(chǎng)為 11.560，地面寬度為185km，因此掃描一次每個(gè)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(shí)間里衛(wèi)星往前正好移動(dòng)474m，因此掃描線恰好銜接。202122自西往東

9、對(duì)地面的有效掃描時(shí)間為33ms，即在33ms內(nèi)掃描地面的寬度為185km，按以上寬度計(jì)算，每9.958 s內(nèi)掃描鏡視軸僅在地面上移動(dòng)了56m，因此采樣后的MSS像元空間分辨率為56m x 79m （Landsat-4為68m x 83m）。采樣后對(duì)6bit進(jìn)行編碼,24路輸出共需144bit，都在9.958S內(nèi)生成，反算成每個(gè)字節(jié)（6bit）所需的時(shí)間為0.3983S（其中包括同步信號(hào)約占0.3983S) ，每個(gè)bit為0.0664S，因此，bit每個(gè)像元（每個(gè)信道的一次采樣）采用速率約為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

10、率饋入天線向地面發(fā)送。MSS產(chǎn)品粗加工產(chǎn)品，它是經(jīng)過(guò)了輻射校準(zhǔn)（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(chǔ)上，用地面控制點(diǎn)進(jìn)行了糾正（去除了系統(tǒng)誤差和偶然誤差)特殊處理產(chǎn)品。23TM專題制圖儀24TM專題制圖儀 Landsat-4/5上的TM（Thematic Mapper）是一個(gè)高級(jí)的多波段掃描型的地球資源敏感儀器，與多波段掃描儀MSS性能相比，它具有更高的空間分辨力，更好的頻譜選擇性，更好的幾何保真度，更高的輻射準(zhǔn)確度和分辨力。 TM中增加一個(gè)掃描改正器，使掃描行垂直于飛行軌道（MSS掃描不垂直于飛行軌道），另外使往返

11、雙向都對(duì)地面掃描（MSS僅僅從西向東掃描時(shí)收集圖像數(shù)據(jù)，從東向西時(shí)，關(guān)閉望遠(yuǎn)鏡與地面之間的光路）。25TM專題制圖儀 TM的探測(cè)器共有100個(gè)，分七個(gè)波段，采用帶通濾光片分光，濾光片緊貼于探測(cè)器陣列的前面。探測(cè)器每組16個(gè)，呈錯(cuò)開排列。 TM14用硅探測(cè)器（即CCD探測(cè)陣列） TM5和TM7各用16個(gè)銻化銦紅外探測(cè)器 TM6用4個(gè)汞鎘碲熱紅外探測(cè)器，成兩行排列 TM15及TM7每個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)在地面上為3030；TM6為120120。 攝影瞬間16個(gè)探測(cè)器（TM6為4個(gè)）觀測(cè)地面的長(zhǎng)度為480m，掃描線的長(zhǎng)度仍為185km，一次掃描成像為地面的480m185km。26圖3-12 TM探測(cè)器

12、陣列圖TM成像過(guò)程27TM成像過(guò)程28TM各波段特征29ETM+增強(qiáng)型專題制圖儀波段號(hào)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 7SWIR 2.090-2.35 30m 8Pan0.520-0.9015m30TM、MSS、ETM+的比較31MSS掃描方向不垂直于飛行方向，去掃回不掃，存在全景變形，24+2個(gè)玻璃纖維單元，5個(gè)波段：綠色、紅色、兩個(gè)

13、紅外波段、一個(gè)熱紅外波段。分辨率：80m（79m、83m）；熱紅外：120120m。TM中增加了一個(gè)掃描改正器，使掃描行垂直于飛行軌道，往返雙向都對(duì)地掃描，存在全景變形， 探測(cè)器共100個(gè)（166+4），分7個(gè)波段：藍(lán)、綠、紅、三個(gè)紅外波段、一個(gè)熱紅外波段。分辨率：3030m；熱紅外：120120m。ETM+：輻射定標(biāo)精度提高，輻射校正有了很大改進(jìn)。8個(gè)波段，增加了PAN（全色）波段，分辨率15m，遠(yuǎn)紅外波段為60m。MSS、TM、ETM+的比較MSSTMETM+掃描方向不垂直于飛行方向，去掃回不掃，存在全景變形增加了一個(gè)掃描改正器，使掃描行垂直于飛行軌道，往返雙向都對(duì)地掃描，存在全景變形輻射

14、定標(biāo)精度提高，輻射校正有了很大改進(jìn)24+2個(gè)玻璃纖維單元，5個(gè)波段：綠色、紅色、兩個(gè)紅外波段、一個(gè)熱紅外波段探測(cè)器共100個(gè)（166+4），分7個(gè)波段：藍(lán)、綠、紅、三個(gè)紅外波段、一個(gè)熱紅外波段8個(gè)波段，增加了PAN（全色）波段分辨率：80m（79m、83m）；熱紅外：240240m分辨率：3030m；熱紅外：120120m分辨率15m；遠(yuǎn)紅外波段：60m323.1.2 對(duì)像面掃描的成像儀 HRV線陣列推掃式掃描儀 33SPOT上的HRV 多光譜型的HRV 三個(gè)波譜段，每個(gè)波譜段的線陣列探測(cè)器組由3000個(gè)CCD元件組成。每個(gè)元件形成的像元地面分辨率為2020m。因此一行CCD探測(cè)器形成的圖像線

15、，相對(duì)地面上為2060km。波段1：0.5 0.59m波段2：0.61 0.68m波段3：0.79 0.89m全色的HRV 由6000個(gè)CCD元件組成一行。地面上總的視場(chǎng)寬度仍為60km，因此每個(gè)像元地面的大小為10m10m。波段范圍：0.510.73m34立體觀測(cè)方式HRV平面反射鏡可繞指向衛(wèi)星前進(jìn)方向的滾動(dòng)軸(x)軸旋轉(zhuǎn)，從而在不同的軌道間實(shí)現(xiàn)立體觀測(cè)HRG通過(guò)側(cè)擺可在不同軌道上形成異軌立體HRS由前視后視相機(jī)組成，形成同軌立體353.1.3 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。通過(guò)將傳統(tǒng)的空間成像技術(shù)和地物光譜技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地區(qū)同時(shí)獲取幾

16、十個(gè)到幾百個(gè)波段的地物反射光譜圖像?；旧蠈儆诙喙庾V掃描儀，其構(gòu)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。 3637光譜分辨率對(duì)水鋁礦反射光譜的影響3839403.2雷達(dá)成像儀41發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)接收機(jī)天線顯示器距離信息：圖3-19 脈沖式雷達(dá)的一般結(jié)構(gòu)3.2雷達(dá)成像儀特點(diǎn)主動(dòng)式遙感雷達(dá)信號(hào)（距離、方位、相對(duì)速度、反射特性）穿透特性分類真實(shí)孔徑雷達(dá)(Radar)合成孔徑雷達(dá)(SAR)相干雷達(dá)(INSAR)激光雷達(dá)(LIDAR:Light detection and ranging ) 激光雷達(dá)技術(shù)復(fù)雜、研制周期長(zhǎng)，設(shè)備昂貴，因此要發(fā)展它不僅需要有關(guān)

17、的高級(jí)專門人才，還要有雄厚的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。 42雷達(dá)接收到的回波強(qiáng)度是系統(tǒng)參數(shù)和地面目標(biāo)參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)： 雷達(dá)波的波長(zhǎng) 發(fā)射功率 照射面積和方向 極化等地面目標(biāo)參數(shù)與地物的復(fù)介電常數(shù)、地面粗糙度等4344PolarizationPolarizationTransmit Receive Together V H VH H V HV V V VV H H HH45極化信息提高目標(biāo)識(shí)別效果的機(jī)理就是增加了通道數(shù)量，也就是增加了信息來(lái)源。原來(lái)的一幅SAR圖像只能是單一極化通道得到的，如果能得到HH、HV、VH和VV四個(gè)極化通道的SAR圖像，就能得到每個(gè)散射單元的極化散射矩陣，可以研究散射單元的極

18、化散射特性。不同的地貌極化散射特性不同。3.2.1 真實(shí)孔徑雷達(dá)46真實(shí)孔徑雷達(dá)分辨率47地距分辨率：斜距分辨率：脈沖寬度：俯角方位分辨率：波瓣角；R： 斜距。：波長(zhǎng)成正比D: 天線孔徑3.2.2 合成孔徑雷達(dá)基本思想：用一個(gè)小天線作為單個(gè)輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動(dòng)。在移動(dòng)中選擇若干個(gè)位置，在每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)信號(hào)，接收相應(yīng)發(fā)射位置的回波信號(hào)貯存記錄下來(lái)。存貯時(shí)同時(shí)保存接收信號(hào)的幅度和相位。 4849合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar - SAR)特點(diǎn)：在距離向上，采用脈沖壓縮(與真實(shí)孔徑雷達(dá)相同)在方位上，采用合成孔徑原理合成孔徑基于多普勒效應(yīng)（Doppl

19、er effect）當(dāng)目標(biāo)與觀測(cè)者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率不同，二者之差為多普勒頻移。互相接近時(shí)，頻率增加，遠(yuǎn)離時(shí)頻率減少。比較真實(shí)孔徑雷達(dá)天線的長(zhǎng)度是實(shí)際長(zhǎng)度，雷達(dá)波的發(fā)射和接收都是以其自身有效長(zhǎng)度的效率直接反映到顯示紀(jì)錄中；合成孔徑雷達(dá)用一個(gè)小天線作為單個(gè)輻射單元 ，記錄每個(gè)反射信號(hào)。真實(shí)孔徑天線在一個(gè)位置上接收目標(biāo)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(hào)。真實(shí)孔徑天線接收目標(biāo)回波后，好像物鏡那樣聚合成像；合成孔徑天線對(duì)同一目標(biāo)的信號(hào)不是在同一時(shí)刻得到，在每一個(gè)位置上都要記錄一個(gè)回波信號(hào)。 50SAR的方位分辨率51合成后天線孔徑為：SAR方位分

20、辨率：由于雙程相移：合成孔徑雷達(dá)的方位分辨力與距離無(wú)關(guān)，只與實(shí)際使用的天線孔徑有關(guān) 方位分辨率定義：52真實(shí)孔徑雷達(dá)：合成孔徑雷達(dá)：3.2.3 側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征 斜距投影 53側(cè)視雷達(dá)圖像在垂直飛行方向（y）的像點(diǎn)位置是以飛機(jī)的目標(biāo)的斜距來(lái)確定，稱之為斜距投影。圖像點(diǎn)的斜距算至地面距離為：幾何特點(diǎn)垂直于飛行方向的比例尺變形壓縮與拉長(zhǎng)高差產(chǎn)生的投影差雷達(dá)立體圖像的構(gòu)像特點(diǎn)54垂直于飛行方向的比例尺55表示為：考慮到實(shí)測(cè)的斜距是按 比例尺縮小為影像，因此在側(cè)視方向上的比例尺為：560，比例尺大90，比例尺小垂直飛行方向（y）的比例尺由小變大變形壓縮與拉長(zhǎng)57造成山體前傾，朝向傳感器的山坡影像

21、被壓縮,而背向傳感器的山坡被拉長(zhǎng)(與中心投影相反),還會(huì)出現(xiàn)不同地物點(diǎn)重影現(xiàn)象。58Geometric Distortions in RADAR高差產(chǎn)生的投影差59高差產(chǎn)生的投影差與中心投影影像投影差位移的方向相反，位移量也不同。時(shí)， 大于0，反之為負(fù)。投影差改正：雷達(dá)立體圖像的構(gòu)像特點(diǎn)從不同攝站對(duì)同一地區(qū)獲取的雷達(dá)圖像也能構(gòu)成立體影像。由于是側(cè)視，所以同一側(cè)或異側(cè)都能獲取和構(gòu)成立體像對(duì)。對(duì)同側(cè)獲取的雷達(dá)圖像立體對(duì)，由于高差引起的投影差與中心投影片方向相反；如果按攝影位置放置像片進(jìn)行立體觀測(cè)，看到的將是反立體圖像；將左右立體圖像換位放置，看到的是正立體。603.2.4 INSARINSAR就是利用SAR在平行軌道上對(duì)同