第二講 遙感成像原理及特征

遙感成像原理與圖像特征上海海洋大學(xué)(ShanghaiOceanUniversity)劉爽:Telmail:liushuang@主要內(nèi)容遙感平臺遙感圖像特征攝影成像掃面成像微波遙感成像2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)2遙感平臺搭載遙感傳感器的工具，根據(jù)運載工具的類型，遙感平臺可以分為地面平臺、航空平臺和航天平臺。選擇遙感平臺的主要依據(jù)是遙感圖像空間分辨率。一般說來，近地遙感地面分辨率高，但觀測范圍?。缓娇者b感地面分辨率中等，其觀測范圍較廣。航天遙感地面分辨率低，但覆蓋范圍廣。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)3衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道平面與赤道平面重合，衛(wèi)星的軌道周期等于地球在慣性空間中的自轉(zhuǎn)周期，衛(wèi)星與地面的位置相對保持不變，故這種軌道又稱為靜止衛(wèi)星軌道。地球同步衛(wèi)星2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)4太陽同步衛(wèi)星衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向，軌道的傾角接近90度，衛(wèi)星在兩極附近通過，因此稱之為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道；軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向與地球的公轉(zhuǎn)方向相同、旋轉(zhuǎn)角速度等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度；能保證衛(wèi)星每天在相同的時刻經(jīng)過指定地區(qū)，一日兩次，便于獲得最好的太陽光條件，從而得到高質(zhì)量的地面的遙感影像。衛(wèi)星軌道2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)5氣象衛(wèi)星系列第一代氣象衛(wèi)星（19世紀60年代）：以試驗衛(wèi)星為主，自1960年美國成功發(fā)射第一顆實驗氣象衛(wèi)星TIROS-1起，先后發(fā)射了一些列氣象衛(wèi)星如ESSA、雨云（Nimus）；第二代氣象衛(wèi)星（19世紀70年代）：美國發(fā)射了ITOS-1w衛(wèi)星，發(fā)射了地球同步氣象衛(wèi)星（SMS）及靜止同步環(huán)境應(yīng)用衛(wèi)星（GOES）系列，組建了世界氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；第三代氣象衛(wèi)星：NOAA系列衛(wèi)星為代表，采用近極地太陽同步近圓形軌道，雙星系統(tǒng)；NOAA極軌衛(wèi)星從1970年12月發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星以來，近40年連續(xù)發(fā)射了18顆；每天可以進行4次以上的對地觀測。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)6風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星1988年9月7日中國發(fā)射的第一顆“風(fēng)云1號”氣象衛(wèi)星，其主要任務(wù)是獲取全球的晝夜云圖資料及進行空間海洋水色遙感試驗；1997年6月10日中國發(fā)射了第一顆地球靜止氣象衛(wèi)星“風(fēng)云2號”氣象衛(wèi)星，每小時獲取一次對地觀測的可見光、紅外與水汽云圖；2008年5月7日我國成功發(fā)射第二代極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)云3號”由三顆衛(wèi)星組成（FY-3A衛(wèi)星、FY-3B衛(wèi)星、FY-3C衛(wèi)星），可以滿足天氣預(yù)報、氣候預(yù)測和環(huán)境監(jiān)測等方面的迫切需求。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)7氣象衛(wèi)星應(yīng)用2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)8遙感衛(wèi)星Landsat是美國于1972年在首次成功的發(fā)射的第一顆地球觀測衛(wèi)星，是太陽同步軌道衛(wèi)星。星上搭載多光譜掃描儀（MSS）和專題掃描儀（TM）兩種遙感器。目前已經(jīng)發(fā)射了8顆衛(wèi)星。陸地衛(wèi)星系列衛(wèi)星參數(shù)Landsat1Landsat2Landsat3Landsat4Landsat5Landsat7Landsat8發(fā)射日期1972.7.231975.1.121978.3.51982.7.161984.31999.4.152013.2.11衛(wèi)星高度920km920km920km705km705km705km705km軌道傾角103.143103.155103.11598.998.298.298.2經(jīng)過赤道時間8：50am9:03am6:31am9:45am9:30am10:00am10:00am重復(fù)周期18天18天18天16天16天16天16天掃幅寬度185km185km185km185km185km185km185km波段數(shù)44477811傳感器MSSMSSMSSMSS、TMMSS、TMETM+OLI、TIRS2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)9遙感衛(wèi)星Landsat衛(wèi)星系列2013年2月11日，美國航空航天局(NASA)成功發(fā)射Landsat-8衛(wèi)星,Landsat-8衛(wèi)星包含OLI（陸地成像儀）和TIRS（熱紅外傳感器）兩種傳感器。衛(wèi)星一共有11個波段，衛(wèi)星每16天可以實現(xiàn)一次全球覆蓋。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)10遙感衛(wèi)星SPOT衛(wèi)星系列Spot系列衛(wèi)星是法國研制的一種地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，至今已發(fā)射Spot衛(wèi)星1-7號，1986年已來，

Spot已經(jīng)接受、存檔超過7百萬幅全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)；Spot衛(wèi)星高度830km，軌道傾角98.7度，太陽同步準回歸軌道,回歸天數(shù)（重復(fù)周期）為26天。Spot-7全色和多光譜影像1.5m全色(0.455μm-0.745μm)6m多光譜,4個波段：

藍(0.455-0.525μm)

綠(0.530-0.590μm)

紅(0.625-0.695μm)

近紅外(0.760-0.890μm)2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)11資源三號測繪衛(wèi)星，簡稱ZY-3，是中國第一顆民用高分辨率光學(xué)傳輸型測繪衛(wèi)星，于2012年1月9日發(fā)射，軌道高度約506Km,設(shè)計壽命5年，可對地球南北緯84度以內(nèi)的地區(qū)實現(xiàn)無縫影像覆蓋；可高效的獲取2.1米全色、5.8米多光譜影像，以及3.5米前后視立體影像；遙感衛(wèi)星2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)12高分辨率衛(wèi)星1999年9月24日，SpacingImaging公司成功發(fā)射了世界上第一顆高分辨率衛(wèi)星—IKONOS，從而開啟了商業(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星的新時代；IKONOS重訪周期為3天，可同時采集1m分辨率全色和4m分辨率多光譜影像的商業(yè)衛(wèi)星，全色和多光譜影像可融合成1m分辨率的彩色影像。IKONOS衛(wèi)星2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)13高分辨率衛(wèi)星美國DigitalGlobe公司2014年8月14日成功發(fā)射了具有劃時代意義的WorldView-3衛(wèi)星，WorldView-3衛(wèi)星是目前世界上第一顆分辨率達到0.3m且具有16個光譜波段的衛(wèi)星，同時是第一顆擁有大氣校正波段的衛(wèi)星目前世界上運行的高分辨率的遙感衛(wèi)星還有TerraSAR-X、COSMO-Skymed、GeoEye-1、QuickBird等2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)14遙感圖像特征遙感圖像的特征主要有：幾何特征（形狀、大小、空間分布）、物理特征（光譜、輻射、屬性）和時間特征（動態(tài)變化），具體表現(xiàn)參數(shù)為：空間分辨率光譜分辨率輻射分辨率時間分辨率2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)15空間分辨率空間分辨率：是指像素所能代表的地面范圍的大小，即掃描儀的瞬時視場，或者地面物體能分辨的最小單元，用來表征圖像分辨地面目標細節(jié)能力的指標。目前比較通俗的說法就是像元的大小，比如TM圖像是30米，Spot5的分辨率是5米或者10米等。25m分辨率的遙感影像12.5m分辨率的遙感影像10cm分辨率的遙感影像2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)16空間分辨率2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)17時間分辨率時間分辨率：對同一目標進行重復(fù)探測時，相鄰兩次探測的時間間隔，即采樣的時間間隔，或者重訪周期。時間間隔大，時間分辨率低，反之時間分辨率高。如TM的重復(fù)周期為16天，靜止氣象衛(wèi)星的時間分辨率為0.5小時，太陽同步氣象衛(wèi)星重訪周期2次/天等；遙感圖像的時間分辨率對于動態(tài)監(jiān)測尤為重要，如天氣預(yù)報、災(zāi)害監(jiān)測、作物的長勢監(jiān)測、估產(chǎn)等，根據(jù)不同的應(yīng)用可以采用不同的時間分辨率；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)18重復(fù)周期：衛(wèi)星從某地上空開始運行，經(jīng)過若干時間的運行后，回到該地上空時所需的天數(shù)。衛(wèi)星繞地球一圈所需的時間。重訪周期：重訪時間是衛(wèi)星經(jīng)過同一個星下點的時間間隔，利用衛(wèi)星的側(cè)擺快速拍攝同一地點時所需要的最短時間；時間分辨率2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)19衛(wèi)星工作時間組織重復(fù)周期波段分辨率極化方式ERS-11991-2000ESA35C25VVJERS-11992-1998JAXA44L30HHERS-21995-2011ESA35C25VVRadarsat-11997-2013CSA24C8-100HHENVISAT2001-2012ESA35C30-1000HH、VV、HVVHALOS-12006-2011JAXA46L2.5-100HH、VV、HVVHRadarsat-22007-至今CSA24C1315HH、VV、HVVHTerraSAR-X2007-至今DLR11X1315HH、VV、HVVHCosmo-skymed2007-至今ASI16X1315HH、VV、HVVHTanDEM-X2010-至今DLR11X1315HH、VV、HVVHSentinel-12014-至今ESA12C5HH、VV、HVVHALOS-22014-JAXA14L3610100HH、VV、HVVH時間分辨率2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)20光譜分辨率光譜分辨率—指傳感器所能記錄的電磁波譜中，某一特定的波長范圍值，波長范圍值越寬，光譜分辨率越低。光譜分辨率的高低，產(chǎn)生了一個應(yīng)用前景廣闊的遙感分支—高光譜遙感。高光譜影像數(shù)據(jù)的光譜是由從可將光到近紅外波段之間的許多連續(xù)波譜組成，帶寬一般小于10nm2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)21光譜分辨率

2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)22輻射分辨率輻射分辨率：是指傳感器能分辨的目標反射或輻射的電磁輻射強度的最小變化量，在遙感圖像上表現(xiàn)為每一個像元的輻射量化級。在可見、近紅外波段用噪聲等效反射率表示，在熱紅外波段用噪聲等效溫差、最小可探測溫差和最小可分辨溫差表示。輻射分辨率越小，表明傳感器越靈敏其中為最大輻射量值為最小輻射量值為量化級2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)23遙感影像信息量單個波段的遙感影像的總信息量與影像的空間分辨率和輻射分辨率有關(guān)：其中為遙感圖像的信息量遙感圖像的像元數(shù)為遙感圖像的灰度量化級多波段的遙感影像的總信息量與影像的空間分辨率、輻射分辨率和波段數(shù)有關(guān)：其中為遙感圖像所對應(yīng)的面積為遙感圖像的空間分辨率2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)24攝影成像攝影是通過成像設(shè)備獲取物體影像的技術(shù)。傳統(tǒng)攝影是依靠光學(xué)鏡頭及放置在焦平面的感光膠片來記錄物體影像。數(shù)字攝影是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。依據(jù)探測波段，有近紫外攝影、可見光攝影、紅外攝影和多光譜攝影等。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)25攝影相片的幾何特性像片的比例尺：像片上兩點之間的距離與地面上對應(yīng)兩點實際距離之比像片的比例尺是像片的平均比例尺，中心投影圖像的比例尺中心和邊緣是不同的，如果攝影范圍較大且區(qū)域內(nèi)的高程變化較大，攝影平臺的高度不是定值，則每張像片的比例尺會有差異；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)26分幅式攝影機一次曝光得到目標物的一景遙感影像，記錄介質(zhì)為感光膠片；視場角愈大，地面覆蓋范圍愈大；分幅式攝影機的像幅通常有23cm*23cm和18cm*18cm兩種2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)27全景攝影機依據(jù)結(jié)構(gòu)和工作方式可以分為縫隙式攝像機：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)動式攝像機：通過采用轉(zhuǎn)動鏡頭的物鏡或者棱鏡鏡頭的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)成像；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)28多相機組合型多鏡頭組合型光束分離型多光譜攝影機可以直接獲取可見光和近紅外范圍內(nèi)的若干個分波段的影像，有多相機組合型、多鏡頭組合型、光束分離型數(shù)碼攝影機的記錄介質(zhì)不是感光膠片而是光敏電子器件CCD（電荷耦合元件）2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)29攝影相片的幾何特性根據(jù)攝影機主光軸和地面的關(guān)系可以分為：垂直攝影：攝影機的主光軸垂直于地面或偏離垂線在3度以內(nèi)，航空攝影測量和制圖大多是這類照片傾斜攝影：攝影機的主光軸偏離垂線大于3度，這種攝影方式獲取的影像稱為傾斜像片2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)30攝影相片的幾何特性常用的大比例尺地形圖屬于垂直投影或者近垂直投影，而攝影像片屬于中心投影。垂直投影的物體影像是通過互相平行的光線投影到與光線平行的平面上，因此像片的比例尺處處相等，與投影距離無關(guān)；攝影像片是地面物體的中心投影，中心投影受投影距離的影響，像片比例尺與平臺高度和焦距有關(guān)；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)31中心投影與垂直投影的區(qū)別投影距離的影響：垂直投影像片的比例尺處處相等，與投影距離無關(guān)；中心投影受投影距離的影響，像片比例尺與平臺高度和焦距有關(guān)；投影面傾斜的影響：投影面傾斜時，垂直投影的影像的比例尺有所變化，但是像點的相對位置保持不變；中心投影則不會；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)32地形起伏的影響：垂直投影時，隨地面起伏變化，投影點之間的距離和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，像上投影點水平位置的偏移量就越大，產(chǎn)生有一定規(guī)律的投影誤差。中心投影與垂直投影的區(qū)別2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)33像點位移像點位移：在中心投影的像片上，地形的起伏不僅會引起的像片比例尺的變化，而且會導(dǎo)致平面上點的點位在像片位置上的移動，這種現(xiàn)象稱作像點位移，像點位移量為中心投影和垂直投影的投影誤差(1)(2)2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)34像點位移像點位移與地形的高差成正比：高差越大，引起的像點位移越大；高差為正時（地形凸起），像點位移背離像點方向：否則像點向主點方向移動位移量與像主點的距離成正比：主點越遠像點位移量越大；位移量與攝影高度成反比：攝影高度越大，引起的像點位移越小；如衛(wèi)星高度H=800km，像片大小為18cm*18cm,則像片邊緣點的地面高差為1000m，其位移量為0.13mm????2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)35攝影相片的物理特性光學(xué)密度：膠片經(jīng)過感光和顯影之后表現(xiàn)出來的深淺程度，以阻光率的對數(shù)值表示；感光特征曲線：橫坐標為膠片的曝光量，縱坐標為膠片的光學(xué)密度；其中為膠片的阻光率，為投影光線與投射光線之比為膠片的阻光率反差：反差是膠片的明亮部分與陰暗部分的密度差；膠片的最大反差是特征曲線上最大密度與最小密度之差；反差系數(shù)：指攝影后負片影像與景物亮度差之比，即特征曲線的斜率2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)36掃描成像依靠探測元件和掃描鏡對目標地物以瞬時視場為單位進行的逐點、逐行取樣，以獲取目標地物的電磁輻射特征信息，形成一定譜段的圖像；其探測的波段包括紫外、紅外、可見光和微波波段；掃描圖像的物理特性決定了其所用的探測元件的波段響應(yīng)；成像方式主要有：光學(xué)機械掃描成像、固體自掃描成像和高光譜成像光譜掃描；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)37光學(xué)機械掃描成像利用平臺的行進和旋轉(zhuǎn)掃描鏡對與平臺行進的垂直方向的地面進行逐點、逐行掃描，又稱物面掃描系統(tǒng)。目前正在使用的傳感器采用這種方式的主要有Landsat、NOAA/AVHRR、我國的“風(fēng)云”系列氣象衛(wèi)星。特點是掃描寬幅大但空間分辨率較低。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)38光機掃描圖像的幾何特性取決于它的瞬時視場角和總視場角。瞬時視場角：掃描鏡在瞬間所接受的目標地物的電磁波輻射的范圍，也叫做掃描儀的空間分辨率?？傄晥鼋牵哼b感平臺與地面掃描帶外側(cè)所構(gòu)成的夾角。光學(xué)機械掃描成像由遙感平臺的高度和總視場角可以獲取地面掃描帶的寬度

在掃描成像時，總視場角不宜過大，否則會導(dǎo)致圖像邊緣的畸變過大。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)39固體自掃描成像利用固定的探測單元，通過遙感平臺的運動對目標地物進行掃描成像。目前常用的探測元件是電荷耦合器件（CCD）目前正在使用的大部分高分辨率傳感器就是這種系統(tǒng)，包括SPOT系列，中巴資源系列，IKONOS，QUICKBIRD等。此類掃描系統(tǒng)一般分辨率比較高，但掃描寬幅比較小。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)40高光譜成像光譜掃描既能成像又能獲取目標光譜曲線的“譜像合一”的技術(shù)稱作成像光譜技術(shù)，按照該原理制成的儀器稱作成像光譜儀。圖像光譜分辨率非常高，波段數(shù)非常的多，能達到上百個波段，它仍屬于多光譜掃描儀的范疇。典型的傳感器如MODIS（中等分辨率成像光譜儀）和中國的推掃式高光譜成像儀（PHI）。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)41微波遙感與成像在電磁波譜中，波長在1mm-1m的波段范圍內(nèi)的電磁波稱作微波；微波遙感是通過微波傳感器獲取從目標地物發(fā)射或者反射的微波輻射，經(jīng)過判讀處理來識別地物的技術(shù)。2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)42微波遙感的特點雷達遙感全天時、全天候工作：高的空間分辨率雷達信號的穿透能力電磁波通過介質(zhì)時部分被吸收，強度要衰減，故將電磁波振幅減少倍的穿透深度定義為趨膚深度側(cè)視成像，圖像立體感強雷達圖像信息豐富其中為地物的導(dǎo)電率為地物的介電常數(shù)2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)43主動微波遙感主動微波遙感通過向目標地物發(fā)射微波并接收其后向散射信號來實現(xiàn)對地遙感觀測，主要傳感器有雷達、雷達高度計和微波散射計。電磁波在空間的傳播速度是一定的，當(dāng)雷達在時刻發(fā)射出一個脈沖信號，被目標反射之后，在時返回，根據(jù)時間差可以計算目標地物的距離：2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)44主動式微波遙感多普勒效應(yīng)：受到運動的影響，目標的反射回波的頻率會發(fā)生改變，該頻率的改變與目標物體的運動速度成正比。因此可以根據(jù)多普勒效應(yīng)類測定運動的目標物體；微波的極化特征，導(dǎo)致垂直方向和水平方向的反射強度不同；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)45側(cè)視雷達側(cè)視雷達的天線與遙感平臺的運動方向形成角度，朝著一側(cè)或者兩側(cè)傾斜安裝，向側(cè)下方反射微波，接收回波信號（包括振幅、相位和極化）；雷達為什么采取側(cè)視成像，而不采用正視成像方式？2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)46距離向分辨率雷達采用距離成像方式成像，因此距離向分辨率理論上等于脈沖寬度的一半；其中為脈沖的頻帶寬度，為微波的傳播速度為為脈沖寬度俯仰角越大，距離分辨率越低，俯仰角越小，距離分辨率越高；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)47方位向分辨率在方位向，雷達的波瓣角與雷達的波長成正比和天線的孔徑成反比；其中雷達天線的孔徑為微波的波長方位向的分辨率發(fā)射的波長越小，天線的孔徑越大、距離目標越近，則方位分辨能力越高；2023/2/3遙感與地理信息系統(tǒng)48方位向分辨率思考題傳感器的波長為3cm，天線的孔徑為4m，衛(wèi)星高度