《遙感基礎(chǔ)》課件-項目四 遙感傳感器及其成像原理

遙感技術(shù)應(yīng)用任務(wù)一遙感傳感器任務(wù)二遙感傳感器成像原理項目四遙感傳感器及其成像原理主要任務(wù)主要內(nèi)容一、傳感器的定義二、傳感器的組成三、傳感器的分類四、傳感器的性能指標任務(wù)三、遙感傳感器與成像原理任務(wù)一遙感傳感器

傳感器器是遙感技術(shù)系統(tǒng)的核心部分。

傳感器的性能制約著整個遙感系統(tǒng)的能力，包括遙感器對電磁波波段的響應(yīng)能力（探測靈敏度和波譜分辨率）、遙感器的空間分辨率及影像的幾何特性、遙感器獲取地物的電磁波信息的大小和可靠程度。

傳感器也稱遙感器或探測器，是收集、探測、記錄地物電磁波輻射信息的工具。一、傳感器的定義傳感器的組成收集器：收集來自地物的輻射能量。常見有透鏡組、反射鏡組、天線等。探測器：將收集的輻射能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能或電能。如感光膠化，光電二極管，光敏和熱敏探測元件等。處理器：將探測后的化學(xué)能或電能等信號進行處理，即數(shù)字信號的放大、增強或調(diào)制。如：顯影及定影，信號放大，變換甚至校正和編碼等。輸出器：將獲取的信息輸出。如：掃描曬像儀、陰極射線管、電視顯像管、磁帶記錄儀等。二、傳感器的組成

收集器探測器處理器輸出器二、傳感器的組成人工輻射源向目標物發(fā)射輻射能量，然后接收目標物反射回來的能量，如雷達。接收地物反射的太陽輻射或地物本身的熱輻射能量，如攝影機、多光譜掃描儀（MSS、TM、ETM、HRV）。主動遙感傳感器:被動遙感傳感器:1.按電磁波輻射來源三、傳感器的分類2.按成像原理和所獲取圖象性質(zhì)

攝影方式傳感器：掃描方式傳感器：雷達：按感光膠片性質(zhì)不同分為：黑白、天然彩色、紅外、彩紅外和多波段攝影等。按掃描成像方式分為：光機掃描儀、推帚式掃描儀和成像光譜儀。按天線形式分為側(cè)視雷達和合成孔徑側(cè)視雷達。三、傳感器的分類3.按是否成像圖像方式傳感器：非圖像方式傳感器：地物的電磁波能量強度用圖像的形式表示。如航空攝像機、掃描儀、成像光譜儀和成像雷達等。所探測到的地物電磁波能量強度用數(shù)字或曲線圖形表示。如微波輻射計和微波高度計。三、傳感器的分類

傳感器是遙感技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響遙感成果的好壞。反映傳感器性能的指標主要：

1.空間分辨率

2.光譜分辨率

3.輻射分辨率

4.時間分辨率四、傳感器的性能指標空間分辨率又稱地面分辨率（groundresolution），指遙感影像上能夠詳細區(qū)分的最小單元的尺寸或大小，是用來表征影像分辨地面目標細節(jié)能力的指標。1.空間分辨率四、傳感器的性能指標

對于攝影影像，通常用單位長度內(nèi)包含可分辨的黑白“線對”數(shù)表示（線對/mm），表示在地面的覆蓋寬度；對于掃描影像，通常用瞬時視場角（IFOV）的大小來表示（mrad），即像元（pixelsize），是掃描影像中能夠分辨的最小面積，即像元所對應(yīng)的地面實際尺寸。1.空間分辨率四、傳感器的性能指標不同遙感目的所要求的空間分辨率1.空間分辨率四、傳感器的性能指標

光譜分辨率是指遙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。

一般來講，衡量遙感器光譜分辨能力大小還不僅僅單指其記錄波段的范圍值，還要考慮其記錄的波段數(shù)量和整體波長范圍。遙感器記錄的波段數(shù)越多，波段寬度越窄，地面物體的信息區(qū)分和識別，針對性越強。2.光譜分辨率四、傳感器的性能指標光譜分辨率在遙感中的意義：（1）提高了對地物的識別程度；（2）在圖像處理中多光譜信息的利用可以提高分析判斷效果。

對于特定的目標，選擇的遙感器并非波段越多越好，波譜分辨率越高，效果就越好，而要根據(jù)目標的光譜特性和必要的地面分辨率來綜合考慮。2.光譜分辨率四、傳感器的性能指標

輻射分辨率是表征遙感器所能探測到的最小輻射功率的指標，歸結(jié)到影像上是指影像記錄灰度值的最小差值。3.輻射分辨率攝影成像：灰度連續(xù)掃描成像：灰度離散，分級記錄，2n級?；叶燃墑e越多，輻射分辨率就越高。四、傳感器的性能指標

遙感影像的時間分辨率指對同一地點進行遙感采樣的時間間隔，即采樣的時間頻率。例：靜止氣象衛(wèi)星半小時/次、陸地觀測衛(wèi)星幾天或幾周/次、航空攝影幾個月或幾年/次。4.時間分辨率四、傳感器的性能指標遙感影像時間分辨率分類：①超短、短周期時間分辨率指一天的變化，以小時計。主要指氣象衛(wèi)星所獲得的信息，用來探測大氣，海洋物理現(xiàn)象，火山爆發(fā)，植物病蟲害，森林火災(zāi)，污染源監(jiān)控。4.時間分辨率四、傳感器的性能指標遙感影像時間分辨率分類：②中周期時間分辨率指一年的變化，以日或月為單位。主要指陸地衛(wèi)星信息用以探測植物的季相節(jié)律，再生資源調(diào)查，旱澇，氣候?qū)W，大氣動力學(xué)，海洋動力學(xué)等。4.時間分辨率四、傳感器的性能指標遙感影像時間分辨率分類：③長周期時間分辨率以年為單位，通過時間序列的對比來反映不同時間的軌跡。如：湖泊的消長，河道的遷徙、海岸的進退，城市的擴展，資源的變化，兩極冰川的進退、氣候的演變等。4.時間分辨率四、傳感器的性能指標時間分辨率在遙感中的意義：①進行動態(tài)監(jiān)測與預(yù)報如：我國利用氣象衛(wèi)星云圖進行天氣、海況、漁情監(jiān)測。再如：英國利用氣象衛(wèi)星與氣象雷達相結(jié)合進行臺風(fēng)或暴雨形成與晴空湍流的檢測預(yù)報，時間分辨率要求可達到1小時甚至幾十分鐘，他們用雷達確定云的移動速度，水滴的大小，云頂高度等參數(shù)，推測該云團的輸水量，來預(yù)報2小時內(nèi)的天氣變化，并控制水庫的閘門。4.時間分辨率四、傳感器的性能指標②進行自然歷史變遷和動力學(xué)分析如：湖北江漢平原“云夢澤”曾有2000多個湖泊，解放前夕的地圖上還保留有609個湖，但現(xiàn)在在衛(wèi)星圖象上核實僅留下300多個，并且湖廓齊線發(fā)生了變化，原有小湖消失，中等湖泊部分不復(fù)存在，即使洪湖，大同湖這樣的大湖也被肢解破碎。如：北京城的變遷，原址薊縣。時間分辨率在遙感中的意義：4.時間分辨率率四、傳感器的性能指標③更新數(shù)據(jù)庫，形成時態(tài)數(shù)據(jù)動態(tài)多時相的遙感數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)庫的重要信息源，是數(shù)字地球的重要技術(shù)支持之一。時間分辨率在遙感中的意義：4.時間分辨率四、傳感器的性能指標任務(wù)一遙感傳感器任務(wù)二遙感傳感器成像原理項目四遙感傳感器及其成像原理主要任務(wù)主要內(nèi)容一、掃描型傳感器成像原理二、微波遙感及傳感器成像任務(wù)三、遙感傳感器與成像原理任務(wù)二遙感傳感器成像原理

光學(xué)攝影是將收集到的地物反射光在感光膠片上直接曝光成像；攝影像片一般記錄波長在1.1μm以內(nèi)的電磁波輻射能量，另外航天攝影時采用攝影型相機的衛(wèi)星所帶膠片有限，這類遙感衛(wèi)星壽命也較短，因此，攝影成像的應(yīng)用范圍受到了較大的限制。一、掃描型傳感器成像原理20世紀50年代以來，產(chǎn)生了一種新興的探測成像技術(shù)——掃描成像技術(shù)。

光電掃描類型傳感器將探測范圍可以從可見光到整個紅外區(qū)，將收集到的電磁波能量通過儀器內(nèi)的光敏或熱敏元件轉(zhuǎn)變成電能后再記錄下來。優(yōu)點：擴大了探測的波段范圍；便于數(shù)據(jù)的存儲與傳輸。常見的掃描式的傳感器：光機掃描儀、推帚式掃描儀和高光譜成像光譜儀。一、掃描型傳感器成像原理收集器:收集地面電磁波輻射信息。分光器:將收集器收集的地面電磁波信息分解成所需要的光譜成分。探測器:探測分光后的電磁波并把電磁波轉(zhuǎn)換成電信號。處理器:輸出器:1.光機掃描儀需探測器出來的低電平信號，需放大和限制帶寬。將探測器輸出的信號記錄在處理后的膠片或磁帶上。一、掃描型傳感器成像原理光機掃描儀1.光機掃描儀一、掃描型傳感器成像原理1.光機掃描儀

光機掃描儀全稱是光學(xué)機械掃描儀，它是借助于遙感平臺沿飛行方向運動和遙感器自身光學(xué)機械橫向掃描達到地面覆蓋，得到地面條帶圖像的成像裝置。分為紅外掃描儀和多光譜掃描儀（MSS)。一、掃描型傳感器成像原理2.推帚式掃描儀推帚式掃描儀工作原理圖

把許多CCD探測元件按線性排列方式裝置，并與衛(wèi)星前進方向垂直，且裝置的探測元件的數(shù)目等于掃描線上的像元數(shù)，沿衛(wèi)星前進方向推帚式掃描成像。一、掃描型傳感器成像原理2.推帚式掃描儀只要線性排列集成的CCD探測元件足夠多，這種設(shè)計就能滿足分辨率越老越高的需求。如：法國SPOT衛(wèi)星的HRT傳感器每線性列陣有4096個CCD探測器，地面分辨率可達15m，如果有8192個探測器，分辨率可提高到7.5m。推帚式掃描儀由于沒有光機掃描儀那樣的機械運動部分，所以結(jié)構(gòu)上可靠性高，但是由于使用了多個感光元件把光同時轉(zhuǎn)換成電信號，所以當感光元件之間存在靈敏度差時，往往產(chǎn)生帶狀噪聲。一、掃描型傳感器成像原理3.高光譜成像光譜儀

通常的多光譜掃描儀將可見光-近紅外波段分割為幾個或十幾個波段，我們稱為寬波段。當分割的波段數(shù)越來越多，接近于連續(xù)光譜，每個波段的波長范圍很窄，我們稱為高光譜或窄波段。能記錄高光譜的窄波段數(shù)據(jù)的掃描儀，稱為高光譜成像光譜儀。一、掃描型傳感器成像原理3.高光譜成像光譜儀高光譜成像光譜儀能夠得到上百波段的連續(xù)圖像，且每個圖像像元都可以提取一條光譜曲線。一、掃描型傳感器成像原理3.高光譜成像光譜儀成像光譜儀不是在“點”上的光譜測量，而是在連續(xù)空間上進行光譜測量，因此它是光譜成像的；成像光譜儀的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域“成像無光譜”和“光譜不成像”的歷史問題。

目前高光譜成像光譜儀主要應(yīng)用于航空遙感，在航天遙感領(lǐng)域也開始應(yīng)用高光譜。一、掃描型傳感器成像原理

微波是20世紀90時代迅速發(fā)展起來的遙感技術(shù)，它具有不同于可見光和近紅外遙感的特點與優(yōu)勢。1.微波的基本知識

在電磁波譜中，微波的波長是1~1000mm的波段范圍。微波遙感是指通過微波傳感器獲取從目標地物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過判斷處理來識別地物的技術(shù)。二、微波遙感及傳感器成像（1）全天候，全天時成像；（2）對某些地物有特殊的波譜特征，如微波在水中的比輻射率為0.4，而在冰中的比輻射率為0.99；（3）對冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力，所以對探測隱藏于林下的地形、地質(zhì)構(gòu)造、軍事目標，以及埋藏于地下的工程、礦藏、地下水等有重要意義；（4）對海洋遙感有特殊意義。因海上云霧較多所以微波探測限制不少，此外還可以探測海洋，洋流；（5）微波遙感器成像的投影方式屬于距離投影。（6）分辨率低，但特性明顯。2.微波遙感的特點二、微波遙感及傳感器成像2.微波遙感的特點微波遙感的弱點：（1）不能記錄與顏色有關(guān)的信息，記錄的某些地物信息屬于人的視覺不可見信息，因此微波遙感的解譯比較困難；（2）遙感器系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜而龐大，價格昂貴，因此目前微波遙感資料的商品化程度低；（3）影像變形情況復(fù)雜，幾何校正過程復(fù)雜，技術(shù)難度高。二、微波遙感及傳感器成像微波遙感分為主動式和被動式。主動式微波遙感是通過向目標地物發(fā)射微波并接收其后散射信號來實現(xiàn)對地觀測的遙感方式。其特點：傳感器自身發(fā)射微波輻射，并接收從目標反射或散射回來的電磁波，與目標、背景的發(fā)射率無關(guān)，與日照變化也無關(guān)，圖像較穩(wěn)定、清晰、易于識別。例如：雷達、側(cè)視雷達、合成孔徑側(cè)視雷達。3.微波遙感的分類二、微波遙感及傳感器成像微波遙感分為主動式和被動式。被動微波遙感是本身不發(fā)射電磁波，只靠接收地物和其背景發(fā)射或反射的微波能量來探測目標特性。地面地物的受太陽輻射的影響比較大，其成像受時間和大氣條件的限制。例如：微波輻射計。3.微波遙感的分類微波輻射計主要用于接收地面各點發(fā)射的微波信號，其強度與自身的亮度溫度有關(guān)，并生成對應(yīng)亮度溫度圖像。二、微波遙感及傳感器成像3.微波遙感的分類按其成像分類：非成像微波遙感和成像微波遙感。（1）非成像遙感器非成像遙感器一般屬于主動式遙感系統(tǒng)。通過發(fā)射裝置發(fā)射雷達信號，再通過接收回波信號測定參數(shù)這種設(shè)備不以成像為目的。例如：微波散射計、雷達高度計。微波散射計：測量地物表面（或體積）的散射或反射特性。雷達高度計：測量目標物與遙感平臺的距離，從而可以準確得知地表高度的變化、海浪的高度等參數(shù)，在飛機、航天器、海洋衛(wèi)星中廣泛應(yīng)用。二、微波遙感及傳感器成像3.微波遙感的分類按其成像分類：非成像微波遙感和成像微波遙感。（2）成像遙感器成像微波遙感器的共同特征是獲得在地面掃描所得到帶有地物信息的電磁波信號并形成圖像。遙感器有主動遙感：如側(cè)視雷達、合成孔徑雷達；也有被動遙感：微波輻射計。微波輻射計主要用于接收地面各點發(fā)射的微波信號，其強度與自身的亮度溫度有關(guān)，并生成對應(yīng)亮度溫度圖像。二、微波遙感及傳感器成像3.微波遙感的分類按其成像分類：非成像微波遙感和成像微波遙感。（2）成像遙感器真實孔徑側(cè)視雷達：以實際孔徑天線進行工作的雷達。合成孔徑側(cè)視雷達：利用遙感平臺的前進運動，將小孔徑的天線安裝在平臺的側(cè)方，以代替大孔徑的天線，提高方位分辨率的雷達。二、微波遙感及傳感器成像

天線裝在飛機或衛(wèi)星的側(cè)面，發(fā)射天線向平臺運動方向的側(cè)面發(fā)射一束寬度很窄的脈沖電磁波，然后接收從目標地物反射回來的后向散射波，進而從接收的信號中獲取地表的圖像。由于地面各點到平臺的距離不同，地物后向反射信號被天線接收的時間也不同，依它們到達天線的先后順序記錄，即距離近者先記錄，距離遠者后記錄，這樣根據(jù)后向反射回電磁波的返回時間排列就可以實現(xiàn)距離方向的掃描。通過平臺的前進，掃描面在地面上移動，進而實現(xiàn)方位方向的掃描。4.真實孔徑雷達（RAR）二、微波遙感及傳感器成像4.真實孔徑雷達（RAR）真實孔徑雷達的分辨率包括距離分辨率和方位分辨率。距離分辨率是在脈沖發(fā)射的方向上，能分辨兩個目標的最小距離。方位分辨率是在雷達飛行方向上，能分辨兩個目標的最小距離。二、微波遙感及傳感器成像4.真實孔徑雷達（RAR）距離分辨率是在脈