遥感图像的成像原理-课件

遥感图像的成像原理随着空间技术、航天技术、无线电电子技术、光学技术、计算机技术及其它相关科学的迅速发展,遥感传感器从第一代的航空摄影机,第二代的多光谱摄影机、扫描仪,特别快发展到第三代的固体扫描仪(Charge Coupled Device,Charge Coupled Device,CCD)。进入90年代以后,高分辨率CCD传感器的出现,使遥感图像的空间分辨率由Landsat-MSS的80m提高到目前的23m,甚至1m以上;4 4、1 1 传感器的分类高光谱分辨率成像仪的出现,使多光谱遥感图像的光谱分辨率可达到5 10nm;加拿大雷达卫星(RADARSAT)的成功发射以及美国的地球观察雷达系统EOS-SAR的研制标志着雷达图像的空间分辨率大大提高。所有这些说明,遥感图像应用于地图的测绘和GIS基础信息的获取已成为估计。4 4、1 1 传感器的分类遥感技术常用的传感器:航空摄影机(航摄仪)全景摄影机 多光谱摄影机 多光谱扫描仪(Multi-Spectral Scanner,MSS)专题制图仪(Thematic Mapper,TM)反束光导摄像管(RBV)HRV(High Resolution Visible range instruments)扫描仪 合成孔径侧视雷达(Side-Looking Airborne Radar,SLAR)4 4、1 1 传感器的分类4 4、1 1 传感器的分类图 遥感器的分类情况主动式侧视雷达全景雷达真实孔径雷达合成孔径雷达被动式光电成像类型摄像机电荷耦合器件CCD扫描仪光学摄影类型多光谱摄影机全景摄影机缝隙摄影机框幅摄影机成像遥感器成像光谱仪面阵成像光谱仪线阵成像光谱仪4 4、2 2 光学摄影机类型传感器的成像原理光学摄影类型传感器主要包括:框幅摄影机、缝隙摄影机、全景摄影机和多光谱摄影机四种类型。共同特点:由物镜收集电磁波,并聚焦到感光胶片上,通过感光材料的探测与记录,在感光胶片上留下目标的潜像,然后经过摄影处理,得到可见的影像。分幅式摄影机成像示意图光学摄影机类型传感器的成像原理框幅式摄影机传感器成像原理是在某一个摄影瞬间获得一张完整的像片(18cm18cm或23cm23cm幅面)。一张像片上的所有像点共用同一个摄影中心和同一个像片面,亦即共用一组外方位元素。因此,像点和物点之间能够用航测像片解析的共线方程来描述。一、框幅式摄影机光学摄影机类型传感器的成像原理缝隙摄影机,或称推扫式摄影机、航带摄影机。在飞机或卫星上,摄影瞬间所获取的影像是与航线方向垂直且缝隙等宽的一条线影像。当飞机或卫星向前飞行时,摄影机焦平面上与飞行方向成垂直的狭缝中的影像也连续变化。假如摄影机内的胶片不断地卷动,且其速度与地面在缝隙中的影像移动相同,则能得到连续的航带摄影像片。二、缝隙摄影机vxyVSH光学摄影机类型传感器的成像原理全景摄影机又称摇头摄影机,或叫扫描摄影机。它是在物镜焦面上平行于飞行方向设置一狭缝,并随物镜作垂直航线方向扫描,得到一幅扫描成的图像,因此称扫描像机,又由于物镜摆动的幅面特别大,能将航线两边的地平线内的影像都摄入底片,因此又称为全景摄影机。全景摄影机的特点:焦距长,有的达600mm以上,可在长约23cm,宽达128cm的胶片上成像。它的周密透镜既小又轻,扫描视场特别大,有时能达180。三、全景摄影机航向航线缝隙光学摄影机类型传感器的成像原理但由于全景像机的像距保持不变,而物距随扫描角而增大,因此出现两边比例尺逐渐缩小的现象。再加上扫描的同时,飞机向前运动,以及扫描摆动的非线性等因素,整个影像产生全景畸变。三、全景摄影机扫描方向飞行方向全景像片的畸变光学摄影机类型传感器的成像原理关于同一地区,在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机称多光谱摄影机。采纳多光谱摄影的目的,是充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征,来增多获取目标的信息量,以便提高影像的判读和识别能力。四、多光谱摄影机光学摄影机类型传感器的成像原理四、多光谱摄影机在一般摄影方法基础上,对摄影机和胶片加以改进,再选用合适的滤光片,即可实现多光谱摄影。依照其结构特点,能够分为三种基本类型:多摄影机型,多镜头型和光束分离型。（a）多摄影机型滤光片镜头摄影机胶片（b）多镜头型滤光片镜头摄影机胶片（c）光束分离型滤光片镜头二分色镜胶片光学摄影机类型传感器的成像原理四、多光谱摄影机 (一)多摄影机型多光谱摄影机 这种多光谱摄影机是用几架普通的航空摄影机组装而成的,对各摄影机分别配以不同的滤光片和胶片的组合,采纳同时曝光控制,以进行同时摄影(如图a)。光学摄影机类型传感器的成像原理四、多光谱摄影机 (二)多镜头型多光谱摄影机 它是用普通航空摄影机改制而成的,在一架摄影机上配置多个镜头(如三镜头、六镜头和九镜头),暗盒部分用几种胶片记录从不同镜头拍摄得到的影像。这种摄影机同样需要选配相应的滤光片与不同光谱感光特性的胶片组合,以实现多光谱摄影(如图b)。光学摄影机类型传感器的成像原理四、多光谱摄影机 (三)光束分离型多光谱摄影机 在摄影时,光束通过一个镜头后,经分光装置分成几个光束,然后分别透过不同的滤光片,分成不同波段,在相应的感光胶片上成像,实现多光谱摄影(如图c)。4 4、3 3 光电成像传感器的成像原理光电成像传感器主要包括:电视摄像机、扫描仪、电荷耦合器件CCD。其中后两种应用最广泛,特别是,长线阵大面阵CCD传感器差不多问世,其地面分辨率最高可达1m以下,为遥感图像定量研究提供了保证。光电成像类型传感器与光学摄影类型的传感器有特别大区别。光电类型的传感器是将收集到的电磁波能量,通过仪器内的光敏或热敏元件(探测器)转变成电能后再记录下来。光电传感器较光学摄影机的优点在于:一是扩大了探测的波段范围;二是便于数据的存贮与传输。电视摄像机是从空中观测地面或从空间观测地球的常用的传感器。这类传感器体积较小,重量较轻,影像是由电子记录的,即使在低照明的条件下也能工作,并具有较高的分辨率,因此,它能够比较容易获得可靠的地面遥感数据。一、电视摄像机光电成像传感器的成像原理应用于遥感的电视摄像机的摄像管有光导摄像管,反束光导摄像管和超正摄像管等,它们的功能和用途不完全相同,其基本工作原理是:地面上的景物通过物镜在摄像管的光阴极上成像,并形成一定格式的电荷,用电子束扫描光阴极,通过光电转换,记录在胶片上,以影像方式输出,其分辨率大致取决于光阴极的尺寸及读出光阴极上的电荷格式所采纳的电子束特性。一、电视摄像机光电成像传感器的成像原理早期的气象卫星采纳了光导摄像机。陆地卫星-1、2上装有三台反束光导管摄像机,分别拍摄不同光谱通道的同一景物,陆地卫星-3改用两台焦距全色反束光导管摄像机。尽管电视摄像机有许多优点,但它每张像片的覆盖度和分辨率依然比不上摄影机。从几何成像原理上看,电视摄像机是一种面阵列式传感器,与面阵列CCD传感器的成像几何关系相同。一、电视摄像机光电成像传感器的成像原理扫描仪与摄影机一样是成像传感器,然而它的输出信号为电信号形式,便于传送、记录、分析和处理,扫描仪的波谱范围也比摄影胶片要宽得多,而且感测的过程是可逆的,即探测器在感测过程中并不消耗能量,而且,所获得的数据是定量的辐射量数据,便于校正;并可同时收集几个不同波段通道的数据资料。扫描仪应用于红外波段的成像,也用于从近紫外到红外范围内的多波段扫描成像。二、扫描仪光电成像传感器的成像原理在航空遥感中常用的光/机扫描仪是利用光学系统的机械转动和飞行器向前飞行的两个方向相互垂直的运动,形成对地物目标的二维扫描,逐点将不同目标物的反射或辐射光谱会聚到能将其能量转变成电信号的光电转换器件CCD探测器上。电信号通过放大处理后记录下来,记录的方式或在显像管上显示或经过电光能转换器件把电信号再转换成光信号在普通全色胶片上成像,亦可记录在模拟磁带上,航空红外扫描仪对地物目标扫描过程如右图(机载红外扫描仪结构原理图)。二、扫描仪光电成像传感器的成像原理(一)光/机扫描仪瞬时视场摄影负片阴极射线管信号放大和调制反射镜组旋转扫描镜G探测器致冷器多光谱扫描仪光学系统原理图光/机扫描成像多光谱扫描仪是在红外扫描仪的基础上发展起来的,它所涉及的波长范围已超出了红外波段,包括电磁波谱中的紫外、可见光和红外三个部分。多光谱扫描仪依照大气窗口和地物目标的波谱特性用分光系统(棱镜或光栅等)把扫描仪的光学系统所接收的电磁辐射(从紫外、可见光,到红外)分成若干波段,目前已有4个波段到24个波段的扫描仪。用多光谱扫描仪可记录地物在不同波段的信息,因此,不仅可依照扫描影像的形态和结构识别地物,而且可用不同波段的差别区分地物,为遥感数据的分析与识别提供了特别有利的条件。它常用于收集农作物、植物、土壤、森林、地质、水文和环境监测等方面的遥感资料。二、扫描仪光电成像传感器的成像原理(二)多光谱扫描仪陆地卫星-1、2上安装的多光谱扫描仪有4个波段(波长范围为0、50、6um、0、60、7um、0、70、8um、0、81、1um);在陆地卫星-3上的多光谱扫描仪增加了一个10、412、6um的热红外波段。陆地卫星-3上专题制图仪有7个波段。多光谱扫描仪主要由两个部分构成:机械扫描装置和分光装置。它是由扫描镜收集地面目标的电磁辐射,通过聚光系统把收集到的电磁辐射会聚成光束,然后,通过分光装置分成不同波长的电磁波,它们分别被一组探测器中的相对应的不同探测器所接收,经过信号放大,然后记录在磁带上,或通过电光转换后记录在胶片上。二、扫描仪光电成像传感器的成像原理(二)多光谱扫描仪记录器地面辐射扫描镜次反射镜主反射镜色散元件探测器同步信号多光谱扫描仪的构成略图用一种称为电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)的探测器制成的传感器称为CCD传感器。这种探测器是由半导体材料制成的,在这种器件上,受光或电激作用产生的电荷靠电子或空穴运载,在固体内移动,以产生输出信号。将若干个CCD元器件排列成一行,称为CCD线阵列传感器。例如法国SPOT卫星使用的传感器HRV就是一种CCD线阵传感器,其中全色HRV用6000个CCD元器件组成一行。三、CCD传感器(数码摄影机)光电成像传感器的成像原理将若干个CCD元器件排列在一个矩形区域中,即可构成面阵列传感器。每个CCD元器件对应于一个像元素。目前,长线阵、大面阵CCD传感器差不多问世,长线阵可达12000个像元素,长为96mm;大面阵可达到51205120个像素,像幅为61、4mm61、4mm。每个像元素的地面分辨率可达到23m,甚至1m以上。三、CCD传感器光电成像传感器的成像原理面阵列CCD传感器获取图像的方式如图:它与框幅式摄影机相似,某一瞬间获取得一幅完整的影像,因而是一个单中心投影,其构像关系可直截了当使用框幅式中心投影的航空像片的构像关系式。面阵列传感器图像目标物投影中心时刻t面阵传感器成像方式线阵列CCD传感器获取图像的方式如图:线阵列方向与飞行方向垂直,在某一瞬间得到的是一条线影像,一幅影像由若干条线影像拼接而成,因此又称为推扫式扫描成像。这种成像方式在几何关系上与缝隙摄影机的情况相同。三、CCD传感器光电成像传感器的成像原理线阵列传感器图像投影中心时刻t目标物XYZ线阵列传感器成像方式4 4、4 4 成像光谱仪原理简介目前正在迅速发展的一种新型传感器称为高光谱(Hyperspectral)成像光谱仪(Imaging Imaging Spectrometer)Spectrometer),它是以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起,能够实现对同一地区同时获取几十个到几百个波段的地物反射光谱图像。成像光谱仪为每个像元提供数十至数百个窄波段(通常波段宽度10 90的关系时,就会产生雷达阴影。雷达阴影hsech雷达阴影的斜距长度能够由斜面的高差h求出:hsec。附:与微波遥感有关的向个电磁波特征一、叠加当两个或两个以上的波在空间传播时,假如在某点相遇,则该点的振动是各个波独立引起该点振动时的叠加。附:与微波遥感有关的向个电磁波特征二、相干性当两个或两个以上的波在空间传播,它们的频率相同,振动方向相同,振动位相差是一个常数时,这时叠加后合成波的振幅是各个波振幅的矢量和,这种现象称为干涉。两波相干时,在交叠的位置,相位相同的地方,振动加强,相位相反的地方振动抵消,其他位置均有不同程度的减弱。当两束微波相干时,在微波雷达图像上会出现颗粒状或斑点状特征。当两束波不符合相干条件时,即为非相干波。这时叠加后的合成波振幅是各个波振幅的代数和,因此上述现象在雷达图像上便可不能出现。附:与微波遥感有关的向个电磁波特征三、衍射电磁波传播过程中,假如遇到不能透过的有限直径的物体,会出现传播的绕行现象,即一部分辐射没有遵循直线传播的规律而绕到障碍物的后面,这种改变传播方向的现象称为衍射现象。附:与微波遥感有关的向个电磁波特征四、极化电磁波传播是电场和磁场交替变化的过程,且它们的方向相互垂直。电场常用矢量表示,矢量必定在与传播方向垂直的平面内。矢量所指的方向估计随时间变化,也估计不随时间变化。当电场矢量的方向不随时间变化时,称为线极化。线极化分为水平极化和垂直极化。水平极化指电场矢量与雷达波束入射面垂直,记作H。垂直极化指电场矢量与雷达波束入射面平行,记作V。入射平面入射平面入射波目标平面附:与微波遥感有关的向个电磁波特征四、极化雷达波发射后,遇目标平面而反射,其极化状况在反射时会发生改变,依照传感器发射和接收的反射波极化状况能够得到不同类型的极化图像。若发射和接收的电磁波同为水平极化方式,则得到同极化图像HH;若同为垂直极化,得到同极化图像VV;若发射为水平极化H,而接收为垂直极化V,则得到交叉极化图像HV;若发射为垂直极化V,而接收为水平极化H,则得到交叉极化图像VH。附:与微波遥感有关的向个电磁波特征四、极化除了线极化波以外,电场矢量在与传播方面垂直的平面上运动,也估计画出圆形或椭圆形的轨迹,称为圆极化波或椭圆极化波。平常应用较多的是四种线极化图像。青海省 西宁市 黑白航摄像片:航摄比例尺1:3000,航摄日期:2001年6月(立体象对左片)黑白航空影像青海省 西宁市 黑白航摄像片:航摄比例尺1:3000,航摄日期:2001年6月(立体象对右片)黑白航空影像彩色航空影像彩色航空影像彩色航空影像彩红外航空影像彩红外航空影像美国Landsat7 ETM+影像美国Landsat7 ETM+影像法国SPOT影像中巴资源卫星影像俄罗斯SPIN-2卫星影像韩国卫星影像美国IKONOS影像感谢您的聆听！感谢您的聆听！