遙感成像原理

1、l攝影成像l掃描成像l微波遙感 攝影是通過成像設(shè)備獲取物體影像的技術(shù)。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記錄物體影像。數(shù)字?jǐn)z影則通過放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號來記錄物體的影像。 l攝影機 攝影機是成像遙感最常用的傳感器，可裝載在地面平臺、航空平臺以及航天平臺上，有分幅式分幅式和全景式全景式攝影機之分。 l攝影機分幅式攝影機 一次曝光得到目標(biāo)物一幅像片，鏡頭分常角（視場角50o70o）、寬角（視場角70o105o）和特寬角（視場角105o135o），同平臺高度下，視場角愈大，地面覆蓋范圍愈大。焦距 f小于 100 mm為短焦距， 100200 mm為中焦距，大于

2、 200 mm為長焦距。航空攝影相機的焦距在 150 mm左右。航天攝影機的焦距需要大于300 mm，甚至大于 1000mm。 分幅式攝影機成像示意圖l攝影機分幅式攝影機 對可見光遙感，攝影機外殼外殼只需是不透光材料，如金屬、人造革、塑料等。對紅外攝影，則只能用金屬材料。鏡頭則需根據(jù)攝取的波段選擇材料，不同材料透過波長的上限不同。l攝影機全景攝影機 -又稱掃描攝影機。依結(jié)構(gòu)和工作方式可分為縫隙式攝影機和鏡頭轉(zhuǎn)動式攝影機。l縫隙式攝影機又稱航帶攝影機，通過焦平面前方設(shè)置的與飛行方向垂直的狹縫快門獲取橫向的狹帶影像。鏡頭轉(zhuǎn)動式全景攝影機有兩種工作方式，一種是轉(zhuǎn)動鏡頭的物鏡，狹縫設(shè)在物鏡筒的后端，隨

3、著物鏡筒的轉(zhuǎn)動，在后方向弧形膠片上聚焦成像。鏡頭轉(zhuǎn)動式全景攝影機的另一種是用棱鏡鏡頭轉(zhuǎn)動、連續(xù)卷片成像。 全景攝影機焦距較長（可超過 600 mm），可在長23 cm（航向），寬 l28 cm（橫向）的膠片上成像，主要用于軍事偵察。通常的遙感探測和制圖則大都采用分幅式攝影。 l攝影機多光譜攝影機 可同時直接獲取可見光和近紅外范圍內(nèi)若干個分波段影像。有三種類型：多相機組合型、 多鏡頭組合型和光束分離型。 多相機組合型:是將幾架相機同時組裝在一個外殼上，每架相機配置不同的濾光片和膠片，以獲取同一地物不同波段的影像l攝影機多光譜攝影機 多鏡頭組合型:是在同一架相機上裝置多個鏡頭，配以不同波長的濾光片

4、，在一張大膠片上拍攝同一地物不同波長的影像。光束分離型:是用一個鏡頭，通過二向反射鏡或光柵分光，將不同波段在各焦平面上記錄影像。l攝影機數(shù)碼攝影機 成像原理與一般攝影機同，結(jié)構(gòu)也類似。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。 攝影機從飛行器上對地攝影時，根據(jù)攝影機主光軸與地面的關(guān)系，可分為垂直攝影和傾斜攝影。 l垂直攝影 攝影機主光軸垂直于地面或偏離垂線在3o以內(nèi)。取得的像片稱水平像片或垂直像片。航空攝影測量和制圖大都是這類像片。l傾斜攝影 攝影機主光軸偏離垂線大于3o，取得的像片稱傾斜像片。全景攝影成像時，鏡頭垂直飛行器下方航帶中心線時為垂直垂直攝影攝影，其余狀態(tài)下均為傾斜攝影。

5、傾斜攝影時，主光軸偏離垂線角度愈大，影像畸變也愈大，給圖像糾正帶來困難，不利于制圖。但有時為了獲取較好的立體效果且對制圖要求不高，也采用傾斜攝影。 l垂直攝影像片的幾何特征 像片的投影：常用的大比例尺地形圖屬于垂直投影或近垂直投影，而攝影像片卻屬于中心投影。 中心投影與垂直投影的區(qū)別 表現(xiàn)為三個方面：（1）投影距離的影響（2）投影面傾斜的影響（3）地形起伏的影響垂直投影 中心投影（1）投影距離的影響：垂直投影圖像的縮小和放大與投影距離無關(guān)，并有統(tǒng)一的比例尺。中心投影則受投影距離（遙感平臺高度）影響，像片比例尺與平臺高度H和焦距f有關(guān)。（2）投影面傾斜的影響：當(dāng)投影面傾斜時，垂直投影的影像僅表現(xiàn)

6、為比例尺有所放大，像點相對位置保持不變。在中心投影的像片上比例關(guān)系有顯著的變化，各點的相對位置和形狀不再保持原來的樣子。 （3）地形起伏的影響 垂直投影時，隨地面起伏變化，投影點之間的距離 與地面實際水平距離成比例縮小，相對位置不變。中心投影時，地面起伏越大，像片上投影點水平位置的位移量就越大，產(chǎn)生投影誤差。這種誤差有一定的規(guī)律規(guī)律。 中心投影的透視規(guī)律中心投影的透視規(guī)律： 在中心投影的像片上，各種物體的形狀不同及其所處的位置不同，其變形的情況也各不相同。了解不同形狀物體在中心投影影像上的變形規(guī)律，對解譯和制圖是必要的。（1）地面物體是一個點，在中心投影上仍然是一個點。如果有幾個點同在一投影線

7、上，它的影像便重疊成一個點。（2）與像面平行的直線，在中心投影上仍然是直線，與地面目標(biāo)的形狀基本一致。例如地面上有兩條道路以某種角度相交，反映在中心投影像片上也以相應(yīng)的角度相交。如果直線垂直于地面（如電線桿），其中心投影有兩種情況：一是當(dāng)直線與像片垂直并通過投影中心（主光軸）時，該直線在像片上是一個點；二是直線的延長線不通過投影中心，這時直線的投影仍然是直線，但其長度和變形情況則取決于目標(biāo)在像片中的位置。近像片中心，直線的長度被縮短，在像片邊緣，直線的長度被夸大。中心投影的透視規(guī)律中心投影的透視規(guī)律（3）平面上的曲線，在中心投影的像片上仍為曲線。（4）面狀物體的中心投影相當(dāng)于各種線的投影的組合

8、。水平面的投影仍為一平面。垂直面的投影依其所處的位置而變化，當(dāng)位于投影中心時，投影所反映的是其頂部的形狀，呈一直線；在其他位置時，除其頂部投影為一直線外，其側(cè)面投影成不規(guī)則的梯形。像片的比例尺 即像片上兩點之間的距離與地面上相應(yīng)兩點實際距離之比。圖中像片上的a、b兩點是地面上A、B兩點的投影。ab:AB即為像片的比例尺。H為攝影平臺的高度；f為攝影機的焦距。 通常f可以在像片的邊緣或相應(yīng)的影像資料中找到，H由攝影部門提供。 比例尺=ab:AB=f:H像點位移 在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺變化外，還會引起平面上的點位在像片位置上的移動。其位移量就是中心投影與垂直投影在同一水平面

9、上的“投影誤差”。Hhrr：像點到像主點的距離r由 可以看出：l位移量與地形高差h成正比 l位移量與像主點的距離r成正比l位移量與攝影高度（航高）H成反比Hhr 掃描成像是依靠探測元件和掃描鏡對目標(biāo)地物以瞬時視場為單位進(jìn)行的逐點、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。其探測波段可包括紫外、紅外、可見光和微波波段。成像方式有三種：光/機掃描成像固體自掃描成像高光譜成像l光學(xué)機械掃描成像系統(tǒng)，一般在掃描儀的前方安裝光學(xué)鏡頭，依靠機械傳動裝置使鏡頭擺動，形成對目標(biāo)地物的逐點逐行掃描。掃描儀是由一個四方棱鏡、若干反射鏡和探測元件所組成。四方棱鏡旋轉(zhuǎn)一次，完成四次光學(xué)掃描。入射的

10、平行波束經(jīng)四方棱鏡的兩個反射面反射后，被分成兩束，每束光經(jīng)平面反射后，又匯成一束平行光投射到聚焦反射鏡，使能量匯聚到探測器的探測元件上。探測元件把接收到的電磁波能量能轉(zhuǎn)換成電信號，在磁介質(zhì)上記錄或再經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換成為光能量，在設(shè)置于焦平面的膠片上形成影像。l探測元件需要根據(jù)目標(biāo)地物和大氣透過程度來確定。進(jìn)行不同的波段的探測，需采用不同的掃描探測元件。如紅外敏感元件，可探測人眼不可見的目標(biāo)地物的紅外輻射。 多光譜掃描儀光學(xué)系統(tǒng)原理圖l光機掃描的幾何特征取決于它的瞬時視場角和總視場角。瞬時機場角：掃描鏡在一瞬時時間可以視為靜止?fàn)顟B(tài)，此時，接收到的目標(biāo)地物的電磁波輻射，限制在一個很小的角度之內(nèi)，這個角

11、度稱為瞬時視場角，即掃描儀的空間分辨率。 總視場角：掃描帶的地面寬度稱總現(xiàn)場。從遙感平臺到地面掃描帶外側(cè)所構(gòu)成的夾角，叫總視場角，也叫總掃描角。 進(jìn)行掃描成像時，總視場角不宜過大，否則圖像邊緣的畸變太大。通常在航空遙感中，總視場角取70o120o。由于掃描儀的掃描角是固定的，因此遙感平臺的高度越大，所對應(yīng)的地面總視場也就愈大。 l光機掃描儀可分為單波段和多波段兩種。多波段掃描儀的工作波段范圍很寬，從近紫外、可見光至遠(yuǎn)紅外都有。l掃描鏡在機械驅(qū)動下，隨遙感平臺（飛機、衛(wèi)星）的前進(jìn)運動而擺動，依次對地面進(jìn)行掃描，地面物體的輻射波束經(jīng)掃描反射鏡反射，并經(jīng)透鏡聚焦和分光分別將不同波長的波段分開，再聚焦

12、到感受不同波長的探測元件上。 在電磁波譜中，波長在1mm1m的波段范圍稱微波。該范圍內(nèi)又可再分為毫米波、厘米波和分米波。在微波技術(shù)上，還可將厘米波分成更窄的波段范圍，并用特定的字母表示 微波遙感是指通過微波傳感器獲取從目標(biāo)地物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過判讀處理來識別地物的技術(shù)。 譜帶名稱波長范圍/cmKa0.751.13K1.131.67Ku1.672.42X2.423.75C3.757.5S7.515L1530P30100l微波遙感的特點能全天候、全天時工作 可見光遙感只能在白天工作，紅外遙感雖可克服夜障，但不能穿透云霧。因此，當(dāng)?shù)乇肀辉茖诱谏w時，無論是可見光遙感還是紅外遙感均無能為力。地球

13、表面有4060的地區(qū)常年被云層覆蓋，平均日照時間不足一半，尤其是海洋上更是如此。 按瑞利散射原理，散射的強度與-4成正比。由于微波的波長比紅外波要長得多，因而散射要小得多，所以與紅外波相比，在大氣中衰減較少，對云層、雨區(qū)的穿透能力較強，基本上不受煙、云、雨、霧的限制。 對某些地物具有特殊的波譜特征 許多地物間，微波輻射能力差別較大，因而可以較容易地分辨出可見光和紅外遙感所不能區(qū)別的某些目標(biāo)物的特性。例如，在微波波段中，水的比輻射率為0.4，而冰的比輻射率為0.99，在常溫下兩者的亮度溫度相差 100 K，很容易區(qū)別，而在紅外波段，水的比輻射率為0.96，冰的比輻射率為0.92，兩者相差甚微，不

14、易區(qū)別。 比輻射率：亮度溫度與絕對溫度之比對冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力 該特性可用來探測隱藏在林下的地形、地質(zhì)構(gòu)造、軍事目標(biāo)，以及埋藏于地下的工程、礦藏、地下水等。對海洋遙感具有特殊意義 微波對海水特別敏感，其波長很適合于海面動態(tài)情況（海面風(fēng)、海浪等）的觀測。分辨率較低，但特性明顯 微波傳感器的分辨率一般都比較低，這是因為其波長較長，衍射現(xiàn)象顯著的緣故。要提高分辨率必須加大天線尺寸。其次，觀測精度和取樣速度往往不能協(xié)調(diào)。欲保證精度就需要有較長的積分時間，取樣速度就要降低，通常是以犧牲精度來提高取樣速度的。此外，地球表面的地物溫度大多在200300K，峰值波長都落在紅外波段，因此紅外波

15、段的輻射量要比微波大幾個數(shù)量級。然而，由于微波的特殊物理性質(zhì)，使紅外測量精度遠(yuǎn)不及微波，也要差幾個數(shù)量級。因此，總的說來，紅外和微波遙感各有優(yōu)缺點。 微波遙感分有源（主動）和無源（被動）兩大類。l主動微波遙感:是指通過向目標(biāo)地物發(fā)射微波并接收其后向散射信號來實現(xiàn)對地觀測的遙感方式。主要傳感器是雷達(dá)。此外，還有微波高度計和微波散射計。雷達(dá)（Radar，Radio Direction And Range） 意為無線電測距和定位。其工作波段大都在微波范圍，少數(shù)也利用其他波段，例如利用紅外波段工作的紅外雷達(dá)，還有利用激光器作發(fā)射波源的激光雷達(dá)。按照雷達(dá)的工作方式可分為成像雷達(dá)和非成像雷達(dá)。成像雷達(dá)中又

16、可分為真實孔徑側(cè)視雷達(dá)和合成孔徑側(cè)視雷達(dá)。 l雷達(dá)是由發(fā)射機通過天線在很短時間內(nèi)，向目標(biāo)地物發(fā)射一束很窄的大功率電磁波脈沖，然后用同一天線接收目標(biāo)地物反射的回波信號而進(jìn)行顯示的一種傳感器。不同物體，回波信號的振幅、位相不同，故接收處理后，可測出目標(biāo)地物的方向、距離等數(shù)據(jù)。l根據(jù)“多普勒效應(yīng)”雷達(dá)還可以用來測定運動的目標(biāo)物體。目標(biāo)反射回波由于受到運動的影響，頻率會發(fā)生改變，該頻率變化與目標(biāo)物體運動的速度成正比。l地物對微波的反射能力取決于本身的性質(zhì)和形狀。金屬和各種良導(dǎo)體的反射能力強。這是由于導(dǎo)體中具有自由電子，微波可迫使這些自由電子做強烈的振動，使導(dǎo)電物體表面產(chǎn)生與探測波同頻率的交流電波，從而

17、使地物獲得了向周圍空間再輻射的能力。因此，微波在大氣中很少散射而能很好地透過。 l由于微波具有極化特性，在垂直方向和水平方向的反射強度是不同的。微波反射還與地物的形狀、大小有很大關(guān)系。所發(fā)射的波長越短，反射能力越強。發(fā)射波長大于物體的長度時，會產(chǎn)生繞射。表面光滑的地物產(chǎn)生鏡面反射，表面粗糙的則產(chǎn)生漫反射。微波反射的這些特性，是利用雷達(dá)成像和判別不同地物的基礎(chǔ)。側(cè)視雷達(dá)（Side Looking Radar） 其天線不是安裝在遙感平臺的正下方，而是與遙感平臺的運動方向形成角度，朝向一側(cè)或兩側(cè)傾斜安裝，向側(cè)下方發(fā)射微波，接收回波信號。波束向側(cè)下方發(fā)射可使不同地形顯示出更大的差別，使雷達(dá)圖像更具有立

18、體感。 機載側(cè)視雷達(dá)的工作原理l側(cè)視雷達(dá)的分辨力可分為距離分辨力和方位分辨力。距離分辨力cos2cPgA、B距離及C、D距離均為20米為脈沖寬度C為波速俯角越大，距離分辨力低。方位分辨力Pa ： 雷達(dá)發(fā)射的微波向四面八方輻射，呈花瓣狀，稱波瓣，但以一個方向為主，稱為主瓣，其他方向輻射能小，形成副瓣，其中角稱波瓣角。要使雷達(dá)的方向性精確，就要盡量增大主瓣功率和減少波瓣角。波瓣角與雷達(dá)發(fā)射的微波波長成正比與雷達(dá)的天線孔徑D成反比：=/DPa=(/D)R R為距目標(biāo)地物的距離。 可見，發(fā)射波長越短、天線孔徑越大、距離目標(biāo)地物越近，則方位分辨力越高 這種以實際孔徑天線進(jìn)行工作的側(cè)視雷達(dá)，稱真實孔徑側(cè)視

19、雷達(dá)。要提高這種雷達(dá)的方位分辨力，只有加大天線孔徑、縮短探測距離和工作波長。但實現(xiàn)這些要求在技術(shù)上有一定困難。例如，波長為3cm的雷達(dá)，其天線孔徑 4 m，在200 km高的衛(wèi)星軌道上對地面進(jìn)行探測，方位分辨力為 1.5 km。若要求方位分辨力達(dá)到3 m，以便分辨出公路上的汽車，天線孔徑就要求2000m。這樣長的天線，無論對機載和星載都是不可能采用的。 要解決上述問題，有兩個途徑：一是采用脈沖壓縮技術(shù)，以縮短發(fā)射波長；二是用合成孔徑天線代替真實孔徑天線以縮短天線孔徑 。合成孔徑側(cè)視雷達(dá)：合成孔徑側(cè)視雷達(dá)：利用遙感平臺的前進(jìn)運動，將一個小孔徑的天線安裝在平臺的側(cè)方，以代替大孔徑的天線，提高方位分

20、辨力的雷達(dá)。 要用小孔徑雷達(dá)天線代替大孔徑雷達(dá)天線，通常采用若干小孔徑天線組成陣列，即把一系列彼此相連、性能相同的天線，等距離地布設(shè)在一條直線上，利用它們接收窄脈沖信號，以獲得較高的方位分辨力。天線陣列的基線愈長，方向性愈好。 遙感平臺在勻速前進(jìn)運動中，以一定的時間間隔發(fā)射一個脈沖信號，天線在不同位置上接收回波信號，并記錄和貯存下來。將這些在不同位置上接收的信號合成處理，得到與真實天線接收同一目標(biāo)回波信號相同的結(jié)果。這樣，就使一個小孔徑天線，起到了大孔徑天線的同樣作用。l被動微波遙感 通過傳感器，接收來自目標(biāo)地物發(fā)射的微波，而達(dá)到探測目的的遙感方式，稱被動微波遙感。被動接收目標(biāo)地物微波輻射的傳感器為微波輻射計。被動探測目標(biāo)地物微波散射特性的傳感器為微波散射計。這兩種傳感器均不成像。 目標(biāo)地物傳感器遙感圖像遙感圖像處理目標(biāo)地物的大小、形狀及空間分布目標(biāo)地物的屬性特點目標(biāo)地物的變化動態(tài)特點幾何特征物理特征時間特征空間分辨率光譜分辨率輻射分辨率時間分辨率l圖像的空間分辨率指像素所代表的地面范圍的大小，即掃描儀的瞬時視場，或地面物體能分辨的最小單元。 l是指傳感器在接收目標(biāo)輻射的波譜時能分辨的最小波長間