航天遙感傳感器教案課件

1、會(huì)計(jì)學(xué)1航天遙感傳感器傳感器的類型傳感器是獲取地面目標(biāo)電磁輻射信息的裝置，它是遙感技術(shù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵設(shè)備。傳感器的性能決定遙感的能力，即傳感器對(duì)電磁波段的響應(yīng)能力、傳感器的空間分辨率及圖像的幾何特征、傳感器獲取地物信息量的大小和可靠程度。概述第1頁(yè)/共64頁(yè) 遙感器結(jié)構(gòu)定義：遙感器是記錄地物反射或者發(fā)射電磁波能量的裝置，是遙感平臺(tái)的核心部分。遙感器的一般組成：收集器探測(cè)器處理器記錄器第2頁(yè)/共64頁(yè)遙感器1）收集器：透鏡、反射鏡、天線2）探測(cè)器：將收集的輻射能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能或電能感光膠片、光電管、光電二極管、電子耦合器件（CCD）、熱電偶探測(cè)器、熱釋電探測(cè)器、天線3）處理器：對(duì)收集到的信號(hào)

2、進(jìn)行處理，顯影、定影、信號(hào)放大、變換、校正等。包括攝影處理裝置和電子處理裝置4）記錄器：膠片、磁帶、磁盤(pán)第3頁(yè)/共64頁(yè)傳感器分類按記錄方式分：成像方式；非成像方式按工作波段：可見(jiàn)光傳感器；紅外傳感器；微波傳感器。可見(jiàn)光到近紅外區(qū)的光學(xué)波段稱為光學(xué)傳感器，微波波段的傳感器稱為微波傳感器。按照工作方式：主動(dòng)傳感器；被動(dòng)傳感器。第4頁(yè)/共64頁(yè)成像傳感器類型使用膠片記錄使用磁記錄高光譜第5頁(yè)/共64頁(yè)傳感器的性能分辨率是遙感技術(shù)及其應(yīng)用中的一個(gè)重要概念，也是衡量遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量特征的一個(gè)重要指標(biāo)。包括：空間分辨率光譜分辨率輻射分辨率；溫度分辨率（熱紅外遙感）時(shí)間分辨率第6頁(yè)/共64頁(yè)遙感圖像的空間分辨

3、率（幾何分辨率） 遙感圖像上的像元對(duì)應(yīng)地面單元的尺度，一般指成像時(shí)，星下點(diǎn)地面對(duì)應(yīng)圖像像元的所代表的地面范圍的大小。如，北京1號(hào)小衛(wèi)星全色4米，多光譜32米航空遙感影像一般說(shuō)成圖比例尺，如1：2000；1：5000第7頁(yè)/共64頁(yè)常用遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率 美國(guó)NOAA極軌氣象衛(wèi)星AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer） 1.1km Terra衛(wèi)星（上午星，EOS-AM1）；Aqua （下午星 ，EOS-PM1）MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）1000米/500米/25

4、0米 LandSat 5 TM 多光譜 30米 熱紅外 120米 中巴資源衛(wèi)星（CBERS-1）全色和多光譜 20米 法國(guó)SPOT5 多光譜 10米 全色（pan）2.5米 美國(guó)IKONOS 多光譜4米；全色1米 美國(guó)QuickBird多光譜為2.44米；全色為0.61米；WorldView為0.5米第8頁(yè)/共64頁(yè)傳感器的性能空間分辨率攝影成像方式的空間分辨率。取決于物鏡分辨率、大氣傳輸對(duì)分辨率的影響和感光材料的分辨率。常用線對(duì)/mm。 像解率（photographic resolution?）：?jiǎn)挝痪嚯x內(nèi)能分辨的線寬或間隔相等平等細(xì)線的條數(shù) Resolving power test cha

5、rt第9頁(yè)/共64頁(yè)傳感器的性能空間分辨率掃描成像方式的空間分辨率。瞬時(shí)視場(chǎng)：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者邊長(zhǎng)。視場(chǎng)角（Field Of View, FOV）、瞬時(shí)視場(chǎng)角（Instantaneous Field Of View, IFOV）S: 探測(cè)元件的邊長(zhǎng)H: 遙感平臺(tái)的高度 f : 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的焦距 第10頁(yè)/共64頁(yè)Effect of pixel size in the digitizing process. In this synthetic image, circles represent tree crowns of 6 m diameter

6、 on a contrasting background. (a) 10 cm pixel; (b) 50 cm pixel; (c) 1 m pixel; (d) 2 m pixel; (e) 4 m pixel; (f) 8 m pixel(a)(b)(c)(d)(e)(f)空間分辨率傳感器的性能第11頁(yè)/共64頁(yè)13不同空間分辨率的圖像第12頁(yè)/共64頁(yè)141米第13頁(yè)/共64頁(yè)1530米第14頁(yè)/共64頁(yè)1680米第15頁(yè)/共64頁(yè)并不是空間分辨率越高越好不同的自然現(xiàn)象有不同的最佳觀測(cè)距離和尺度，并不一定是距離越近越好，觀測(cè)越細(xì)微越好。要適當(dāng)?shù)木嚯x和比例尺，才能有效、完整地觀察。第16

7、頁(yè)/共64頁(yè)遙感圖像的波譜分辨率遙感器所選用的波段數(shù)量的多少，以及波段波長(zhǎng)間隔的大小。間隔越小，分辨率越高傳感器在接收目標(biāo)輻射的光譜時(shí)能分辨的最小波長(zhǎng)間隔。間隔愈小，分辨率愈高第17頁(yè)/共64頁(yè)0.40.60.81.02.02.61.21.41.61.82.22.40204060Reflectance (%)Wavelength (m)Dry bare soil (grey-brown)Vegetation (green)Water (clear)Landsat MSSLandsat TMSPOT HRGNOAA AVHRRSpectral bands of the sensors傳感器的性能

8、光譜分辨率第18頁(yè)/共64頁(yè)光譜分辨率在10-1數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的為多光譜(Multispectral)，這樣的遙感器在可見(jiàn)光和近紅外光譜區(qū)只有幾個(gè)波段，如美陸地衛(wèi)星TM和法國(guó)SPOT衛(wèi)星等;光譜分辨率在10-2的遙感信息稱之為高光譜(Hyperspectral)遙感。由于其光譜分辨率高達(dá)納米(nm)數(shù)量級(jí)，往往具有波段多的特點(diǎn)，即在可見(jiàn)到近紅外光譜區(qū)其光譜通道多達(dá)數(shù)十甚至超過(guò)100以上。第19頁(yè)/共64頁(yè)波譜分辨率第20頁(yè)/共64頁(yè)輻射分辨率輻射分辨率：遙感傳感器接收波譜信號(hào)時(shí)，能分辨的最小輻射度差，即遙感傳感器將截獲的電磁輻射能夠分出的等級(jí)。反映為圖像的灰階數(shù)，如 64 灰階、128 灰階、2

9、56 灰階等。TM、SPOT等遙感圖像 8bit 量化級(jí)256IKONOS 和QuickBird 為11bit 量化級(jí) 2048第21頁(yè)/共64頁(yè)輻射分辨率傳感器的性能傳感器的探測(cè)靈敏精度動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic range）信噪比（S/N）第22頁(yè)/共64頁(yè)248-bit256 greys6-bit64 greys4-bit16 greys3-bit8 greys2-bit4 greys1-bit2 greys輻射分辨率第23頁(yè)/共64頁(yè)25Maximum brightness = 255Maximum brightness = 127輻射亮度范圍第24頁(yè)/共64頁(yè)溫度分辨率溫度分辨率：指熱

10、紅外傳感器分辨地表熱輻射（溫度）最小差異的能力。與探測(cè)器的響應(yīng)率和傳感器系統(tǒng)內(nèi)的噪聲有直接關(guān)系，一般為噪聲等效溫度的2-6倍。紅外系統(tǒng)的噪聲等效溫度限制在0.1-0.5K，系統(tǒng)的溫度分辨率為0.2-3K。目前，TM（10.4-12.5）的第六波段，溫度分辨率可達(dá)到0.5K。第25頁(yè)/共64頁(yè)遙感器按照一定的時(shí)間周期重復(fù)采集數(shù)據(jù)，這種重復(fù)觀測(cè)的最小時(shí)間間隔稱為時(shí)間分辨率，也稱為重訪周期也稱衛(wèi)星的覆蓋周期、重訪周期，重復(fù)獲得同一地區(qū)的最短時(shí)間間隔。（注意和衛(wèi)星運(yùn)行周期的區(qū)別）時(shí)間分辨率第26頁(yè)/共64頁(yè)用途：研究對(duì)象的時(shí)間序列的變化。 如： 1）自然規(guī)律的時(shí)間考慮 作物監(jiān)測(cè)：農(nóng)時(shí)，拔節(jié)期、抽穗期、

11、乳熟期 樹(shù)木： 葉子發(fā)芽、生長(zhǎng)、開(kāi)始黃枯 地質(zhì)、土壤：不長(zhǎng)植物，不隨季節(jié)變化而變化 2）社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的時(shí)間考慮 城市擴(kuò)張 環(huán)境污染監(jiān)測(cè) 3）天氣預(yù)報(bào) 高時(shí)間分辨率傳感器的性能時(shí)間分辨率第27頁(yè)/共64頁(yè)常用遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率 靜止氣象衛(wèi)星：20-30秒 （氣象） 美國(guó)NOAA極軌氣象衛(wèi)星AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer） 每天上午、下午 Terra衛(wèi)星（上午星，EOS-AM1）；Aqua （下午星 ，EOS-PM1）MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）每天最多4次

12、，白天兩次（10：30；1：30），晚上兩次 LandSat 5 TM 16天 中巴資源衛(wèi)星（CBERS-1）26天（可通過(guò)側(cè)擺提高時(shí)間分辨率） 法國(guó)SPOT5 26天（最快6天） 美國(guó)IKONOS 可達(dá)1-3天（通過(guò)側(cè)擺提高時(shí)間分辨率） 美國(guó)QuickBird數(shù)據(jù)1 6天 取決于緯度高低第28頁(yè)/共64頁(yè)19841988198919911992199419961997199920002001Temporal land cover change利用多年遙感數(shù)據(jù)，區(qū)域的時(shí)間序列分析第29頁(yè)/共64頁(yè)傳感器的性能 四種分辨率對(duì)于一種傳感器是相互制約的，有矛盾的。在同等敏感度水平上，空間分辨率增高，

13、光譜分辨率或輻射分辨率就不可能高。其根本原因是傳感器是要獲得一定光能才能響應(yīng)。提高空間分辨率提高瞬時(shí)視場(chǎng)探測(cè)元件接受到的輻射能量相應(yīng)減少，降低了圖像的輻射亮度等級(jí)。 提高光譜分辨率探測(cè)元件接受到的輻射能量相應(yīng)減少，降低了圖像的輻射亮度等級(jí)。第30頁(yè)/共64頁(yè)遙感器成像類型攝影類型遙感器（框幅式）掃描成像類型的遙感器 擺掃式；推掃式第31頁(yè)/共64頁(yè)攝影類型傳感器攝影原理針孔攝影機(jī)單透鏡攝影機(jī)f 焦距長(zhǎng)o物距i 像距第32頁(yè)/共64頁(yè)對(duì)于遙感成像, do di這樣像距為固定值，等于焦距在航空攝影中O 很大、無(wú)限遠(yuǎn)攝影類型傳感器攝影原理第33頁(yè)/共64頁(yè)攝影機(jī)定義：攝影機(jī)是成像遙感最常用的傳感器，

14、可裝載在地面平臺(tái)、航空平臺(tái)及航天平臺(tái)上，有框幅式和全景式攝影機(jī)之分。第34頁(yè)/共64頁(yè)框幅式攝像機(jī)第35頁(yè)/共64頁(yè)框幅式中心投影地面被拍攝物體透鏡像平面是其他成像（不包括雷達(dá)）的基礎(chǔ)第36頁(yè)/共64頁(yè)真彩色彩紅外框幅式攝影航空遙感影像第37頁(yè)/共64頁(yè)數(shù)碼攝影機(jī)成像原理與一般攝影機(jī)同，為框幅式攝像機(jī)，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，如CCD（電荷耦合器件Charge Coupled Device的縮寫(xiě)）第38頁(yè)/共64頁(yè)全景式攝影機(jī)縫隙式攝影機(jī)鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī)第39頁(yè)/共64頁(yè)縫隙式全景攝影機(jī)縫隙攝影機(jī)，又稱推掃式攝影機(jī)：這種攝影機(jī)在衛(wèi)星或飛機(jī)上，在攝影瞬間所

15、獲得的影像是與航線方向垂直且與縫隙等寬的一條線狀影像。第40頁(yè)/共64頁(yè)攝影類型傳感器膠片在旋轉(zhuǎn)鏡頭的焦距處沿一曲面曝光?？p隙在物鏡的焦面上平行于飛行方向，并隨物鏡作垂直于航線方向的掃描。第41頁(yè)/共64頁(yè)鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī)第42頁(yè)/共64頁(yè)攝影類型傳感器全景攝影機(jī)全景攝影畸變：相片兩端的地表景物被壓縮。類似于垂直于軌道的掃描儀的工作原理全景攝影機(jī)的特點(diǎn)是焦距長(zhǎng)，可達(dá)600 mm以上，可在長(zhǎng)約23 cm，寬達(dá)128 cm的膠片上成像。它的精密透鏡既小又輕，掃描視場(chǎng)很大，可達(dá)180度。第43頁(yè)/共64頁(yè)全景圖片第44頁(yè)/共64頁(yè)“勇氣”號(hào)火星探測(cè)器發(fā)回的第一張其著陸地點(diǎn)的三維圖像。（來(lái)源：美國(guó)宇航

16、局網(wǎng)站）第45頁(yè)/共64頁(yè)攝影類型傳感器多光譜攝影機(jī)同一瞬間攝取多個(gè)波段圖像的攝影機(jī)多攝影機(jī)型多鏡頭型光束分離型：經(jīng)過(guò)分光鏡頭分成幾個(gè)光束a、多相機(jī)組合型；b 、多鏡頭組合型； c 、光束分離型第46頁(yè)/共64頁(yè)掃描成像遙感器第47頁(yè)/共64頁(yè)衛(wèi)星運(yùn)行方向擺掃式成像擺掃面垂直于衛(wèi)星運(yùn)行方向第48頁(yè)/共64頁(yè)擺掃式成像系統(tǒng)特點(diǎn)利用平臺(tái)的行進(jìn)和旋轉(zhuǎn)掃描鏡，對(duì)于平臺(tái)行進(jìn)的垂直方向的地面（物平面）進(jìn)行掃描包括： 熱紅外掃描儀 NOAA/AVHRR、MODIS 、MSS/TM等多光譜掃描儀同一掃描行分辨率不同 a=a0sec2 第49頁(yè)/共64頁(yè)掃描原理以MSS為例第50頁(yè)/共64頁(yè)掃描軌跡MSS只由西

17、向東掃描，不回掃（又東向西）TM包括回掃，7個(gè)波段，共100個(gè)，TM的1、2、3、4、5、7波段有16個(gè)探測(cè)器，TM6為4個(gè)。第51頁(yè)/共64頁(yè)衛(wèi)星運(yùn)行方向推掃式成像中巴資源衛(wèi)星、SPOT5的HRG、 IKONOS、QuickBird等的CCD相機(jī)包括北京1號(hào)小衛(wèi)星第52頁(yè)/共64頁(yè)推掃式掃描儀特點(diǎn)空間分辨率高全色和多光譜數(shù)據(jù)采用不同的CCD相機(jī)成像能夠側(cè)擺成像 北京1號(hào)小衛(wèi)星側(cè)擺30度 中巴資源衛(wèi)星32度第53頁(yè)/共64頁(yè)第54頁(yè)/共64頁(yè)SPOT 5的掃描方式三種掃描方式同軌立體成像三臺(tái)掃描儀寬掃描第55頁(yè)/共64頁(yè)推掃式成像-QuickBird目前空間分辨率最高的商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)全色0.

18、61m；多光譜2.44m美國(guó)DigitalGlobe公司W(wǎng)orldView，全色0.5m第56頁(yè)/共64頁(yè)QuickBird推掃式成像 大約4秒鐘獲取 16.5 km x 16.5 km 地面范圍圖像傳感器包括:全色Panchromatic 多光譜藍(lán)綠紅近紅外16.5 kmEach line is 1 pixel deepSensor Focal Plane has 5 color lines第57頁(yè)/共64頁(yè)QuickBird 傳感器Panchromatic (BW)DCAMultispectral (MS)DCAMS MS MS MS MS MS BWBWBWBWBWBW第58頁(yè)/共64頁(yè)30 Field of Reg