[信息与通信]3 遥感成像原理与遥感图像特征.ppt

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1、第三章 遥感成像原理与遥感图像特征,本章主要内容遥感平台遥感图像特征遥感卫星系列遥感传感器成像原理,第节 遥感平台,遥感平台：搭载遥感传感器的工具。按平台距地面的高度分三类：地面平台、航空平台和航天平台。,1.遥感平台,置于地面和水上装载传感器的固定或可移动的装置，包括三角架、遥感塔、遥感车和遥感船等，用于近距离地物光谱测量和拍摄地物细节影像，高度在100m以下。三角架：0.752.0m，放置地物光谱仪、辐射计、分光光度计等地物光谱测试仪器。遥感塔：610m固定高度，用于固定目标综合光谱的测量和进行动态监测。遥感车、船：高度可变化，测定地物波谱特性、取得地面图像；遥感船除了对水面进行遥感外，可

2、以对海底进行遥感。,地面遥感平台,悬浮在海拔80Km以下大气（对流层、平流层）中的遥感平台，包括飞机和气球。飞机：按高度可分为低空平台、中空平台和高空平台。低空平台：2Km以内，获取大、中等比例尺航空遥感图像。中空平台：2-6Km，获取中、小比例尺航空遥感图像。高空平台：12-30Km，军用飞机或无人机，在对流层以上。气球：低空气球：发送到对流层及以下高度的气球；高空气球：发送到平流层中去的气球，可上升到12-40Km的高空。填补了高空飞机升不到，低轨卫星降不到的不足。,航空遥感平台,特点:飞行高度低、地面分辨率高、机动灵魂、不受地面条件限制、调查周期短、资料回收方便等。,航空摄影遥感,航天遥

3、感平台,位于海拔80Km以上的遥感平台。包括：高空探测火箭:300400km，可在好天气短时间的发射和回收，小范围地区遥感，代价高、获取资料有限。宇宙飞船（双子星座系列、阿波罗系列、天空实验室、礼炮号轨道站、和平号空间站等）优点：负载容量大,可带多种仪器进行多种试验,资料回收方便 缺点：飞行时间短（7-30天）、飞越同一地区上空重复率低航天飞机：根据携带遥感器与否分两种类型遥感卫星：根据高度和使用寿命分三种类型,特点:宏观、综合、动态、快速的对地观测,低高度、短寿命卫星：150-350Km，高空间分辨率，军事侦察中高度、长寿命卫星：350-1800Km，3-5年，陆地/海洋/气象高高度、长寿命

4、卫星：3600Km左右，寿命更长，通讯/气象,遥感卫星运行轨道,开普勒三大定律开普勒第一定律（椭圆定律）：所有行星轨道均为一椭圆，太阳位于椭圆的二焦点之一上；卫星轨道也为一椭圆（圆形轨道只是椭圆轨道的一个特例）。地球位于椭圆两焦点之一上。轨道离地最近的点叫近地点，反之为远地点。,开普勒第二定律（面积定律）：行星的向径（行星至太阳的连线）在相等的时间内扫过相等的面积；卫星的向径（卫星至地心的连线）也遵循这一规律。也就是说，卫星在离地球近的地方运行速度要快些，在离地球远的地方运行速度要慢些。,C为开普勒常数，取值2.757310-8 min2/km3；T为运行周期；a为轨道半长轴；R为平均地球半径

5、；H为卫星离地球的高度。,开普勒第三定律（周期定律）：行星公转的周期的平方与它轨道半长轴的立方成正比。同样，卫星绕地球的运行周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比。,或,空间分辨率 光谱分辨率 时间分辨率 辐射分辨率,第2节 遥感图像特征,一、遥感图像的空间分辨率（Spatial resolution）图像的空间分辨率指图像一个像素所代表地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。,对于摄影成像的图像，空间分辨率Rg 取决于航高H、摄影机焦距f 以及由胶片分辨率和摄影机镜头分辨率共同构成的系统分辨率Rs。,Rg为空间分辨率，单位：线对/米H为摄影机距地面高度，单位：米Rs为系

6、统分辨率，单位：线对/毫米F为摄影机焦距，单位：毫米,Landsat MSS(80m),Landsat TM(30m),SPOT 全色(10m),IKONOS 多光谱(4m),IKONOS 1:10,000,TM 1:250,000,研究区位置,MODIS 1:1,000,000,空间分辨率的三种表示法：,(1)像元(pixe1)，指瞬时视域内所对应的地面面积，即与一个像元大小相当的地面尺寸，单位为米(m)。如LandsatTM一个像元相当地面28.5m28.5m的范围，简称空间分辨率30m。像元是扫描影像的基本单元，是成像过程或用计算机处理时的基本采样点。,(2)线对数(Line Pairs

7、)对于摄影系统而言，影像最小单元的确定往往通过l毫米间隔内包含的线对数，单位为线对/毫米(1/mm)。所谓线对指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗条对。,(3)瞬时视场(IFOV)：指遥感器内单个探测元件的受光角度或观测视野，单位为毫弧度(mrad)。IFOV越小，最小可分辨单元(可分像元)越小，空间分辨率越高。一个瞬时视场内的信息，表示一个像元。,二、遥感图象的光谱分辨率（Spectral Resolution）,光谱分辨率：指传感器在接受目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小，光谱分辨率愈高。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。传感器的波段选择必须考虑目

8、标的光谱特征值。,水铝矿不同光谱分辨率的光谱曲线,Spectral reflectance curvesSpectral signatures,分波段记录的遥感图像，可以构成一个多维向量空间，空间的维数就是采用的波段数。如：选用3个波段构成一个三维特征空间。图像上的一个像元，在各波段上均有一个光谱数值aij,bij,cij(i,j分别为该像元的行、列号),每个像元在各波段的图像数据(亮度值)构成一个多维向量，它们对应于多维空间上的一个点，用Xij向量表示：,相同类型的地物则形成空间中的点集，不同类型的地物构成空间上不同的点集遥感图像分类、模式识别的实质就是选择有效的判别函数来区分这些不同的点集

9、，也就是把不同类型的目标区别开来。,三、遥感图像辐射分辨率（Radiometric Resolution）,辐射分辨率：指传感器接收光谱信号时能分辨率的最小辐射差。实际上是对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力。当信号功率大于等效噪声功率NEP能显示出信号；大于或等于等效噪声功率26倍时能分辨出信号。对于热红外图像，以等效噪声温度替代等效噪声功率。一般用图像灰度的分级数2n来表示，即最暗最亮 灰度值(亮度值)间分级的数目量化级数D，因此，每个像元所包含的最大信息量(位，byte)为log2D。,某个波段遥感图像的信息量Im由空间分辨率(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bi

10、t为单位，可表达为：,在多波段遥感图像总信息量还取决波段数k。k个波段的遥感图像的总信息量Is为：,其中A为图像所对应的地面面积，P为图像的空间分辨率。,对一定的传感器，空间分辨率和辐射分辨率是一对矛盾体，要提高空间分辨率，则要减小瞬时视场，探测器接收的辐射能随之减少，辐射分辨率降低。,有效的量化级数，一般由动态范围和信噪比S/N所确定。动态范围：指遥感器可测量的最大信号与最小信号之比。所谓最大信号指在此值以外无论输入多强的信号，也无响应变化的饱和区；所谓最小信号指在此值以外输入的弱信号无响应的感应区；仅在动态范围内，输入与输出信号几乎呈线性关系 信噪比S/N：指有效信号(signal)与噪声

11、(noise)之比，即信号功率与噪声功率之比。为了实用方便，信噪比常定义为信号均方根电压和噪声均方根电压之比，单位均为分贝(dB)。,时间分辨率：指对同一地点进行采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。是由卫星的轨道高度、轨道倾角、运行周期、轨道间隔、偏移系数等参数决定。,多时相遥感信息可以提供目标变量的动态变化信息，用于资源、环境、灾害的监测、预报，并可以根据地物目标不同时期的不同特征，提高目标识别能力和精度；并为更新数据库提供根本保证。,四、遥感图像时间分辨率（Temporal Resolution）,静止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

12、；Landsat为1次/16天；中巴资源卫星CBERS为1次/26天等。,第3节 遥感卫星系列,气象卫星系列 海洋卫星系列 陆地卫星系列高空间分辨率卫星系列高光谱卫星系列,一、气象卫星系列,三个明显阶段：,第代气象卫星：20世纪60年代 第二代气象卫星：1970-1977年 第三代气象卫星：1978年以后，以NOAA为代表。,NOAA系列卫星：,采用近极地太阳同步近圆形轨道，双星系统，轨道高度分别为870km和833km，轨道倾角98.9和98.7，观测周期为一天2次，携带5种遥感传感器：高分辨率红外辐射探测仪HIRS(High Resolution Infrared Sounder)平流层探

13、测装置SSU(Stratosphere Sounding Unit)微波探测装置MSU（Microwave Scanner Unit）数据采集系统DCS（Data Collection System）空间环境监测器SEM(Space Environmental Monitor),NOAA/AVHRR改进型高分辨率辐射仪,AVHRR共5个波段(0.58-12.5m)：CH1 可见光红波段，0.58-0.68m；CH2 近红外波段，0.725-1.1m；CH3 中红外波段，3.55-3.93m；两个热红外波段，CH4 10.5-11.3m和CH5 11.5-12.5m。NOAA-K以后新增1.58

14、-1.68m(3A)，重点用于云、雪区分及下垫面研究，它与原CH3(后改3B)交替工作，3A白天、3B夜间。AVHRR的空间分辨率，星下点为1.1km，远离星下点处约为4km。,我国风云系列卫星：,极地轨道太阳同步气象卫星：1988年9月：发射第一颗极轨气象卫星FY-1A；1990年9月：发射第二颗极轨气象卫星FY-1B；1999年5月：发射第三颗极轨气象卫星FY-1C；2002年5月：发射第四颗极轨气象卫星FY-1D；2008年5月：发射第五颗极轨气象卫星FY-3A。卫星重950Kg，平均功耗256W，轨道高度为8635km、轨道倾角为98.80.1、降交点地方时为8:53（目前FY-1D的

15、降交点地方时为7:40左右），有可见、近红外和热红外共10通道。,FY-1号卫星传感器通道指标,我国风云系列卫星：,第一代静止业务气象卫星（FY-2号）,分成两个批次进行研制和发射：01批共发射两颗卫星，FY-2A、FY-2B星，分别于1997年6月和2000年6月成功发射。02批发射三颗卫星，为FY-2C、FY-2D、FY-2E星。FY-2C星是02批气象卫星的首发星，是我国的第一颗业务型静止气象卫星，2004年10月19日成功发射，在轨业务运行。,我国风云系列卫星：,我国风云系列卫星：,FY-2号卫星传感器通道指标,我国未来风云系列卫星：,我国第二代极轨气象卫星(FY-3)：计划分两批发射

16、，试用星2颗，业务星6颗。01批卫星为试验卫星，命名为FY-3A和FY-3B；02批卫星为业务星，分为上午星和下午星：FY-3C、FY-3E、FY-3G调整为上午星，FY-3D、FY-3F、FY-3H调整为下午星。携带仪器除了可见光和红外扫描辐射计，增加了微波温度计，微波湿度计、微波成像仪、红外分光计、中分辨率光谱成像仪MERSI、紫外臭氧垂直探测仪、紫外臭氧总量探测仪、太阳辐照监测仪、地球辐射探测仪、空间环境监测器等。,我国第二代静止气象卫星（FY-4）：计划发展光学和微波两种类型，命名为FY-4-EAST和FY-4-WEST。,FY3A 中分辨率光谱成像仪MERSI,2、气象卫星特点,轨道

17、：分低轨和高轨；短周期重复观测；成像面积大，有利于获得宏观同步信息；资料来源连续、实时性强、成本低；,3、气象卫星应用,天气分析与气象预报；气候变迁研究；资源环境应用；,二、海洋卫星系列,根据海洋不同用途，将海洋卫星大体可以分成三类：海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋动力环境卫星。,1)第一代水色传感器（CZCS）沿岸带水色扫描仪CZCS(Coastal Zone Color Scanner)是搭载在Nimbus-7卫星上的第一个实验性水色遥感传感器。该星1978年10月25日由美国航空航天局 发射。CZCS主要目的是获取世界大洋表层浮游植物叶绿素的数量和分布情况。CZCS有四个可见光通道；一个

18、近红外通道，主要用于大气修正；一个中红外通道，主要用于反演水温。轨道高度955Km、过境时间为正午，重返周期6天、空间分辨率825m。,Nimbus-7卫星,1、海洋水色卫星,第一代水色传感器CZCS,2）第二代水色传感器（SeaWiFS、MODIS、HY-2/COCTS）,SeaWiFS是搭载在美国SeaStar卫星上的海洋宽视场水色扫描仪(Sea-viewing Wide-Field-of-view Sensor)，于1997年9月发射。与CZCS相比在波段设置上有很大改进，尤其是两个近红外波段，从而使得色素反演精度大大提高。SeaWiFS共设置了6个可见光通道，中心波长分别为412,44

19、3,490,510,555,670nm，和2个近红外通道，中心波长分别为765,865nm。,卫星高度705Km、过境时间为正午，空间分辨率 LAC1.13km，GAC 4.50km，重返周期1天。,SeaStar卫星,1-6波段间隔为20 nm，7-8间隔为40 nm；,SeaStar/SeaWiFS传感器,MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)是搭载在美国极轨地球观测系统EOS-Terra(降交点I0:30am)和EOS-Aqua(升交点13:30pm)上的中分辨率成像光谱仪，分别于1999年12月和2002年5月成功发射。

20、MODIS传感器是当前世界上新一代的高性能光学遥感仪器，具有36个光谱通道，海洋水色通道集中在8-16波段。一天2次能得到MODIS数据。,TERRA卫星,MODIS性能参数,我国海洋系列卫星HY-1A、B：,海洋一号（HY-1A、B）卫星是中国第一代用于海洋水色探测的试验型业务卫星。星上装载两台遥感器，一台是10波段的海洋水色扫描仪COCTS，另一台是4波段的海岸带成像仪CCD。分别于2002年5月 和2007年4月发射成功。太阳准同步近圆形极地卫星、轨道高度798km、降交点地方时10:3030min，重返周期：海洋水色扫描仪3天（HY-1A）或 1天（HY-1B）海岸带成像仪CCD7天；

21、空间分辨率分别为1100m和250m。,观测要素和区域实时观测区：渤海、黄海、东海、南海及海岸带区域等；主要探测要素：叶绿素、悬浮泥沙、可溶有机物及海洋表面温度等,十波段海洋水色扫描仪（COCTS）,四波段CCD成像仪,日本的ADEOSOCTS(0.4-12.5m，10波段，空间分辨率700m)；印度的IRS/P3MOS-IRS(德)(0.4-16.5m，13波段，空间分辨率1.1km)；中国台湾的Rocsat-1OCI(0.4-0.9m，6波段，空间分辨率800m)等。,其它水色卫星,2、海洋地形卫星,主要用于探测海表面拓扑，即海平面高度的空间分布。此外，还可探测海冰、有效波高、海面风速和海

22、流等。美法合作于1992年8月发射的TOPEX/Poseidon卫星和GFO卫星是目前最精确的海洋地形探测卫星。此外，美国EOS计划将于2002年和2007年发射搭载雷达高度计Laser ALT-1和ALT-2的卫星,用于精确测量陆表和冰面地形。,3、海洋动力环境卫星,主要用于探测海洋动力环境要素，如海面风场、浪场、流场、海冰等，此外，还可获得海洋污染，浅水水下地形、海平面高度信息。主要卫星有日本JERS-1卫星、欧空局 ERS卫星、欧空局 ENVISAT卫星等。,JERS-1日本宇宙开发事业团于1992年发射。星上传感器为合成孔径雷达SAR。卫星参数：太阳同步轨道赤道上空高度：568.023

23、公里半长轴：6946.165公里轨道倾角：97.662度 轨道重复周期：44天经过降交点时间：10：30-11：00空间分辨率：方位方向18米；距离方向18米扫描幅宽：75公里,日本JERS-1卫星,日本JERS-1卫星,欧空局的ERS-1 ERS-2卫星 分别于1991年和1995年发射。携带有多种有效载荷，包括侧视合成孔径雷达（SAR）和风向散射计等装置。,卫星参数：椭圆形太阳同步轨道轨道高度：780公里半长轴：7153.135公里轨道倾角：98.52度飞行周期：100.465分钟每天运行轨道数：14-1/3降交点的当地太阳时：10：30幅宽：100公里空间分辨率：方位方向30米；距离方向

24、26.3米,ERS系列卫星,ERS系列卫星,ENVISAT-1卫星,ENVISAT卫星是欧空局的对地观测卫星系列之一，于2002年3月1日发射升空，卫星上载有多种传感器，分别对陆地、海洋、大气进行观测。,ENVISAT-1卫星,卫星参数,2、海洋卫星特点,全天候、全天时探测；半球或全球范围内探测；定性、定量探测；光谱波段细、探测器接收灵敏；,三、陆地卫星系列,美国陆地卫星（Landsat）,轨道为与太阳同步的近极地圆形轨道，保证北半球中纬度地区获得中等太阳高度角(25-30)的上午成像，如Landsat 4、5轨道高度705km，轨道倾角98.2（基本垂直对地观测），卫星由北向南运行，地球自西

25、向东旋转，卫星每天绕地球14.5圈，每天在赤道西移2752km，每16天重复覆盖一次，穿过赤道的地方时为9：45分，覆盖地球范围N81-S81.5。,Landsat-7外观,美国陆地卫星遥感系统,传感器MSS光谱通道,传感器TM光谱通道,2.法国斯波特卫星（Spot）,由瑞典、比利时、意大利等国家参加，由法国国家空间研究中心(CNES)设计制造的。运用了线性阵列传感器和推扫式扫描技术，具有旋转式平面镜，可获得倾斜图像面，使它具有倾斜观察能力和立体成像能力。轨道是太阳同步圆形近极地轨道，轨道倾角98.2，轨道高度830 km左右，覆盖周期是26天。,SPOT外观,法国SPOT卫星系统,3.日本A

26、STER数据,ASTER是美国NASA（宇航局）与日本METI（经贸及工业部）合作并有两国的科学界、工业界共同参与的项目。它是搭载Terra卫星上的一种高级光学传感器，包括了从可见光到热红外共14个光谱通道，可以为多个相关的地球环境资源研究领域提供科学、实用的卫星数据。Terra卫星的主要参数：轨道：太阳同步，降交点时刻10:30 am；卫星高度：705公里；轨道倾角：98.20.15；重复周期：16天（绕地球233圈/16天）；扫描幅宽：60公里,传感器ASTER光谱通道,4.日本陆地观测卫星ALOS,先进对地观测卫星ALOS是JERS-1与ADEOS的后继星,2006年1月24日发射。采用

27、先进的陆地观测技术,能够获取全球高分辨率陆地观测数据,主要应用目标为测绘、环境观测、灾害监测、资源调查等领域，ALOS卫星载有三个传感器：全色立体测绘仪(PRISM)、高性能可见光与近红外辐射计-2(AVNIR-2)、相控阵型L波段合成孔径雷达(PALSAR)。,ALOS卫星技术参数,三个传感器性能参数,PALSAR传感器光谱模式,5.印度RESOURCESAT1(IRS-P6)资源卫星,印度资源卫星发展历程：1988年3月印度首颗第一代遥感卫星IRS1A发射成功；1991年8月发射IRS1B卫星，分辨率分别为72m和36m；1995年和1998年分别发射了第二代遥感卫星IRS1C/1D，分辨

28、率为23.5m和5.8m全色；2003年10月发射了首颗第三代遥感资源卫星IRSP6，分辨率为23.5m、56m和5.8m多光谱；2005年将发射第三代遥感制图卫星IRSP5，分辨率为2.5m同轨立体像对。,IRS-P6 卫星,IRS-P6卫星参数,IRS-P6传感器性能参数,6.中国资源卫星（CBERS）,1999年10月14日由中国和巴西合作发射我国的第一颗数字传输型资源卫星CBERS-01，2003年10月21日发射第二颗卫星CBERS-02，2007年9月19日发射第三颗卫星CBERS-02B。卫星参数：太阳同步轨道，轨道高度778 公里，倾角98.5，相邻轨道间隔时间为4 天，扫描带

29、宽度为185 公里。每天绕地球飞行14 圈，平均降交点地方时为上午10：30，卫星重访周期为26 天。星上搭载了CCD 传感器、红外多光谱扫描仪IRMSS、宽视场成像仪WFI，高分辨率相机HR（2B星）。,CBERS卫星外观,资源一号卫星传感器的基本参数,1999年9月24日美国空间图像公司的IKONOS卫星发射成功并投入商业运行，标志着高分辨率遥感卫星的应用从此拉开序幕。IKONOS卫星主要特点是可获取1m分辨率的全色图像和4m分辨率的多光谱图像，可广泛用于测图、资源调查、灾害防治与管理等众多领域，是构筑“数字地球”的基础数据源之一。,1.美国高分辨率商业卫星IKONOS,四、高空间分辨率卫

30、星系列,IKONOS主要技术参数,轨道：太阳同步，710km降交点时：10：30AM波段：全色，0.450.90 m，分辨率1m 多光谱，0.450.52 m，分辨率4m 0.520.60 m，分辨率4m 0.600.69 m，分辨率4m 0.760.90 m，分辨率4m侧视：侧视角45幅宽：11km重复观测周期：最短3天（1米分辨率：2.9天，4米分辨率:1.5天）,上海香港,IKONOS遥感图像,2001年10月19日美国“数字全球”公司发射成功，2002年2月起开始提供商业图像。,卫星参数：,轨道：高度450km,周期98分钟,降交点地方时10:30幅宽：16.5km定位精度：水平方向优

31、于23m，垂直方向优于17m空间分辨率：全色，星下点0.61m；多光谱，星下点2.5m光谱段：全色，450900 nm；多光谱，450520、520600、630690、760890 nm,2.美国高分辨率商业卫星快鸟QuickBird,北京故宫,上海东方明珠,自由女神像,五角大楼,QuickBird遥感图像,3.美国高分辨率商业卫星OrbView-3,ORBIMAGE公司的OrbView-3卫星是世界上最早提供高分辨率影像的商业卫星之一。OrbView-3提供1米分辩率的全色影像和4米分辩率的多光谱影像。1米分辩率的影像能够清晰的看到地面上的房屋，汽车和停机坪上的飞机，并能生成高精度的电子地

32、图和三维飞行场景。4米多光谱影像提供了彩色和近红外波段的信息，可以从高空中更深入的刻画城市、乡村和未开发土地的特征。,OrbView-3卫星参数,OrbView-3卫星遥感影像,1米全色 London 4米多光谱 Midway Islands,4.WorldView,来源：美国分辨率：全色0.50m 多光谱4m幅宽：17.6公里快速重访周期：1天数据构成：全色 多光谱（8个波段）纹理、波谱信息丰富 应用面广，最适合于城市,WorldView 全色图像,高分辨率卫星影像获取能力,QuickBird 全色+4个多光谱波段WorldView-1 全色波段WorldView-2 全色+8个多光谱波段,

33、5.台湾高分辨率福卫二号卫星,2004年5月21日在美国加利福尼亚范登堡空军基地发射成功。,韩国木浦市2米全色韩国木浦市8米多光谱,台湾福卫二号卫星遥感影像,五、高光谱遥感卫星系列,EO-1 上搭载的高光谱遥感器HYPERION 是新一代航天成像光谱仪的代表，卫星高度705km，空间分辨率为30 米，扫描幅宽7.5km，在0.4-2.5m 共有220 波段，光谱分辨率10nm，其中在可见光-近红外(400-1000nm)范围有60个波段，在短波红外(900-2500nm)范围有160 波段。,1、HYPERION,美国2000 年7 月发射的MightSat-II 卫星上搭载的傅立叶变换高光谱

34、成像扫描仪（Fourier Transform Hyperspectral Imager，FTHSI），是干涉成像光谱仪的成功典范。由于MightSat-II出色的性能和成功运行，其研究组获得了美国空军研究实验室（AFRL）的“司令杯团体奖”和“空间运载工具董事会年度团体奖”。欧空局（European Space Agency）2001 年10 月成功发射了一颗PROBA 小卫星，该星搭载了紧凑型高光谱成像扫描仪(CHRIS)，CHRIS 的地面采样间隔为18m，幅宽为14Km。在400-1050nm 之间光谱分辨率为11nm，波段数19-62个。,2、其它高光谱遥感卫星,1)遥感传感器的摄影

35、成像2）遥感传感器的扫描成像3）微波遥感与成像,第4节 遥感传感器成像原理,传感器的基本组成：,收集器：收集目标物发射或反射的电磁辐射能，并把它们进行聚集，送往探测系统。基本的收集元件有透镜组、反射镜组、天线等。对于多波段遥感，收集系统包含色散和分光的元件，如滤光片、棱镜、光栅、分光镜、滤色镜等。,探测器：测量和记录接收到的辐射能，并转变为化学能或电能。探测的元件有感光胶片、光敏感元件、热敏感元件、固体敏感元件和波导。,处理器：对探测器收集到的化学能或电能等信号进行加工处理。对感光胶片在暗室进行显影、定影、放大成影像；对电信号需要进行电光转化，在荧光屏上显示图像。,输出器：输出获得的图像、数据

36、。输出的方式：摄影胶片、合成孔径雷达的波带片、在荧光屏上显示、磁带记录仪、扫描晒相仪、电视显像管等。,（一）摄影成像,摄影机及其成像特性摄影像片的几何特性摄影胶片的物理特性,一、摄影机及其成像特性,摄影是早期遥感最常用的技术，目前有两种方式：传统摄影依靠光学镜头及其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。,摄影机主要有镜头、镜箱、暗盒三部分及附加装置组成，有分幅式和全景式摄影机。,1、分幅式摄影机：一次曝光得到一幅影像.,主要由收集器(物镜)和探测器(感光胶片)组成，暗盒、快门、光圈及机械传动装置等。自动暴光控制装备

37、；自动卷片；时间控制器。镜头：常角（视场角5070）、宽角（视场角70105）和 特宽角（视场角105135）；焦距：小于100mm短焦距，100200mm为中焦距，大于200 mm 为长焦距，航空摄影用150mm左右、航天 300mm；像幅：通常有230230mm和180180mm，小幅 6060mm，大幅230460mm；外壳：可见光遥感需要不透光材料、红外遥感需要金属材料；通常的遥感探测和制图主要采用分幅式摄影机。如 RMKA 30/23摄影机：f:305.18mm,像幅：230230mm；H:250km;1/m:1:82万;4-6s暴光一次。,2、全景式摄影机（扫描摄影机）,全景摄影机

38、焦距较长(可超过600 mm)，可在长23cm(航向)，宽128cm(横向)的胶片上成像，主要用于军事侦察。按结构和工作方式分：缝隙式摄影机和镜头转动式摄影机。缝隙式摄影机（航带摄影机）：通过焦平面前方与飞行方向垂直的狭缝快门获取横向的狭带影像。,镜头转动式摄影机有两种工作方式：物镜筒的后端有狭缝，转动镜头的物镜，在后方的弧形胶片上聚焦成像(图a)；转动棱镜镜头、能够连续卷片成像(图b)。,3、多光谱摄影机,可同时获取可见光和近红外范围内若干个波段影像，分三种类型：多相机组合型：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(a)多镜头组合型：在同

39、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(b)；光束分离型：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(c)；,4、数码摄影机,记录介质不是感光胶片，而是光敏电子器件，如CCD（电荷耦合器件Charge Coupled Device）。成像原理和结构都与普通摄影机相同。,5、摄影机成像特性,在整个摄像机中，镜头是最重要的部件，由一组复合透镜组成的光学系统，通过对光线的折射和会聚作用，使焦平面的感光胶片成像。,透镜成像原理,1）物镜成像的性质所有光线通过透镜都要发生折射，唯有通过透镜中心的光线不折射；所有从物方来的平行于主光

40、轴的光线，经透镜折射后交于透镜后焦点F2，所有通过前焦点F1的光线，经透镜折射后平行于主光轴；物距D、像距d和焦距f三者的关系(透镜公式)为：1/f=1/D+1/d,2）物镜的相对孔径和透光率物镜的相对孔径：光孔直径d与焦距f之比，即d/f；物镜的透光力D：与光孔直径的平方成正比、与焦距的平方成反比，D=d2/f2K(d/f)2KK为透光系数，由物镜射出的光线亮度/进入物镜光线亮度。,3）物镜的分辨率/解像力 反映了物镜对被摄物体的表达能力，用线对/毫米表示，即焦平面上1mm的宽度范围内，能够构成相互平行、间隔相等、彼此不连的线条数。,4）物镜的构像误差 由于光线中各色光的折射率不同、透镜中间

41、和边缘部分的折射率不同、受光线入射角和透镜结构等因素的影响，使得光线通过透镜后不能会聚于同一焦点，造成构像变形、影像模糊，这就是构像误差。,二、摄影像片的几何特征,1、摄影方式,根据摄影机主光轴与地面的关系，分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3以内，像片为水平或垂直像片，航空摄影测量和制图都属这类。倾斜摄影：摄影机主光轴偏离垂线大于3，像片为倾斜像片。倾斜摄影时，主光轴偏离垂线角度愈大，影像畸变也愈大，图像纠正困难，不利于制图，但立体效果好。,垂直摄影 倾斜摄影,2、摄影像片,负片：指曝光的感光胶片在暗室经显影、定影、水洗、晾干后，得到与目标黑白相反的像片。正片

42、：将像纸和负片接触印像（或放大机印放），即通过药面对药面进行曝光，再经过显影、定影、水洗、烘干，得到与负片黑白相反，与目标明暗相应的像片。,3、像片的几何特征,（1）像片的投影,垂直投影：当一束通过空间点的平行光垂直相交于一平面时，其交点为空间点的垂直投影或正射投影。中心投影：当空间任意点与某一固定点连成的直线(或延长线)被一平面所截，则直线与平面的交点称空间点的中心投影。常用的大比例尺地形图属于垂直投影，而摄影像片属于中心投影。,中心投影,垂直投影,中心投影与垂直投影的区别：,投影距离的影响：对垂直投影无关，对中心投影有（比例尺会发生改变）；投影面倾斜的影响：对垂直投影仅表现为比例关系的改变

43、，像点相对位置保持不变(图a)；对中心投影不仅影响比例关系，像点间的相对位置和形状都发生改变(图b)。,地形起伏的影响：,投影面倾斜的影响,地面起伏变化对垂直投影点相对位置不变，地形起伏越大，中心投影点水平位移量越大。,地形起伏的影响,中心投影的透视规律：,点状地物：中心投影为一个点，若几个点同在一投影线上，为重叠的点。线状地物：与像面平行的直线或曲线，中心投影后仍为直线或曲线；若是垂直地面的线状地物，当直线与像片垂直且通过投影中心时，则投影后为一个点；当直线的延长线不通过投影中心时，投影后仍为直线，但其长度和变形情况取决于在像片中的位置。面状地物：水平面的投影仍为一平面；对于垂直面，当位于投

44、影中心时只能反映其顶部形状，为一直线；当位于其它位置时投影为不规则的梯形。,（2）像片的比例尺,像片上两点之间的距离与相应地面上两点实际距离之比。假设像片上的a、b两点是地面上A、B两点的投影，H为摄影平台的高度，f为摄影机的焦距，当地形平坦、镜头主光轴垂直地面时，像片比例尺大小1/m取决于H和f：,像片的比例尺,因为SabSAB,在不知道航高情况下，求得像片比例尺：,已知某一地面目标的大小，通过量测像片上的影像来计算像片的比例尺：,例：已知某河流宽度为20 m，在像片上量得宽度为0.5cm，,利用摄影区的地形图来计算像片的比例尺：先在像片上和地形图上找到两个同名地物点，然后分别在像片上和地形

45、图上量算其长度。已知的地形图的比例尺为1:50000，在地形图上量得AB两点的长度为3.5cm，则AB的实际长度为3.550000=175000cm，在像片上量得相应ab两点的长度为7 cm。,则像片的比例尺为：,则像片比例尺为：,（3）像点位移,对于中心投影，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，这种现象称为像点位移。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”。,地形起伏引起的像点位移,aa0和bb0分别为地面A、B两点在像片中的位移量。,式中：为位移量；h为地面高差；H为摄影高度；r为像点到像主点的距离。,由此可以得出：（1）位移量与地形

46、高差h成正比，即高差越大引起像点位移量越大。当高差为正值（地形凸起），为正值，像点位移背离像主点，相反，为负值，像点位移朝向像主点。（2）位移量与像主点的距离r成正比，即距像主点越远，像点位移量越大。（3）位移量与摄影高度H成反比，即摄影高度越大，地形起伏引起的位移量越小。,例：地球卫星轨道高度H700 km，当像片大小为1818cm（r=9cm）时，像点的地面高差1000m，其位移量约0.13mm。,4、航摄质量的评定,影像质量：要求影像清晰、色调一致、反差适中；反差系数0.5 1.3，灰雾度D00.3；阴影、云影不大；底片无损伤、斑痕、霉点、虚模影像等。飞行质量：,（1）像片重叠度：相邻像

47、片相同影像的重叠，为重叠长度与像片边长之比。同一航线上相邻像片的重叠，称航向重叠，相邻航线之间两相邻像片的重叠，称旁向重叠。,航空摄影一般要求：航向重叠度为60，最小不少于53；旁向重叠度为30，最小不少于15。,航向重叠60%,旁向重叠30-20%,航向,Strip 3,Strip 2,Strip 1,单片摄影,（2）像片倾斜角：在摄影曝光的一瞬间，像片面与水平面的夹角，一般要求小于2，最大不得超过3。（3）航线弯曲度：整条航线长度L与最大弯曲的矢距之比。一般要求航线弯曲度不超过3。（4）像片旋角（航偏角）：相邻像片两像主点的连线 与航线方向像幅上两框标连线之间的夹角，一般要求不超过5，最大

48、不超过5。（5）底片压平质量：由压平线进行检查。一般要求压平线弯曲不得大于0.050.10mm。,框标,压平线,压平线：像片四边井字形直线叫压平线，其弯曲度说明摄影时感光胶片未压平而产生的影像变形情况。.,5、航摄像片的立体观察,（1）航片立体观察的条件：两张相邻且具有一定重叠的像对；两眼各看一张像片；像片安放时，像主点的连线必须与眼基线平行，且两像片距离要适中；两像片比例尺要一致，最大不超过16。（2）航片立体观察的工具：立体观察的仪器：立体镜、互补色镜和偏振镜。,（3）航片立体观察的步骤：确定像片方位线：两像片像主点的连线；安置航片：将像片安置在立体镜下时，像对方位线位于一直线，并平行眼基

49、线，距离适中；镜下观察：在立体镜下移动两像片的距离，使同一地物的两像点融合为一体，获得立体感觉。,（4）航片立体观察的效应：正立体效应：像对影像重叠部分向内，左像片放左，右像片放右，得到与实物相似的立体模型；负立体效应：像对影像重叠部分向外，左右像片对调，或左右像片各旋转180，得到与实物远近左右相反的立体模型；零立体效应：将像对向同一方向旋转，使两像片方位线与眼基线成90，得到一平面图。立体夸大：观察到的模型比实物要大，主要是由于立体模型垂直比例尺大于水平比例尺。,三、摄影胶片的物理特性,（1）感光胶片的结构和成分,感光胶片的结构,保护层：保护乳剂层少受擦伤和刮痕。乳剂层：胶片的最主要部分，

50、由卤化银和明胶组成，此外还有增感剂和防止产生灰雾的药剂。卤化银以晶粒状态悬浮在明胶中，电磁辐射使胶片上的卤化银颗粒分解，析出的银颗粒多少反映了光照的强弱。明胶是一种透明色的动物蛋白，为卤化银的分布介质，不具感光性，起支持作用。,中间层：在乳剂层和片基之间的一层胶结物质，主要是使乳剂层能牢固地粘合在片基上。片基：乳剂层的载体，常用的材料为玻璃、硝酸纤维、醋酸纤维和纸。目前主要以三醋酸纤维素酯为片基，研究试验中用聚酯和聚碳酸酯作片基，因为其强度大、柔和性好、吸水膨胀小、尺寸稳定性好、耐寒性好等优点。防光晕层：是一层吸光物质。当乳剂层感光时，光在卤化银颗粒表面散射，使周围的颗粒也感光，结果产生散射光