第3讲遥感成像原理课件.ppt

Part 3 遥感成像原理,摄影成像扫描成像微波遥感,摄影成像,摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。传统摄影依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。数字摄影则通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号来记录物体的影像。,摄影成像,摄影机 摄影机是成像遥感最常用的传感器，可装载在地面平台、航空平台以及航天平台上，有分幅式和全景式摄影机之分。,摄影成像,摄影机分幅式摄影机 一次曝光得到目标物一幅像片，镜头分常角（视场角50o70o）、宽角（视场角70o105o）和特宽角（视场角105o135o），同平台高度下，视场角愈大，地面覆盖范围愈大。焦距 f小于 100 mm为短焦距， 100200 mm为中焦距，大于 200 mm为长焦距。航空摄影相机的焦距在 150 mm左右。航天摄影机的焦距需要大于300 mm，甚至大于 1000mm。,分幅式摄影机成像示意图,摄影成像,摄影机分幅式摄影机 对可见光遥感，摄影机外壳只需是不透光材料，如金属、人造革、塑料等。对红外摄影，则只能用金属材料。镜头则需根据摄取的波段选择材料，不同材料透过波长的上限不同。,摄影成像,摄影机全景摄影机 -又称扫描摄影机。依结构和工作方式可分为缝隙式摄影机和镜头转动式摄影机。,缝隙式摄影机又称航带摄影机，通过焦平面前方设置的与飞行方向垂直的狭缝快门获取横向的狭带影像。,摄影成像,镜头转动式全景摄影机有两种工作方式，一种是转动镜头的物镜，狭缝设在物镜筒的后端，随着物镜筒的转动，在后方向弧形胶片上聚焦成像。,摄影成像,镜头转动式全景摄影机的另一种是用棱镜镜头转动、连续卷片成像。,摄影成像,全景摄影机焦距较长（可超过 600 mm），可在长23 cm（航向），宽 l28 cm（横向）的胶片上成像，主要用于军事侦察。通常的遥感探测和制图则大都采用分幅式摄影。,摄影成像,摄影机多光谱摄影机 可同时直接获取可见光和近红外范围内若干个分波段影像。有三种类型：多相机组合型、 多镜头组合型和光束分离型。,多相机组合型:是将几架相机同时组装在一个外壳上，每架相机配置不同的滤光片和胶片，以获取同一地物不同波段的影像,摄影成像,摄影机多光谱摄影机 多镜头组合型:是在同一架相机上装置多个镜头，配以不同波长的滤光片，在一张大胶片上拍摄同一地物不同波长的影像。,光束分离型:是用一个镜头，通过二向反射镜或光栅分光，将不同波段在各焦平面上记录影像。,摄影成像,摄影机数码摄影机 成像原理与一般摄影机同，结构也类似。所不同的是其记录介质不是感光胶片，而是光敏电子器件。,摄影像片的几何特征,摄影机从飞行器上对地摄影时，根据摄影机主光轴与地面的关系，可分为垂直摄影和倾斜摄影。 垂直摄影 摄影机主光轴垂直于地面或偏离垂线在3o以内。取得的像片称水平像片或垂直像片。航空摄影测量和制图大都是这类像片。,摄影像片的几何特征,倾斜摄影 摄影机主光轴偏离垂线大于3o，取得的像片称倾斜像片。全景摄影成像时，镜头垂直飞行器下方航带中心线时为垂直摄影，其余状态下均为倾斜摄影。倾斜摄影时，主光轴偏离垂线角度愈大，影像畸变也愈大，给图像纠正带来困难，不利于制图。但有时为了获取较好的立体效果且对制图要求不高，也采用倾斜摄影。,摄影像片的几何特征,垂直摄影像片的几何特征像片的投影：常用的大比例尺地形图属于垂直投影或近垂直投影，而摄影像片却属于中心投影。 中心投影与垂直投影的区别 表现为三个方面：（1）投影距离的影响（2）投影面倾斜的影响（3）地形起伏的影响,垂直投影 中心投影,摄影像片的几何特征,（1）投影距离的影响：垂直投影图像的缩小和放大与投影距离无关，并有统一的比例尺。中心投影则受投影距离（遥感平台高度）影响，像片比例尺与平台高度H和焦距f有关。（2）投影面倾斜的影响：当投影面倾斜时，垂直投影的影像仅表现为比例尺有所放大，像点相对位置保持不变。在中心投影的像片上比例关系有显著的变化，各点的相对位置和形状不再保持原来的样子。,摄影像片的几何特征,（3）地形起伏的影响 垂直投影时，随地面起伏变化，投影点之间的距离,与地面实际水平距离成比例缩小，相对位置不变。中心投影时，地面起伏越大，像片上投影点水平位置的位移量就越大，产生投影误差。这种误差有一定的规律。,摄影像片的几何特征,中心投影的透视规律： 在中心投影的像片上，各种物体的形状不同及其所处的位置不同，其变形的情况也各不相同。了解不同形状物体在中心投影影像上的变形规律，对解译和制图是必要的。（1）地面物体是一个点，在中心投影上仍然是一个点。如果有几个点同在一投影线上，它的影像便重叠成一个点。,（2）与像面平行的直线，在中心投影上仍然是直线，与地面目标的形状基本一致。例如地面上有两条道路以某种角度相交，反映在中心投影像片上也以相应的角度相交。如果直线垂直于地面（如电线杆），其中心投影有两种情况：一是当直线与像片垂直并通过投影中心（主光轴）时，该直线在像片上是一个点；二是直线的延长线不通过投影中心，这时直线的投影仍然是直线，但其长度和变形情况则取决于目标在像片中的位置。近像片中心，直线的长度被缩短，在像片边缘，直线的长度被夸大。,摄影像片的几何特征,中心投影的透视规律（3）平面上的曲线，在中心投影的像片上仍为曲线。（4）面状物体的中心投影相当于各种线的投影的组合。水平面的投影仍为一平面。垂直面的投影依其所处的位置而变化，当位于投影中心时，投影所反映的是其顶部的形状，呈一直线；在其他位置时，除其顶部投影为一直线外，其侧面投影成不规则的梯形。,摄影像片的几何特征,像片的比例尺 即像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比。图中像片上的a、b两点是地面上A、B两点的投影。ab:AB即为像片的比例尺。H为摄影平台的高度；f为摄影机的焦距。 通常f可以在像片的边缘或相应的影像资料中找到，H由摄影部门提供。,比例尺=ab:AB=f:H,摄影像片的几何特征,像点位移 在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺变化外，还会引起平面上的点位在像片位置上的移动。其位移量就是中心投影与垂直投影在同一水平面上的“投影误差”。,r：像点到像主点的距离,r,摄影像片的几何特征,由 可以看出：位移量与地形高差h成正比 位移量与像主点的距离r成正比位移量与摄影高度（航高）H成反比,扫描成像,扫描成像是依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬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。其探测波段可包括紫外、红外、可见光和微波波段。成像方式有三种：光/机扫描成像固体自扫描成像高光谱成像,光/机扫描成像,光学机械扫描成像系统，一般在扫描仪的前方安装光学镜头，依靠机械传动装置使镜头摆动，形成对目标地物的逐点逐行扫描。扫描仪是由一个四方棱镜、若干反射镜和探测元件所组成。四方棱镜旋转一次，完成四次光学扫描。入射的平行波束经四方棱镜的两个反射面反射后，被分成两束，每束光经平面反射后，又汇成一束平行光投射到聚焦反射镜，使能量汇聚到探测器的探测元件上。探测元件把接收到的电磁波能量能转换成电信号，在磁介质上记录或再经电/光转换成为光能量，在设置于焦平面的胶片上形成影像。探测元件需要根据目标地物和大气透过程度来确定。进行不同的波段的探测，需采用不同的扫描探测元件。如红外敏感元件，可探测人眼不可见的目标地物的红外辐射。,光/机扫描成像,多光谱扫描仪光学系统原理图,光/机扫描成像,光机扫描的几何特征取决于它的瞬时视场角和总视场角。瞬时机场角：扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接收到的目标地物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角，即扫描仪的空间分辨率。 总视场角：扫描带的地面宽度称总现场。从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角，也叫总扫描角。 进行扫描成像时，总视场角不宜过大，否则图像边缘的畸变太大。通常在航空遥感中，总视场角取70o120o。由于扫描仪的扫描角是固定的，因此遥感平台的高度越大，所对应的地面总视场也就愈大。,光/机扫描成像,光机扫描仪可分为单波段和多波段两种。多波段扫描仪的工作波段范围很宽，从近紫外、可见光至远红外都有。扫描镜在机械驱动下，随遥感平台（飞机、卫星）的前进运动而摆动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描反射镜反射，并经透镜聚焦和分光分别将不同波长的波段分开，再聚焦到感受不同波长的探测元件上。,微波遥感与成像,在电磁波谱中，波长在1mm1m的波段范围称微波。该范围内又可再分为毫米波、厘米波和分米波。在微波技术上，还可将厘米波分成更窄的波段范围，并用特定的字母表示 微波遥感是指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。,微波遥感与成像,微波遥感的特点能全天候、全天时工作 可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可克服夜障，但不能穿透云雾。因此，当地表被云层遮盖时，无论是可见光遥感还是红外遥感均无能为力。地球表面有4060的地区常年被云层覆盖，平均日照时间不足一半，尤其是海洋上更是如此。 按瑞利散射原理，散射的强度与-4成正比。由于微波的波长比红外波要长得多，因而散射要小得多，所以与红外波相比，在大气中衰减较少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本上不受烟、云、雨、雾的限制。,微波遥感的特点,对某些地物具有特殊的波谱特征 许多地物间，微波辐射能力差别较大，因而可以较容易地分辨出可见光和红外遥感所不能区别的某些目标物的特性。例如，在微波波段中，水的比辐射率为0.4，而冰的比辐射率为0.99，在常温下两者的亮度温度相差 100 K，很容易区别，而在红外波段，水的比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92，两者相差甚微，不易区别。,比辐射率：亮度温度与绝对温度之比,微波遥感的特点,对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力 该特性可用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标，以及埋藏于地下的工程、矿藏、地下水等。对海洋遥感具有特殊意义 微波对海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。,微波遥感的特点,分辨率较低，但特性明显 微波传感器的分辨率一般都比较低，这是因为其波长较长，衍射现象显著的缘故。要提高分辨率必须加大天线尺寸。其次，观测精度和取样速度往往不能协调。欲保证精度就需要有较长的积分时间，取样速度就要降低，通常是以牺牲精度来提高取样速度的。此外，地球表面的地物温度大多在200300K，峰值波长都落在红外波段，因此红外波段的辐射量要比微波大几个数量级。然而，由于微波的特殊物理性质，使红外测量精度远不及微波，也要差几个数量级。因此，总的说来，红外和微波遥感各有优缺点。,微波遥感方式与传感器,微波遥感分有源（主动）和无源（被动）两大类。主动微波遥感:是指通过向目标地物发射微波并接收其后向散射信号来实现对地观测的遥感方式。主要传感器是雷达。此外，还有微波高度计和微波散射计。雷达（Radar，Radio Direction And Range） 意为无线电测距和定位。其工作波段大都在微波范围，少数也利用其他波段，例如利用红外波段工作的红外雷达，还有利用激光器作发射波源的激光雷达。按照雷达的工作方式可分为成像雷达和非成像雷达。成像雷达中又可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达。,微波遥感方式与传感器,雷达是由发射机通过天线在很短时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。不同物体，回波信号的振幅、位相不同，故接收处理后，可测出目标地物的方向、距离等数据。根据“多普勒效应”雷达还可以用来测定运动的目标物体。目标反射回波由于受到运动的影响，频率会发生改变，该频率变化与目标物体运动的速度成正比。地物对微波的反射能力取决于本身的性质和形状。金属和各种良导体的反射能力强。这是由于导体中具有自由电子，微波可迫使这些自由电子做强烈的振动，使导电物体表面产生与探测波同频率的交流电波，从而使地物获得了向周围空间再辐射的能力。因此，微波在大气中很少散射而能很好地透过。,微波遥感方式与传感器,由于微波具有极化特性，在垂直方向和水平方向的反射强度是不同的。微波反射还与地物的形状、大小有很大关系。所发射的波长越短，反射能力越强。发射波长大于物体的长度时，会产生绕射。表面光滑的地物产生镜面反射，表面粗糙的则产生漫反射。微波反射的这些特性，是利用雷达成像和判别不同地物的基础。侧视雷达（Side Looking Radar） 其天线不是安装在遥感平台的正下方，而是与遥感平台的运动方向形成角度，朝向一侧或两侧倾斜安装，向侧下方发射微波，接收回波信号。波束向侧下方发射可使不同地形显示出更大的差别，使雷达图像更具有立体感。,微波遥感方式与传感器,机载侧视雷达的工作原理,微波遥感方式与传感器,侧视雷达的分辨力可分为距离分辨力和方位分辨力。距离分辨力,A、B距离及C、D距离均为20米,为脉冲宽度C为波速,俯角越大，距离分辨力低。,微波遥感方式与传感器,方位分辨力Pa ： 雷达发射的微波向四面八方辐射，呈花瓣状，称波瓣，但以一个方向为主，称为主瓣，其他方向辐射能小，形成副瓣，其中角称波瓣角。要使雷达的方向性精确，就要尽量增大主瓣功率和减少波瓣角。波瓣角与雷达发射的微波波长成正比与雷达的天线孔径D成反比：=/DPa=(/D)R R为距目标地物的距离。,可见，发射波长越短、天线孔径越大、距离目标地物越近，则方位分辨力越高,微波遥感方式与传感器,这种以实际孔径天线进行工作的侧视雷达，称真实孔径侧视雷达。要提高这种雷达的方位分辨力，只有加大天线孔径、缩短探测距离和工作波长。但实现这些要求在技术上有一定困难。例如，波长为3cm的雷达，其天线孔径 4 m，在200 km高的卫星轨道上对地面进行探测，方位分辨力为 1.5 km。若要求方位分辨力达到3 m，以便分辨出公路上的汽车，天线孔径就要求2000m。这样长的天线，无论对机载和星载都是不可能采用的。 要解决上述问题，有两个途径：一是采用脉冲压缩技术，以缩短发射波长；二是用合成孔径天线代替真实孔径天线以缩短天线孔径 。,微波遥感方式与传感器,合成孔径侧视雷达：利用遥感平台的前进运动，将一个小孔径的天线安装在平台的侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨力的雷达。 要用小孔径雷达天线代替大孔径雷达天线，通常采用若干小孔径天线组成阵列，即把一系列彼此相连、性能相同的天线，等距离地布设在一条直线上，利用它们接收窄脉冲信号，以获得较高的方位分辨力。天线阵列的基线愈长，方向性愈好。 遥感平台在匀速前进运动中，以一定的时间间隔发射一个脉冲信号，天线在不同位置上接收回波信号，并记录和贮存下来。将这些在不同位置上接收的信号合成处理，得到与真实天线接收同一目标回波信号相同的结果。这样，就使一个小孔径天线，起到了大孔径天线的同样作用。,微波遥感方式与传感器,被动微波遥感 通过传感器，接收来自目标地物发射的微波，而达到探测目的的遥感方式，称被动微波遥感。被动接收目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计。被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微波散射计。这两种传感器均不成像。,遥感图像的特征,目标地物,传感器,遥感图像,遥感图像处理,目标地物的大小、形状及空间分布,目标地物的属性特点,目标地物的变化动态特点,几何特征,物理特征,时间特征,空间分辨率,光谱分辨率辐射分辨率,时间分辨率,空间分辨率,图像的空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。,波谱分辨率,是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。间隔愈小，分辨率愈高。不同波谱分辨率的传感器对同一地物探测效果有很大区别。成像光谱仪在可见光至红外波段范围内，被分割成几百个窄波段，具有很高的光谱分辨率，从其近乎连续的光谱曲线上，可以分辨出不同物体光谱特征的微小差异，有利于识别更多的目标，甚至有些矿物成分也可被分辨。 传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果。,辐射分辨率,是指传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。某个波段遥感图像的总信息量Im与空间分辨率（以像元数n表示）与辐射分辨率（以灰度量化级D表示）有关，以bit为单位，可表达为 Im nlog2D在多波段遥感中，遥感图像总信息量还取决于波段数k。k个波段的遥感图像的总信息量为A:图像对应的地面面积；P：图像的空间分辨率,时间分辨率,时间分辨率指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。遥感的时间分辨率范围较大。以卫星遥感来说，静止气象卫星（地球同步气象卫星）的时间分辨率为 1次/0.5小时；太阳同步气象卫星的时间分辨率 2次天；Landsat为1次16天；中巴（西）合作的CBERS为1次26天等。还有更长周期甚至不定周期的。时间分辨率对动态监测尤为重要，天气预报、灾害监测等需要短周期的时间分辨率，故常以“小时”为单位。植物、作物的长势监测、估产等需要用“旬”或“日”为单位。而城市扩展、河道变迁、土地利用变化等多以“年”为单位。总之可根据不同的遥感目的，采用不同时间分辨率。,作业,如何评价遥感图像的质量？摄影像片的几何特征微波遥感的特点,