航天遥感传感器教案课件

1、会计学1航天遥感传感器传感器的类型传感器是获取地面目标电磁辐射信息的装置，它是遥感技术系统中数据获取的关键设备。传感器的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。概述第1页/共64页 遥感器结构定义：遥感器是记录地物反射或者发射电磁波能量的装置，是遥感平台的核心部分。遥感器的一般组成：收集器探测器处理器记录器第2页/共64页遥感器1）收集器：透镜、反射镜、天线2）探测器：将收集的辐射能转换成化学能或电能感光胶片、光电管、光电二极管、电子耦合器件（CCD）、热电偶探测器、热释电探测器、天线3）处理器：对收集到的信号

2、进行处理，显影、定影、信号放大、变换、校正等。包括摄影处理装置和电子处理装置4）记录器：胶片、磁带、磁盘第3页/共64页传感器分类按记录方式分：成像方式；非成像方式按工作波段：可见光传感器；红外传感器；微波传感器。可见光到近红外区的光学波段称为光学传感器，微波波段的传感器称为微波传感器。按照工作方式：主动传感器；被动传感器。第4页/共64页成像传感器类型使用胶片记录使用磁记录高光谱第5页/共64页传感器的性能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。包括：空间分辨率光谱分辨率辐射分辨率；温度分辨率（热红外遥感）时间分辨率第6页/共64页遥感图像的空间分辨

3、率（几何分辨率） 遥感图像上的像元对应地面单元的尺度，一般指成像时，星下点地面对应图像像元的所代表的地面范围的大小。如，北京1号小卫星全色4米，多光谱32米航空遥感影像一般说成图比例尺，如1：2000；1：5000第7页/共64页常用遥感数据的空间分辨率 美国NOAA极轨气象卫星AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer） 1.1km Terra卫星（上午星，EOS-AM1）；Aqua （下午星 ，EOS-PM1）MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）1000米/500米/25

4、0米 LandSat 5 TM 多光谱 30米 热红外 120米 中巴资源卫星（CBERS-1）全色和多光谱 20米 法国SPOT5 多光谱 10米 全色（pan）2.5米 美国IKONOS 多光谱4米；全色1米 美国QuickBird多光谱为2.44米；全色为0.61米；WorldView为0.5米第8页/共64页传感器的性能空间分辨率摄影成像方式的空间分辨率。取决于物镜分辨率、大气传输对分辨率的影响和感光材料的分辨率。常用线对/mm。 像解率（photographic resolution?）：单位距离内能分辨的线宽或间隔相等平等细线的条数 Resolving power test cha

5、rt第9页/共64页传感器的性能空间分辨率扫描成像方式的空间分辨率。瞬时视场：扫描成像过程中一个光敏探测元件通过望远镜系统投射到地面上的直径或者边长。视场角（Field Of View, FOV）、瞬时视场角（Instantaneous Field Of View, IFOV）S: 探测元件的边长H: 遥感平台的高度 f : 望远镜系统的焦距 第10页/共64页Effect of pixel size in the digitizing process. In this synthetic image, circles represent tree crowns of 6 m diameter

6、 on a contrasting background. (a) 10 cm pixel; (b) 50 cm pixel; (c) 1 m pixel; (d) 2 m pixel; (e) 4 m pixel; (f) 8 m pixel(a)(b)(c)(d)(e)(f)空间分辨率传感器的性能第11页/共64页13不同空间分辨率的图像第12页/共64页141米第13页/共64页1530米第14页/共64页1680米第15页/共64页并不是空间分辨率越高越好不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。第16

7、页/共64页遥感图像的波谱分辨率遥感器所选用的波段数量的多少，以及波段波长间隔的大小。间隔越小，分辨率越高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，分辨率愈高第17页/共64页0.40.60.81.02.02.61.21.41.61.82.22.40204060Reflectance (%)Wavelength (m)Dry bare soil (grey-brown)Vegetation (green)Water (clear)Landsat MSSLandsat TMSPOT HRGNOAA AVHRRSpectral bands of the sensors传感器的性能

8、光谱分辨率第18页/共64页光谱分辨率在10-1数量级范围内的为多光谱(Multispectral)，这样的遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段，如美陆地卫星TM和法国SPOT卫星等;光谱分辨率在10-2的遥感信息称之为高光谱(Hyperspectral)遥感。由于其光谱分辨率高达纳米(nm)数量级，往往具有波段多的特点，即在可见到近红外光谱区其光谱通道多达数十甚至超过100以上。第19页/共64页波谱分辨率第20页/共64页辐射分辨率辐射分辨率：遥感传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差，即遥感传感器将截获的电磁辐射能够分出的等级。反映为图像的灰阶数，如 64 灰阶、128 灰阶、2

9、56 灰阶等。TM、SPOT等遥感图像 8bit 量化级256IKONOS 和QuickBird 为11bit 量化级 2048第21页/共64页辐射分辨率传感器的性能传感器的探测灵敏精度动态范围（Dynamic range）信噪比（S/N）第22页/共64页248-bit256 greys6-bit64 greys4-bit16 greys3-bit8 greys2-bit4 greys1-bit2 greys辐射分辨率第23页/共64页25Maximum brightness = 255Maximum brightness = 127辐射亮度范围第24页/共64页温度分辨率温度分辨率：指热

10、红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力。与探测器的响应率和传感器系统内的噪声有直接关系，一般为噪声等效温度的2-6倍。红外系统的噪声等效温度限制在0.1-0.5K，系统的温度分辨率为0.2-3K。目前，TM（10.4-12.5）的第六波段，温度分辨率可达到0.5K。第25页/共64页遥感器按照一定的时间周期重复采集数据，这种重复观测的最小时间间隔称为时间分辨率，也称为重访周期也称卫星的覆盖周期、重访周期，重复获得同一地区的最短时间间隔。（注意和卫星运行周期的区别）时间分辨率第26页/共64页用途：研究对象的时间序列的变化。 如： 1）自然规律的时间考虑 作物监测：农时，拔节期、抽穗期、

11、乳熟期 树木： 叶子发芽、生长、开始黄枯 地质、土壤：不长植物，不随季节变化而变化 2）社会经济现象的时间考虑 城市扩张 环境污染监测 3）天气预报 高时间分辨率传感器的性能时间分辨率第27页/共64页常用遥感数据的时间分辨率 静止气象卫星：20-30秒 （气象） 美国NOAA极轨气象卫星AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer） 每天上午、下午 Terra卫星（上午星，EOS-AM1）；Aqua （下午星 ，EOS-PM1）MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）每天最多4次

12、，白天两次（10：30；1：30），晚上两次 LandSat 5 TM 16天 中巴资源卫星（CBERS-1）26天（可通过侧摆提高时间分辨率） 法国SPOT5 26天（最快6天） 美国IKONOS 可达1-3天（通过侧摆提高时间分辨率） 美国QuickBird数据1 6天 取决于纬度高低第28页/共64页19841988198919911992199419961997199920002001Temporal land cover change利用多年遥感数据，区域的时间序列分析第29页/共64页传感器的性能 四种分辨率对于一种传感器是相互制约的，有矛盾的。在同等敏感度水平上，空间分辨率增高，

13、光谱分辨率或辐射分辨率就不可能高。其根本原因是传感器是要获得一定光能才能响应。提高空间分辨率提高瞬时视场探测元件接受到的辐射能量相应减少，降低了图像的辐射亮度等级。 提高光谱分辨率探测元件接受到的辐射能量相应减少，降低了图像的辐射亮度等级。第30页/共64页遥感器成像类型摄影类型遥感器（框幅式）扫描成像类型的遥感器 摆扫式；推扫式第31页/共64页摄影类型传感器摄影原理针孔摄影机单透镜摄影机f 焦距长o物距i 像距第32页/共64页对于遥感成像, do di这样像距为固定值，等于焦距在航空摄影中O 很大、无限远摄影类型传感器摄影原理第33页/共64页摄影机定义：摄影机是成像遥感最常用的传感器，

14、可装载在地面平台、航空平台及航天平台上，有框幅式和全景式摄影机之分。第34页/共64页框幅式摄像机第35页/共64页框幅式中心投影地面被拍摄物体透镜像平面是其他成像（不包括雷达）的基础第36页/共64页真彩色彩红外框幅式摄影航空遥感影像第37页/共64页数码摄影机成像原理与一般摄影机同，为框幅式摄像机，结构也类似。所不同的是其记录介质不是感光胶片，而是光敏电子器件，如CCD（电荷耦合器件Charge Coupled Device的缩写）第38页/共64页全景式摄影机缝隙式摄影机镜头转动式摄影机第39页/共64页缝隙式全景摄影机缝隙摄影机，又称推扫式摄影机：这种摄影机在卫星或飞机上，在摄影瞬间所

15、获得的影像是与航线方向垂直且与缝隙等宽的一条线状影像。第40页/共64页摄影类型传感器胶片在旋转镜头的焦距处沿一曲面曝光。缝隙在物镜的焦面上平行于飞行方向，并随物镜作垂直于航线方向的扫描。第41页/共64页镜头转动式摄影机第42页/共64页摄影类型传感器全景摄影机全景摄影畸变：相片两端的地表景物被压缩。类似于垂直于轨道的扫描仪的工作原理全景摄影机的特点是焦距长，可达600 mm以上，可在长约23 cm，宽达128 cm的胶片上成像。它的精密透镜既小又轻，扫描视场很大，可达180度。第43页/共64页全景图片第44页/共64页“勇气”号火星探测器发回的第一张其着陆地点的三维图像。（来源：美国宇航

16、局网站）第45页/共64页摄影类型传感器多光谱摄影机同一瞬间摄取多个波段图像的摄影机多摄影机型多镜头型光束分离型：经过分光镜头分成几个光束a、多相机组合型；b 、多镜头组合型； c 、光束分离型第46页/共64页扫描成像遥感器第47页/共64页卫星运行方向摆扫式成像摆扫面垂直于卫星运行方向第48页/共64页摆扫式成像系统特点利用平台的行进和旋转扫描镜，对于平台行进的垂直方向的地面（物平面）进行扫描包括： 热红外扫描仪 NOAA/AVHRR、MODIS 、MSS/TM等多光谱扫描仪同一扫描行分辨率不同 a=a0sec2 第49页/共64页扫描原理以MSS为例第50页/共64页扫描轨迹MSS只由西

17、向东扫描，不回扫（又东向西）TM包括回扫，7个波段，共100个，TM的1、2、3、4、5、7波段有16个探测器，TM6为4个。第51页/共64页卫星运行方向推扫式成像中巴资源卫星、SPOT5的HRG、 IKONOS、QuickBird等的CCD相机包括北京1号小卫星第52页/共64页推扫式扫描仪特点空间分辨率高全色和多光谱数据采用不同的CCD相机成像能够侧摆成像 北京1号小卫星侧摆30度 中巴资源卫星32度第53页/共64页第54页/共64页SPOT 5的扫描方式三种扫描方式同轨立体成像三台扫描仪宽扫描第55页/共64页推扫式成像-QuickBird目前空间分辨率最高的商业遥感卫星数据全色0.

18、61m；多光谱2.44m美国DigitalGlobe公司WorldView，全色0.5m第56页/共64页QuickBird推扫式成像 大约4秒钟获取 16.5 km x 16.5 km 地面范围图像传感器包括:全色Panchromatic 多光谱蓝绿红近红外16.5 kmEach line is 1 pixel deepSensor Focal Plane has 5 color lines第57页/共64页QuickBird 传感器Panchromatic (BW)DCAMultispectral (MS)DCAMS MS MS MS MS MS BWBWBWBWBWBW第58页/共64页30 Field of Reg