第三章 遥感成像原理和遥感成像特征.ppt

第三章遥感成像原理和遥感成像特征 贺巧宁 第三章遥感成像原理与遥感图像特征 3 1遥感平台3 2传感器类型3 3微波遥感图像3 4遥感图像的分辨率 本章小结 3 1遥感平台 地面遥感 航宇遥感 航天遥感 航空遥感 卫星轨道高度 飞机 飞机 卫星 宇宙飞船 低空 中空 高空 目标物 其他平台 气球 火箭 星际飞船 一 航空遥感 平台 气球 飞机特点 1 空间分辨率高 信息容量大 2 灵活性大 适用于一些专题地图研究 3 是各种星载遥感仪器的先行检验者 4 信息获取方便 5 缺 受天气条件限制大 观测范围收到限制 遥感数据的周期性和连续性不如航天遥感 二 航天遥感 平台 人造地球卫星 探测火箭 宇宙飞船 航天飞机特点 1 观测范围大 效率高 2 价格低廉 3 动态监测 4 地面分辨率相对较低 航天遥感 地球同步轨道 轨道高度为35786公里 卫星的运行周期和地球的自转周期相同 这种轨道叫地球同步轨道 如果地球同步轨道的倾角为零 则卫星正好在地球赤道上空 以与地球自转相同的角速度绕地球飞行 从地面上看 好像是静止的 这种卫星轨道叫对地静止轨道 气象和通讯卫星 太阳同步轨道 与地球公转方向同 轨道和太阳角是保持一定角度 这样轨道面和太阳入射角保持一定 这样它经过当地的时间是不变的 航天遥感 3 1 1陆地卫星系列3 1 2气象卫星系列3 1 3海洋卫星系列3 1 4其他卫星 3 1 1陆地卫星系列 1 陆地卫星Landsat 2 斯波特卫星SPOT 3 中巴资源卫星CBERS 4 IKONOS 陆地卫星Landsat系列 传感器 RBV 反束光导摄象机MSS 多光谱扫描仪 MultispectralScanner TM 专题制图仪 ThematicMapper 轨道特征 中等高度 近圆形 近极地 太阳同步 可重复轨道数据产品 像片 胶片 数字盘 数字磁盘 斯波特卫星SPOT系列 传感器 HRV 高分辨率可见光扫描仪 HighResolutionVisiblerangeinstrument Vegetation 植被探测仪立体成像仪轨道特征 中等高度 圆形 近极地 太阳同步 可重复轨道数据产品 图象产品 CCT磁带 中巴资源卫星CBERS 传感器 CCD相机 广角成像仪 红外多谱段扫描仪主要产品 CCT磁带 胶带 像片 IKONOS 1999 9 24发射的高精度卫星 是世界上第一颗商用1m分辨率遥感卫星 1m分辨率全色波长范围0 45 0 904m分辨率多光谱波长范围同landsatTM 3 1 2气象卫星系列 主要用于云移 云顶高度 云分布 海洋表面温度 对流层上部水蒸气分布以及辐射平衡方面的测定和研究 低轨道 高轨道卫星 短周期重复观测 成像面积大 有利于同步获取宏观同步信息 资料来源连续 实时性强 成本低 低轨道卫星与太阳同步 高度800 1600km 每天一般只能获得两次观测资料 高轨道卫星飞行高度近36000km 周期为24小时 与地球同步 每20分钟就可获得一次地面观测资料 低轨气象卫星 TIROS 美国泰罗斯卫星系列 60 4 1 65 7 210 NIMUS 美国雨云卫星系列 64 8 28 78 10 247 ESSA 美国艾萨卫星系列 66 2 3 69 2 269 NOAA 美国诺阿卫星系列 70 1 23 94 1216 FY 风云一号卫星系列 88 9 7 高轨静止气象卫星 美国 日本 俄罗斯 欧洲空间局 中国 印度等发射 3 1 3海洋卫星系列 主要用于海洋温度场 海流的位置 界线 流向 流速 海浪的周期 速度 水团的温度 盐度颜色 海水的类型密度范围以及水下信息 海洋环境等方面的动态监测 美国seasat日本MOS 1MOMO 1欧洲ERS加拿大RADARSAT 3 2传感器类型 3 2 1概述 基本部件类型性能3 2 2摄影成像3 2 3扫描成像3 2 4成像光谱仪 3 2 1概述 基本部件类型性能 收集器 探测器 处理器 输出器 收集器 负责收集地面目标辐射的电磁波能量 具体元件有透镜组 反射镜组 天线等 探测器 主要是将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能 具体元件有感光胶片 光电管等 处理器 对转换后的信号进行各种处理 具体的处理器有摄影处理装置和电子处理装置 输出器 输出信息的装置 输出类型主要有扫描晒像图 电视显示管 磁带记录仪等 按记录方式 成像方式 非成像方式按工作波段分 可见光 红外 微波按工作方式分 主动 被动 传感器类型 框幅摄影机 缝隙摄影机 全景摄影机 多光谱摄影机 TV摄影机 扫描仪 电荷耦合器件CCD 面阵成像光谱仪 线阵成像光谱仪 真实孔径雷达 合成孔径雷达 光学摄影类型 光电成像类型 成像光谱仪 测视雷达 全景雷达 被动式 主动式 成像传感器 空间分辨率 遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小 用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标 光谱分辨率 指传感器所能记录的电磁波谱中 某一特定的波长范围值 波长范围越宽 分辨率越低 传感器性能指标 时间分辨率 对同一目标进行重复探测的时候 相邻两次探测的时间间隔 温度分辨率 指热红外传感器分辨地表热辐射 温度 最小差异的能力 3 2 2摄影成像 一 摄影机二 摄影种类三 摄影像片的几何特征四 摄影胶片的物理特征 一 摄影机 框幅摄影机缝隙摄影机全景摄影机多光谱摄影机共同特点 由物镜收集电磁波 并聚集到感光胶片上 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 框幅摄影机 主要由收集器 物镜和探测器 感光胶片组成 成像原理 是在某一个摄影瞬间获得一张完整的像片 一张像片上的所有像点共用一个摄影中心和同一个像片面 缝隙摄影机 又称推扫式摄影机或航带摄影机 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与缝隙等宽的一条线影像 投影性质为多中心投影 v V S H 全景摄影机 又称扫描摄影机或摇头摄影机 在物镜焦平面上平行于飞行方向设置一狭缝 并随物镜作垂直于航线方向扫描 得到一幅扫描成的图像 在摄影瞬间得到的是地面上平行于航线的一条很窄的影像 多光谱摄影机 对同一地区 在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机 是充分利用地物在不同光谱区有不同的反射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 多摄影机型多镜头型光束分离型 二 摄影种类 1 根据主光轴与地面的关系分为 垂直摄影倾斜摄影 A A O O B B a a o o b b 2 按工作方式分 单片摄影 为拍摄单一地物或特定目标而进行的单片或几片摄影 一般用于军事和专题制图 航线摄影 主要进行线状地物的连续拍摄 如铁路 公路 运河 人工渠 海岸线等 在同一航线上 两张相邻的有一定重叠度 60 53 的像片称为像对 可供立体观察用 这就是航向重叠 面积摄影 又称区域摄影 采用多航线摄影方式对区域的连续摄影 可进行大面积测图 拼图 区域研究等 两条相邻航线之间的像片重叠称旁向重叠 其重叠度为30 15 之间 主要视用于拼接平面图 3 按感光材料分 黑白全色摄影 又称可见光黑白摄影 对0 40 0 76微米的可见光全部能感受 对绿光略迟钝 其中 植被显示深色调 水体深色调 混水浅色调 黑白红外摄影 对0 40 1 30微米的可见光和近红外光感受 尤其对植被反映灵敏 植被浅色调 水体深色调 天然彩色摄影 工作波长0 40 0 76微米 信息要比黑白的多 植被真彩色 水体蓝黑色 彩色红外摄影 工作波长0 40 1 30微米 是利用摄影镜头和滤色片的组合 同时对一地区进行不同波段的摄影 取得分波段影像 一般用蓝 绿 红 近红外4个波段摄影 这些多波段像片 可以单片使用 也可以进行假彩色合成 其作用是 一次摄影 多方用途 多方受益 植被和水体是任意色 取决于组合方案 归纳 黑白像片信息量少 分辨率高 银粒构成细 色调分级识别人眼有限 彩色像片信息量多 分辨率低 染料构成 色块粗 色调分级识别人眼有利 三 摄影像片的几何特征 1 中心投影 概念 成像特征 与垂直投影的区别 2 像片的比例尺 概念 3 像点位移 概念 因素 1 中心投影 概念 中心投影是指空间任意直线均通过一固定点 投影中心 投射到一平面 投影平面 上而形成的透视关系 1 中心投影 成像特征 点直线曲线面 1 中心投影 与垂直投影的区别 投影距离的影响投影面倾斜的影响地形起伏的影响 2 像片的比例尺 概念 1 定义 像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比 1 m ab AB 2 类型 主比例尺 表示像片大概的比例尺 一般用于平坦地区的水平像片 由航测部门提供 1 m F H 平均比例尺 用于地形起伏的像片 1 m f H0 h 3 比例尺的选择 主要是根据工作任务和用途来确定 例如城市布局结构信息的遥感分析可采用大比例尺 而区域地质遥感分析可采用小比例尺等 大比例尺航片 1 5000 1 10000 中比例尺航片 1 10000 1 30000 小比例尺航片 1 30000 1 100000 4 引起像片比例尺变化的主要因素 航高的变化 当焦距一定时 航高越高 比例尺越小 投影面的倾斜 可以造成像片各个部位的比例尺不同 地形的起伏 会引起投影误差 像点位移 3 像点位移 概念 在中心投影的像片上 平面点位在像片位置上的移动 称为像点位移 3 像点位移 因素 因地形起伏引起的像点位移 又称投影差 因像片倾斜引起的像点的位移 又称倾斜误差 四 摄影胶片的物理特征 1 感光材料2 影像的形成过程 1 感光材料 在摄影成像中 质量的好坏除取决于硬件外 还与使用的感光材料有关 定义 感光材料是摄影中记录信息的载体 它包括感光胶片和感光相纸 它们都具有一定的感光性能指标 结构 黑白感光材料有一层感光乳剂层 彩色感光材料有多层感光乳剂层 一般都有保护层 感光乳剂层 结合层 片基 纸基 防光晕层等 感光性能 感光度 是指感光材料对光线的敏感程度 它是确定曝光时间的重要参数 它与曝光量成反比关系宽容度 是指感光材料能够正确记录表达地物亮度间距的能力 即最大值与最小值 宽容度大的曝光伸缩适应的范围大 信息量多 反差性 是指黑白感光材料表达影像明暗部分的密度差 黑白分明反差大 中间层次多 反差小 颗粒度 是指形成影像银粒的粗细程度 它决定了信息再现的清晰度 细颗粒的分辨率高 分辨率 也叫解像力 是表示感光材料能够分辩地物细部信息能力一种指标 以线对 mm来衡量 色温 不是光的温度 是指感光材料对白光色质 色光成分 的敏感程度 有日光型和灯光型 保存性 是指感光材料的各种感光性能在一定保存时间内的稳定程度 主要取决于乳剂配方 包装材料和密封程度以及防潮 防热 防化学气味等的条件 总之 在航摄中要选取感光度高的 宽容度大的 反差适中的 颗粒细的 分辨率高的感光材料 归纳 当感光度高时 宽容度大 反差小 颗粒粗 分辨率低 当感光度低时 宽容度小 反差大 颗粒细 分辨率高 2 影像的形成过程 航空摄影的成像过程与一般照相是相同的 地物原型的反射光谱强度是不同的 使得感光材料的感光程度不同 形成了不同密度 不同颜色的航片模型 3 2 3扫描成像 光电成像类型的传感器 将收集到的电磁波能量 通过仪器内的光敏或热敏元件转变成电能后记录下来 优点 扩大了探测波段范围 便于数据的存储与传输 TV摄影机扫描仪CCD传感器扫描仪 光机扫描仪用光学系统接收来自目标地物的辐射 并分成几个不同的光谱段 使用探测仪器把光信号转变为电信号 同时发射信号回地面 如MSS TM等 分为红外扫描仪和多光谱扫描仪 推帚式扫描仪用平行排列的CCD探测杆收集地面辐射信息 每根探测杆由3000 6000个CCD元件呈一字排列 负责收集某一波段的地面辐射信息 是推帚式扫描成像 光机扫描仪 ETM 辐射冷却器 Y方向速度 反射镜和探测器 太阳阴影 设备孔 来自地面辐射 全孔径校正门 电子设备 像底点 热辐射门 推帚式扫描成像 CCD传感器 3 2 4成像光谱仪 主要目的 想在获取大量地物目标窄波段的连续光谱图像的同时 获得每个像元几乎连续的光谱数据 光谱分辨率极高 但是数据量巨大 难以进行存储 检索和分析 目前 成像光谱仪只注重提高光谱分辨率 其空间分辨率却较低 问题提出 光学遥感的不足可见光和红外波段 当遇到阴雨天气或在夜间 其传感器就难于获取地物的信息甚至不能工作 3 3微波遥感与成像 一 微波遥感特点与基本概念 1 特点 1 微波遥感以其全天候 全天时工作及穿透植被 地表层能力的特点而受到世界各国的普遍重视 并获得迅速发展 2 对某些地物具有特殊的波谱特性 3 对冰 雪 森林 土壤等有一定穿透力 4 对海洋遥感具有特殊意义 5 分辨率较低 但特性明显 微波通常分为 毫米波 厘米波 分米波 米波 在厘米波和分米波之间 根据它们的能量和物理特征的差异 又可细分为 波等 2 微波遥感按其工作方式可分为被动微波遥感和主动微波遥感两大类 被动微波遥感 亦称无源微波遥感 是采用无源微波传感器 如微波辐射计 被动地接收来自被探测物体及其环境所辐射的微波信号 主动微波遥感 亦称有源微波遥感 主要指雷达 它是用人工方法向目标物发射微波束并接收目标物反射或散射回来的回波 根据回波性质来识别目标物 由于采用主动发射方式 不受太阳影响 可以 小时工作 即全天时工作 微波遥感传感器分类1 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 微波遥感传感器分类2 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 微波遥感传感器分类3 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 微波遥感传感器分类4 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 1 雷达系统组成通常包括 发射机接收机收发开关天线脉冲发生器 又称定时器 显示器记录器等 二 雷达成像原理 由发射机产生一束脉冲宽度为 的微波脉冲 并通过天线向目标发射 微波到达目标后 再反射或散射回来 接收机接收回波信号 其中做为聚焦系统的天线聚集发射和接收的电磁波能量 它由收发开关控制 分时工作 发射接收交替进行 并互不干扰 接收机接收的信号经过处理器检波 放大等处理后 显示在荧光屏上或记录在记录器上 通过数据回放制成雷达图像 2 雷达工作过程 雷达原理 3 雷达波束与雷达脉冲特点 天线发射的雷达波束分为主瓣 副瓣和尾瓣三部分 雷达波束在最大发射方向上发射能量所对应的视角场 称波瓣角 波瓣角 与电磁波波长 成正比 和天线孔径 即天线长度 成反比 即 雷达脉冲宽度 4 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 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 4 侧视雷达工作原理 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 A入射角 B视角 C斜距 D地距 俯角 侧视雷达工作原理 有关术语 A 近射程 nearrange B 远射程 farrange 侧视雷达工作原理 有关术语 侧视雷达工作原理 距离分辨力Pg 在侧视方向的分辨率 距离分辨率Pg c 2sin 脉冲持续期 脉冲宽度 视角 c光速 越大 俯角 90 越小 Pg越小 分辨率越高 即 距离越近 距离向分辨率越低 2 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Pa 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Pa L R天线越长 Pa越小 方位分辨率越高 侧视雷达工作原理 方位分辨力Pa 综上 距离分辨力只是与脉冲宽度有关 只要减小脉冲宽度就可提高雷达图像距离分辨力 缩小波长 加长天线孔径就可以提高方位辨力 但都有困难 目前要改进图像分辨力 其一 压缩脉冲技术 其二 采用合成孔径雷达技术 5 合成孔径侧视雷达成像原理 1 工作原理 2 方位分辨率的改进 合成孔径技术的基本思想是用一个小天线 使它在运动中不断发射一系列保持精确相位关系的相干脉冲 在目标进入和脱离脉冲视场范围时间内把同一目标反射的各个回波 包括振幅 相位 极化等 储存起来 利用飞机和地面相对运动产生的多普勒频移效应和不同相位的相干波关系进行迭加处理 从而得到加大天线孔径的效果 合成孔径雷达工作原理 小天线孔径为 在小天线发射脉冲视场中都可以接收到 点的回波 合成后的天线长度 就等于真实孔径为 的小天线方位分辨力 合成孔径的天线是收发双程的 合成孔径侧视雷达的方位分辨力 只与天线长度 成正比 而与波长 距离无关 要提高方位分辨力 只要缩小天线即可 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 ra L 2L为天线长度 合成孔径雷达工作原理 合成孔径雷达工作原理 合成孔径雷达工作原理 三 雷达图像的特点1 雷达图像几何特征1 斜距图像比例失真2 透视收缩3 叠掩倒像 A B C大小不同 2 雷达回波强度的影响因素波长俯角和照射带宽度极化方式雷达系统类型地物复介电常数地形坡度地表粗糙度 3 4遥感图像的分辨率 空间分辨率波谱分辨率辐射分辨率时间分辨率 空间分辨率 图像的空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小 即遥感器