遥感成像原理与遥感成像特征.ppt

扫描成像：依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场角为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射的特性信息，形成一定谱段的图像。探测波段：紫外、红外、可见光和微波波段.成像方式：一是光/机扫描成像，二是固体自扫描成像，三是高光谱成像光谱扫描。3.3 扫描成像13.3 扫描成像光光/机扫描成像机扫描成像 光学一机械扫描（简称光机扫描）成像系统，一般在扫描仪的前方安装可转动的光学镜头，并依靠机械传动装置使镜头摆动，形成对地面目标的逐点逐行扫描。扫描镜在机械驱动下，随遥感平台的前进运动而摆动，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。遥感器光谱分辨率依赖于不同分光器和探测元件，其辐射分辨率取决于探测元件的灵敏度。在光机扫描所获得的影像中，每条扫描带上影像宽度与图像地面分辨率分别受到总视场和瞬时视场的影响。2瞬时视场角：扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射，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视场。从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。总视场(FOV)是遥感器能够受光的范围，决定成像宽度。瞬时视场角(IFOV)决定了每个像元的视场。一般说来，瞬间视场角对应的地面分辨单元是一个正方形，该正方形是瞬间视场角对应的地表面积。严格说来，光机扫描中瞬间视场角对应的每个像元是个矩形。光机扫描成像时每一条扫描带都有一个投影中心，一幅图象由多条扫描带构成，因此遥感影像为多中心投影。每条扫描带上影像的几何特征服从中心投影规律，在航向上影像服从垂直投影规律。33.3 扫描成像光光/机扫描成像机扫描成像探测元件响应波长/工作温度/K光电倍增管硅光二极管锗光二极管锑化铟（InSb）碲镉汞(HgCdTe)硫化铅（PbS）锗掺汞(Ge:Hg)0.4-0.750.53-1.091.12-1.732.1-4.753-58-142-68-13.577室温77室温7743.3 扫描成像光光/机扫描成像机扫描成像A：扫描镜B：探测元件C：IFOV瞬时视场角D：地面分辨率E：总视场角（10-200航天）F：扫描带宽5几种光机扫描一仪1、红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。2、多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。3、专题制图仪TM：专题制图仪TM的成像原理与MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提高到30米；探测波段由4个增加到7个。特点：利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法。输出的电学图象数据，存储、传输和处理方面十分方便。但装置庞杂，高速运动使其可靠性差；在成像机理上，存在着目标辐射能量利用率低的致命弱点。63.3 扫描成像光光/机扫描成像机扫描成像实例（实例（MSS）MSS MSS 具具有有4 4个个光光谱谱通通道道。LandsatLandsat 1-51-5均均用用了了MSSMSS，其其中中除除LandsatLandsat 3 3采用采用5 5个波段外，其余均用个波段外，其余均用可见光可见光可见光可见光-近红外近红外近红外近红外4 4个波段。个波段。（1 1）MSS4MSS4：0.50.50.60.6微米，微米，为蓝绿波段为蓝绿波段（2 2）MSS5MSS5：0.60.60.70.7微米，为橙红波段微米，为橙红波段（3 3）MSS6MSS6：0.70.70.80.8微米，为红、近红外波段微米，为红、近红外波段（4 4）MSS7MSS7：0.80.81.11.1微米，为近红外波段微米，为近红外波段 73.3 扫描成像光光/机扫描成像机扫描成像实例（实例（MSS）MSS-4MSS-583.3 扫描成像光光/机扫描成像机扫描成像实例（实例（MSS）MSS-6MSS-793.3 扫描成像光光/机扫描成像机扫描成像实例（实例（MSS）MSS Band 4=Blue MSS Band 5=Green MSS Band 7=Red 103.3 扫描成像固体自扫描成像（推帚式扫描仪）固体自扫描成像（推帚式扫描仪）1、固体自扫描是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。2、电子藕合器件CCD：是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件。具有感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、灵敏度高、动耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点。3、扫描方式上具有刷式扫描成像特点。探测元件数目越多，体积越小，分辨率就越高。电子藕合器件CCD逐步替代光学机械扫描系统。113.3 扫描成像高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪）高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪）成像光谱仪是遥感领域中的新型遥感器，它把可见光、红外波谱分割成几十个到几百个波段，每个波段都可以取得目标图像，同时对多个目标图像进行同名地物点取样，取样点的波谱特征值随着波段数愈多愈接近于连续波谱曲线。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术称为成像光谱技术，按该原理制成的遥感器称为成像光谱仪。高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图象是多达数百个波段的非常窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、近红外、中红外和热红外区域全部光谱带。光谱仪成像时多采用扫描式和推帚式，可以收集200或200以上波段的收据数据。使图象中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般传统的成像谱光仪在波段之间存在间隔。主要应用于高光谱航主要应用于高光谱航空遥感，在航天遥感领域高光谱也开始应用空遥感，在航天遥感领域高光谱也开始应用12总总 结结摄影成像扫描成像波谱范围光谱分辨率多光谱获取方式数据记录方式投影方式可见光+近红外相对低多个镜头胶片、数字中心投影可见光+近红外+热红外相对高单镜头，分光数字多中心投影133.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波波段划分微波波段划分143.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波遥感的特点：1、能全天候、全天时工作2、对某些地物具有特殊的波谱特征：在微波波段，水的比辐射率为0.4，冰的比辐射率为0.99；而在红外波段，水的比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92。3、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。4、对海洋遥感具有特殊意义：适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测 5、分辨率较低，但特性明显。153.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波遥感方式：主动和被动微波遥感方式：主动和被动163.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类主动方式被动方式1、雷达（侧视雷达）：成像2、微波高度计：不成像3、微波散射计：不成像1、微波辐射计：成像2、微波散射计：不成像173.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类微波散射计：测量地物的散射或反射特性微波散射计：测量地物的散射或反射特性微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。得知地表高度变化，海浪的高度等参数。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。183.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类微波辐射计微波辐射计 微波辐射计主要用于探测地面各点的微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度亮度温度并生成并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力,其其发射强度与自身的亮度温度有关。通过发射强度与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信扫描接收这些信号并换算成对应的亮度温度图号并换算成对应的亮度温度图,对地面物体状况的探测很对地面物体状况的探测很有意义。有意义。亮度温度是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。193.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类侧视雷达侧视雷达 侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面向垂直的侧面,发射一个窄的波束发射一个窄的波束,覆盖地面上这一侧面覆盖地面上这一侧面的一个条带的一个条带,然后接收在这一条带上地物的反射波然后接收在这一条带上地物的反射波,从而从而形成一个图像带。随着飞行器前进形成一个图像带。随着飞行器前进,不断地发射这种脉冲不断地发射这种脉冲波束波束,又不断地接收回波又不断地接收回波,从而形成一幅一幅的雷达图像。从而形成一幅一幅的雷达图像。雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。分目标的不同部位。20合成孔径雷达合成孔径雷达 合成孔径雷达与侧视雷达类似合成孔径雷达与侧视雷达类似,也是在飞机或卫星平台上由传感也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元分成许多小单元,每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。置不同，记录的回波相位和强度都不同。目的：提高图象在飞行方向的分辨率。目的：提高图象在飞行方向的分辨率。3.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类213.4 微波遥感与成像微波遥感与成像侧视侧视雷达工作原理雷达工作原理 雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。被天线接收。由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。间不同。22遥遥感感平平台台向向前前飞飞行行，天天线线发发射射和和接接收收雷雷达达脉脉冲冲交交替替进进行行；在在波波束束宽宽度度范范围围内内，地地面面不不同同的的地地物物由由于于距距离离不不同同而而在在不不同同的的时时间间反反射射回回波波。反反射射回回波波的的信信号号记记录录一一条条图图象象扫扫描描线线。返回的信号被天线接收并记录下来返回的信号被天线接收并记录下来3.4 微波遥感与成像微波遥感与成像侧视侧视雷达工作原理雷达工作原理233.4 微波遥感与成像微波遥感与成像侧视侧视雷达工作原理雷达工作原理有关术语有关术语A：飞行方向；飞行方向；B：天底方向天底方向E：方位向；方位向；D：距离向；距离向；C：扫描宽度扫描宽度243.4 微波遥感与成像微波遥感与成像侧视侧视雷达工作原理雷达工作原理有关术语有关术语A入射角;B视角;C斜距;D地距;俯角253.4 微波遥感与成像微波遥感与成像侧视侧视雷达工作原理雷达工作原理有关术语有关术语A:近射程（near range）;B:远射程（far range）263.4 微波遥感与成像微波遥感与成像侧视侧视雷达工作原理雷达工作原理距离分辨力距离分辨力Pg在在侧视方向的分辨率侧视方向的分辨率距离分辨率距离分辨率 Pg=c /2sin 脉冲持续期（脉冲宽度），脉冲持续期（脉冲宽度），视角，视角，c光速光速q越大（俯角（越大（俯角（90-）越小），越小），Pg越小，分辨率越高越小，分辨率越高即：距离越近，距离向分辨率即：距离越近，距离向分辨率越低越低/227距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反沿航线方向的分辨率沿航线方向的分辨率方位分辨率，沿迹分辨率方位分辨率，沿迹分辨率 Pa=*Rb波束宽度，波束宽度，R天线到该像元的倾斜距离天线到该像元的倾斜距离b=/l,波长，波长，l天线长度天线长度 Pa=(/l)*R天线越长，天线越长，Pa越小，方位分辨率越高越小，方位分辨率越高3.4 微波遥感与成像微波遥感与成像侧视侧视雷达工作原理雷达工作原理方位分辨力方位分辨力Pa283.4 微波遥感与成像微波遥感与成像合成孔径雷达工作原理合成孔径雷达工作原理合成孔径雷达（合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）,也是侧视也是侧视雷达。雷达。基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。测精度。在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。理过程联系在一起。在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影象。经过复杂的处理，得到地相位和强度不同，形成相干影象。经过复杂的处理，得到地面的实际影象面的实际影象293.4 微波遥感与成像微波遥感与成像合成孔径雷达工作原理合成孔径雷达工作原理303.4 微波遥感与成像微波遥感与成像合成孔径雷达工作原理合成孔径雷达工作原理理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：ra=l/2 l为天线长度313.4 微波遥感与成像微波遥感与成像合成孔径雷达工作原理合成孔径雷达工作原理323.4 微波遥感与成像微波遥感与成像合成孔径雷达工作原理合成孔径雷达工作原理333.4 微波遥感与成像微波遥感与成像合成孔径雷达工作原理合成孔径雷达工作原理343.5 遥感图像的特征遥感图像的特征几何特征：目标地物的大小、形状及空间分布特点；几何特征：目标地物的大小、形状及空间分布特点；物理特征：目标地物的属性特点；物理特征：目标地物的属性特点；时间特征：目标地物的变化动态特点时间特征：目标地物的变化动态特点 353.5 遥感图像的特征遥感图像的特征 遥感图象上能够详细区分的最小单元的尺寸，是用来遥感图象上能够详细区分的最小单元的尺寸，是用来表征图象分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元表征图象分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像解率或视场角来表示。大小、像解率或视场角来表示。像元（像元（pixel）：）：将地面信息单元离散化而形成的格网将地面信息单元离散化而形成的格网单元，单位为米，是组成图象的基本单元。像元越小，单元，单位为米，是组成图象的基本单元。像元越小，空间分辨率越高；空间分辨率越高；像解率是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平像解率是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的条数来表示，如线行细线的条数来表示，如线/毫米或线对毫米或线对/毫米；毫米；瞬时视场角瞬时视场角(instantaneous field of view,IFOV):指传指传感器的张角及瞬时视域，又称感器的张角及瞬时视域，又称角分辨率角分辨率。传感器在某一时刻所能感测的外来光（或其它电磁波）所来自的传感器在某一时刻所能感测的外来光（或其它电磁波）所来自的空间角度区域空间角度区域空间分辨率空间分辨率36分辨率（像元大小）分辨率（像元大小）=平台高度平台高度*角分辨率（弧度）角分辨率（弧度）D=H*IFOV如，飞机飞行高度如，飞机飞行高度8000米，角分辨率为米，角分辨率为2.5毫弧度，毫弧度，则地面分辨率为：则地面分辨率为：8000m*2.5*10-3=20m3.5 遥感图像的特征遥感图像的特征空间分辨率空间分辨率对于摄影成像的图像：对于扫描方式：与瞬时视场角有关37不同空间分辨率的图象不同空间分辨率的图象381米米3910米米4030米米4180米42传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小，分辨率愈高间隔愈小，分辨率愈高或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越宽，或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越宽，分辨率越低分辨率越低不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很大区不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很大区别；别；如如MSS（100-200nm）、）、AVIRIS（10 nm）传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果好效果感测人体选择感测人体选择8-12 m,探测森林火灾应选择探测森林火灾应选择3-5 m波谱分辨率波谱分辨率3.5 遥感图像的特征遥感图像的特征433.5 遥感图像的特征遥感图像的特征波谱分辨率波谱分辨率443.5 遥感图像的特征遥感图像的特征波谱分辨率波谱分辨率453.5 遥感图像的特征遥感图像的特征辐射分辨率辐射分辨率 传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。在遥传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。在遥感图象上表现为每一像元的辐射量化级感图象上表现为每一像元的辐射量化级(D)。如如6bit,7bit,8bit,11bit,一个一个6-bit 的的传感器可以记录传感器可以记录26级（级（64）的亮度值，）的亮度值，一个一个8-bit 的传感器可以记录的传感器可以记录28级（级（256）的亮度值，）的亮度值，一个一个12-bit 的传感器可以记录的传感器可以记录212级（级（4096）的亮度值）的亮度值468-bit256greys6-bit64greys4-bit16greys3-bit8greys2-bit4greys1-bit2greys辐射分辨率辐射分辨率47Maximumbrightness=255Maximumbrightness=127辐射亮度范围辐射亮度范围48对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，（重访周期）（重访周期）短：一天内的变化，小时为单位短：一天内的变化，小时为单位中：一年内的变化，以天为单位中：一年内的变化，以天为单位长：以年为单位长：以年为单位LANDSAT：16 天；天；CBERS：26天；天；太阳同步气象卫星：太阳同步气象卫星：0.5天天动态监测动态监测3.5 遥感图像的特征遥感图像的特征时间分辨率时间分辨率49