第三章-遥感技术系统

1、 第三章遥感技术系统第三章遥感技术系统内容介绍与学习目的内容介绍与学习目的： 本章主要介绍了遥感技术系统的组成；摄影方式、扫描方式及雷达方式传感器的基本结构、成像机理；常见遥感卫星轨道参数及其传感器工作特点；航空摄影像片、专题制图仪图像、固体自扫描图像、热红外图像及成像雷达图像等的特性（空间特性、波普特性、时间特性）。 通过本章的学习，要重点掌握本章典型遥感图像的特性，正确理解不同遥感图像的信息内涵，从而达到在工作中能正确选择和使用遥感图像的目的。 第一节第一节 概概 述述 遥感技术系统是实现遥感目的的方法论、设备和技术的总称。现已成为一个从地面到高空的多维、多层次的立体化观测系统。遥感技术系

2、统主要有：遥感平台系统，即运载工具。包括各种飞机、卫星、火箭、气球、高塔、机动高架车等；遥感器系统，如各种主动式和被动式、成像式和非成像式、机载的和星载的传感器及其技术保障系统；数据传输和接收系统，如卫星地面接收站、用于数据中继的通讯卫星等；数据接收系统，用于地面波谱测试和获取定位观测数据的各种地面台站网；数据处理系统，用于对原始遥感数据进行转换、记录、校正、数据管理和分发；分析应用系统，包括对遥感数据按某种应用目的进行处理、分析、判读、制图的一系列设备、技术和方法。遥感技术系统是一个非常庞杂的体系。对某一特定的遥感目的来说，可选定一种最佳的组合，以发挥各分系统的技术优势和总体系统的技术经济效

3、益。一、遥感平台一、遥感平台 遥感中搭载遥感器的工具统称为遥感平台，它是遥感器赖以工作的场所，平台的运行特征及其姿态稳定状况直接影响传感器的性能和遥感资料的质量。目前，遥感平台按高度可分为地面、航空和航天遥感平台(表31)。在不同高度进行多平台遥感，可获得不同比例尺、分辨率和地面覆盖面积的遥感图像。地面遥感平台指用于安置遥感器的三脚架、遥感塔、遥感车等，高度在100m以下，在上放置地物波谱仪、辐射计、分光光度计等，可以测定各类地物的波谱特性。航空遥感平台指高度在100m以上，100km以下，用于各种调查、空中侦察、摄影测量的平台。航天遥感平台一般指高度在240km以上的卫星等，其中高度最高的要

4、数气象卫星GMS所代表的静止卫星，它位于赤道上空3600km的高度上，Landsat，SPOT等地球卫星高度也在700900km之间。二二 传感器传感器 传感器是记录地物反射获发射电磁波能量的装置，是遥感技术系统的核心部分，目前对成像传感器的主要分类如下（图3-1）：（1）按数据记录方式可分为成像方式传感器和非成像方式传感器两大类。非成像方式传感器记录的是地物的一些物理参数。在成像系统中，按成像原理又可分为摄影成像、扫描成像等类型。（2）按传感器工作的波段可分为可见光传感器、红外传感器和微波传感器。从可见光到红外区的光学波段的传感器统称为光学传感器，微波领域的传感器统称为微波传感器。(3)按工

5、作方式可分为主动式传感器和被动式传感器。被动式传感器接收目标自身的热辐射或反射太阳辐射，如各种摄像机、扫描仪、辐射计等；主动式传感器能向目标发射强大的电磁波，然后接收目标反射的回波，主要指各种形式的雷达，其工作波段集中在微波区。三、遥感卫星地面接收站三、遥感卫星地面接收站 遥感卫星地面站是跟踪、接收、记录、处理遥感卫星数据的地面系统。一般由地面接收站和地面处理站两部分组成。前者由大型抛物面的主、副反射面天线和磁带机组成，主要任务是搜索、跟踪卫星，接收并记录卫星遥感数据、遥测数据及卫星姿态数据。天线具有若干波段(一般是X波段或S波段)、全半球跟踪能力，安装方式为方位一俯仰，并设有自动倾斜机构，以

6、解决卫星过顶的跟踪问题。接收记录的数据通常通过若干磁带机记录在高密度数字磁带(HDDT)上。后者由计算机图像处理系统和光学图像处理系统组成。 计算机图像处理系统主要功能是对地面接收站接收记录的数据进行回放输入，分幅并进行辐射校正和几何校正处理，最后获得卫星数据的计算机兼容磁带(CCT)和图像产品。光学图像处理系统主要功能是对数据处理后生成的潜影胶片进行冲洗、放大、合成、分割，从而产生各种类型和规格的正负胶片和像片等产品。 目前世界上有一定规模的遥感卫星地面站约有25个(表32)，其中有18个是由接收美国陆地卫星数据开始发展壮大并形成较大规模的。为了进行全球范围的研究，美国在全世界设置覆盖大陆的

7、陆地卫星地面接收站，目前运行的地面站已经达21个。全球陆地仅剩南极洲、中亚、西伯利亚等少数空白区。各国的接收站每接收一幅图，都要在当天用微波回送到美国的地球资源观测数据中心(EROSData)。覆盖全球的卫星系统，遍布全世界的地面站，使美国优先获得全球性的地球资源信息，为进行全球研究提供了可能。 中国遥感卫星地面站于1986年底在北京建成并投入使用，它面向全国提供卫星遥感数据及空间遥感信息服务，是我国大陆唯一的国家级民用多种资源卫星接收与处理基础设施。20多年来，我国遥感地面站在接收、处理、存档、分发各类对地观测卫星数据，以及卫星遥感影像数据接收与处理相关技术的研究上取得了重大进步，从建成时只

8、能够接收处理一颗光学遥感卫星发展到现在能接收处理十多颗卫星，谱段涵盖光学与微波，分辨率从1000m到2.5m，同时代理分发0.61m高分辨率卫星数据，实现了重大的突破。 目前，中国遥感地面站是国际资源卫星地面站网成员，是世界上接收与处理卫星数量最多的地面站之一，分别与美国、欧空局、加拿大、法国、印度等国家和组织的卫星管理机构签订了卫星数据接收协议。正在接收美国LANDSAT-5，7，法国SPOT-2，4，5，加拿大RADARSAT-1，欧空局ENVISAT-1和ERS-12，印度RESOURCESAT-1，美国Terra和Aqua，以及中巴合作的CBERS-02B等11颗卫星数据，实现了全天候

9、、全天时的对地观测。四、遥感信息的传输四、遥感信息的传输 遥感平台上遥感器所收集的信息只有准确、及时地送回地面并迅速进行处理，才能加以利用。遥感信息向地面传输一般采用以下两种方式。1直接回收直接回收 这是遥感信息传输的初级形式，是在遥感平台返回地面后，直接回收遥感器输出的磁带或胶片，如飞机、航天飞机等，或由遥感平台按地面指令使再入舱与仪器舱分离，独立返回地面，然后从再人舱内取出磁带或胶片，如国土卫星等。直接回收比较容易，利于保密，但不能实时传输。2视频数据传输视频数据传输 视频数据传输是将遥感器收集的目标物信息，用无线电发往地面接收站，它是将探测器输出的视频数据，通过通信设备，以s波段(200

10、04000MHz)15Mbps均数据率、x波段(800012500MHz)85Mbps的数据率或Ku波段(1250018000MHz)等视频信道向地面发送。视频数据可以在地面接收站视野内或经跟踪和数据中继卫星(TDRS)、国内通信卫星(DOMSAT)在地面接收站视距作用范围以外区域，进行实时或近实时传输(图32)，也可以先将数据暂时记录在平台上的宽带视频磁带机，待平台飞越地面站上空时再向地面传送，称为非实时(延时)传输。 第二节典型传感器工作方式第二节典型传感器工作方式 传感器是测量和记录被探测物体的电磁波特性的工具，是遥感技术系统的重要组成部分，是遥感成像技术的核心。一、传感器的基本组成及工

11、作原理一、传感器的基本组成及工作原理 无论哪一种传感器，它们基本是由收集系统(收集器)、探测系统(探测器)、信息转化系统(处理器)和记录系统(输出器)四部分组成(图33)。 1收集器 收集地物辐射来的能量。具体的元件如透镜组、反射镜组、天线等。对于多波段遥感，收集系统还包括按波段分波束的元件，例如滤光片、棱镜、光栅等。2探测器 将收集的辐射能转变成化学能或电能。常用的探测元件有感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件、共振腔谐振器等。3处理器 对收集的信号进行处理。如显影、定影、信号放大、变换、校正和编码等。具体的处理器类型有摄影处理装置和电子处理装置。4输出器 输出获取的数据。输出器类型有扫描晒

12、像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、XY彩色喷笔记录仪等。二、传感器的性能二、传感器的性能 传感器的性能表现在多方面，其中最具实用意义的指标是传感器的分辨率。分辨率是遥感技术及其应用中的一个重要概念，也是衡量遥感数据质量特征的一个重要指标，它包括空间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率、时间分辨率。1空间分辨率 空间分辨率是指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，是用来表征影像、分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像解率或瞬时视场来表示。 像元像元是指将地面信息离散化而形成的格网单元，单位为米(m)或千米(km)。如图34所示，图中正方形的每一个单元网格代表一个像元。像元大小与

13、遥感影像空间分辨率高低密切相关，像元越小空间分辨率越大。如美国QuickBird商业卫星一个像元相当地面面积061m0.61m其空问分辨率为0.61m；Landsat卫星的TM图像的一个像元相当地面面积285m285m，简称空间分辨率30m；NOAAAVHRR一个像元约相当地面面积1100m1100m，简称空间分辨率1.1km(或lkm)。像元是扫描影像的基本单元，是成像过程中或用计算机处理时的基本采样点，由亮度值表示。 像解率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，单位为线mm或线对mm。 瞬时视场瞬时视场(IFOV) 是指传感器内单个探测元件的受光角度或观测视野，

14、单位为毫弧度(mrad)。瞬时视场越小，最小分辨单元(可分像素)越小，空间分辨率越高。瞬时视场取决于遥感光学系统和探测器大小。一个瞬时视场内的信息，表示一个像元。然而，在任何一个给定的瞬时视场内，往往包含着不止一种地面覆盖类型，它所记录的是一种复合信号，因此一般图像包含的是“纯”像元和“混合”像元的集合体，这依赖于瞬时视场的大小和地面物体的空间复杂性。 对于现代的光电传感器图像，空间分辨率通常用地面分辨率和影像分辨率来表示。地面分辨率定义为影像能够详细区分的最小单元(像元)所代表的地面实际尺寸的大小。对于某特定的传感器地面分辨率R是不变的定值，印制出来的遥感影像的比例尺可以放大或缩小，地面分辨

15、率在不同的比例尺的具体影像上的反映，称为影像分辨率，它会随影像比例尺的变化而变化。只有当生成硬拷贝遥感像片时，才使用影像分辨率，计算机荧屏上的影像没有影像分辨率之说。例如陆地卫星上的传感器TM的地面分辨率为30m30m在1：10万图像上，其影像分辨率则为03mm。因此，影像分辨率随影像比例尺的不同而变化。2光谱分辨率光谱分辨率 光谱分辨率是指传感器所能记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值。波长范围值越宽，光谱分辨率越低。例如，MSS多光谱扫描仪的波段数为5(指有5个通道)，波段宽度约为1002000nm；而成像光谱仪的波段数可达到几十甚至几百个波段，波段宽度则为510nm。光谱分辨率越高，区

16、分具有微小波谱特征差异地物的能力越强，数据量越大，数据传输、处理越困难，各波段间数据的相关性越大。地物辐射特性不利于快速探测和识别地物，因此光谱分辨率应服从应用目的，结合地物特征波谱位置分析，选择能够提供最大信息量的最佳波段和多波段组合。3辐射分辨率辐射分辨率 辐射分辨率指传感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力，即探测器的灵敏度。它是传感器感探测元件在接收光谱信号时能分辨的最小辐射度差，或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨能力。辐射分辨率一般用灰度的分级数来表示，即最暗至最亮灰度值(亮度值)间分级的数目。辐射分辨率对于目标识别是一个很有意义的元素，例如Landsat卫星MSS多光谱扫描仪，起初

17、以6bits(取值范围063)记录反射辐射值，经数据处理把其中3个波段扩展到7bits(取值范围0127)；而Landsat-4，5卫星搭载的TM专题制图仪，7个波段中的6个波段在30m30m的空间分辨率内，其数据的记录以8bits(取值范围0255)，显然TM比MSS的辐射分辨率提高，图像的可检测能力增强。对于空间分辨率与辐射分辨率而言，需要说明的是，一般瞬时视场越大，最小可分像素越大，空间分辨率越低；但是，瞬时视场越大，光通量即瞬时获得的入射能量越大，辐射测量越敏感，对微弱能量差异的检测能力越强，则辐射分辨率越高。因此，空间分辨率越大，将伴之以辐射分辨率的降低。可见，高空间分辨率与高辐射分

18、辨率难以两全，它们之间必须有所折中。4时间分辨率时间分辨率 时间分辨率是传感器成像间隔的一项性能指标。传感器对目标的运动(变化)须进行连续、均匀、不间断的探测，其对同一目标重复成像的周期即为时间分辨率。时间分辨率有不同的数量级，主要包括：超短或短周期时间分辨率，主要针对气象卫星系列(极轨和静止气象卫星)，以“小时”为单位，可以用来反映一天以内的变比；中周期时间分辨率，主要指对地观测的资源卫星系列，以“天”为单位，可以用来反映月、旬、年内的变化；长周期时间分辨率，主要指较长时间间隔的各类遥感信息，用以反映“年”为单位的变化。三、典型传感器介绍三、典型传感器介绍 遥感传感器是获取遥感数据的关键设备

19、，由于设计和获取数据的特点不同，传感器的种类也就繁多，目前遥感中使用的传感器类型大体上可分为：摄影类型的传感器；扫描成像类型的传感器；雷达成像类型的传感器；非成像类型的传感器。以下将就前三类的典型传感器进行介绍。 (一)光学摄影类传感器 这种类型传感器的基本工作原理为经过透镜(组)，按几何光学的成像原理聚焦构像，利用感光材料，通过光化学反应直接感测和记录目标物反射的可见光和摄影红外波段电磁辐射能，在胶片或像纸上形成目标物固化影像。其优点是空间分辨率高、成本低、操作易、信息容量大；缺点是局限在0313m波谱段，影像几何畸变较严重，成像受气候、光照条件和大气效应的限制。 典型的光学摄影类传感器是各

20、类摄影机，按结构及胶片曝光方式可分为帧幅摄影机、缝隙摄影机、多光谱摄影机和全景摄影机。1帧幅式摄影机 这是大家最为熟悉的一种传感器。主要由收集器、物镜、探测器和感光胶片组成，另外还需有暗盒、快门、光栅、机械传动装置等。曝光后的底片上只有一个潜像，须经摄影处理后才能显示出影像来。这种传感器的成像原理是在某一个摄影瞬间获得一张完整的像片(18cm x 18cm或23em X 23em幅面)，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。 2缝隙摄影机 缝隙摄影机又称航带摄影机。在飞机或卫星上，摄影瞬间所获取的影像，是与航向垂直，且与缝隙等宽的一条地面影像。这是由于在摄影机焦平面前方放置一开缝

21、的挡板，将缝隙外的影像全挡去的缘故(图35)。 当飞机或卫星向前飞行时，摄影机焦平面上与飞行方向成垂直的狭缝中的影像，也连续变化。如果摄影机内的胶片也不断地进行卷绕，且其速度与地面在缝隙中的影像移动速度相同，就能得到连续的条带状的航带摄影负片。当飞机航速与胶片卷绕速度不匹配时，影像会产生仿射畸变。缝隙摄影机投影性质，对于瞬间获取的一条缝隙宽度的影像，仍为中心投影。但对于条带影像，由于是在摄影机随飞行器移动的情况下连续获得，因此与框幅式影像的投影性质就不一样，其航迹线影像为正射投影，而其他部分的像点，是相对各自缝隙内的摄影中心的中心投影，称之为多中心投影。另外，搭载此类传感器的飞行器，其位移和姿

22、态变化会使影像产生复杂的几何畸变。3多光谱摄影机 它是为了摄取不同波段同一目标物的多光谱像片而设计的。其构造与一般普通航空摄影机相似，但具有多镜头、多通道的特点。常见的多光谱摄影机可分为三种类型，即多像机型、多镜头型、单镜头分光谱型。多镜头型是在一架航空摄影机上，安置几个光学特性一致的镜头，以摄取不同波段同一地区的像片。多像机型是将几架航空摄影机安装在同一飞机上，就组合成了多机型的摄的中心投影，称之为多中心投影。另外，搭载此类传感器的飞行器，其位移和姿态变化会使影像产生复杂的几何畸变。3多光谱摄影机 它是为了摄取不同波段同一目标物的多光谱像片而设计的。其构造与一般普通航空摄影机相似，但具有多镜

23、头、多通道的特点。常见的多光谱摄影机可分为三种类型，即多像机型、多镜头型、单镜头分光谱型。 多镜头型是在一架航空摄影机上，安置几个光学特性一致的镜头，以摄取不同波段同一地区的像片。多像机型是将几架航空摄影机安装在同一飞机上，就组合成了多机型的摄影机。各架像机之间，光轴互相平行，按动一个快门按钮，即可使几个快门同时工作，从而对地物进行多光谱摄影。单镜头分光谱像机的特点是采用棱镜将光束分离成几个波段再进行摄影，或利用响应不同波段的多感光层胶片进行多光谱摄影，胶片经摄影处理后，得到的是一张合成了的多光谱像片，如彩色摄影和红外彩色摄影。4全景摄影机 全景摄影机又称扫描摄影机。全景摄影机的结构如图36所

24、示，它是在物镜焦面上平行于飞行方向设置一狭缝，并随物镜作垂直航线方向扫描，得到一幅扫描成的影像图，因此称扫描像机，又由于物镜摆动的幅面很大，能将航线两边的地平线内的影像都摄人底片，因此又称它为全景摄影机。 全景摄影机的特点是焦距长，有的达600mm以上。幅面大，可在长约23cm宽达128cm的胶片上成像。这种摄影机的精密透镜既小又轻，扫描视场很大，有时能达180这种摄影机是利用焦平面上一条平行于飞行方向的狭缝来限制瞬时视场，因此在摄影瞬间得到的是地面上平行于航迹线的一条很窄的影像，当物镜沿垂直航线方向摆动时，就得到一幅全景像片。这种摄影机的底片呈弧状放置，当物镜扫描一次后，底片旋进一幅。由于每

25、个瞬间的影像都在物镜中心一个很小的视场内构像，因此每一部分的影像都很清晰，像幅两边的分辨力明显提高。但由于全景像机的像距保持不变，而物距随扫描角增大而增大，因此出现两边比例尺逐渐缩小的现象，整个影像产生所谓全景畸变，再加上扫描的同时，飞机向前运动，以及扫描镜摆动的非线性等因素，使影像的畸变更为复杂，图37为地面上正方形格网在全景像片上的形状 (二)扫描成像类型的传感器 扫描成像类型的传感器是逐点逐行地以时序方式获取二维图像。有两种主要的形式，一是对物面扫描的成像仪，它的特点是对地面直接扫描成像，这类仪器如红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪、自旋和步进式成像仪及多频段频谱仪等；二是瞬间在像面上

26、先形成一条线图像，甚至是一幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，这类仪器有线阵列CCD推扫式成像仪，电视摄像机等。 1红外扫描仪 典型的机载红外扫描仪的结构如图38所示。它的具体结构元件有一个旋转扫描镜，一个反射镜系统，一个探测器，一个制冷设备，一个电子处理装置和一个输出装置。 红外扫描仪扫描成像过程是当旋转棱镜旋转，第一个镜面对地面横越航线方向扫视一次，扫描视场内的地面辐射能，由刈幅的一边到另一边依次进入传感器，经探测器输出视频信号，再经电子放大器放大和调制，在阴极射线管上显示出一条相应于地面扫描视场内的景物的图像线，这条图像线经曝光后在底片上记录下来。接着第二个扫描镜面扫视地面，由于飞机向前

27、运动，胶片也作同步旋转，记录的第二条图像正好与第一条衔接。依次下去，就得到一条与地面范围相应的二维条带图像。由于地面分辨力随扫描角发生变化，因此红外扫描影像会产生畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，其形成原因与全景摄影机类似。 红外扫描仪还存在一个温度分辨力的问题，温度分辨力与探测器的响应率尺和传感器系统内的噪声N有直接关系。为了获得较好的温度鉴别力，红外系统的噪声等效温度限制在0.10.5 K之间，而系统的温度分辨力一般为等效噪声温度的26倍。2TM专题制图仪 TM专题制图仪是一个高级的多波段扫描型的仪器，包括七个光谱段，第一到第五谱段和第七谱段是可见光、近红外和短波红外谱段，第六谱段是热红外

28、谱段。可见光、近红外和短波红外谱段的瞬时视场为30m(轨道高度705krn)，热红外谱段的瞬时视场分辨率为120m。由于改善了空间分辨率，扩大了光谱搜盖范围，所以它能用于地球资源分类和绘制多种专题地图。 TM专题制图仪结构如图39所示，它的主反射镜位于仪器的中下方，在它的前面是光学挡光片和第二反射镜。第二反射镜由支柱安装到望远镜结构支架上。主反射镜的后面是扫描行改正器、内部标定器和主焦面。内部标定器采用白炽灯，通过纤维光束作为第一到第五和第七谱段的光源，第六谱段采用的是可控温度黑体。扫描行改正器是一具有小型的、由马达驱动的双反射镜像平面扫描系统，它的旋转速率与卫星轨道速度大小相同，但方向相反。

29、通过反射镜的主动扫描，直接校正像的运动。辐射制冷器、后续光学系统和红外探测器阵列位于仪器尾部末端。电子线路安装在一个楔形盒内，固定在望远镜的上方。专题制图仪的主要性能参数见表33。3HRV线阵列推扫式扫描仪 HRV是一种线阵列推扫式扫描仪，其简单的结构如图310所示。仪器中有一个平面反射镜，将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组，然后聚焦在CCD线阵列元件上，CCD的输出端以一路时序视频信号输出。由于使用线阵列的CCD元件作探测器，在瞬间能同时得到垂直航线的一条图像线，不需要用摆动的扫描镜，如缝隙摄影机那样，以“推扫”方式获取沿轨道的连续图像条带。CCD称电荷耦合器件，是一种由硅等半导体材料制成的

30、固体器件，受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达到一路时序输出信号。 4成像光谱仪 成像光谱仪是新一代传感器，在20世纪80年代初正式开始研制，研制这类仪器的主要目的是在获取大量地物目标窄波段连续光谱图像的同时，获得每个像元几乎连续的光谱数据，因而称为成像光谱仪。目前已存在成像光谱仪在可见光一红外波段范围内，可以被分割成几百个窄波段，具有很高的光谱分辨率。从其近乎连续的光谱曲线上，可以分辨出不同物体光谱特征的微小差异，有利于识别更多的目标，因此，成像光谱仪主要应用于高光谱遥感。 成像光谱仪所依据的原理和结构可分为两大类型，一类可称为线阵探测器CCD加光机扫描型(图311)，另

31、一类为面阵CCD探测器加空间推扫型(图312)。 前者实际上是多光谱扫描仪MSS和TM向更多光谱段的发展，所以具有线阵CCD与缝隙式摄影成像相同的行中心投影关系和多光谱扫描仪类似的技术特点：空间扫描通过扫描镜摆动完成，从而可以获得大的视场(可高达90)；像元配准好，不同波段任何时候都能凝视同一像元；光谱覆盖范围比较大，可以从可见光一直到热红外波段；进一步提高光谱分辨率、空间分辨率和辐射灵敏度比较困难。 第二类成像光谱仪实际上是SPOT推扫式扫描仪的进一步发展，所以具有面阵CCD与推扫式摄影成像相同的中心投影关系和HRV类似的特点：像元的凝视时间长，可以获得较高的系统灵敏度和空间分辨率；在可见光

32、波段，由于器件很成熟，光谱的分辨率可以做得相当高。但是各个光谱通道之间的配准有一定难度，光学设计不容易，故总视场一般只能达到30左右；中红外特别是热红外谱区，受器件的限制很大，目前尚未取得实质性进展，难于覆盖到这一谱段。 像光谱仪MODIS，作为美国EOS计划第一颗卫星TERRA(EOSAM一1)的主要传感器，已于1999年升空。其巨大的应用前景和免费接收政策，促使MODIS接收处理站在全球，如雨后春笋般地冒出来，MODIS将成为宏观资源和环境遥感的重要信息源。MODIS从可见光到红外共分36个波段，采用线阵CCD探测器与光机扫描相结合的结构形式，星下点的地面分辨率为250m，500m和100

33、0m，卫星轨道与太阳同步。上午10：30过境，扫幅宽度2330km，每天基本上可覆盖全球一次。 MODIS的光电转换由一个双面扫描镜旋转对地面扫描，以每次10km的宽度收集地物目标的波谱信号，经镜头聚焦到星上的探测器。由于不同波段需用不同的探测器，因此在物镜前设置了分光镜，分光后，分别送到可见光(VIS)、近红外(NIR)、短波红外(SWIR)与中波红外(MWIR)以及长波红外(LWIR)四个物镜与焦平面部件。在焦平面分别安置响应不同波段的探测器和AD变换器，把地物目标的模拟信号变换成数字信号，再经格式化器和缓冲器，将信号输出，通过系统校正处理提供产品。 由于高光谱分辨力和高空间分辨力，随之而

34、来的是数据量的急剧增加，必须考虑海量数据的实时压缩方法，其中之一是实时地选择有效波段，并能根据需要灵活地改变波段宽度和空间分辨力。这样在未来的成像光谱仪传感器系统中必然要有智能型的实时控制和处理能力。另外，与其他遥感数据一样，成像光谱数据也经受着大气、遥感平台姿态、地形因素的影响，产生横向、纵向、扭曲等几何畸变及边缘辐射效应，因此在数据提供给用户使用之前必须进行预处理。预处理的内容主要包括平台姿态的校正，沿飞行方向和扫描方向的几何校正以及图像边缘辐射校正。(三)雷达成像类型的传感器 雷达是一种主动式的微波遥感传感器，它有侧视雷达和全景雷达两种形式，其中在地学领域主要使用侧视雷达。侧视雷达是向遥

35、感平台行进的垂直方向的一侧或两侧发射微波，再接收由目标反射或散射回来的微波。通过观测这些微波信号的振幅、相位、极化以及往返时间，就可以测定目标的距离和特性。侧视雷达成像与航空摄影不同，航空摄影利用太阳光作为照明源，而侧视雷达利用发射的电磁波作为照射源，它与普通脉冲式雷达的结构大体上相近。图313为脉冲式雷达的一般组成格式，它由一个发射机，一个接收机，一个转换开关和一根天线等构成。发射机产生脉冲信号，由转换开关控制，经天线向观测地区发射。地物反射脉冲信号，也由转换开关控制进入接收机。接收的信号在显示器上显示或记录在磁带上。 雷达工作时，其上的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

36、冲波，当遇到地面物体时，被反射回米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，接收的时间则不同(图3一14)。雷达接收到的回波中，含有多种信息。如雷达到目标的距离、方位，雷达与目标的相对速度(即作相对运动时产生的多普勒频移)，目标的反射特性等。其中距离信息可用下式表示： R=1/2（t） 式中：R是雷达到目标的距离；电磁波传播速度；t是雷达和目标间脉冲往返的时间。 雷达接收到的回波强度是系统参数和地面目标参数的复杂函数。系统参数包括雷达波的波长、发射功率、照射面积和方向、极化等。地面目标参数与地物的复介电常数、地面粗糙度等有关。 按天线的结构不同。侧视雷达又分为真实孔径侧视雷达

37、(RAR)和合成孔径侧视雷达(SAR)。1真实孔径侧视雷达 真实孔径侧视雷达的工作原理如图3一15所示。天线装在飞机的侧面，发射机向侧向面内发射一束窄脉冲，地物反射的微波脉冲，由天线收集后，被接收机接收。由于地面各点到飞机的距离不同，接收机接收到许多信号，以它们到飞机距离的远近，先后依序记录。信号的强度与辐照带内各种地物的特性、形状和坡向等有关。如图315中的a，b，c，d，e等各处的地物，a处由于地物隆起，反射面朝向天线，出现强反射；b处为阴影，无反射；c处为草地，是中等反射；d处为金属结构，电导率大，出现最强反射；e处为平滑表面，出现镜面反射，回波很弱。回波信号经电子处理器的处理，在阴极射

38、线管上形成一条相应于辐照带内各种地物反射特性的图像线，记录在胶片上。飞机向前飞行时，对一条一条辐照带连续扫描，在阴极射线管处的胶片与飞机速度同步转动，就得到沿飞机航线侧面的由回波信号强弱表示的条带图像。 真实的孔径侧视雷达的地面分辨率包括距离分辨率和方位分辨率两种。距离分辨率是脉冲发射的方向上，能分辨两个目标的最小距离(图316)，它与脉冲宽度有关，用下式子表示： Rr= /2 *csec 其中Rr距离分辨率；c为光速；为脉冲宽度；为雷达波束俯角。另外真实孔径侧视雷达的距离分辨率与距离无关。若要提高距离分辨率，从上式分析，需要减小脉冲宽度，但这样将使作用距离减小。目前一般是采用脉冲压缩技术来提

39、高距离分辨率。此外，在=50，脉冲宽度为0.1s时，距离分辨率为23m，图中，A，B两点相距20m，不能被分辨。当=35，脉冲宽度不变时，距离分辨率为18m，C，D两点相距20m，可以被分辨。这就是说，俯角越大，距离分辨率低；反之则距离分辨率提高。 方位分辨率是指相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离，它与波瓣角有关（图3一17)。雷达发射的微波向四面八方辐射，呈花瓣状，称波瓣，但以一个方向为主，称为主瓣，其他方向辐射能小，形成副瓣，其中称为波瓣角。这时的方位分辨率为： R=GR 式中：R为方位分辨率；为波长；d为天线孔径；GR为观测距离。要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天

40、线孔径和缩短观测距离。这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制。目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨率。2合成孔径侧视雷达 合成孔径侧视雷达是利用遥感平台的前进运动，将一个小孔径的天线安装在平台的侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨率的雷达(图318)。要用小孔径雷达天线代替大孔径雷达天线，在地面上通常采用若小孔径天线组成阵列，即把一系列彼此相连、性能相同的天线，等距离地布设在一条直线上，利用它们接收窄脉冲信号(目标地物后向散射的相位、振幅等)，以获得较高的方位分辨率。天线阵列的基线愈长，方向性愈好。 合成孔径侧视雷达的工作原理是：遥感平台在匀速前进运动中，以一定的时间间

41、隔发射一个脉冲信号，天线在不同位置上接收回波信号，并记录和储存下来。将这些在不同位置上接收的信号合成处理，得到与真实天线接收同一目标回波信号相同的结果。这样就使一个小孔径天线，起到了大孔径天线的同样作用。合成孔径雷达系统与真实孔径侧视雷达系统相比，最大的优点在于它的方位分辨率与距离R无关。这样的系统既可以放在航空器上，又可以放在航天器上，不会因为与地物的距离远而减少分辨率。理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹的方向上，像元尺寸(分辨率)为 Rs= d/2式中：Rs为方位分辨率；d为天线沿航迹方向的长度(不是全部天线的总长度)。例如，合成孔径雷达天线装置在宇宙飞船上，总长度为2km，它由多个小天线

42、排成一阵列，每一个小天线真实孔径为8m，雷达波长4m，飞船天线侧向与目标地物的距离为400km时，该合成孔径的方位分辨率为4m；如果以8m小天线真实孔径作侧视雷达天线，其方位分辨率为2000m；如果以天线全长2km为真实孔径天线，其方位分辨率为8m(图3一19)。 第三节遥感卫星运行特征及传感器第三节遥感卫星运行特征及传感器 搭载着传感器从宇宙空间观测地球的人造卫星，称为遥感卫星或地球观测卫星。近年来遥感技术越来越受到各国的普遍重视，各国的空间发展计划取得了突飞猛进的发展，新的传感器及遥感卫星使遥感技术应用的领域进一步拓宽，人们对遥感技术的重视进一步提高。以下就主要的遥感卫星及其搭载的传感器工

43、作性能进行概要介绍。一、卫星轨道及运行姿态一、卫星轨道及运行姿态 (一)卫星轨道参数与轨道类型 卫星围绕地球运行是按一定的轨道进行的，其运行规律像行星围绕太阳运行一样，满足开普勒三大定律。卫星轨道在空间的具体形状和位置，由六个轨道参数来确定，分别为升交点赤经、近地点角距、轨道倾角i、卫星轨道的长半轴a、卫星轨道的偏心率(或称扁率)e、卫星过近地点时刻T(图320)。除此之外，卫星轨道还有其他一些参数，如卫星速度、卫星运行周期、卫星高度及重复周期等。以下将重点介绍一些常用卫星轨道参数。1轨道高度轨道高度 卫星轨道为一椭圆，按其高度可分为低轨、中轨和高轨三种轨道。低轨卫星：一般距离地面约15030

44、0km。低轨卫星可获取大比例尺、高分辨率的遥感影像，但寿命较短，一般只有几天到几周的工作时间，多用于侦察遥感。中轨卫星：一般距离地面约1000km。这种卫星寿命较长，适用于各种环境遥感和资源遥感。 高轨卫星：距离地面高度约35860km。此时卫星的运行周期与地球自转周期相同，又称为地球同步卫星。2卫星运行周期和卫星重复周期卫星运行周期和卫星重复周期 卫星运行周期也称卫星轨道周期，是指卫星绕地一圈所需的时间，即从升交点开始运行到下一次过升交点时的时间间隔。 卫星重复周期(卫星覆盖周期)是指卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地上空时所需要的天数。3轨道倾角轨道倾角 轨道倾角(i)

45、是指卫星轨道面与地球赤道面之间的夹角，也即从升交点一侧的轨道量至赤道面。当i=0时，轨道平面与赤道平面重合，称为赤道轨道，若卫星运行方向与地球自转二致且运行周期与地球自转周期相等，称为地球静止轨道。当i=90时，轨道地面与赤道面有垂直，称为极地轨道，可以覆盖全球。介于上述两者情况之间的轨道则都为倾斜轨道。4升升(降降)交点交点 卫星质心与地心连线同地球表面的交点称星下点，该点在卫星飞行过程中在地面移动的轨迹称星下点轨迹。当轨道倾角不为0时，它与赤道面有两个交点，分别为升交点和降交点。升交点为卫星由南向北运行时，轨道与地球赤道面的交点；反之，由北向南飞行时的另一个交点称为降交点。 (二)卫星运行

46、姿态 卫星在轨道上运行时，其姿态有三种情况：偏航、俯仰和侧滚(图321)。若以卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为x轴，垂直轨道面的方向为y轴，垂直xy平面的为z轴。则绕x轴旋转的姿态角，称之为侧滚；绕y轴旋转的姿态角，称俯仰；绕z轴旋转的姿态角，称偏航。这里的卫星姿态角与遥感影像几何变形有直接的关系。遥感过程中，必须对卫星的x，y，z三轴进行定向，以使其保持一定的空中姿态，保证传感器始终对准地面。二、二、Landsat陆地资源卫星系列陆地资源卫星系列 1972年美国发射了第一颗地球资源技术卫星(ERTS-1)，几年后地球资源卫星改名为陆地资源卫星(Landsat)，至今陆地资源卫星共发

47、射了7颗，其中Landsat-6卫星因未能进人轨道而失败，Landsat-5，7卫星目前仍在运行(表34)。 1Landsat系列卫星传感嘉及参数 Landsat系列卫星搭载的传感器共三种：反束光导摄像机(RBV)、多光谱扫描仪(MSS)专题制图仪(TM)。Landsat-1，2，3上载有RBV和MSS，Landsat-4，5装载TM和MSS，Landsat-7上装有增强型专题制图仪(ETM+)。目前，对于Landsat系列卫星来说，应用最多的数据是TM及ETM+。 第一代陆地资源卫星(Landsat-1，2，3)上装有返束光导摄像机和多光谱扫描仪Mss，其中Landsat-1，2搭载的MSS

48、有四个通道(光谱段)分别称为MSS4，MSS5，MSS6，MSS7，分辨率为80m(图322)。Landsat-3上装载的MSS在这四个波段的基础上又增加了一个热红外通道MSS8，波长范围104126m(表35)。 20世纪80年代，美国分别发射了第二代陆地资源卫星Landsat-4，5(图323)，陆地资源卫星在技术上有了较大改进，平台采用新设计的多任务模块，增加了新型的专题绘图仪TM，可通过中继卫星传送数据。与第一代卫星传感器相比，TM的波谱范围比MSS大，每个波段范围变窄，因而波谱分辨率比MSS图像高，其地面分辨率改进为30m(TM6的地面分辨率为120m)。20世纪90年代，美国又分别

49、发射了第三代陆地资源卫星(Landsat-6，7)。1999年美国航宇局发射了Landsat-7卫星，以保持地球图像、全球变化的长期连续监测。该卫星装备了一台增强型专题绘图仪(ETM+)，该设备增加了一个15m分辨率的全色波段(pan)波长为0.50.9m，瞬间视场为13m15m(表36)；另外，热红外波段的探测器阵列从4个增加到8个，从而使其空间分辨率也提高了一倍，达到60m。2Landsat系列卫星轨道参数 Landsat系列卫星属于中高度极轨卫星并与大阳同步，16天即可覆盖全球一次，卫星具体轨道参数见表37。三、三、SPOT卫星卫星 SPOT卫星是法国联合比利时、瑞典等一些欧共体国家，主

50、要由法国空间研究中心研制的一种地球观测卫星系统(图324)。从1986年2、月发射了第一颗陆地卫星开始，SPOT系列卫星至今已发射了5颗，目前在轨运行的有SPOT-4，5。 SPOT卫星与美国“陆地资源卫星”相比，其优越之处在于SPOT卫星图像的分辨率可达1020m，超过了“陆地资源卫星”系统，加之SPOT卫星可以拍摄立体像对，因而在绘制基本地形图和专题制图方面将会有更广泛的应用。1SPOT卫星的传感器 SPOT-1，2，3的主要成像传感器为高分辨率可见光扫描仪(HRV)。HRV传感器地面分辨率为：1020m，图像的获取以“推扫式扫描”进行，即随着卫星沿垂直于影像的轨道向前方飞行，CCD扫过整

51、个影像，从而产生一个图像。HRV的灵敏度很高，在良好光照条件下，可以探测到低于0.5的地面反射变化。SPOT卫星上由两台HRV组成的HRV系统，有两种观测模式，即垂直观测模式和倾斜观测模式。在垂直观测模式中，由两台HRV的瞄准轴放在正中一挡方向上，与铅垂线约成2的角，处于铅垂线左右两侧。每台HRV的瞬时地面视场的舷向宽度为60km，两台HRV的瞬时地面视场左右相接，覆盖地面的重叠部分为3km，故两台HRV的瞬时地面视场合成一条舷向宽117km、航向仅为20m(或10m)宽的细长条(图325)。 在倾斜观测模式中，两台HRV的瞄准轴都调整到偏离正中挡的位上，对地面作倾斜观测，瞬时视场也离开天底点

52、。当瞄准轴选最边缘的挡位时，每台HRV的地面探测条带的舷向宽度为80km。当瞄准轴选择最边缘的挡位时，每台HRV的瞄准轴在27。角度内91个挡位上逐一停留进行观测，能观测到的地面舷向宽度将达950km左右(图326)。 每台HRV工作波段及地面分辨率为：全色波段(051073m)，地面分辨率为l0m；多光谱方式(0506m，060：7m，0809m)，地面分辨率为20m(表38)。 SPOT-2除了载有两台HRV外，还有一台固体测高仪(DORIS，即卫星集成的多普勒成像与无线电定位仪)。SPOT-3除两台改进型HRV和一台DORIS外，还有一台极地臭氧和气溶胶测量仪(POAM-11)。SPOT

53、-4搭载的HRVIR传感器对先前使用的HRV专感器作出改进：采用与多光谱B2波段光谱范围相同的单色模式M，取代了原来的全色模式；而且增加了一个短波红外波段(SWIR)，增强了SPOT卫星在农业和森林资源调查、地表积雪覆盖的监测及地质矿产资源勘探等方面的应用潜力(表39)。 此外，SPOT-4还搭载了其他一些探测仪器，其中为欧盟国家合作项目开发的VEGETATION仪器，提供2000km幅宽、地面分辨率约lkm的观测数据，该仪器选用HRVIR传感器的B2，B3和SWIR波段，另外增加了一个B0波段(043047m)，用于观察全球环境的变化。2002年发射的SPOT-5卫星搭载有三种成像装置，除了

54、前几颗卫星上的高分辨率几何装置(HRG)和植被探测器 VEGETATION)外，SPOT-5更有一个高分辨率立体成像装置(HRS)，这几种探测器的分辨率和视场见表310。2SPOT卫星的轨道参数 SPOT卫星的轨道为圆形、近极地、太阳同步轨道。卫星采用这种轨道飞行，可以取得比例尺大致固定的图像，能够飞越地球上的所有地区，同时对地球上任何地区重复观测时，能够保证相同的太阳光照度。SPOT卫星轨道具体参数见表31l。 四、四、CBERS卫星卫星 CBERS(中巴地球资源卫星)是我国和巴西联合研制的应用卫星，目前已发射三颗分别是CBERS一1(1999年)、CBERS一2A(2003年)及CBERS

55、一2B(2007年)，CBERS-1已停止使用。其遥感影像数据主要应用于农、林、牧、水利、地矿、测绘、海洋、环境监测、灾害监测、气象、交通选线等国民经济众多领域。中巴地球资源卫星主要提供三种遥感影像数据资料，它们分别是通过电荷耦合器件相机(CCD)、红外多光谱扫描仪(IRMSS)以及宽视场成像仪(WFI)得到的。各传感器主要技术指标见表312。中巴地球资源卫星轨道的主要参数见表3-13。五、五、Quickbird卫星卫星 Quickbird高分辨率遥感卫星是由美国DigitalGlobe公司于2001年10月发射成功的目前全世界最高分辨率的商用遥感卫星。Quickbird遥感卫星影像在空间分辨

56、率（0.61m）、多光谱成像（1个全色通道，4个多光谱通道）成像幅宽（16.5km*16.5km）、成像摆角（0-25）等方面具有显著的优势，能够满足更专业更广泛应用领域的遥感应用需求。目前Quickbird卫星数据已广泛应用于陆地水资源调查、土地资源调查、植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查测绘、考古调查、环境监测和规划管理等方面。Quickbird遥感卫星上搭载传感器主要技术指标及卫星轨道的主要参数见表3-14。Quickbird卫星轨道的主要参数见表3-15.六、六、Radarsat系列卫星系列卫星 加拿大的Radarsat-1是世界上第一个商业化的SAR运行系统（图3-2

57、7）由加拿大太空署美国政府、加拿大私有企业于1995年合作发射，卫星高度796km，倾角98.6，重复周期24天，轨道类型与太阳同步（晨昏）。目前Radarsat卫星图像主要应用于海冰监测、制图、地质勘探、海事监测、救灾减灾和农林资源监测，以及地球上的一些脆弱生境的保护等方面。 Radarsatr-1的合成孔径雷达系统(SAR)采用C波段(56cm)HH极化，它的突出的优点是，该系统有可变的波束选择方式，包括多种地面刈幅、分辨率、视角等，还有宽波束的扫描“ScanSAR”方式。在数据收集时，可以使用二个、三个或四个单波束观测(图328)。 单波束包括标准模式、宽模式、精细模式、超高模式、超低模

58、式；ScanSAR类包括窄扫描“ScanSAR”和宽扫描“ScanSAR”(表316)。精细模式有最高的空间分辨率，最小的成像范围。标准模式有7个成像位置。优秀的图像质量。宽模式的分辨率与标准模式接近，成像范围更大，但这是以轻微牺牲图像质量为代价的。超低模式由于成像在最佳角度范围外，图像质量可能有少许降低。超高模式有6个成像位置，优秀的图像质量，但同样由于成像在最佳角度范围外，图像质量可能有少许降低。 2007年发射的Radarsat-2，其主要图像传感器也是具有多种成像模式能力的c波段SAR雷达，保留了Radarsat-1卫星目前所有的成像模式，并且包括了重要的创新和改进。Radarsat-

59、2采用多极化工作模式，大大增加可识别地物或目标的类别，可为用户提供3100m分辨率、幅宽从10500km范围的雷达数据，在原有水平极化(HH)的基础上增加了垂直极化(VV)和正交极化(HV或VH)，四种极化模式将提供全面的极化数值设定。另外，每一个主要的成像模式能够在每一维提供3m一采样点的条带图像。由于无论在卫星轨道的左或者右边，所有成像模式均有效，所以卫星的再访时间缩短。 第四节第四节 常见遥感图像特征常见遥感图像特征 遥感图像是各种传感器所获信息的产物，是遥感探测目标的信息载体。由地物反射或自身发射的电磁辐射，通过成像系统处理后产生与原物相似的形象称影像。遥感影像经过处理或再编码后产生的

60、与原物相似的形象称遥感图像。为区别不同成像方式的遥感影像，常称光学摄影成像的二维连续的影像为像片，扫描成像的一维连续离散或二维离散的影像为图像。 依据成像遥感器工作波段和成像方式可对遥感图像进行分类，详细划分见表3-17。 一、航空摄影像片特性 航空摄影是以飞机或气球作为遥感平台，使用携带的航空摄影机在空中对地面，以摄影方式进行目标物信息的收集、处理，获取各种图像、数据的全过程。摄影方式所使用的传感器，主要有航空摄影机和多光谱摄影机。摄影方式获取的像片具有信息量大，分辨率高等特点，还可以获取地物从可见光到近红外各个波段的光谱辐射。但因受感光乳剂的限制，只能获取波长为0.31.3m的近紫外、可见