遥感概论第四章课件

第四章遥感传感器传感器概述摄影机扫描仪第一节传感器概述概念组成分类一、概念：传感器(sensor)：记录地物反射或发射电磁波能量的装置，是遥感技术系统的核心部分。二、组成：收集系统探测系统信号转化系统输出系统摄影机透镜感光胶片放大器胶片扫描仪反射镜光电管电光转换器磁带雷达天线微波检测器多波段分光镜棱镜光栅滤光片第二节摄影成像种类工作原理特点摄影机的技术参数感光胶片、滤光片一、种类传统摄影：依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。分幅式摄影机全景摄影机多镜头型多光谱摄影机多相机型光束分离型数字摄影：通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号来记录物体的影像。探测波段的不同：近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影二、各类摄影机工作原理：１分幅式摄影机：一次曝光得到目标物一幅像片

———遥感探测和制图多采用按镜头分：常角（50º-70º）宽角（70º-105º）特宽（105º-135º）按焦距分：短焦距<100mm

中焦距100-200mm

长焦距>200mm

按像幅分230mm×230mm180mm×180mm60mm×60mm230mm×460mm

外壳：可见光——不透光材料：金属、人造革、塑料等红外——只能用金属材料镜头：书P55单镜头分幅式摄影机构造示意图２全景摄影机（扫描摄影机）

——主要用于军事侦察分缝隙式摄影机（航带摄影机）——横向狭带影像镜头转动式摄影机转动镜头的物镜棱镜镜头转动焦距：较长（超过600mm)

胶片：长23cm（航向）宽128cm（横向）３多光谱摄影机（多波段摄影机）采用不同的滤光片与胶片组合，同时对一个地区进行摄影，可获得同一地区不同波段的相片。这种相片称多光谱相片。分多相机组合型多镜头组合型光束分离型４数码摄影机——记录介质是光敏电子器件如CCD缝隙式摄影机多光谱摄影成像示意图数码摄影机成像原理与一般摄影机同，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ChargeCoupledDevice的缩写）摄影像片的几何特征摄影机从飞行器上对地摄影时，根据摄影机主光轴与地面的关系，可分为：①垂直摄影②倾斜摄影1、垂直摄影摄影机主光轴垂直于地面或偏离垂线在3º以内。取得的像片称水平像片或垂直像片。航空摄影测量和制图大都是这类像片。垂直摄影倾斜摄影3、垂直摄影像片的几何特征（1）像片的投影（2）像片的比例尺（3）像点位移垂直投影和中心投影正像和负像中心投影与垂直投影的区别第一，投影距离的影响。第二，投影面倾斜的影响。第三，地形起伏的影响。投影距离的影响中心投影：投影距离不同或焦距不同则像片的比例尺也不同。垂直投影：投影距离不同与像片比例尺无关。（不存在焦距）投影倾斜面的影响中心投影：投影面的倾斜造成同一个像片不同部位比例尺的差异。垂直投影：不存在投影面的倾斜。像点位移像点位移量与地面高差h和像点到像主点的距离r成正比关系，与航高H成反比关系。像片的比例尺像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比。H为摄影平台的高度（航高）F为摄影机的焦距通常f在像片的边缘或相应的影像资料（遥感摄影的报告、设计书）中找到，H由摄影部门提供。航高未知时第一，已知某一地面目标的大小，可以通过量测其在像片上的影像而算出该像片的比例尺。第二，若具有摄影地区的地形图，先在像片上和地形图上找到两个地物的对应点，然后分别在像片上和地形图上量得其长度。已知某河流的宽度为20M，在像片上量得的宽度为0.5cm，则该像片的比例尺为：计算比例尺实例1已知的地形图比例尺为1：50000，在地形图上量得AB两点的长度为3.5cm，像片上量得相应ab两点的长度为7cm，则像片的比例尺为：计算比例尺实例2三、摄影机特点：——是使用历史最久、较为完善的一种传感器像片信息量大、分辨率高使用波段窄，0.3-0.9m,只能在白天工作四、摄影机的技术参数：焦距（f）—决定着物像比例尺物镜孔径(d)—相对孔径，即物镜孔径与焦距的比。决定着像面的照度和空间成像景深视场角(2ω)—决定着成像的空间范围物镜的地面分辨力—与波长、航高成反比，与物镜的孔径成正比五、感光胶片、滤光片：１感光胶片：是传感器的探测元件，用来记录地物反射电磁波的性质和强度

摄影胶片的感光物理性质：光学密度：胶片经感光显影后，影像表现出的深浅程度。感光度：指胶片的感光速度。感光度低的胶片，适合强光下拍摄静物；高的胶片，适合弱光下拍摄或运动物体的拍摄。一般GB21°,适合于一般摄影。反差（△D）：胶片的明亮部分与阴暗部分的密度差。反差系数（γ）：拍摄后负片影像与景物亮度差之比。灰雾度：未经感光的胶片，显影后仍产生轻微的密度，呈浅灰色，故称灰雾。宽容度：胶片表达被拍摄物体亮度间距的能力。解像力：也称感光胶片的分辨力。根据感光材料对光谱的感受能力，可分为：黑白胶片：用灰度表现分色盲片、正色片、分色片、全色片、红外黑白片等彩色胶片：用颜色表现分天然彩色片、红外彩色片色盲片：未加增感剂，只能吸收近紫外、紫光、及蓝光。

——反差大，适于翻拍文件、印刷黑白幻灯片等正色片：加增感剂，感光范围扩大到绿黄光区0.58m，在0.50-0.52m感光性能降低

——适于制版、复制、林区黑白航空摄影等分色片：加增感剂，感光范围扩大到0.6m，在0.50-0.52m感光性能降低不大

——对绿黄光可区分并较敏感全色片：感光范围扩大到0.6—0.72m能感受全部可见光在0.50-0.52m感光性能降低红外黑白片：加红外增感剂，（乙炔基、甲炔基），感光范围扩大到近红外波段（<1.35m)。保存时间短8-30天最佳感光性能在0.76-0.90m.天然彩色片：（真彩色片）还原出自然色彩假彩色片：（彩色红外片）不能还原出自然色彩在假彩色的正片上，地物色彩与天然色彩不同红外———红红———绿绿———蓝向短波方向移动

天然彩色片假彩色片２滤光片一种能改变透过光线光谱成分的透光片。

——用来减少大气烟雾散射作用产生的影响。红外摄影时，可阻挡可见光通过多波段摄影时，用它来分光组成：有特殊有色玻璃制成或用玻璃、胶片镀膜制成种类：黄滤光片：用于全色摄影，某些红外摄影。吸收蓝光，可消除大气烟雾引起蓝光散射的作用，提高影像清晰度．红滤光片：吸收蓝、绿波段，只透过橙、红、红外光红外滤光片：深黑红色，用于红外摄影、只在红外感光彩色摄影用滤光片：可减少紫外、少量蓝光及大气烟雾的影响。第三节扫描成像概述光/机扫描成像固体自扫描成像高光谱成像光谱扫描方式

一、概述概念与摄影方式的异同种类

１扫描方式传感器：是依靠探测元件和扫描镜对地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。

——即将由光学系统所探测到的地物辐射能量转换为电信号，这种电信号可用发射器传送、显示、存储，并可以经过处理转换成影像或磁带。２与摄影机的异同：相同：都属于成像方式的传感器不同：工作波段、成像方式扫描方式的探测波段宽，包括紫外、可见光、红外和微波波段采用光栅和棱镜等作为光谱分解元件，以光、电转换原理扫描成像，不像摄影系统那样受本身结构和感光胶片响应范围等限制，而是用磁带记录信息，经过处理变成图像３成像方式分三种：红外扫描仪光学—机械扫描方式多光谱扫描仪专题制图仪固体自扫描方式高光谱成像光谱扫描方式

二、光机扫描成像（optial-mechanicalscanning)光学机械扫描成像仪是借助于遥感平台沿航向运动和仪器本身光学机械舷向扫描来获取地面航向条带图像的一种仪器，简称光机扫描仪。组成：棱镜、反射镜和探测元件探测元件：常温下，其响应波长8-14m;

高温下，3-5m。光机扫描图像的物理特性取决于所采用的探测元件的波段响应。光机扫描图像的几何特性取决于它的瞬时视场角和总视场角瞬时视场角（２θ）—空间分辨率总视场角—扫描带的地面宽度称总视场。（２ф

）从遥感平台到扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。

L=2Htanф(L为扫描带对应的地面宽度；H为平台高度）总视场角一般不宜过大，一般取70∘-120∘

光机扫描仪法单波段与多波段两种。瞬时视场角与总扫描角（一）红外扫描仪：１类型：按平台分为：机载红外扫描仪、星载红外扫描仪２用途：取得地物的热红外图像，供地球资源探测与军事侦察３机载红外扫描仪：组成：扫描系统、红外探测器、记录系统、数据处理成像过程：光

制冷电光

地物红外辐射地物光学扫描系统探测器氖灯成像光学扫描系统胶卷

同步控制系统原理：由于加在电、光转换器上的控制信号随地物红外辐射能量变化，胶片上的图像就间接地反映出目标物的热红外图像。二、光/机扫描成像机载红外扫描仪结构原理图（二）多光谱扫描仪（MSS)–MultiSpectralScanner

１概念：是把来自目标物的辐射（发射或反射）分成几个不同的光谱段，使用探测器同时扫描成像的一种传感器。２工作过程：与红外扫描仪基本一样，只不过增加了一个分光系统，采用组合的探测器，同时记录多波段的辐射信息。３组成：扫描反射镜、光学系统、探测器、电子线路和记录装置扫描镜在机械驱动下，随遥感平台的前进运动而摆动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描反射镜反射，并经透镜聚焦和分光分别将不同波长的波段分开，再聚焦到感受不同波长的探测元件上。４类型：机载MSS

星载MSS５应用：可利用不同波段的差别来区分地物MSS工作波段在0.3-15m通道号光谱段颜色波段范围/m空间分辨率MSS-4绿0.5-0.679mMSS-5红0.6-0.7MSS-6红—近红外0.7-0.8MSS-7近红外0.8-1.1MSS-8远红外10.4-12.6240m多光谱扫描仪的原理与工作过程（三）专题制图仪：TM—ThematicMapperTM是第二代多光谱段光学——机械扫描仪，是在MSS基础上改进和发展而成的一种遥感器。TM采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收灵敏度。不同之处在于：１波段增多了，变窄了，但单色性好，探测地物特性好

２变单向扫描为双向扫描，使分辨率提高通道号光谱段颜色波段范围/m空间分辨率TM-1蓝绿0.45-0.5230mTM-2绿红0.52-0.60TM-3红0.63-0.69TM-4近红外0.76-0.90TM-5近红外1.55-1.75TM-6远红外10.4-12.6120mTM-7近红外2.08-2.3530mETM数据是第三代推帚式扫描仪，是在TM基础上改进和发展而成的一种遥感器。空间分辨率为15m。

ETM10.45~0.52μm蓝绿波段ETM20.52~0.60μm绿红波段ETM30.63~0.69μm红波段ETM40.76~0.90μm近红外波段ETM51.55~1.75μm近红外波段ETM610.4~12.5μm热红外波段ETM72.08~2.35μm近红外波段ETM8（PAN）0.52~0.90μm可见光—近红外三、固体自扫描成像概念：是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标物进行扫描的一种成像方式。探测元件—电荷藕合器件CCD。

CCD：是用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件。其优点：自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、动耗小、寿命长、可靠性高等。成像特点：由于每个CCD探测元件与地面上的像元（瞬时视场）相对应，靠遥感平台前进运动就可以直接以刷式扫描成像。

——分辨率取决于探测元件数目多少类型：单波段扫描多波段扫描——分光器件推帚式扫描仪工作原理图SPOT的HRV波谱段

光谱段

光谱特性

分辨率0.50~0.59μm

绿20m0.61~0.68μm

红20m0.79~0.89μm

近红外20m0.51~0.73μm

绿—红全波段10m四、高光谱成像光谱扫描成像光谱技术：既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。高光谱成像光谱仪：是有多达数百个波段的非常窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、近红外、中红外和热红外区域全部光谱带。

——图像中每一像元均得到连续的反射率曲线，波段之间无间隔。成像方式：扫描式推帚式成像光谱的概念第四节微波遥感

☆

微波遥感：是通过微波传感器获取从目标物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。☆微波遥感的特点：

(1)全天候、全天时的信息获取能力

(2)对某些地物的特殊识别能力,如水和冰(微波波段发率的差异)(3)对冰、雪、森林、土壤（尤其对干燥、松散物质）有一定的穿透能力

(4)适宜对海面动态情况(海面风、海浪）进行监测

(５)分辨率较低，但特性明显☆微波遥感方式和传感器：方式：主动：雷达、微波高度计等被动：微波辐射计等雷达雷达（Radar）意为无线电测距和定位。其工作波段都在微波范围,少数也利用其他波段。按照雷达的工作方式可分为：成像雷达真实孔径侧视雷达合成孔径侧视雷达非成像雷达雷达是由发射机通过天线在很短的时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。脉冲式雷达的一般结构转换开关发射机显示器接收机天线☆雷达遥感的信息特征

(1)雷达影像的色调差异主要取决于回波的强弱

(2)一般来说,距离近的物体回波强,距离远的物体回波较弱

(3)金属物体往往都有较强的回波

(4)平行于航向的物体回波较强

(5)受地形起伏的影响,雷达波不能到达之处,形成雷达阴影

(6)受天线角度影响,地面镜面目标无回波

(7)在雷达影像上,线状地物一般比较清晰

(8)雷达影像的立体感较强侧视雷达（SideLookingRadar)侧视雷达的天线与遥感平台的运动方向形成角度，朝向一侧或两侧倾斜安装，向侧下发射微波，接收回波信号。侧视雷达工作原理（参考《遥感导论》教材P.75图3.21)。侧视雷达的分辨率可分为：１距离分辨率（垂直于飞行的方向）

Pg=c/2ω

•secф=c•

τ/2cosф(式中：c—波速；ω—频带宽度；τ—脉冲宽度；ф—俯角）

——Pg与脉冲宽度有关，=τ/２。与俯角有关，俯角越大，越低。２方位分辨率（平行于飞行的方向）

Pa=(λ/D)R(式中：λ—微波波长；D—雷达的天线孔径；R—距目标地物的距离）

——发射波长越短，天线孔径越大，距离目标地物越近，

Pa越高。机载侧视雷达工作原理侧视雷达的距离分辨力雷达波束方向图真实孔径侧视雷达；以实际孔径天线进行工作的侧视雷达。提高其方位分辨力途径——加大天线孔径、缩短探测距离和工作波长。实际上，采用脉冲压缩技术，缩短发射波长；用合成孔径代替真实孔径天线。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。遥感平台在匀速前进运动中，以一定的时间间隔发射一个脉冲信号，天线在不同的位置上接收回波信号，并记录和储存下来。

Ps=（λ/Ls)R=λ/(λ/D)R•R=D

式中，Ls为合成天线的孔径，=Pa。则其方位分辨力Ps与距离无关，只与天线的孔径D有关。孔径越小，