第四章 传感器成像原理及其图像特征

第四章传感器及其成像原理传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。它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。第一节遥感传感器

传感器分类传感器的组成传感器的性能指标传感器的分类根据分类的方法不同，传感器大致有如下几种类型：（1）按传感器工作的波段:---可见光传感器

---红外传感器

---微波传感器（2）按工作方式：---主动传感器

---被动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；

主动式传感器向目标发射强大的电磁波并接收目标反射的回波，主要指各种形式的雷达。传感器分类（3）按照数据记录方式:

---成像方式传感器---非成像方式传感器:记录地物的一些物理参数。传感器的分类成像传感器是目前最常见的传感器类型，其分类如下图：框幅摄影机全景摄影机多光谱摄影机成像传感器被动式主动式光学摄影类型光电成像类型成像光谱仪侧视雷达全景雷达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

收集器：负责收集地面目标辐射的电磁波能量。具体元件形式多种多样，如透镜组、反射镜组、天线等。探测器：主要功能是将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能。具体的元件主要有感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件、共振腔谐振器等。处理器：对转换后的信号进行各种处理，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。输出器：输出信息的装置。输出器类型主要有扫描晒像仪、阴极射线管、电视显象管、磁带记录仪等。传感器的组成传感器性能空间分辨率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。

扫描成像----像元：扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小

。

摄影成像----摄影比例尺（或线对）：摄影比例尺1/m=f/HRg=Rs*f/H

传感器性能

波谱分辨率又称光谱分辨率是指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。波长间隔愈小，分辨率愈高。即在等长的波段宽度下，传感器的波段数越多，各个波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，识别性越强。传感器性能辐射分辨率

传感器接受波谱信号时，能分辨的最小辐射度差，即遥感图象上每一个像元的辐射量化级。摄影成像：灰度连续扫描成像：灰度离散，分级记录，2n级。灰度级别越多，辐射分辨率就越高。遥感影像特征：空间分辨率

波谱分辨率辐射分辨率

时间分辨率时间分辨率指对同一地点进行重复观测的最小时间间隔，即重访周期。时间分辨率能提供地物动态变化的信息，可用来对地物的变化进行监测，也可以为某些专题要素的精确分类提供附加信息。时间分辨率的类型：①超短（短）周期时间分辨率，可以观测到一天之内的变化，以小时为单位。②中周期时间分辨率，可以观测到一年内的变化，以天为单位。③长周期时间分辨率，一般以年为单位的变化第二节摄影成像原理一、摄影类型的传感器二、摄影像片的几何特征三、摄影胶片的物理特性组成：收集器、物镜和探测器、感光胶片、暗盒、快门、光栏、机械传动装置等。框幅式摄影机

成像原理：在某一摄影瞬间获得一张完整的像片，这张像片上所有像点共用一个摄影中心和同一个像片面。——又称为扫描摄影机。镜头转动式：成像原理：在物镜焦平面上平行于飞行方向设置一狭缝，并随物镜做垂直航线方向扫描，得到一幅扫描成的影像图，所以称为扫描像机。它能将航线两边的地平线内的影像都摄入底片，又称为全景摄影机。全景摄影机——又称为航带摄影机。成像原理：在飞机或卫星上，摄影瞬间所获取的影像，是与航向垂直，且与缝隙对应的一条地面影像。当飞机或卫星向前飞行时，摄影机连续曝光，摄影机内的胶片也不断地进行绕卷，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。缝隙式摄影机

对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机称为多光谱摄影机。分为多镜头型多光谱摄影机、多摄影机型和光束分离型多光谱摄影机。（1）多摄影机型多光谱摄影机

（2）多镜头型多光谱摄影机多光谱摄影机（3）光束分离型多光谱摄影机多架普通的航空摄影机；不同的滤光片和胶片；同时曝光。普通航空摄影机；配置多个镜头；镜头选配相应的滤光片与胶片。单镜头多光谱摄影；光束经分光装置分成几个光束，然后分别在相应的感光胶片上成像。二、摄影像片的几何特征主光轴：通过物镜中心并与主平面（焦平面）垂直的直线；主光轴垂直于像片面像主点：主光轴与感光片的交点像片倾角（航摄倾角）：像片面与水平面的夹角

主光轴与铅垂线的夹角

垂直摄影：

航摄倾角≤3°

获得近水平的航空像片是航空遥感图象的主要获取方法倾斜摄影：

航摄倾角>3°

获得倾斜航空像片一般用于科学研究按摄影机主光轴与铅垂线的关系分：垂直摄影和倾斜摄影垂直摄影像片的几何特征（一）像片投影用一组假想的直线将物体向几何面投射称为投影。其投射的直线称为投射线。中心投影：投射线会聚于一点的投影方式。

正射投影：投射线都垂直于投射平面。正射投影中心投影—大比例尺地形图——中心投影中心投影与正射投影的区别1）投影距离的影响正射投影比例尺和投影距离无关中心投影焦距固定，航高改变，其比例尺也随之改变H1H2f正射投影中心投影中心投影与正射投影的区别

2）投影面倾斜的影响倾斜水平ABCabc比例尺f/HHf倾斜各点相对位置与形状保持不变各点相对位置与形状发生变化地形起伏对正射投影无影响对中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同BACabcA’C’ABCabcC’A’中心投影与正射投影的区别

3）地形起伏的影响（二）像片的比例尺——像片上两点之间的距离（ab）与地面相应两点之间的距离（AB）之比。

1/m=f/H=ab/ABf：物镜的焦距H：飞行器的相对航高航高、地形起伏会影响比例尺中心投影像片比例尺在中心和边缘是不同的。（三）像点位移

根据中心投影的原理，略有起伏状态的地形，或高出平面的物体，反映到航空像片上的像点与其平面位置相比，一般都会产生位置的移动，叫像点位移。A点高程为h，其在像片上的构像为a；A在基准面上的投影为A0，A0在像片上的构像为a0；aa0为由地形引起的像点位移，也称像片上的投影差h；h地面上的投影差。根据三角形相似原理，可得像点位移的计算公式：h=r*h/Hr:像点a到像主点的距离;H为摄影航高;h为地面高差。像点位移规律位移量与像主点的距离r成正比。r=0时,h=0,像主点无移位。h与h成正比,h>0,像点背离像主点方向移位；

h<0,像点朝向像主点方向移位(3)h与航高H成反比。第三节扫描成像原理

利用扫描镜和探测元件对目标物体以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特征信息，形成一定谱段的图像。其探测波段可包括紫外,红外,可见光和微波波段。扫描成像类型的传感器主要有：光机扫描仪、CCD固体自扫描仪和成像光谱仪等。扫描成像类型的传感器工作原理：

差别：

光学摄影类型的传感器是将收集到的地物反射光在感光胶片上直接曝光成像，而光电成像类型的传感器是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再记录下来。优点：

扩大了探测的波段范围；

便于数据的存储与传输扫描成像类型的传感器与光学摄影类型的传感器的比较：光机扫描仪

光机扫描仪是借助遥感平台沿飞行方向运动与遥感器自身的光机对目标地物逐点、逐行横向扫描，达到地面覆盖，得到地面条带图像的成像装置。

扫描成像类型的传感器多光谱扫描仪

多光谱扫描仪是在红外扫描仪的基础上发展起来的，其探测波长包括电磁波的紫外、可见光和红外三个部分。多光谱扫描仪主要由两个部分组成：机械扫描装置和分光装置。它是由扫描镜收集地面的电磁辐射，系统把收集到的电磁辐射汇聚成光束，然后通过分光装置分成不同波长的电磁波，它们分别被一组不同探测器所探测器，经过信号放大，然后记录在磁带上，或通过电光转换后记录在胶片上。光机扫描成像类型的传感器收集聚焦分光探测记录MSS数据获取原理图空间分辨率瞬时视场角MSS工作原理

MSS的成像板上有24+2个探测元，按波段排列成四列，每列由六个探测元，每个探测元的地面观察面积为79m×79m。另外两个探测元为热红外通道，分辨力为240m×240m。扫描仪成像时，每个波段由六个相同大小的探测元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小为6×79m×79m，又由于扫描总视场为11.56度，地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段获取六条扫描图像，其地面范围为474m×185km。又因卫星速度为6.5km/s，在扫描一次的时间里卫星正好往前移动474m，因此扫描现恰好衔接。遥感器波段波长范围/umMSS40.5~0.650.6~0.760.7~0.870.8~1.10.5~0.6um0.6~07um0.7~08um0.8~1.1um10.4~12.6um扫描方向卫星前进方向CCD传感器CCD传感器用一种称为电荷耦合器件CCD（changecoupleddevice）的探测器制成的传感器。这种传感器受光或电激作用产生的电荷，在外力作用下在固体内移动，以产生输出信号。将若干个CCD元器件排成一行，称为CCD线阵列传感器。法国SPOT卫星上装载的HRV（HighResolutionVisiblerangeinstrument）是一种CCD线阵列传感器，又称为线阵列推扫式扫描仪。固体自扫描仪推帚式扫描仪工作原理图CCD传感器—HRV1）HRV的多光谱段的每个波段的线阵列探测器组，由3000个CCD元件组成。每个元件形成的像元，相对地面上为20m×20m。因此一行CCD探测器形成的图像线，相对地面上为20m×6000km。2）HRV的全色波段的线阵列探测器组由6000个CCD元件组成一行。地面上总的市场宽度仍为60km，因此每个像元地面大小为10m×10m。

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

全波段10mHRV数据采集原理HRV是推帚式扫描仪。探测元件为4根平行的CCD线列，每根探测一个波段，每线含3000（HRV1～3）或6000（PAN波段）个CCD元件。为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平排安装两台HRV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两者之间有3km的重叠，因此总的视场宽度为117km。成像光谱仪—高光谱扫描仪

成像光谱仪的两种类型（结构不同）：一种是面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪：它利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。另一种是用线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪：它利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别在线阵列探测器的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运动完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。

特点：高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图像是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。光谱仪成像时多采用扫描式和推帚式，可以收集200或200以上波段的收据数据。使图象中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般传统的成像谱光仪在波段之间存在间隔。第四节微波遥感与成像

微波遥感是指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经处理来识别地物的技术。微波遥感常用的波段波段名称波长(mm)频率（MHZ）Ka7.5~1140000~26500K11~16.726500~18000Ku16.7~2418000~12500X24~37.512500~8000C37.5~758000~4000S75~1504000~2000L150~3002000~1000P3000~10001000~300微波遥感的特点1、能全天候、全天时工作2、对某些物体具有特殊的波谱特征3、对冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力4、对海洋遥感具有特殊意义5、分辨率较低，但特性明显微波成像仪微波遥感的分类

微波遥感根据其工作方式分为主动式微波遥感（有源）和被动式微波遥感（无源）。主动式遥感是指通过向目标地物发射微波并接收其后向散射信号来实现对地观测遥感方式，主要传感器是雷达。被动微波遥感是指通过传感器接收来自目标地物发射的微波，而达到探测目的的遥感方式。微波传感器