第五章航空遥感课件

第五章 航空遥感v5.1 航空遥感系统v5.2 航空像片的几何特征与物理特性v5.3 像片视差和立体观测v5.4 高光谱航空遥感定义：航空遥感是以中低空遥感平台为基础进定义：航空遥感是以中低空遥感平台为基础进行摄影（或扫描）成像的遥感方式。行摄影（或扫描）成像的遥感方式。15.1 航空遥感系统v一、航空遥感平台：v1.气球v2.飞机：低空、中空、高空v二、航空摄影方式：v1.按照摄影机主光轴与铅垂线的关系分：垂直航空摄影、倾斜航空摄影。v2.按照摄影所用的波段分：普通黑白、天然彩色、黑白红外、彩色红外、多光谱、机载侧视雷达。v3.按照摄影实施方式：单片摄影、单航线、多航线（面积摄影）2v（一）按摄影机主光轴与铅垂线的关系分（一）按摄影机主光轴与铅垂线的关系分v 主光轴：通过物镜中心并与主平面（或焦平主光轴：通过物镜中心并与主平面（或焦平面面)垂直的直线称为主光轴。垂直的直线称为主光轴。v 像主点：主光轴与感光片的交点称为像主点。像主点：主光轴与感光片的交点称为像主点。v 航摄倾角与像点倾角：主光轴与铅垂线的夹航摄倾角与像点倾角：主光轴与铅垂线的夹角角a a。v 1.1.垂直航空摄影垂直航空摄影:a3:a3 v 2.2.倾斜航空摄影：倾斜航空摄影：a3a3 3主光轴主光轴像主点像主点4航空像片的分类标准航空像片的分类标准5（三）按摄影实施方式分（三）按摄影实施方式分 1.1.单片摄影单片摄影 为特定目标或小块地区进行的摄影，一般获得一张、为特定目标或小块地区进行的摄影，一般获得一张、一对或数张不连续的像片。一对或数张不连续的像片。2.2.单航线摄影单航线摄影 沿一条航线对地面上狭长地带或线状地物（如铁路、沿一条航线对地面上狭长地带或线状地物（如铁路、公路、河流、管道等）进行的连续摄影。公路、河流、管道等）进行的连续摄影。航向重叠：航向重叠：60%60%，不得小于，不得小于53%53%。3.3.多航线摄影（面积摄影）多航线摄影（面积摄影）沿数条互相平行的直线航线对一个广大区域进行的沿数条互相平行的直线航线对一个广大区域进行的连续的、布满区的摄影。连续的、布满区的摄影。航向重叠航向重叠：60%60%，旁向重叠旁向重叠:15%-30%;:15%-30%;67二、航空摄影方式4.4.按照航摄比例尺分：大比例尺、中比例尺、按照航摄比例尺分：大比例尺、中比例尺、小比例尺、超小比例尺。小比例尺、超小比例尺。vv大比例尺航空摄影：所获像片比例尺大于大比例尺航空摄影：所获像片比例尺大于1 1l l0 000 0 000 vv中比例尺航空摄影：像片比例尺为中比例尺航空摄影：像片比例尺为1 110 00010 0001 130 000 30 000 vv小比例尺航空摄影：像片比例尺为小比例尺航空摄影：像片比例尺为1 130 00030 0001 1l0l00 000 0 000 vv超小比例尺航空摄影：比例尺为超小比例尺航空摄影：比例尺为1 1100 000100 0001 1250 000250 0008航空遥感的产品航空遥感的产品1.1.镶辑复照图：镶辑复照图：相邻航片按照同名地物近似地拼叠起相邻航片按照同名地物近似地拼叠起来，然后将其缩小复照即可。来，然后将其缩小复照即可。2.2.像片略图：像片略图：也称像片草图。它是按照像片之间重叠也称像片草图。它是按照像片之间重叠部分的同名地物点进行拼接镶辑，然后把重叠部分切去，部分的同名地物点进行拼接镶辑，然后把重叠部分切去，舍去像片的边角，用每张像片的中心部分拉合成一个图舍去像片的边角，用每张像片的中心部分拉合成一个图幅整体。（未纠正）幅整体。（未纠正）3.3.像片平面图：像片平面图：由经过纠正的航片拼辑、镶嵌而成的由经过纠正的航片拼辑、镶嵌而成的航空影像图。航空影像图。4.4.正射航空影像图：正射航空影像图：它是用它是用正射投影仪正射投影仪将普通的航片经将普通的航片经过了投影改造成为正射投影片，用其组合而成的航空影过了投影改造成为正射投影片，用其组合而成的航空影像图。消除了地形引起一误差，标注有等高线等。像图。消除了地形引起一误差，标注有等高线等。9航片上的标志航片上的标志 像幅规格：像幅规格：181818cm18cm2 2,23,23 23cm 23cm2 21011三、航空遥感的特点v优点：v1.航空遥感空间分辨率高、信息容量大。v2.航空遥感灵活，适用于一些专题遥感研究。v3.航空遥感作为实验性技术系统，是各种星载遥感仪器的先行检验者。v4.信息获取方便。不足：费用昂贵。不足：费用昂贵。125.2 航空像片的几何特征与物理特性v一、航空像片的投影原理一、航空像片的投影原理v1.1.中心投影中心投影定义：凡空间任意点定义：凡空间任意点A A（物点）与一固定点（物点）与一固定点S S（投（投影中心）连成的直线或延长线（即中心光线）被一个平面影中心）连成的直线或延长线（即中心光线）被一个平面（像平面）所截，则此直线与平面的交点（像平面）所截，则此直线与平面的交点a a（像点）称为（像点）称为A A点点的中心投影。的中心投影。v2.2.特点：特点：航片属于中心投影。航片属于中心投影。中心投影上，点的像还是点，线的像还是线，面的像还是面。中心投影上，点的像还是点，线的像还是线，面的像还是面。航片的比例尺随航高而改变。航片的比例尺随航高而改变。地形的起伏和投影面的倾斜会引起航片上像点的位置的变化，地形的起伏和投影面的倾斜会引起航片上像点的位置的变化，叫像点位移。叫像点位移。1314中心投影：以某一中心点成像中心投影：以某一中心点成像15中心投影的特点中心投影的特点16航空像片的比例尺17二、航空像片的比例尺二、航空像片的比例尺 (一）定义：一）定义：航空像片上某一线段长度与地航空像片上某一线段长度与地面相应线段长度之比，称为面相应线段长度之比，称为像片比例尺像片比例尺，用，用1/M1/M表表示，并有下式：示，并有下式：式中：式中：f f为焦距，为焦距，H H为飞行器相对航高。为飞行器相对航高。（二）影响航空像片比例尺的因素（二）影响航空像片比例尺的因素18 1.1.与焦距和航高的关系：与焦距和航高的关系：航空像片的比例尺航空像片的比例尺与物镜焦距成正比，与相对航空成反比。若焦距固定与物镜焦距成正比，与相对航空成反比。若焦距固定不变，相对航高越高，比例尺就越小。不变，相对航高越高，比例尺就越小。2.2.受地形因素的影响受地形因素的影响 （1 1）平坦地区：）平坦地区：摄像时像片处于水平位置，摄像时像片处于水平位置，则像片的比例尺可以近似看成处处一致。则像片的比例尺可以近似看成处处一致。例如：例如：f=70mm,H=3500mm,f=70mm,H=3500mm,则像片比例尺为则像片比例尺为1 1：5000050000 一般在航空摄影时，焦距是固定的，比例尺一般在航空摄影时，焦距是固定的，比例尺主要随着航高而变化。主要随着航高而变化。1920（2 2）地形复杂地区）地形复杂地区 由于地形起伏使得每一地物点的航高不同，由于地形起伏使得每一地物点的航高不同，实际比例尺与不一样。实际比例尺与不一样。举例说明：在用举例说明：在用RC-5RC-5拍摄的像片拍摄的像片,已知航高已知航高2600m2600m，焦距，焦距210mm,210mm,红松红松K36K36号样地的海拔高为号样地的海拔高为500m500m，红松，红松K40K40号样地海拔高为号样地海拔高为290m290m，则，则K36K36的比例尺分的比例尺分母为：母为：2122235.2 航空像片的几何特征与物理特性v二、航空像片的比例尺航摄相机的焦距航摄相机的焦距f f与航高与航高H H的比。的比。航片的比例尺：航片的比例尺：1 1M M=f f/H H。比例尺随着图像处理而变化。比例尺随着图像处理而变化。大比例尺航片：大比例尺航片：1:5 0001:5 0001:10 0001:10 000。中比例尺航片：中比例尺航片：1:10 0001:10 0001:30 0001:30 000。小比例尺航片：小比例尺航片：1:30 0001:30 0001:100 0001:100 000。地形起伏也会影响比例尺。地形起伏也会影响比例尺。245.2 航空像片的几何特征与物理特性v三、航空像片上特殊的点线：像主点、主纵线等。v四：航空像片上的物理特性：v1.色调、色彩、灰阶、亮度系数25三、航空像片上特殊的点线三、航空像片上特殊的点线 S S为投影为投影中心，中心，E E为地面，为地面，P P为像面，为像面，E E与与P P所所夹两面角夹两面角a,a,即为即为摄影时的倾角。摄影时的倾角。1.1.像主点：像主点：主光轴主光轴OSOS与像平与像平面垂直的交点面垂直的交点o,o,地面上的相应点地面上的相应点称为地主点称为地主点O O；2.2.像底点：像底点：通过镜头中心通过镜头中心S S的的铅垂线铅垂线(NSn)(NSn)与像与像面的交点面的交点26 3.3.等角点：等角点：主光轴主光轴SOSO与主垂与主垂线线NSnNSn夹角夹角a a（即（即像片倾角）的二像片倾角）的二等分线与像平面等分线与像平面及地面的交点，及地面的交点，都称等角点。用都称等角点。用c c和和C C表示。表示。4.4.主纵线：主纵线：包括主光轴与铅包括主光轴与铅垂线的平面垂线的平面（W W）与像平面）与像平面的交线（的交线（vvvv)为主纵线；为主纵线；地面上为地面上为VVVV。27 5.5.主横线：主横线：在像片上凡与主在像片上凡与主纵线垂直的线，纵线垂直的线，称为像水平线称为像水平线hhhh，通过像主，通过像主点的像水平线为点的像水平线为主横线主横线hohhoho.o.6.6.等比线：等比线：像平面上通过等像平面上通过等角点角点c c的像水平线，的像水平线，称为等比线称为等比线hchhchc.c.7.7.真水平线：真水平线：通过镜头中心通过镜头中心S S所所作的水平面与像作的水平面与像片面的交线片面的交线hihhihi.i.28 8.8.主合点：主合点：主纵线与真水平主纵线与真水平线的交点线的交点I.I.9.9.透视轴：透视轴：延长像片面与地延长像片面与地平面相交的直线平面相交的直线的透视轴的透视轴TTTT.29(二）特殊点、线间的关系二）特殊点、线间的关系30四、航空像片的物理特性四、航空像片的物理特性（一）基本概念（一）基本概念 1.1.色调：色调：地物电磁辐射能量在像片上的模拟记地物电磁辐射能量在像片上的模拟记录，在黑白像片上表现为灰度，在彩色像上表现为色彩。录，在黑白像片上表现为灰度，在彩色像上表现为色彩。通通常划分成常划分成0 0到到255255共共256256个级别，个级别，0 0表示最暗（全黑），表示最暗（全黑），255255表示表示最亮（全白）。灰阶数总数为最亮（全白）。灰阶数总数为2 2n n。2.2.色彩：色彩：彩色像上某一部分的颜色称为此部分彩色像上某一部分的颜色称为此部分的色彩。的色彩。3.3.灰阶：灰阶：灰度分成若干个等级，每一等级称为灰度分成若干个等级，每一等级称为一级灰阶。一般用一级灰阶。一般用2 2n n(n(n是正整数）表示灰阶序号是正整数）表示灰阶序号0,1,2,3,0,1,2,3,2 2n n-1-1。4.4.亮度系数：亮度系数：在相同照度下，某物体表面亮度在相同照度下，某物体表面亮度与绝对白色的理想物体表面亮度之比。表示地物发射（或反与绝对白色的理想物体表面亮度之比。表示地物发射（或反射）光的能力。射）光的能力。其中：其中：L-L-为某物体表面亮度；为某物体表面亮度；L L0-0-为绝对白色物体表面亮度。为绝对白色物体表面亮度。31 亮度系数亮度系数（亮度系数（P P）：）：在相同照度条件下，某物体的亮度与在相同照度条件下，某物体的亮度与绝对白体理想表面的亮度之比。绝对白体理想表面的亮度之比。亮度系数的特点：亮度系数的特点：（1 1）亮度系数的范围）亮度系数的范围00P P 1 1；（2 2）相同地物，由于干湿程度不同，亮度系数也不同；相同地物，由于干湿程度不同，亮度系数也不同；（3 3）亮度系数与物体表面的颜色有关；）亮度系数与物体表面的颜色有关；（4 4）表面光滑的物体比粗糙的物体亮度系数大；）表面光滑的物体比粗糙的物体亮度系数大；（5 5）许多性质完全不同的物体具有相同的亮度系数。）许多性质完全不同的物体具有相同的亮度系数。32黑白像片上某一部分的黑白深浅的程度称为色黑白像片上某一部分的黑白深浅的程度称为色调，它能反映物体反射率的大小。调，它能反映物体反射率的大小。影响航空像片色调的因素：影响航空像片色调的因素：地物表面亮度（取决于摄影时的照度和地物自地物表面亮度（取决于摄影时的照度和地物自身的亮度系数）；身的亮度系数）；感光材料（摄影时应选取感光度高、反差系数感光材料（摄影时应选取感光度高、反差系数适中、分辨率较高的感光片）；适中、分辨率较高的感光片）；摄影技术（包括曝光量的选择、感光片的冲洗摄影技术（包括曝光量的选择、感光片的冲洗以及印像、放大技术）。以及印像、放大技术）。航空遥感数据色调33（二）影响航空像片色调的因素（二）影响航空像片色调的因素 1.1.地物表面亮度：地物表面亮度：其取决于摄影时照度和地物其取决于摄影时照度和地物自身的亮度系数。自身的亮度系数。（1 1）照度：）照度：太阳辐射到地表的强度，即像片上太阳辐射到地表的强度，即像片上的灰度色调。的灰度色调。（2 2）地物亮度系数：）地物亮度系数：当照度一定时，地物亮度系当照度一定时，地物亮度系数决定着地物在黑白航空像片上的相应影像的色调。数决定着地物在黑白航空像片上的相应影像的色调。亮度系数越大，色调越浅。亮度系数越大，色调越浅。2.2.感光材料：感光材料：感光度感光度 3 3 摄影技术：摄影技术：曝光量的选择、感光片的冲洗及印曝光量的选择、感光片的冲洗及印像、放大技术等。像、放大技术等。345.3 像片视差和立体观测v一、像片视差产生的原因和纠正v1.像片倾斜产生的像点位移：v2.地形起伏产生的像点位移：公式5.3、5.2v中心投影下的位移量、地面高差、摄影高度、像主中心投影下的位移量、地面高差、摄影高度、像主点的距离的关系：点的距离的关系：v1）位移量与地形高差h成正比，即高程差越大引起的像点位移量也越大。v2）位移量与像主点的举例成正比，即距主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。v3）位移量与摄影高度（航高）成反比。其中：其中：r r为像点为像点a a到像主点的距离；到像主点的距离；H H为摄影航高；为摄影航高；h h为地面离差；为地面离差；35根据相似三角根据相似三角形原理，可得形原理，可得投影差的公式：投影差的公式：其中：其中：r r为像为像点点a a到像主点到像主点的距离；的距离；H H为摄影航高；为摄影航高；h h为地面离差；为地面离差；361.1.投影差分布规律投影差分布规律 （1 1）对相对高差相）对相对高差相等的点，等的点，h h也相等；也相等；r=0r=0时，时，h=0h=0；像主点；像主点无像点移动；无像点移动；（2 2）h h与与h h成正成正比，比，h0h0，像点背离像主，像点背离像主点方向移位，点方向移位，h0h0；h0h0，像点朝向像主点方，像点朝向像主点方向移位，向移位，h0h0h0，像，像点点a a朝向像主点方向改正；朝向像主点方向改正；h0,h0h0，图上点，图上点A0A0背朝底点方向背朝底点方向改正改正,h0;h0;反之反之385.4 高光谱航空遥感v一、基本概念一、基本概念v高光谱遥感是高光谱分辨率遥感的简称。高光谱遥感是高光谱分辨率遥感的简称。它是在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术。其成像光谱 仪可以收集到上百个非常窄的光谱波段信息。它的基础是测谱学它的基础是测谱学.v高光谱遥感与一般遥感主要区别在于：高光谱遥感与一般遥感主要区别在于：高光谱遥感的成像光谱仪可以分离成几十甚至数百个很窄的波段来接收信息；所有波段排列在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线；光谱的覆盖范围从可 见光到热红外的全部电磁辐射波谱范围。而一般的常规遥感不具备这些特 点，常规遥感的传感器多数只有几个，十几个波段；更重要的是这些波段在电磁波谱上不连续。39高空间分辨率图像v高空间分辨率图像：一般指图像的空间分辨率达到10米以内的航天、航空遥感图像。40高光谱图像特征v高光谱遥感技术又称为成像光谱技术高光谱遥感技术又称为成像光谱技术,是指利用很是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据。据。v（1 1）高光谱遥感的显著特点之一是其所提供的高）高光谱遥感的显著特点之一是其所提供的高光谱分辨率。光谱分辨率。v过去的多光谱遥感,如TM 等只能提供7 个100200nm 分辨率的间断波段信息,高光谱遥感则可提供几十数百个10nm 左右分辨率的连续波段信息,使得高光谱遥感有足够的光谱分辨率对那些具有纳米级诊断光谱特性的地表物体进行区分。41高光谱图像特征v（2 2）谱像合一技术是高光谱遥感的另一显著）谱像合一技术是高光谱遥感的另一显著特点。特点。v在对目标地物成像的同时,每一个像素都获得了几十至几百个连续光谱的覆盖,使其图像同时具有空间空间、辐射辐射和波谱波谱的信息。v高光谱遥感的出现使遥感领域发生了巨大的变化,大大加快了遥感技术从定性到定量发展的步伐。42高光谱图像特征v（3 3）扩大遥感技术应用范围）扩大遥感技术应用范围,开辟了传开辟了传统遥感无法涉足的新的研究方向。统遥感无法涉足的新的研究方向。v如不同树种的识别,不同矿物的识别,使遥感技术应用的范围大大提高;利用高光谱数据进行有关植被叶绿素a、木质索、纤维素、生物物理化学参数的提取等生化分析取得了较好的结果,为遥感技术的应用提供了新的研究方向,使得原先无法进行的应用方向成为可能。43高光谱图像特征v(4)(4)推动遥感定性分析向定量或半定量的转推动遥感定性分析向定量或半定量的转化成为可能。化成为可能。v传统成像遥感技术主要的应用是以定性化的分析为主,部分定量分析结果的精度并不理想,这显然是由于成像传感器的光谱和空间分辨率、大气和土壤背景的干扰等限制有关v高光谱分辨率成像遥感首先突破了光谱分辨率这一个限制,在光谱空间很大程度上抑制了其它干扰因素的影响,这对于定量分析结果精度的提高有很大的帮助,使遥感定性分析向定量或半定量的转化成为可能。44高光谱成像分光计基本原理45高光谱遥感 应用v高光谱遥感在精准农业、林业调查、水质监测、大气污染监测、生态环境监测、地质调查和城市调查等领域的具有广泛的应用。46高光谱航空遥感高光谱航空遥感二、航空成像光谱仪二、航空成像光谱仪 1.1.航空成像光谱仪；航空成像光谱仪；2.2.多用途航空成像光谱仪；多用途航空成像光谱仪；3.3.先进的固态阵列光谱辐射仪；先进的固态阵列光谱辐射仪；4.4.航空可见光航空可见光/红外成像光谱仪；红外成像光谱仪；5.5.小型机载成像光谱仪；小型机载成像光谱仪；4748第五章 复习题v1.航空遥感平台有哪些？摄影方式有哪些？航空遥感有何特点？v2.什么是中心投影？中心投影的透视规律有哪些？v3.如何计算中心投影相片比例尺和扫描成像方式的空间分辨率？v4.简述中心投影下的位移量、地面高差、摄影高度、像主点的距离的关系。v5.影响航空像片色调的因素有哪些类型？v6.什么是高光谱遥感数据，有何特点？v7.什么是航空遥感的色调、色彩、灰阶、亮度系数？4950生理视差的生理视差的形成：形成：人们人们是从是从眼基线眼基线的的两个端点来观两个端点来观察物体（右眼察物体（右眼从右边观察物从右边观察物体，左眼从左体，左眼从左边观察物体），边观察物体），因此两眼的因此两眼的观观察角度就不同，察角度就不同，在两眼网膜上在两眼网膜上所产生的物体所产生的物体影像就有差别，影像就有差别，即形成了生理即形成了生理视差。视差。二、航空像片的立体观察二、航空像片的立体观察51生理视差生理视差是产生立体视觉和判断景物远近的原因。是产生立体视觉和判断景物远近的原因。立体观察立体观察是根据立体视觉原理进行的。实施立体是根据立体视觉原理进行的。实施立体观察，必须是在连续拍摄的两张空中照片的重叠观察，必须是在连续拍摄的两张空中照片的重叠部分上进行的。部分上进行的。52立体观察的像对立体观察的像对像对：像对：把从相邻两摄影站对同一地区摄取的两张像片，把从相邻两摄影站对同一地区摄取的两张像片，称为像对。也可看成是称为像对。也可看成是空间光学立体模型空间光学立体模型。像对立体效果的形成过程：像对立体效果的形成过程：空间物体空间物体空间物体的左右空间物体的左右像对像对生理视差生理视差产生立体感觉产生立体感觉恢复空间物体的立体恢复空间物体的立体模型。模型。航摄立体像对：航向航摄立体像对：航向60%60%的重叠，使同一地物在相邻两的重叠，使同一地物在相邻两像片上都有影像，构成了像对，通过立体镜的立体观察，像片上都有影像，构成了像对，通过立体镜的立体观察，可建立地物的空间立体模型。可建立地物的空间立体模型。53像对立体观察的条件像对立体观察的条件 （1 1）必须是航摄立体像对；）必须是航摄立体像对；（2 2）像对的比例尺差不得大于）像对的比例尺差不得大于15%15%；（3 3）两眼分别看两张像片上的相应影像，即左）两眼分别看两张像片上的相应影像，即左眼看左像，右眼看右像；眼看左像，右眼看右像；（4 4）同名地物点的连线与眼基线平行。）同名地物点的连线与眼基线平行。问题：航空摄影像对，在立体镜下观看立体问题：航空摄影像对，在立体镜下观看立体时如何满足立体观察的条件？时如何满足立体观察的条件？54四、航空像片上的物理特性v影响航空像片色调的因素：v1.地物表面亮度：照度、地物亮度系数v2.感光材料：底片的质量v3.摄影技术：曝光量的选择、感光片的冲洗、印像、放大技术等5556