遥感卫星传感器及其成像方式高级课堂

第三章 传感器及其成像方式聊城大学 环境与规划学院1高等课堂第一节 传感器的分类 传感器 ( sensor) , 也称敏感器或探测器, 是收集、 探测并记录地物电磁波辐射信息的仪器。 传感器探测电磁波波段的响应能力 传感器的空间分辨率和图像的几何特性 传感器获取地物电磁波信息量的大小和可靠程度等。2高等课堂第一节 传感器概述 一、传感器的分类 二、传感器的组成 三、传感器的性能性能组成分类3高等课堂第一节 传感器的分类4高等课堂第二节 传感器的组成5高等课堂第二节 传感器的组成 收集器收集器 功能：接收目标物发射或反射的电磁辐射能, 并将其聚焦至探测系统。 透镜 反射镜 棱镜 分光镜 6高等课堂第二节 传感器的组成 探测器探测器 功能：实现能量转换, 测量和记录接收到的电磁辐射能。 特点：每种器件具有确定的波谱响应范围；响应速度快；灵敏度高。 感光胶片0.31.3m CCD 0.41.1m 碲镉汞(Hg0.8Cd0.2Te) 锗掺汞(Ge:Hg) 814m 7高等课堂第二节 传感器的组成 处理器处理器 功能：对探测器探测到的化学能或电能信息进行加工处理, 即进行信号的放大、 增强或调制。 除感光胶片直接吸收光能，发生光化学作用形成潜影，经显影、定影等化学处理获得影像外，其它探测元件输出的都是电信号。 转换装置转换装置:氖灯管或显像管-它们的亮度随电信号的强弱而变化，产生变化的光点通过光机扫描仪成像在胶片上，或经电子扫描在显示器上输出（显示）光学影像。8高等课堂第二节 传感器的组成 输出器输出器 功能：用适当的方式输出所接收到的各种电磁波信息。 遥感信息载体：指记录、存储成像遥感器输出信号的介质。 模拟形式-感光胶片、模拟磁带 数字形式数字磁带、磁盘、光盘 9高等课堂摄影方式摄影方式-感光胶片被景物电磁能激活而产生景物的潜影(指肉眼看不到但客观又存在的潜伏影像)扫描方式扫描方式-探测器对场景进行扫描，逐点（行、面）以数字形式在磁带上记录景物模拟信号，这种记录是一种经电光转换而能形成直观影像的潜影。 输出器（扩展1 1）10高等课堂 .感光材料: 凡经曝光后发生光化学作用凡经曝光后发生光化学作用,经过一定的化学或物理经过一定的化学或物理方法处理后方法处理后,能够形成固定影像的能够形成固定影像的 各种材料的总称。各种材料的总称。 摄影过程中记录光学影像的媒介和摄影影像的载体感光片胶片、胶卷 (透明)、像纸 (不透明)输出器（扩展2 2）11高等课堂 基本结构基本结构 乳剂层乳剂层 感光剂 粘和剂 增感剂 补加剂 支持体支持体 片基 纸基 辅助层辅助层 结合层 保护层 背面层 输出器（扩展3 3）12高等课堂 感光乳剂感光乳剂:卤化银微晶体(及加入的光谱增感剂、成色剂)和明胶溶液的悬浊液 感光剂感光剂-卤化银卤化银AgX: AgBr AgCl AgI 遇光后发生化学变化形成潜影,经显影处理后,已感光的银盐粒子还原成黑色银粒。 注注:本身只感波长小于本身只感波长小于0.5m 的蓝、紫、紫外光的蓝、紫、紫外光输出器（扩展4 4）13高等课堂 感色性感色性-感光片对光谱中不同波长光线敏感光片对光谱中不同波长光线敏 感的程度和范围感的程度和范围 由乳剂中加入的光谱增感剂的性质决定 .盲片色盲片色 只含AgBr和少量AgI 未加光谱增感剂 0.340.5m .正色片正色片 在色盲乳剂中加入正（绿）色增感剂 0.340.58m(在在0.50.52m处略有下降处略有下降) .全色片全色片 在色盲乳剂中加入多种光谱增感剂 0.340.72m(对对0.50.52m的绿光感光度稍低的绿光感光度稍低) 输出器（扩展5 5）14高等课堂盲色片盲色片(未增感未增感)全全色色片片正色片正色片红外片红外片 .黑白红外片黑白红外片 乳剂中加入红外增感剂,感光范围扩大到0.91.3m 输出器（扩展6 6）15高等课堂 黑白全色片 黑白红外片输出器（扩展7 7）16高等课堂 .彩色片彩色片 乳剂由卤化银、光谱增感剂和成色剂组成 天然彩色片 红外彩色片 输出器（扩展8 8）17高等课堂输出器（扩展9 9）光电转换电光转换 .磁带-遥感信息的暂时性记录介质是具有磁表面的柔软带状记录介质 .模拟磁带18高等课堂 .数字磁带数字磁带 探测系统输出的电压信号，经过模/数（A/D）转换，对电压曲线分段读数（取样、量化）并以二对电压曲线分段读数（取样、量化）并以二进制数码表示进制数码表示，记录这种数据的磁带称数字磁带。 HDDT (High Density Digital Tape) CCT (Computer Compatible Tape)输出器（扩展1010）19高等课堂第三节 传感器的性能 空间分辨率 ( Spatial Resolution) 光谱分辨率 (Spectral Resolution) 辐射分辨率 (Radiometric Resolution) 时间分辨率 (Temporal Resolution)20高等课堂一、空间分辨率 传感器的空间分辨率 ( spatial resolution) , 是指传感器所能识别的最小地面目标的大小,是反映遥感图像分辨地面目标细节能力的重要指标。表示按地物几何特征表示按地物几何特征( (尺寸和形状尺寸和形状) )和空间分布和空间分布, ,即在形态学基础上识别目标的即在形态学基础上识别目标的能力。两种含义：能力。两种含义： . 遥感器的技术鉴别能力即能把两相邻目标作为两个清晰实体记录下来的两目标间的最小距离 . 遥感器观察地面特征所需要的有效探测和分析的分辨率21高等课堂低分辨率高分辨率中分辨率22高等课堂23高等课堂24高等课堂二、光谱分辨率 光谱分辨率 ( spectral resolution) , 指传感器所使用的波段数、 波长及波段宽度, 也就是选择的通道数、 每个通道的波长和带宽, 这三个要素共同决定了光谱分辨率。 传感器的波段数量越多、 带宽越窄, 其光谱分辨率就越高。25高等课堂26高等课堂光谱分辨率高-意味着？ 区分具有微小波谱特征差异地物的能力强； 数据量大，传输、处理难度大； 各波段间数据的相关性大； 应服从应用目的-结合地物特征波谱，选择能提供最大信息量的最佳波段和多波段组合27高等课堂三、辐射分辨率 辐射分辨率 ( radiometric resolution) 是指传感器区分地物辐射能量细微变化的能力, 即传感器的灵敏度。 传感器的辐射分辨率越高, 其对地物反射或发射辐射能量的微小变化的探测能力越强, 所获取图像的层次就越丰富。28高等课堂 遥感器测量的是地物的波谱辐射度。 辐射分辨率指遥感器探测元件在接收波谱辐射信辐射分辨率指遥感器探测元件在接收波谱辐射信号时，能分辨的最小辐射度差。号时，能分辨的最小辐射度差。即把遥感器输出信号的总范围，从黑到白，分解成大量刚好能辨别的灰度等级，反映地物在波谱辐射度或反射率上的微细差异。 辐射分辨率高-识别两同等空间分辨率目标的能力强29高等课堂四、时间分辨率 时间分辨率 ( temporal resolution) 指卫星对同一地点重复成像的时间间隔, 即采样的时间频率。 遥感器成像间隔的性能指标。 注意：对同一目标遥感器重复成像的周期、 覆盖周期 、重访周期30高等课堂Banda Aceh, IndonesiaBefore the Tsunami(June 23, 2004) 31高等课堂During Tsunami(December 28, 2004)32高等课堂第二节 摄影成像系统 数据获取是遥感技术的核心，无论是主动遥感还是被动遥感, 也无论是航空遥感还是航天遥感, 从成像方式上, 主要有三种成像系统, 即摄影成像系统、 扫描成像系统和微波成像系统。 摄影成像摄影成像是利用光学镜头和放置在焦平面上的感光胶片等组成的成像系统记录地物影像的一种技术, 是遥感最基础的成像方式之一, 也是航空遥感最重要的成像方式。 33高等课堂摄影成像的特点 摄影成像采用的感光胶片的光谱响应范围在紫外至近红外 (0.3-0.9 m) 空间分辨率高 几何完整性好 视场角大因此，便于进行较精确的测量与分析, 具有高度的灵活性和实用性, 因而仍被广泛应用。34高等课堂一、摄影类型的传感器 （一）单镜头框幅式摄影机 （二）缝隙摄影机 （三）全景摄影机 （四）多光谱摄影机35高等课堂36高等课堂37高等课堂BGRIR38高等课堂二、航空摄影像片的几何特性 垂直摄影：摄影机垂直地面的摄影成像方式, 即摄影机的主光轴与地面垂直, 感光胶片与地面平行。 倾斜摄影:摄影机主光轴与主垂线之间的夹角大于3,这种带有倾斜角度的摄影方式称为倾斜摄影。39高等课堂区分垂直投影和中心投影40高等课堂 投影距离的影响：垂直投影图形的缩小和放大与投影距离无关，并有统一的比例尺；中心投影则受投影距离（遥感平台高度）影响，像片比例尺与平台高度和焦距有关。 倾斜角度的影响：当投影面倾斜时，垂直投影的影像仅表现为比例尺有所放大；而中心投影的像片上，各点的相对位置和形状不在保持原样。 地形起伏的影响：垂直投影时，随地面起伏的变化，投影点之间的距离与地面实际水平距离成比例缩小，相对位置不变；中心投影时，地面起伏越大，像上投影点水平位置的位移量就越大，产生投影误差。41高等课堂中心投影的构像规律 点目标-点； 线目标-直线、曲线或者点； 面目标-平面。42高等课堂像点位移 思考：请尝试推导公式：像主点43高等课堂立体观测 航向重叠 旁向重叠 原理 条件 方法44高等课堂航空摄影像片的类型和特点 根据胶片结构，可分为三类： 黑白全色片和黑白红外片 天然彩色片与彩色红外片 多光谱摄影像片你知道它们分别感应哪些波段的电磁波吗？你知道它们分别感应哪些波段的电磁波吗？45高等课堂 黑白全色片 黑白红外片黑白全色片与黑白红外片46高等课堂天然彩色片和彩色红外片47高等课堂多光谱摄影像片48高等课堂第三节 扫描成像系统 优点： 空间分辨率高 成本低 易操作 信息量大 缺点： 局限性大 0.3-1.3m 影像畸变较严重 成像受气侯、光照 和大气效应的限制 须回收胶片，影像形成周期长无法实时观测回顾：摄影成像系统的特点49高等课堂主要内容 一、多光谱扫描成像 二、热扫描成像 三、成像光谱技术50高等课堂一、多光谱扫描成像 多光谱扫描 ( multispectral scanning) 成像是以逐点逐行的扫描方式, 分波段获取地表电磁辐射能量, 形成二维地面图像的一种成像方式。 这种成像方式可获取地物在不同波段的信息, 为分析与识别地物类别提供了十分重要的数据源, 是卫星遥感技术中使用最多的传感器类型。51高等课堂一、多光谱扫描成像多光谱摄影系统多光谱扫描系统波 谱 区 域0.3-0.9m0.3-14m记 录 方 式胶片数字记录-电信号辐 射 定 标光化学过程-辐射定标难光电过程-辐射数据定量探 测 范 围胶片探测范围较窄电子格式范围较广波段可比性多系统分离采集-可比性差光谱波段同时采集-可比性强52高等课堂一、多光谱扫描成像 根据成像方式的不同, 多光谱扫描成像系统可分为光学机械扫描和推扫式扫描两种主要类型。53高等课堂光学机械扫描 optical- mechanical scanning54高等课堂推扫式扫描 push- broom scanning 线性阵列式55高等课堂推扫式扫描 push- broom scanning 面状阵列式56高等课堂光机扫描和推扫式扫描对比 光-机扫描相比, 推扫式扫描的主要优点表现在以下四个方面。 (1) 更高的空间分辨率和辐射分辨率 (2) 更好的几何完整性、更高的几何精度 (3) 更稳定的探测器（CCD） (4) 更长的使用寿命57高等课堂二、 热扫描成像58高等课堂二、 热扫描成像59高等课堂二、 热扫描成像美国亚特兰大市中心航空热影像（左-昼，右-夜）60高等课堂二、 热扫描成像61高等课堂二、 热扫描成像62高等课堂二、 热扫描成像63高等课堂聊城大学的热红外影像64高等课堂如何下载卫星遥感影像？ 65高等课堂如何下载卫星遥感影像？66高等课堂如何下载卫星遥感影像？67高等课堂如何下载卫星遥感影像？68高等课堂如何下载卫星遥感影像？69高等课堂如何下载卫星遥感影像？70高等课堂如何下载卫星遥感影像？71高等课堂如何下载卫星遥感影像？72高等课堂Landsat 8 OLI_TIRS 卫星影像2013 年2月11日，美国航空航天局(NASA) 成功发射Landsat-8卫星。Landsat-8卫星上携带两个传感器，分别是OLI陆地成像仪（Operational Land Imager）和TIRS热红外传感器（Thermal Infrared Sensor）。Landsat-8 在空间分辨率和光谱特性等方面与Landsat 1-7保持了基本一致，卫星一共有11个波段，波段1-7，9-11的空间分辨率为30米，波段8为15米分辨率的全色波段，卫星每16 天可以实现一次全球覆盖。OLI陆地成像仪有9个波段，成像宽幅为185x185km。与Landsat-7 上的ETM传感器相比，OLI陆地成像仪做了以下调整：1. Band 5的波段范围调整为0.8450.885 m，排除了0.825m处水汽吸收的影响；2. Band 8全色波段范围较窄，从而可以更好区分植被和非植被区域；3. 新增两个波段。Band 1蓝色波段 (0.4330.453 m) 主要应用于海岸带观测，Band 9短波红外波段(1.3601.390 m) 应用于云检测。LandSat-8上携带的TIRS热红外传感器主要用于收集地球两个热区地带的热量流失，目标是了解所观测地带水分消耗。73高等课堂Landsat 8 OLI_TIRS 卫星影像Landsat 8Landsat 8OLIOLI陆地成像仪陆地成像仪TIRSTIRS热红外传感器热红外传感器波段波段波长（微米）波长（微米）分辨率（米）分辨率（米）波段1-气溶胶0.43-0.4530波段2-蓝0.45-0.5130波段3-绿0.53-0.5930波段4-红0.64-0.6730波段5-近红0.85-0.8830波段6-SWIR11.57-1.6530波段7-SWIR22.11-2.2930波段8-全色0.50-0.6815波段9- Cirrus1.36-1.3830波段10-TIRS热红外传感器110.60-11.19100波段11-TIRS热红外传感器211.50-12.5110074高等课堂Landsat 8 OLI_TIRS 卫星影像产品类型产品类型Level 1T地形矫正影像分辨率分辨率1-7,9 -OLI多光谱波段（30米）；8 OLI全色波段（15米）；10,11-TIRS波段（30米）输出格式输出格式GeoTIFF取样方法取样方法三次卷积算法（Cubic Convolution Resampling）地图投影地图投影UTM-WGS84投影坐标系地形矫正地形矫正L1 数据产品已经经过系统辐射校正和几何校正数据大小数据大小约1GB （解压后约2GB）数据获取数据获取互联网下载，对于已经有数据实体的影像可以立即通过网上下载，对于未获得数据实体的影像，需要提交数据预订后获取。75高等课堂如何下载卫星遥感影像？76高等课堂Landsat 8 OLI_TIRS 卫星影像77高等课堂Landsat 8 OLI_TIRS 卫星影像78高等课堂Landsat 8 OLI_TIRS 卫星影像79高等课堂80高等课堂三、成像光谱技术 虽然多光谱遥感（MSS、TM、SPOT）比摄影遥感（单波段或少量波段）更具有优势，但它们十分有限的波段( TM 波段最多, 也仅有 7 个) 、 较宽的波段间隔 ( 60-200 nm) 均难以真实地反映地表物质的光谱反射辐射特性的细微差异, 更无法用光谱维的空间信息来直接识别地物的类别,特别是地物的组成与成分。 随着微电子探测技术、 精密光学仪器、 计算机技术的发展, 成像光谱技术便应运而生了。81高等课堂三、成像光谱技术 在一定的波长范围内, 传感器的探测波段分割越多, 即光谱采样点越多, 所获取数据的连续性就越强, 从而使传感器在获取目标地物图像的同时, 也能获取反映地物特点的连续、光滑的光谱曲线。 这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“图谱合一”技术, 称为成像光谱技术成像光谱技术。按照这种技术原理制成的扫描仪称为成像光谱仪成像光谱仪。82高等课堂三、成像光谱技术83高等课堂三、成像光谱技术 1983年，美国喷气推动实验室（JPL）研制出第一台试验型航空成像光谱仪AIS-1，在找矿、 水体、 生态、 大气等定量研究中显示了巨大潜力。 成像光谱仪成像光谱仪波段数波段数AIS-1128AIS-2224AVIRIS224GER63DAIS79ASDIS20484高等课堂三、成像光谱技术 与此同时，许多国家也相继研制了航空成像光谱仪。 加拿大的FLI/PM1(228波段)，CASI(288波段)； 德国的ROSIS(128波段)； 澳大利亚的AMSS85高等课堂三、成像光谱技术 航天成像光谱仪也发张迅速： LEWIS的HIS,384波段，美国； EOS-A的MODIS，36波段，美国； ENVSAT的MERIS，15波段，欧洲空间局； HIRIS,192波段，美国； 86高等课堂三、成像光谱技术 我国成像光谱仪的发展几乎与国际同步，成像光谱技术已跻身国际遥感前沿1 1。 FIMS-6波段； MSIS-64波段； TIMS-7波段； AMSS-19波段； MAIS-71波段； OMIS-128波段； PHI-224波段；参照：郑兰芬，童庆禧，王晋年，参照：郑兰芬，童庆禧，王晋年，19951995，高光谱分辨率遥感研究进展，遥感科学新进展，科学出版社，高光谱分辨率遥感研究进展，遥感科学新进展，科学出版社87高等课堂三、成像光谱技术 目前，人们能够获得中等分辨率数据的航天成像光谱仪-MODIS。NASA于1999年12月发射的Terra极轨飞行器上个5个传感器之一。88高等课堂三、成像光谱技术 成像光谱技术的特点 高光谱分辨率 图-谱合一89高等课堂三、成像光谱技术 成像光谱数据的处理 图像立方体90高等课堂三、成像光谱技术 几何处理方法 缺点91高等课堂