遙感地質(zhì)學(xué)-傳感器

第四章傳感器

傳感器是獲取地面目標(biāo)電磁輻射信息的裝置收集器：負(fù)責(zé)收集地面目標(biāo)輻射的電磁波能量。具體元件形式多種多樣，如透鏡組，反射鏡組，天線等。探測(cè)器：主要功能是將收集到的電磁輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能或電能。具體的元器件主要有感光膠片、光電管、光敏和熱敏探測(cè)元件、共振腔諧振器等。處理器：對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行各種處理，如顯影、定影、信號(hào)放大、變換、校正和編碼等具體的處理器類型有攝影處理裝置和電子處理裝置。輸出器：輸出信息的裝置。輸出器類型主要有掃描曬像儀、陰極射線管、電視顯像管、磁帶記錄儀、XY彩色噴筆記錄儀等收集器探測(cè)器處理器輸出器圖4-1傳感器的一般結(jié)構(gòu)

§4.1傳感器的分類

遙感信息獲取的關(guān)鍵是傳感器。地物發(fā)射或反射的電磁波信息，通過傳感器收集、量測(cè)并記錄在膠片或磁帶上，然后進(jìn)行光學(xué)或計(jì)算機(jī)處理，最終才能得到可供進(jìn)行幾何定位和圖像解譯的遙感圖像。因?yàn)榈匚飳?duì)不同波段電磁波的發(fā)射和反射特性大不相同，并且電磁波隨著波長(zhǎng)的變化其性質(zhì)有很大的差異，因接收電磁輻射的傳感器的種類極為豐富。根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，傳感器有多種分類方法。

1、按數(shù)據(jù)記錄方式可分為成像方式和非成像方式兩大類。非成像的傳感器記錄的是地物的一些物理參數(shù)；在成像系統(tǒng)中，按成像原理又可分為攝影成像、掃描成像等類型。

2、按傳感器工作的波段可分為可見光傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。從可見光到紅外區(qū)的光學(xué)波段的遙感器統(tǒng)稱光學(xué)遙感器，微波領(lǐng)域的傳感器統(tǒng)稱為微波傳感器。

3、按工作方式可分為主動(dòng)傳感器和被動(dòng)傳感器。被動(dòng)式傳感器接收目標(biāo)自身的熱輻射或反射太陽(yáng)輻射，如各種攝像機(jī)、掃描儀、輻射計(jì)等；主動(dòng)式傳感器能向目標(biāo)發(fā)射強(qiáng)大的電磁波，然后接收目標(biāo)反射的回波，主要指各種形式的雷達(dá)，其工作波段集中在微波區(qū)。成像傳感器是目前最常見的傳感器類型，其分類如圖4-2所示。

框幅攝影機(jī)

光學(xué)攝影類型縫隙攝影機(jī)全景攝影機(jī)多光譜攝影機(jī)被動(dòng)式

TV攝像機(jī)光電成像類型掃描儀成像傳感器電荷耦合器件CCD

真實(shí)孔徑雷達(dá)側(cè)視雷達(dá)主動(dòng)式合成孔徑雷達(dá)

全景雷達(dá)

圖4-2成像傳感器分類

§4.2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，它包括：空間分辨率、時(shí)間分辨率、光譜分辨率和溫度分辨率。一、空間分辨率

空間分辨率是指遙感圖像上能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元的尺寸或者大小，是用來(lái)表征影像分辨地面目標(biāo)細(xì)節(jié)能力的指標(biāo)，單位為米。通常用像元大小、像解率或視場(chǎng)角來(lái)表示。在傳統(tǒng)的攝影測(cè)量中，空間分辨率又稱為“攝影分辨率”，用單位距離內(nèi)能分辨的線寬或間隔相等的平行細(xì)線的條數(shù)來(lái)表示，單位為線/毫米或線對(duì)/毫米。對(duì)于現(xiàn)代的光電傳感器圖像，空間分辨率通常用地面分辨率和影像分辨率來(lái)表示。地面分辨率定義為影像能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元（像元）能代表的地面尺寸的大小?？梢姷孛娣直媛实拇笮?R)是由傳感器系統(tǒng)的分辨率(N)及傳感器工作時(shí)的比例尺(S)決定.即：

R=N/SN和S是定值，所以地面分辨率R是不變的定值。影像分辨率是指形成影像的比例尺可以放大或縮小，將地面分辨率在不同的比例尺的具體影像上的反映稱為影像分辨率。如：陸地衛(wèi)星MSS的地面分辨率為79米×79米，籠統(tǒng)地稱其地面分辨率為80米，在1：10萬(wàn)圖像上，其影像分辨率則為0.8毫米。因此,影像分辨率隨影像的比例尺的不同而變化。傳感器系統(tǒng)的空間分辨率受傳感器收集系統(tǒng)的分辨率、探測(cè)元件的分辨率和靈敏度等多種因素的制約，將地面分辨率對(duì)傳感器的張角稱為傳感器的角分辨率，用β表示，β與波長(zhǎng)λ和收集器的孔徑D有關(guān)，即：

2β=λ/D

當(dāng)收集器的孔徑一定時(shí)，可見光與微波的波長(zhǎng)相差4—5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，相應(yīng)地面分辨率也相差很大。總的來(lái)說(shuō)，可見光傳感器地面分辨率最高，熱紅外次之，微波波段最低。但是，在相同波長(zhǎng)和孔徑條件下，遙感平臺(tái)的高度越高，地面分辨率越低。二、光譜分辨率

不同波長(zhǎng)的電磁波按波長(zhǎng)大小依次排列叫做電磁波譜。遙感中所采用的電磁波的波長(zhǎng)從紫外線到微波，傳感器接收電磁波是按每個(gè)特定的波段進(jìn)行接收的，通過這一過程把具有連續(xù)波長(zhǎng)分布的電磁波分解為若干個(gè)波長(zhǎng)段（稱為通道或波段）的數(shù)據(jù)。這種由多個(gè)波長(zhǎng)段構(gòu)成的數(shù)據(jù)稱為多通道數(shù)據(jù)或多波段數(shù)據(jù)或多光譜數(shù)據(jù)。遙感圖像的光譜分辨率指?jìng)鞲衅鬟x擇的通道數(shù).每個(gè)通道的波長(zhǎng)及帶寬，即所用的波段數(shù)、波長(zhǎng)及波段寬度。例如，MSS多光譜掃描儀的波段數(shù)為5（指有5個(gè)通道），波段寬度約為100-2000納米；而成像光譜儀的波段數(shù)可達(dá)到幾十甚至幾百個(gè)波段，波段寬度則為5—10納米。一般來(lái)說(shuō)，傳感器的波段數(shù)越多，波段寬度越窄，所包含的信息量越大，針對(duì)性越強(qiáng)。高光譜分辨率的圖像在對(duì)地表植被和巖石的化學(xué)成分分析中具有重要意義，因?yàn)楦吖庾V遙感能提供豐富的光譜信息，足夠的光譜分辨率可以區(qū)分出那些具有診斷性光譜特征的地表物質(zhì)。

對(duì)于特定的目標(biāo)，選擇的傳感器并非波段越多，光譜分辨率越高，效果就越好，而要根據(jù)目標(biāo)的光譜特性和必需的地面分辨率來(lái)綜合考慮。在某些情況下，波段太多，分辨率太高，接收到的信息量太大，形成海量數(shù)據(jù)，反而會(huì)“掩蓋”地物輻射特性，不利于快速探測(cè)和識(shí)別地物。所以要根據(jù)需要，恰當(dāng)?shù)乩霉庾V分辨率。

三、時(shí)間分辨率傳感器對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)探測(cè)時(shí)，相鄰兩次探測(cè)的時(shí)間間隔稱為遙感圖像的時(shí)間分辨率，它能提供地物動(dòng)態(tài)變化的信息，可用來(lái)對(duì)地物的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可以為某些專題的精確分類提供附加信息。根據(jù)回歸周期的長(zhǎng)短，時(shí)間分辨率可分為三種類型：1、超短（短）周期時(shí)間分辨率，可以觀測(cè)到一天之內(nèi)的變化，以小時(shí)為單位；2、周期時(shí)間分辨率，可以觀測(cè)到一年內(nèi)的變化，以天為單位；3、長(zhǎng)周期時(shí)間分辨率，一般以年為單位變化。氣象衛(wèi)星所需資料以小時(shí)為單位，所以氣象衛(wèi)星的回歸周期為超短（短）周期。對(duì)于大氣、海洋、物理變化監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星，以及人為設(shè)計(jì)的對(duì)于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，根椐需要一般也是短周期或超短周期衛(wèi)星。在觀測(cè)植被動(dòng)態(tài)變化規(guī)律時(shí)，衛(wèi)星周期是根據(jù)生物變化節(jié)律制定的，一般是中周期的。若周期變短，則投入過多，使投入與產(chǎn)出不成比例。有些航空像片、衛(wèi)星像片用來(lái)研究自然界現(xiàn)象演化，數(shù)據(jù)資料以年為單位就可以滿足需要，故為長(zhǎng)周期。陸地衛(wèi)星影像信息以天為單位向地面發(fā)送即可以滿足人類對(duì)資源環(huán)境遙感信息的需求。LANDSAT從1972年到現(xiàn)在源源不斷地向地面發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，人們可以相隔幾年提取數(shù)據(jù)，研究自然界變化較強(qiáng)慢事物，比如土地利用變化等。

時(shí)間分辨率在遙感中意義重大。利用時(shí)間分辨率可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，如可以進(jìn)行植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還可以通過預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)地物運(yùn)動(dòng)規(guī)律，總結(jié)出模型或公式，為實(shí)踐服務(wù)。利用時(shí)間分辨率可以進(jìn)行自然歷史變遷和動(dòng)力學(xué)分析，如可以觀察到河口三角洲、城市變遷的趨勢(shì)，并進(jìn)一步研究為什么這樣變化以及有什么動(dòng)力學(xué)機(jī)制等問題。利用時(shí)間分辨率可以提高成像率和解像率，由于掃描起點(diǎn)和終點(diǎn)不同，并且不同次對(duì)同一地物的數(shù)據(jù)資料總有差別，對(duì)這些數(shù)據(jù)資料進(jìn)行疊加分析，從而提高地物識(shí)別精度。

四、溫度分辨率

溫度分辨率是指熱紅外傳感器分辨地表熱輻射（溫度）最小差異的能力。它與探測(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，一般為等效噪聲溫度的2—6倍。為了獲得較好的溫度鑒別力，紅外系統(tǒng)的噪聲等效溫度限制在0.1-0.5K之間,而使系統(tǒng)的溫度分辨率達(dá)到0.2-3.0K。目前,TM6圖像的溫度分辨率可達(dá)到0.5K。

§4.3攝影類型的傳感器

光學(xué)成像類型傳感器主要包括框幅式攝影機(jī)、縫隙攝影機(jī)、全景攝影機(jī)以及多光譜攝影機(jī)四種類型。這些傳感器的共同特點(diǎn)是由物鏡收集電磁波，并聚焦到感光膠片上，通過感光材料的探測(cè)與記錄，在感光膠片上留下目標(biāo)的潛像，然后經(jīng)過攝影處理，得到可見的影像。同時(shí)，其工作波段主要在可見光波段。下面簡(jiǎn)要介紹四種光學(xué)攝影類型傳感器的成像原理。一特點(diǎn)1)歷史悠久、較為完善、使用廣泛。2)信息量大、分辨率高3)受到感光劑的限制，感光范圍0.29－1.10微米，而且只能在晴朗的白天工作。一、框幅式攝影機(jī)這種傳感器主要由收集器、物鏡和探測(cè)器、感光膠片組成，另外還需有暗盒、快門、光欄、機(jī)械傳動(dòng)裝置等。曝光后的底片上只有一個(gè)潛像，須經(jīng)攝影處理后才能顯示出影像來(lái)。

這種傳感器的成像原理是在某一個(gè)攝影瞬間獲得一張完整的像片（18厘米×18厘米或23厘米×23厘米幅面），一張像片上的所有像點(diǎn)共用一個(gè)攝影中心和同一個(gè)像片面，亦即共用一組外方位元素。測(cè)圖用的航空攝影機(jī)，為了保證有較高的影像質(zhì)量，要求其透鏡的像差小，整個(gè)攝影系統(tǒng)的分辨率高，底片需有壓平裝置。此外，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)攝影，需配有自動(dòng)卷片、時(shí)間間隔控制器等裝置。

用于航天平臺(tái)的攝影機(jī)，如歐洲空間局在美國(guó)航天飛機(jī)STS9航次的空間實(shí)驗(yàn)室-1上的RMKA30/23空間畫幅式攝影機(jī)，其外形如圖4-4所示。雖然這種攝影機(jī)與航空攝影機(jī)相仿，但已采取了適于太空工作的各項(xiàng)措施。攝影機(jī)的焦距為305.128毫米,像幅為23×23厘米,

衛(wèi)星高度為250公里,影像比例尺為1:820000，每幅影像相應(yīng)地面的范圍為189×189公里，物鏡最大畸變差為6微米，分辨率為39線對(duì)/毫米，每4-6秒或8-12秒曝一次光，攝影機(jī)姿態(tài)控制在+(-)0.5°以內(nèi)，可攝取到縱向重疊為60%-80%的立體像對(duì)。利用這種像片可測(cè)繪1:50000和1:100000比例尺的地形圖和影像圖。彩色紅外照相機(jī)二、縫隙攝影機(jī)

縫隙攝影機(jī)，或稱推掃式攝影機(jī)、航帶攝影機(jī)。在飛機(jī)或衛(wèi)星上，攝影瞬間所獲取的影像，是與航線方向垂直且與縫隙等寬的一條線影像。這是由于在攝影機(jī)焦平面前方放置一開縫的擋板，將縫隙外的影像全擋去的緣故，如圖4-5。當(dāng)飛機(jī)或衛(wèi)星向前飛行時(shí)，攝影機(jī)焦平面上飛行方向成垂直的狹縫中的影像也連續(xù)變化。如果攝影機(jī)內(nèi)的膠片也不斷地卷動(dòng)，且其速度與地面在縫隙中的影像移動(dòng)速度相同，則能得到連續(xù)的航帶攝影像片。這種攝影機(jī)不是一幅一幅地曝光，而是連續(xù)曝光，因此不需要快門。軟片卷動(dòng)速度V與飛行速度v和相對(duì)航高H有關(guān)，以期得到清晰的影像。其關(guān)系式為：

V=v×f/H(其中，f代表焦距)

當(dāng)飛機(jī)航速與膠片卷繞速度不匹配時(shí),影像會(huì)產(chǎn)生仿射畸變。影像的投影性質(zhì),對(duì)于瞬間獲取的一條縫隙寬度的影像,仍為中心投影。但對(duì)于條帶影像,由于是在攝影機(jī)隨飛行器移動(dòng)的情況下連續(xù)獲得,因此與畫幅式影像的投影性質(zhì)就不一樣,其航跡線影像為正射投影。另外，飛行器的位移和姿態(tài)變化將使影像產(chǎn)生復(fù)雜的幾何畸變.圖4-5縫隙攝影機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖4-6縫隙攝影機(jī)成像原理

三、全景攝影機(jī)

全景攝影機(jī)又稱掃描攝影機(jī)、搖頭攝影機(jī)。全景攝影機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4-3-4所示。圖4-7全景攝影機(jī)全景攝影機(jī)的特點(diǎn)是焦距長(zhǎng)，有的達(dá)600毫米以上。幅面大,可在長(zhǎng)約23厘米，寬達(dá)128厘米的膠片上成像。它的精密透鏡既小又輕，掃描視場(chǎng)很大，有時(shí)能達(dá)180°。這種攝影機(jī)是利用焦平面上一條平行于飛行方向的狹縫來(lái)限制瞬時(shí)視場(chǎng)，因此，在攝影瞬間得到的是地面上它是在物鏡焦面上平行于飛行方向設(shè)置一狹縫，并隨物鏡作垂直航線方向掃描，得到一幅掃描成的圖像，因此稱掃描成像機(jī)，又由于物鏡擺動(dòng)的幅面很大，能將航線兩邊的地平線內(nèi)的影像都攝入底片，因此又稱它為全景攝影機(jī).平行于航跡線的一條很窄的影像。當(dāng)物鏡沿垂直航線方向擺動(dòng)時(shí)，就得到一幅全景像片。這種攝影機(jī)的底片呈弧狀放置，當(dāng)物鏡掃描一次后，底片旋進(jìn)一幅。由于每個(gè)瞬間的影像都在物鏡中心一個(gè)很小的視場(chǎng)內(nèi)構(gòu)像，因此每一部分的影像都清晰，像幅兩邊的分辨率明顯提高。但由于全景相機(jī)的像距保持不變，而物距隨掃描角的增大而增大，因此出現(xiàn)兩邊比例尺逐漸縮小的現(xiàn)象，整個(gè)影像產(chǎn)生所謂全景畸變。再加上掃描的同時(shí)，飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，以及掃描擺動(dòng)的非線性等因素，使影像的畸變更為復(fù)雜。圖4-8為地面上為正方形格網(wǎng)時(shí)，全景像片上畸變后的形狀。圖4-9是用全景攝影機(jī)拍攝的航空像片,能直觀地看到這種全景畸變的實(shí)際現(xiàn)象。全景攝影機(jī)的成像幾何關(guān)系如圖4-10所示，它的每一幅圖像是由一條曝光縫隙沿旁向掃描形成，對(duì)于每條縫隙影像的形成，其幾何關(guān)系等效于框幅攝影機(jī)沿旁向傾斜一個(gè)掃描角?后，以中心（Y=0）成像情況。因此，在任意時(shí)刻T獲得的縫隙影像是中心投影。四、多光譜攝影機(jī)對(duì)同一地區(qū)，在同一瞬間攝取其多個(gè)波段影像的攝影機(jī)稱為多光譜攝影機(jī)。采用多光譜攝影的目的，是充分利用地物在不同光譜區(qū)有不同的反射這一特征，來(lái)增多獲取目標(biāo)的信息量，以便提高影像的判讀和識(shí)別能力。在一般攝影方法的基礎(chǔ)上，對(duì)攝影機(jī)和膠片加以改進(jìn)，再選用合適的濾光片，即可實(shí)現(xiàn)多光譜攝影。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以分為三種基本類型：多鏡頭型、多攝影機(jī)型和光束分離型（一）多鏡頭型多光譜攝影機(jī)多鏡頭型多光譜攝影機(jī)是由多個(gè)物鏡構(gòu)成的攝影機(jī)。它是用普通航空攝影機(jī)改制而成的，在一架攝影機(jī)上配置多個(gè)鏡頭，如三鏡頭、六鏡頭和九鏡頭，同時(shí)必須選配相應(yīng)的濾光片與不同光譜感光特性的膠片組合，使各鏡頭在底片上成像的光譜，限制在規(guī)定的各自的波區(qū)內(nèi)。（二）多攝影機(jī)型多光譜攝影機(jī)這種多光譜攝影機(jī)是用幾架普通的航空攝影機(jī)組裝而成的，對(duì)各攝影機(jī)分別配以不同的濾光片和膠片的組合，采用同時(shí)曝光控制，以進(jìn)行同時(shí)攝影。膠片的種類共六種，如圖4-3-9所示：A、分色片；B、全色片；C、全色紅外片；D、紅外片；E、彩色三感光層的光譜感光特性；F、彩色紅外片三感光層的光譜感光特性。濾光片