第3章遥感成像原理与遥感成像特征

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,扫描成像：依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场角为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射的特性信息，形成一定谱段的图像。,探测波段：紫外、红外、可见光和微波波段,.,成像方式：一是光,/,机扫描成像，二是固体自扫描成像，三是高光谱成像光谱扫描。,3.3,扫描成像,1,3.3,扫描成像,光,/,机扫描成像,光学一机械扫描（简称光机扫描）成像系统，一般在扫描仪的前方安装可转动的光学镜头，并依靠机械传动装置使镜头摆动，形成对地面目标的逐点逐行扫描。扫描镜在机械驱动下，随遥感平台的前进运动而摆动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描镜反射，并经透镜聚焦和分光分别将不同波长的波段分开，再聚焦到感受不同波长的 探测元件上。,遥感器光谱分辨率依赖于不同,分光器,和,探测元件,，其辐射分辨率取决于,探测元件的灵敏度,。在光机扫描所获得的影像中，每条扫描带上影像宽度与图像地面分辨率分别受到总视场和瞬时视场的影响。,2,瞬时视场角：,扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。即扫描仪的空间分辨率。,总视场角,：扫描带的地面宽度称总视场。从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。,总视场,(FOV),是遥感器能够受光的范围，决定成像宽度。瞬时视场角,(IFOV),决定了每个像元的视场。一般说来，瞬间视场角对应的地面分辨单元是一个正方形，该正方形是瞬间视场角对应的地表面积。严格说来，光机扫描中瞬间视场角对应的每个像元是个矩形。光机扫描成像时每一条扫描带都有一个投影中心，一幅图象由多条扫描带构成，因此遥感影像为多中心投影。每条扫描带上影像的几何特征服从中心投影规律，在航向上影像服从垂直投影规律。,3,3.3,扫描成像,光,/,机扫描成像,探测元件,响应波长,/,工作温度,/,K,光电倍增管,硅光二极管,锗光二极管,锑化铟（,InSb,）,碲镉汞,(,HgCdTe,),硫化铅（,PbS,）,锗掺汞,(,Ge,:Hg),0.4-0.75,0.53-1.09,1.12-1.73,2.1-4.75,3-5,8-14,2-6,8-13.5,77,室温,77,室温,77,4,3.3,扫描成像,光,/,机扫描成像,A,：,扫描镜,B,：,探测元件,C,：,IFOV,瞬时视场角,D,：,地面分辨率,E,：,总视场角（,10-20,0,航天）,F,：,扫描带宽,5,几种光机扫描一仪,1,、红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。,2,、多光谱扫描仪（,MSS),：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。,3,、专题制图仪,TM,：专题制图仪,TM,的成像原理与,MSS,一致，与,MSS,相比，空间分辨率由,80,米提高到,30,米；探测波段由,4,个增加到,7,个。,特点,：利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法。输出的电学图象数据，存储、传输和处理方面十分方便。但装置庞杂，高速运动使其可靠性差；在成像机理上，存在着目标辐射能量利用率低的致命弱点。,6,3.3,扫描成像,光,/,机扫描成像,实例（,MSS,）,MSS,具有,4,个光谱通道。,Landsat,1-5,均用了,MSS,，,其中除,Landsat,3,采用,5,个波段外，其余均用,可见光,-,近红外,4,个波段。,（,1,）,MSS4,：,0.5,0.6,微米， 为蓝绿波段,（,2,）,MSS5,：,0.6,0.7,微米，为橙红波段,（,3,）,MSS6,：,0.7,0.8,微米，为红、近红外波段,（,4,）,MSS7,：,0.8,1.1,微米，为近红外波段,7,3.3,扫描成像,光,/,机扫描成像,实例（,MSS,）,MSS-4,MSS-5,8,3.3,扫描成像,光,/,机扫描成像,实例（,MSS,）,MSS-6,MSS-7,9,3.3,扫描成像,光,/,机扫描成像,实例（,MSS,）,MSS Band 4 = Blue,MSS Band 5 = Green,MSS Band 7 = Red,10,3.3,扫描成像,固体自扫描成像（推帚式扫描仪）,1,、固体自扫描是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。,2,、电子藕合器件,CCD,：是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件。具有感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、灵敏度高、动耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点。,3,、扫描方式上具有刷式扫描成像特点。探测元件数目越多，体积越小，分辨率就越高。电子藕合器件,CCD,逐步替代光学机械扫描系统。,11,3.3,扫描成像,高光谱成像光谱扫描（成像光谱仪）,成像光谱仪是遥感领域中的新型遥感器，它把可见光、红外波谱分割成几十个到几百个波段，每个波段都可以取得目标图像，同时对多个目标图像进行同名地物点取样，取样点的波谱特征值随着波段数愈多愈接近于连续波谱曲线。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术称为成像光谱技术，按该原理制成的遥感器称为成像光谱仪。,高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图象是多达数百个波段的非常窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、近红外、中红外和热红外区域全部光谱带。光谱仪成像时多采用扫描式和推帚式，可以收集,200,或,200,以上波段的收据数据。使图象中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般传统的成像谱光仪在波段之间存在间隔。,主要应用于高光谱航空遥感，在航天遥感领域高光谱也开始应用,12,总 结,摄影成像,扫描成像,波谱范围,光谱分辨率,多光谱获取方式,数据记录方式,投影方式,可见光,+,近红外,相对低,多个镜头,胶片、数字,中心投影,可见光,+,近红外,+,热红外,相对高,单镜头，分光,数字,多中心投影,13,3.4,微波遥感与成像,微波波段划分,14,3.4,微波遥感与成像,微波遥感的特点：,1,、,能全天候、全天时工作,2,、对某些地物具有特殊的波谱特征：,在微波波段，水的比辐射率为,0.4,，冰的比辐射率为,0.99,；而在红外波段，水的比辐射率为,0.96,，冰的比辐射率为,0.92,。,3,、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。,4,、对海洋遥感具有特殊意义：,适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测,5,、分辨率较低，但特性明显。,15,3.4,微波遥感与成像,微波遥感方式：主动和被动,16,3.4,微波遥感与成像,微波遥感传感器分类,主动方式,被动方式,1,、雷达（侧视雷达）：成像,2,、,微波高度计,：不成像,3,、,微波散射计,：不成像,1,、微波辐射计：成像,2,、,微波散射计,：不成像,17,3.4,微波遥感与成像,微波遥感传感器分类,微波散射计：测量地物的散射或反射特性,微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。,根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。,18,3.4,微波遥感与成像,微波遥感传感器分类,微波辐射计,微波辐射计主要用于探测地面各点的,亮度温度,并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力,其发射强度与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信号并换算成对应的亮度温度图,对地面物体状况的探测很有意义。,亮度温度是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。,19,3.4,微波遥感与成像,微波遥感传感器分类,侧视雷达,侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面,发射一个窄的波束,覆盖地面上这一侧面的一个条带,然后接收在这一条带上地物的反射波,从而形成一个图像带。随着飞行器前进,不断地发射这种脉冲波束,又不断地接收回波,从而形成一幅一幅的雷达图像。,雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。,20,合成孔径雷达,合成孔径雷达与侧视雷达类似,也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元,每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。,目的：提高图象在飞行方向的分辨率。,3.4,微波遥感与成像,微波遥感传感器分类,21,3.4,微波遥感与成像,侧视,雷达工作原理,雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。,由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。,22,遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来,3.4,微波遥感与成像,侧视,雷达工作原理,23,3.4,微波遥感与成像,侧视,雷达工作原理,有关术语,A,：,飞行方向；,B,：,天底方向,E,：,方位向；,D,：,距离向；,C,：,扫描宽度,24,3.4,微波遥感与成像,侧视,雷达工作原理,有关术语,A,入射角,;,B,视角,;,C,斜距,;,D,地距,;,俯角,25,3.4,微波遥感与成像,侧视,雷达工作原理,有关术语,A:,近,射程（,near range,）,;,B:,远射程（,far range,）,26,3.4,微波遥感与成像,侧视,雷达工作原理,距离分辨力,P,g,在,侧视方向的分辨率,距离分辨率,P,g,=c,/2sin,脉冲持续期（脉冲宽度），,视角，,c,光速,越大（俯角（,90-,）,越小），,P,g,越小，分辨率越高,即：距离越近，距离向分辨率越低, /2,27,距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反,沿航线方向的分辨率,方位分辨率，沿迹分辨率,P,a,=,*R,波束宽度，,R,天线到该像元的倾斜距离,=,/,l, ,波长，,l,天线长度,P,a,= (,/l,)*R,天线越长，,P,a,越小，方位分辨率越高,3.4,微波遥感与成像,侧视,雷达工作原理,方位分辨力,P,a,28,3.4,微波遥感与成像,合成孔径雷达工作原理,合成孔径雷达（,SAR,，,Synthetic Aperture Radar,）,也是侧视雷达。,基本原理：,利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。,在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。,在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影象。经过复杂的处理，得到地面的实际影象,29,3.4,微波遥感与成像,合成孔径雷达工作原理,30,3.4,微波遥感与成像,合成孔径雷达工作原理,理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：,r,a,=l/2 l,为,天线长度,31,3.4,微波遥感与成像,合成孔径雷达工作原理,32,3.4,微波遥感与成像,合成孔径雷达工作原理,33,3.4,微波遥感与成像,合成孔径雷达工作原理,34,3.5,遥感图像的特征,几何特征：目标地物的大小、形状及空间分布特点；,物理特征：目标地物的属性特点；,时间特征：目标地物的变化动态特点,35,3.5,遥感图像的特征,遥感图象上能够详细区分的最小单元的尺寸，是用来表征图象分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像解率或视场角来表示。,像元（,pixel,）：,将地面信息单元离散化而形成的格网单元，单位为米，是组成图象的基本单元。像元越小，空间分辨率越高；,像解率是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的条数来表示，如线,/,毫米或线对,/,毫米；,瞬时视场角,(,instantaneous field of view, IFOV):,指传感器的张角及瞬时视域，又称,角分辨率,。,传感器在某一时刻所能感测的外来光（或其它电磁波）所来自的空间角度区域,空间分辨率,36,分辨率（像元大小）,=,平台高度*角分辨率（弧度）,D= H * IFOV,如，飞机飞行高度,8000,米，角分辨率为,2.5,毫弧度，则地面分辨率为：,8000m*2.5*10,-3,=20m,3.5,遥感图像的特征,空间分辨率,对于摄影成像的图像：,对于扫描方式：,与瞬时视场角有关,37,不同空间分辨率的图象,38,1,米,39,10,米,40,30,米,41,80,米,42,传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。,间隔愈小，分辨率愈高,或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越宽，分辨率越低,不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很大区别；,如,MSS,（,100-200,nm,）、,AVIRIS,（,10,nm,）,传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果,感测人体选择,8-12,m,探测森林火灾应选择,3-5 m,波谱分辨率,3.5,遥感图像的特征,43,3.5,遥感图像的特征,波谱分辨率,44,3.5,遥感图像的特征,波谱分辨率,45,3.5,遥感图像的特征,辐射分辨率,传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。在遥感图象上表现为每一像元的辐射量化级,(,D),。,如,6,bit, 7bit, 8bit, 11bit, ,一个,6-bit,的,传感器可以记录,2,6,级（,64,）的亮度值，,一个,8,-bit,的传感器可以记录,2,8,级（,256,）的亮度值，,一个,12,-bit,的传感器可以记录,2,12,级（,4096,）的亮度值,46,8-bit,256,greys,6-bit,64,greys,4-bit,16,greys,3-bit,8,greys,2-bit,4,greys,1-bit,2,greys,辐射分辨率,47,Maximum brightness = 255,Maximum brightness = 127,辐射亮度范围,48,对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，,（重访周期）,短：一天内的变化，小时为单位,中：一年内的变化，以天为单位,长：以年为单位,LANDSAT,：,16,天；,CBERS,：,26,天；,太阳同步气象卫星：,0.5,天,动态监测,3.5,遥感图像的特征,时间分辨率,49,