第3章传感器及其成像方式

1、第第3 3章章 传感器及其成像方式传感器及其成像方式3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.2 3.2 摄影成像系统摄影成像系统 3.3 3.3 扫描成像系统扫描成像系统 3.1 3.1 传感器概述传感器概述1 1 传感器的分类传感器的分类2 2 传感器的组成传感器的组成3 3 传感器的性能传感器的性能v传感器传感器是收集、探是收集、探测、记录地物电磁波测、记录地物电磁波辐射信息的装置。辐射信息的装置。v它的性能决定遥感它的性能决定遥感的能力，的能力，即传感器即传感器对对电磁波段的响应能力电磁波段的响应能力、传感器传感器的空间分辨率的空间分辨率及图像的几何特征及图像的几何特征、传感器传感器获

2、取地物信息获取地物信息量的大小和可靠程度。量的大小和可靠程度。返回返回3.1.1 3.1.1 传感器的分类传感器的分类返返 回回 主动式传感器主动式传感器 被动式传感器被动式传感器按电磁波的按电磁波的辐射来源辐射来源 摄影机摄影机 扫描仪扫描仪 雷达雷达按成像原理按成像原理与图像性质与图像性质 成像方式的传感器成像方式的传感器 非成像方式传感器非成像方式传感器按记录电磁按记录电磁波信息方式波信息方式3.1.2 3.1.2 传感器的组成传感器的组成传传感感器器的的组组成成收集器收集器 摄影机：摄影机：凸透镜凸透镜 扫描仪扫描仪：反射镜：反射镜 雷达：雷达： 天线天线 多波段遥感：还包含滤色镜、棱

3、镜、光栅、分光镜等。多波段遥感：还包含滤色镜、棱镜、光栅、分光镜等。探测器探测器 感光胶片、光电敏感元件、固体敏感元件和波导感光胶片、光电敏感元件、固体敏感元件和波导处理器处理器 进行信号的放大、增强与调制进行信号的放大、增强与调制 光电转化器光电转化器输出器输出器 直接方式：摄影分幅胶片、扫描航带胶片、合成孔径雷达的波带片、显像直接方式：摄影分幅胶片、扫描航带胶片、合成孔径雷达的波带片、显像管荧光屏管荧光屏 间接方式：模拟磁带和数字磁带间接方式：模拟磁带和数字磁带 输出器的类型：扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、彩输出器的类型：扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、彩

4、色喷墨记录仪等。色喷墨记录仪等。返返 回回3.1.3 3.1.3 传感器的性能传感器的性能空间分辨率空间分辨率光谱分辨率光谱分辨率辐射分辨率辐射分辨率时间分辨率时间分辨率 传感器的性能传感器的性能 1.1.空间分辨率空间分辨率 ：指的传感器所能识别的最小地面目标的大小。：指的传感器所能识别的最小地面目标的大小。（1 1）瞬时视场：）瞬时视场：指传感器的瞬时张角所对应的地面范围。取决指传感器的瞬时张角所对应的地面范围。取决于瞬时视场角和传感器距离地面的高度。于瞬时视场角和传感器距离地面的高度。1.1.空间分辨率空间分辨率 ：指的传感器所能识别的最小地面目标的大小。：指的传感器所能识别的最小地面目

5、标的大小。（2 2）像元）像元：像元是遥感成像的基本采样点，是构成遥感图像的：像元是遥感成像的基本采样点，是构成遥感图像的最小单元。正常情况下，像元对应于传感器的最小分辨单元，最小单元。正常情况下，像元对应于传感器的最小分辨单元，呈正方形，并在图像上占据一定的面积。像元的大小是遥感图呈正方形，并在图像上占据一定的面积。像元的大小是遥感图像分辨率能力的最重要的指标，像分辨率能力的最重要的指标，2.2.光谱分辨率光谱分辨率：指传感器所使用的波段数、波长及波段宽度，也就：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是选择的通道数、每个通道的波

6、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。越高。 根据成像过程中所使用的波段数；光学遥感系统分为：根据成像过程中所使用的波段数；光学遥感系统分为： （1）全色成像系统）全色成像系统 （2）多光谱成像系统）多光谱成像系统 （3）超光谱成像系统：）超光谱成像系统： （4）高光谱成像系统）高光谱成像系统3.3.辐射分辨率：辐射分辨率：指传感器区分地物辐射能量细微变化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的能力，即传感器的灵敏度。传感器的辐射分辨率越高，

7、其对地物反射或发射能量的微小变化的探测能力高，其对地物反射或发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。越强，所获取图像的层次就越丰富。 辐射分辨率一般用辐射分辨率一般用灰度的分级数灰度的分级数来表示，即最暗来表示，即最暗最亮灰度值（亮度值）间分级的数目（最亮灰度值（亮度值）间分级的数目（量化级数量化级数）也）也称为灰度分辨率。灰度一般按称为灰度分辨率。灰度一般按2 2n n来分级。来分级。4.4.时间分辨率时间分辨率：指卫星对同一地点重复成像的时间间隔，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。显然，时间分辨率主要是针对遥感卫星即采样的时间频率。显然，时间分辨率主

8、要是针对遥感卫星系统来说的，是衡量卫星系统成像能力和成像特点的一个重系统来说的，是衡量卫星系统成像能力和成像特点的一个重要指标。要指标。 时间分辨率和卫星的回归周期（重访周期），是既有联时间分辨率和卫星的回归周期（重访周期），是既有联系又有区别的两个概念。系又有区别的两个概念。 遥感卫星以一定的时间分辨率，在不同时间获取的同一遥感卫星以一定的时间分辨率，在不同时间获取的同一地区的一组遥感图像称之为多时相图像地区的一组遥感图像称之为多时相图像（Multi-Temporal Image）。多时相遥感图像对地表事物的动态监测具有重要。多时相遥感图像对地表事物的动态监测具有重要意义。意义。返返 回回3

9、.2 3.2 摄影成像系统摄影成像系统n概述概述n摄影机的类型摄影机的类型n航空航空摄影像片的几何特摄影像片的几何特性性n航空航空摄影摄影像片的类型和特点像片的类型和特点摄影成像：是利用摄影成像：是利用光学镜头和放置在光学镜头和放置在焦平面上的感光胶焦平面上的感光胶片等组成的成像系片等组成的成像系统记录地物影像的统记录地物影像的一种技术，是遥感一种技术，是遥感最基础的成像方式最基础的成像方式之一，是航空遥感之一，是航空遥感最重要的成像方式。最重要的成像方式。返返 回回3.2.1 摄影机类型摄影机类型1.1.单镜头框幅式摄影机单镜头框幅式摄影机：一次曝光得到目标物一幅像片一次曝光得到目标物一幅像

10、片 。 单镜头框幅式摄影机构造示意图单镜头框幅式摄影机构造示意图镜头分为常角、宽角和特宽角；航空摄影机的焦距一般在150mm左右，航天摄影机的焦距需要大于300mm甚至1000mm。像幅通常为230mm230mm和180mm180mm 。摄影机类型摄影机类型2.2. 缝隙式摄影机缝隙式摄影机缝隙式摄影机：缝隙式摄影机：又称为是航带又称为是航带摄影机，通过摄影机，通过焦平面前方设焦平面前方设置的与飞行垂置的与飞行垂直的狭缝快门直的狭缝快门获取横向的狭获取横向的狭带影像。多中带影像。多中心投影。某一心投影。某一瞬间获取的影瞬间获取的影像仍为中心投像仍为中心投影。影。缝隙式摄影机缝隙式摄影机摄影机类

11、型摄影机类型3.3.全景摄影机：全景摄影机：全景摄影机的焦距较长，主要用于军事侦察。全景摄影机的焦距较长，主要用于军事侦察。镜头转动式全景摄影机镜头转动式全景摄影机摄影机类型摄影机类型4.4.多光谱摄影机：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。对同一地区在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机。多镜头组合型多镜头组合型 单镜头光束分离型单镜头光束分离型 返返回回3.2.2 3.2.2 航空摄影像片的几何特性航空摄影像片的几何特性航空摄影的类型航空摄影的类型航空摄影像片的投影及其构像特点航空摄影像片的投影及其构像特点航空摄影像片的像点位移航空摄影像片的像点位移航空摄影像片的立体观

12、察航空摄影像片的立体观察返回返回航摄像片上地物的像点位置相对于其在地形图上的位置产生的变化。航摄像片上地物的像点位置相对于其在地形图上的位置产生的变化。1.1.根据实施的方式分类：根据实施的方式分类：（1）单片摄影）单片摄影（2）单航线摄影）单航线摄影（3）多航线摄影（面积摄影）多航线摄影（面积摄影） 航空摄影的类型航空摄影的类型2.2.根据摄影机主光轴与地面的关系，可分为根据摄影机主光轴与地面的关系，可分为垂直摄影垂直摄影和和倾斜摄影倾斜摄影。返返 回回 航空摄影像片的投影及其构像特点航空摄影像片的投影及其构像特点 垂直投影垂直投影中心投影中心投影1.1.投影距离的影响投影距离的影响：垂直投

13、影的缩小和放大与投影距离无关，并有垂直投影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（遥感平台的高度）的影响，统一的比例尺。中心投影则受投影距离（遥感平台的高度）的影响，像片比例尺与平台的高度像片比例尺与平台的高度H和焦距和焦距f有关。有关。中心投影与垂直投影的区别中心投影与垂直投影的区别中心投影受平台高度和焦距的影响中心投影受平台高度和焦距的影响2.投影面倾斜的影响投影面倾斜的影响：当投影面倾斜时，垂直投影的影像仅比例尺：当投影面倾斜时，垂直投影的影像仅比例尺有所放大。在中心投影的像片上（见下图）像点有所放大。在中心投影的像片上（见下图）像点ao，bo的相对位置的相对

14、位置保持不变。在中心投影像片上（见下图），保持不变。在中心投影像片上（见下图），ao，bo的比例关系有显的比例关系有显著的变化，各点的相对位置和形状不再保持原来的样子，地面上著的变化，各点的相对位置和形状不再保持原来的样子，地面上AO=BO而像片上的而像片上的aobo。 投影面倾斜对构像的影响投影面倾斜对构像的影响中心投影与垂直投影的区别中心投影与垂直投影的区别 3.地形起伏的影响地形起伏的影响：垂：垂直投影起伏变化大，直投影起伏变化大，投影点之间的距离与投影点之间的距离与地面实际水平距离成地面实际水平距离成比例缩小，相对位置比例缩小，相对位置不变。中心投影时，不变。中心投影时，地面起伏越大，

15、像上地面起伏越大，像上投影点水平位置的位投影点水平位置的位移量就越大。这种误移量就越大。这种误差为有一定的规律。差为有一定的规律。 地形起伏对构像的影响地形起伏对构像的影响中心投影的构像规律中心投影的构像规律 v地面物体是地面物体是一一点点，在中心投影上仍然是，在中心投影上仍然是一一个点。如果有几个点同个点。如果有几个点同在在一一投影线上，它的影像便重叠成投影线上，它的影像便重叠成一一个点。个点。v与像面平行的与像面平行的直线直线在中心投影上仍为直线，与地面目标形状基本在中心投影上仍为直线，与地面目标形状基本一一致。例如：地面上有两条道路以某种角度相交，反映在中心投影致。例如：地面上有两条道路

16、以某种角度相交，反映在中心投影像片上也仍然以相应的角度相交。如果直线垂直于地面（如电线杆）像片上也仍然以相应的角度相交。如果直线垂直于地面（如电线杆）其中心投影有两种情况：其其中心投影有两种情况：其一一, ,当直线与像片垂直并通过投影中心当直线与像片垂直并通过投影中心（主光轴）时，该直线在像片上是个点。其（主光轴）时，该直线在像片上是个点。其二二，直线的延长线不通，直线的延长线不通过投影中心（主光轴）时，这时直线的投影仍为直线，但该垂直线过投影中心（主光轴）时，这时直线的投影仍为直线，但该垂直线状目标的长度和变形情况取决于目标在像片中的位置。近像片中心，状目标的长度和变形情况取决于目标在像片中

17、的位置。近像片中心，直线的长度被缩短，在像片的边缘，直线的长度被夸大。直线的长度被缩短，在像片的边缘，直线的长度被夸大。v平面上的平面上的曲线曲线，在中心投影上的像片仍为曲线。，在中心投影上的像片仍为曲线。v面状物体面状物体的中心投影相对于各种线投影的组合。水平面的投影仍的中心投影相对于各种线投影的组合。水平面的投影仍为为一一平面。垂直面的投影依其所处的位置而变化，当位于投影中心平面。垂直面的投影依其所处的位置而变化，当位于投影中心时，投影所反映的是其顶部形状，呈时，投影所反映的是其顶部形状，呈一一直线；在其他位置时，除其直线；在其他位置时，除其顶部为顶部为一一直线外，其侧面投影成不规则梯形。

18、直线外，其侧面投影成不规则梯形。 返回返回像片比例尺像片比例尺 v像片比例尺：像片上两点之间的距离与地面上相应两点的实际距像片比例尺：像片上两点之间的距离与地面上相应两点的实际距离之比。离之比。 返回返回地形平坦、垂直摄影时：像片的平均比例尺地形平坦、垂直摄影时：像片的平均比例尺1/m/Hab/AB, ,通通常可以在像片的边缘或相应的影像资料（遥感摄影报告、设计书）常可以在像片的边缘或相应的影像资料（遥感摄影报告、设计书）中找到，中找到，H H由摄影部门提供。在不知道航高时。也可以根据一定条由摄影部门提供。在不知道航高时。也可以根据一定条件求出。件求出。v像点位移像点位移：在中心投影的像片上，

19、由于地形的起伏（除引起像片：在中心投影的像片上，由于地形的起伏（除引起像片比例尺变化外，）引起平面上的点位在像片位置上的移动，其位移比例尺变化外，）引起平面上的点位在像片位置上的移动，其位移量就是中心投影与垂直投影在同量就是中心投影与垂直投影在同一一水平面上的水平面上的“投影误差投影误差”。返回返回由式由式（3.13.1）可以看出：可以看出：v位移量与地形高差成正比位移量与地形高差成正比 ；v位移量与像主点的距离位移量与像主点的距离r r成正比；成正比；v位移量与摄影高度（航高）成反比位移量与摄影高度（航高）成反比投影误差用公式可表示为投影误差用公式可表示为： Hhr 式中：式中：为位移量，为

20、位移量，h为地面高差，为地面高差， r 为像点到像主点的距离，为像点到像主点的距离，H为摄影高度。为摄影高度。（3.13.1）航空摄影像片的立体观测航空摄影像片的立体观测像片的重叠像片的重叠是航空像片立体观察和航空摄影测量的基础。是航空像片立体观察和航空摄影测量的基础。图图3.13 航空摄影过程与像片的重叠航空摄影过程与像片的重叠立体观察立体观察 立体观察的原理立体观察的原理 立体观察满足的条件立体观察满足的条件 立体观察的仪器立体观察的仪器 返回返回 f1 b1f2 b2或或f1 a1 f2 a2叫生理视差，是产生立体视觉和判叫生理视差，是产生立体视觉和判断景物远近的原因。人们的立体感觉是有

21、限度的，当交汇角小于断景物远近的原因。人们的立体感觉是有限度的，当交汇角小于3030时，两眼就会产生同样的感觉，即无法感觉出物体的远近和立时，两眼就会产生同样的感觉，即无法感觉出物体的远近和立体感觉，例如：远处的山。体感觉，例如：远处的山。眼睛的立体视觉原理眼睛的立体视觉原理返回返回立体观察满足的条件立体观察满足的条件注意：注意：（1 1）正立体效应；）正立体效应； （2 2）反立体效应；）反立体效应； （3 3）零立体；）零立体； （4 4）双影。）双影。v1.1.由两个不同摄站点摄取同一景物的一个立体像对。由两个不同摄站点摄取同一景物的一个立体像对。 v2.2.两眼分视，即左眼看左片，右眼

22、看右片。两眼分视，即左眼看左片，右眼看右片。v3.3.两眼各自观察同一景物的左、右影像点的连线应与眼基线平行，两眼各自观察同一景物的左、右影像点的连线应与眼基线平行，且两像片间的距离要适中。且两像片间的距离要适中。 v4.4.两像片的比例尺尽可能一致，最大差值不宜超过两像片的比例尺尽可能一致，最大差值不宜超过16%16%。 返回返回 常见的有：透镜式立体镜，反光式立体镜，扫描式立常见的有：透镜式立体镜，反光式立体镜，扫描式立体观察仪，主体显微镜体观察仪，主体显微镜 等等立体观察仪器立体观察仪器返回返回v 根据胶片结构，可将航空摄影像片分为：根据胶片结构，可将航空摄影像片分为：黑白红外片黑白红外

23、片黑白全色片黑白全色片彩色红外片彩色红外片天然彩色片天然彩色片多光谱摄影像片多光谱摄影像片航空摄影像片航空摄影像片返返 回回3.3 3.3 扫描成像扫描成像扫描成像概念（扫描成像概念（) )返返 回回扫描成像：扫描成像：利用扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行逐点逐行利用扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行逐点逐行收集电磁波能量，再通过探测元件（光敏收集电磁波能量，再通过探测元件（光敏/ /热敏）把接收到的电磁热敏）把接收到的电磁波能量转换成电信号，在磁介质上记录或再经过电波能量转换成电信号，在磁介质上记录或再经过电/ /光装置转换为光装置转换为光能，在设置于焦平面的胶片上形成影像。光能，在设

24、置于焦平面的胶片上形成影像。探测波段探测波段：可包括紫外、红外、可见光和微波波段。：可包括紫外、红外、可见光和微波波段。优点（相对于光学摄影遥感）优点（相对于光学摄影遥感）：一一是扩大了探测的波段范围；是扩大了探测的波段范围；二二是是便于数据的存储与传输，目前遥感多用这类遥感器。便于数据的存储与传输，目前遥感多用这类遥感器。扫描成像类型扫描成像类型扫描成像类型扫描成像类型多光谱扫描成像多光谱扫描成像（Multispectral Scanning）光光/机扫描成像机扫描成像推扫式扫描成像推扫式扫描成像热扫描成像热扫描成像成像光谱技术成像光谱技术返回返回光光/ /机扫描成像机扫描成像v光光/ /机

25、扫描仪的成像概念机扫描仪的成像概念 是通过传感器的旋转是通过传感器的旋转扫描镜沿着垂直于遥感平扫描镜沿着垂直于遥感平台飞行方向的逐点逐行的台飞行方向的逐点逐行的横向扫描，获取地面二维横向扫描，获取地面二维遥感图像的光遥感图像的光-机扫描也机扫描也称物面扫描称物面扫描 。图图3.18 光光-机扫描方式示意图机扫描方式示意图总视场（总视场（FOVFOV）：扫描带的地）：扫描带的地面宽度称总视场，从遥感平台面宽度称总视场，从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角，也叫总扫描角，叫总视场角，也叫总扫描角。扫描带对应的地面宽度角。扫描带对应的地面宽度L, L, L=2

26、HL=2H0 0tan tan 式中式中H H为遥感平为遥感平台高度，台高度，22为总的视场角。为总的视场角。航空遥感中总的视场角取航空遥感中总的视场角取7070120120。 瞬时视场角（瞬时视场角（IFOVIFOV）：扫描镜）：扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状在一瞬时时间可以视为静止状态，接收到的目标地物的电磁态，接收到的目标地物的电磁波辐射，限制在一个很小的角波辐射，限制在一个很小的角度内，这个角度称为瞬时视场度内，这个角度称为瞬时视场角，即扫描仪的空间分辨率。角，即扫描仪的空间分辨率。 图图3.19 机载多光谱扫描仪的成像过程机载多光谱扫描仪的成像过程30返回返回推扫式扫描成像推扫式扫

27、描成像 推扫式扫描（推扫式扫描（Push-Broom Scanning），），又称又称 “像面像面”扫扫描是利用由半导体材料制成的电荷藕合器件（描是利用由半导体材料制成的电荷藕合器件（Charge Coupled Device，CCD），组成），组成线阵列线阵列或或面阵列面阵列传感器，采用广角光学系传感器，采用广角光学系统，在整个视场内借助遥感平台自身的移动，象刷子扫地一样扫统，在整个视场内借助遥感平台自身的移动，象刷子扫地一样扫出一条带状轨迹，获取沿着飞行方向的地面二维图像。出一条带状轨迹，获取沿着飞行方向的地面二维图像。 固体自扫描成像固体自扫描成像与框幅式摄影机相似，某与框幅式摄影机相似

28、，某一瞬间获得一幅完整影像，一瞬间获得一幅完整影像，一个中心投影一个中心投影。在某一瞬间得到的是一条线影像，一幅在某一瞬间得到的是一条线影像，一幅影像是由若干条线影像拼接而成，因此影像是由若干条线影像拼接而成，因此又称为推帚式扫描成像。成像方式在几又称为推帚式扫描成像。成像方式在几何关系上同缝隙式摄影机情况相同。何关系上同缝隙式摄影机情况相同。返回返回和光学机械扫描相比，推扫式扫描的主要和光学机械扫描相比，推扫式扫描的主要特特点点：（1）探测器有了相对较长的信息采集时间，可以更充分地测量每个地面）探测器有了相对较长的信息采集时间，可以更充分地测量每个地面分辨单元的能量，获取更强的记录信号和更大的感应范围，增加了相对信噪分辨单元的能量，获取更强的记录信号和更大的感应范围，增加了相对信噪比，从而能得到具有更高空间分辨率和辐射分辨率的遥感图像。比，从而能得到具有更高空间分辨率和辐射分辨率的遥感图像。（2）探测器元件之间有固定的关系，消除了因扫描过程中扫描镜速度变）探测器元件之间有固定的关系，消除了因扫描过程中扫描镜速度变化所引起的几何误差，具有更大的稳定性。因此，线性阵列系统的几何完整化所引起的几何误差，具有更大的稳定性。因此，线性阵列系统的几何完整性更好、几何精度更高。性更好、几何精度更高。（3）