第二讲 遥感成像原理及特征

遥感成像原理与图像特征上海海洋大学(ShanghaiOceanUniversity)刘爽:Telmail:liushuang@主要内容遥感平台遥感图像特征摄影成像扫面成像微波遥感成像2023/2/3遥感与地理信息系统2遥感平台搭载遥感传感器的工具，根据运载工具的类型，遥感平台可以分为地面平台、航空平台和航天平台。选择遥感平台的主要依据是遥感图像空间分辨率。一般说来，近地遥感地面分辨率高，但观测范围小；航空遥感地面分辨率中等，其观测范围较广。航天遥感地面分辨率低，但覆盖范围广。2023/2/3遥感与地理信息系统3卫星轨道卫星轨道平面与赤道平面重合，卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期，卫星与地面的位置相对保持不变，故这种轨道又称为静止卫星轨道。地球同步卫星2023/2/3遥感与地理信息系统4太阳同步卫星卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道的倾角接近90度，卫星在两极附近通过，因此称之为近极地太阳同步卫星轨道；轨道平面绕地球自转轴旋转的方向与地球的公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度；能保证卫星每天在相同的时刻经过指定地区，一日两次，便于获得最好的太阳光条件，从而得到高质量的地面的遥感影像。卫星轨道2023/2/3遥感与地理信息系统5气象卫星系列第一代气象卫星（19世纪60年代）：以试验卫星为主，自1960年美国成功发射第一颗实验气象卫星TIROS-1起，先后发射了一些列气象卫星如ESSA、雨云（Nimus）；第二代气象卫星（19世纪70年代）：美国发射了ITOS-1w卫星，发射了地球同步气象卫星（SMS）及静止同步环境应用卫星（GOES）系列，组建了世界气象监测网络；第三代气象卫星：NOAA系列卫星为代表，采用近极地太阳同步近圆形轨道，双星系统；NOAA极轨卫星从1970年12月发射了第一颗气象卫星以来，近40年连续发射了18颗；每天可以进行4次以上的对地观测。2023/2/3遥感与地理信息系统6风云系列气象卫星1988年9月7日中国发射的第一颗“风云1号”气象卫星，其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验；1997年6月10日中国发射了第一颗地球静止气象卫星“风云2号”气象卫星，每小时获取一次对地观测的可见光、红外与水汽云图；2008年5月7日我国成功发射第二代极轨气象卫星“风云3号”由三颗卫星组成（FY-3A卫星、FY-3B卫星、FY-3C卫星），可以满足天气预报、气候预测和环境监测等方面的迫切需求。2023/2/3遥感与地理信息系统7气象卫星应用2023/2/3遥感与地理信息系统8遥感卫星Landsat是美国于1972年在首次成功的发射的第一颗地球观测卫星，是太阳同步轨道卫星。星上搭载多光谱扫描仪（MSS）和专题扫描仪（TM）两种遥感器。目前已经发射了8颗卫星。陆地卫星系列卫星参数Landsat1Landsat2Landsat3Landsat4Landsat5Landsat7Landsat8发射日期1972.7.231975.1.121978.3.51982.7.161984.31999.4.152013.2.11卫星高度920km920km920km705km705km705km705km轨道倾角103.143103.155103.11598.998.298.298.2经过赤道时间8：50am9:03am6:31am9:45am9:30am10:00am10:00am重复周期18天18天18天16天16天16天16天扫幅宽度185km185km185km185km185km185km185km波段数44477811传感器MSSMSSMSSMSS、TMMSS、TMETM+OLI、TIRS2023/2/3遥感与地理信息系统9遥感卫星Landsat卫星系列2013年2月11日，美国航空航天局(NASA)成功发射Landsat-8卫星,Landsat-8卫星包含OLI（陆地成像仪）和TIRS（热红外传感器）两种传感器。卫星一共有11个波段，卫星每16天可以实现一次全球覆盖。2023/2/3遥感与地理信息系统10遥感卫星SPOT卫星系列Spot系列卫星是法国研制的一种地球观测卫星系统，至今已发射Spot卫星1-7号，1986年已来，

Spot已经接受、存档超过7百万幅全球卫星数据；Spot卫星高度830km，轨道倾角98.7度，太阳同步准回归轨道,回归天数（重复周期）为26天。Spot-7全色和多光谱影像1.5m全色(0.455µm-0.745µm)6m多光谱,4个波段：

蓝(0.455-0.525µm)

绿(0.530-0.590µm)

红(0.625-0.695µm)

近红外(0.760-0.890µm)2023/2/3遥感与地理信息系统11资源三号测绘卫星，简称ZY-3，是中国第一颗民用高分辨率光学传输型测绘卫星，于2012年1月9日发射，轨道高度约506Km,设计寿命5年，可对地球南北纬84度以内的地区实现无缝影像覆盖；可高效的获取2.1米全色、5.8米多光谱影像，以及3.5米前后视立体影像；遥感卫星2023/2/3遥感与地理信息系统12高分辨率卫星1999年9月24日，SpacingImaging公司成功发射了世界上第一颗高分辨率卫星—IKONOS，从而开启了商业高分辨率遥感卫星的新时代；IKONOS重访周期为3天，可同时采集1m分辨率全色和4m分辨率多光谱影像的商业卫星，全色和多光谱影像可融合成1m分辨率的彩色影像。IKONOS卫星2023/2/3遥感与地理信息系统13高分辨率卫星美国DigitalGlobe公司2014年8月14日成功发射了具有划时代意义的WorldView-3卫星，WorldView-3卫星是目前世界上第一颗分辨率达到0.3m且具有16个光谱波段的卫星，同时是第一颗拥有大气校正波段的卫星目前世界上运行的高分辨率的遥感卫星还有TerraSAR-X、COSMO-Skymed、GeoEye-1、QuickBird等2023/2/3遥感与地理信息系统14遥感图像特征遥感图像的特征主要有：几何特征（形状、大小、空间分布）、物理特征（光谱、辐射、属性）和时间特征（动态变化），具体表现参数为：空间分辨率光谱分辨率辐射分辨率时间分辨率2023/2/3遥感与地理信息系统15空间分辨率空间分辨率：是指像素所能代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或者地面物体能分辨的最小单元，用来表征图像分辨地面目标细节能力的指标。目前比较通俗的说法就是像元的大小，比如TM图像是30米，Spot5的分辨率是5米或者10米等。25m分辨率的遥感影像12.5m分辨率的遥感影像10cm分辨率的遥感影像2023/2/3遥感与地理信息系统16空间分辨率2023/2/3遥感与地理信息系统17时间分辨率时间分辨率：对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，即采样的时间间隔，或者重访周期。时间间隔大，时间分辨率低，反之时间分辨率高。如TM的重复周期为16天，静止气象卫星的时间分辨率为0.5小时，太阳同步气象卫星重访周期2次/天等；遥感图像的时间分辨率对于动态监测尤为重要，如天气预报、灾害监测、作物的长势监测、估产等，根据不同的应用可以采用不同的时间分辨率；2023/2/3遥感与地理信息系统18重复周期：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的天数。卫星绕地球一圈所需的时间。重访周期：重访时间是卫星经过同一个星下点的时间间隔，利用卫星的侧摆快速拍摄同一地点时所需要的最短时间；时间分辨率2023/2/3遥感与地理信息系统19卫星工作时间组织重复周期波段分辨率极化方式ERS-11991-2000ESA35C25VVJERS-11992-1998JAXA44L30HHERS-21995-2011ESA35C25VVRadarsat-11997-2013CSA24C8-100HHENVISAT2001-2012ESA35C30-1000HH、VV、HVVHALOS-12006-2011JAXA46L2.5-100HH、VV、HVVHRadarsat-22007-至今CSA24C1315HH、VV、HVVHTerraSAR-X2007-至今DLR11X1315HH、VV、HVVHCosmo-skymed2007-至今ASI16X1315HH、VV、HVVHTanDEM-X2010-至今DLR11X1315HH、VV、HVVHSentinel-12014-至今ESA12C5HH、VV、HVVHALOS-22014-JAXA14L3610100HH、VV、HVVH时间分辨率2023/2/3遥感与地理信息系统20光谱分辨率光谱分辨率—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。光谱分辨率的高低，产生了一个应用前景广阔的遥感分支—高光谱遥感。高光谱影像数据的光谱是由从可将光到近红外波段之间的许多连续波谱组成，带宽一般小于10nm2023/2/3遥感与地理信息系统21光谱分辨率

2023/2/3遥感与地理信息系统22辐射分辨率辐射分辨率：是指传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的最小变化量，在遥感图像上表现为每一个像元的辐射量化级。在可见、近红外波段用噪声等效反射率表示，在热红外波段用噪声等效温差、最小可探测温差和最小可分辨温差表示。辐射分辨率越小，表明传感器越灵敏其中为最大辐射量值为最小辐射量值为量化级2023/2/3遥感与地理信息系统23遥感影像信息量单个波段的遥感影像的总信息量与影像的空间分辨率和辐射分辨率有关：其中为遥感图像的信息量遥感图像的像元数为遥感图像的灰度量化级多波段的遥感影像的总信息量与影像的空间分辨率、辐射分辨率和波段数有关：其中为遥感图像所对应的面积为遥感图像的空间分辨率2023/2/3遥感与地理信息系统24摄影成像摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。传统摄影是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。数字摄影是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。依据探测波段，有近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影和多光谱摄影等。2023/2/3遥感与地理信息系统25摄影相片的几何特性像片的比例尺：像片上两点之间的距离与地面上对应两点实际距离之比像片的比例尺是像片的平均比例尺，中心投影图像的比例尺中心和边缘是不同的，如果摄影范围较大且区域内的高程变化较大，摄影平台的高度不是定值，则每张像片的比例尺会有差异；2023/2/3遥感与地理信息系统26分幅式摄影机一次曝光得到目标物的一景遥感影像，记录介质为感光胶片；视场角愈大，地面覆盖范围愈大；分幅式摄影机的像幅通常有23cm*23cm和18cm*18cm两种2023/2/3遥感与地理信息系统27全景摄影机依据结构和工作方式可以分为缝隙式摄像机：通过焦平面前方设置的与飞行方向垂直的狭缝快门获取横向的狭带影像；镜头转动式摄像机：通过采用转动镜头的物镜或者棱镜镜头的转动实现成像；2023/2/3遥感与地理信息系统28多相机组合型多镜头组合型光束分离型多光谱摄影机可以直接获取可见光和近红外范围内的若干个分波段的影像，有多相机组合型、多镜头组合型、光束分离型数码摄影机的记录介质不是感光胶片而是光敏电子器件CCD（电荷耦合元件）2023/2/3遥感与地理信息系统29摄影相片的几何特性根据摄影机主光轴和地面的关系可以分为：垂直摄影：摄影机的主光轴垂直于地面或偏离垂线在3度以内，航空摄影测量和制图大多是这类照片倾斜摄影：摄影机的主光轴偏离垂线大于3度，这种摄影方式获取的影像称为倾斜像片2023/2/3遥感与地理信息系统30摄影相片的几何特性常用的大比例尺地形图属于垂直投影或者近垂直投影，而摄影像片属于中心投影。垂直投影的物体影像是通过互相平行的光线投影到与光线平行的平面上，因此像片的比例尺处处相等，与投影距离无关；摄影像片是地面物体的中心投影，中心投影受投影距离的影响，像片比例尺与平台高度和焦距有关；2023/2/3遥感与地理信息系统31中心投影与垂直投影的区别投影距离的影响：垂直投影像片的比例尺处处相等，与投影距离无关；中心投影受投影距离的影响，像片比例尺与平台高度和焦距有关；投影面倾斜的影响：投影面倾斜时，垂直投影的影像的比例尺有所变化，但是像点的相对位置保持不变；中心投影则不会；2023/2/3遥感与地理信息系统32地形起伏的影响：垂直投影时，随地面起伏变化，投影点之间的距离和地面实际水平距离成比例缩小，相对位置不变；中心投影时，地面起伏越大，像上投影点水平位置的偏移量就越大，产生有一定规律的投影误差。中心投影与垂直投影的区别2023/2/3遥感与地理信息系统33像点位移像点位移：在中心投影的像片上，地形的起伏不仅会引起的像片比例尺的变化，而且会导致平面上点的点位在像片位置上的移动，这种现象称作像点位移，像点位移量为中心投影和垂直投影的投影误差(1)(2)2023/2/3遥感与地理信息系统34像点位移像点位移与地形的高差成正比：高差越大，引起的像点位移越大；高差为正时（地形凸起），像点位移背离像点方向：否则像点向主点方向移动位移量与像主点的距离成正比：主点越远像点位移量越大；位移量与摄影高度成反比：摄影高度越大，引起的像点位移越小；如卫星高度H=800km，像片大小为18cm*18cm,则像片边缘点的地面高差为1000m，其位移量为0.13mm????2023/2/3遥感与地理信息系统35摄影相片的物理特性光学密度：胶片经过感光和显影之后表现出来的深浅程度，以阻光率的对数值表示；感光特征曲线：横坐标为胶片的曝光量，纵坐标为胶片的光学密度；其中为胶片的阻光率，为投影光线与投射光线之比为胶片的阻光率反差：反差是胶片的明亮部分与阴暗部分的密度差；胶片的最大反差是特征曲线上最大密度与最小密度之差；反差系数：指摄影后负片影像与景物亮度差之比，即特征曲线的斜率2023/2/3遥感与地理信息系统36扫描成像依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以获取目标地物的电磁辐射特征信息，形成一定谱段的图像；其探测的波段包括紫外、红外、可见光和微波波段；扫描图像的物理特性决定了其所用的探测元件的波段响应；成像方式主要有：光学机械扫描成像、固体自扫描成像和高光谱成像光谱扫描；2023/2/3遥感与地理信息系统37光学机械扫描成像利用平台的行进和旋转扫描镜对与平台行进的垂直方向的地面进行逐点、逐行扫描，又称物面扫描系统。目前正在使用的传感器采用这种方式的主要有Landsat、NOAA/AVHRR、我国的“风云”系列气象卫星。特点是扫描宽幅大但空间分辨率较低。2023/2/3遥感与地理信息系统38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：扫描镜在瞬间所接受的目标地物的电磁波辐射的范围，也叫做扫描仪的空间分辨率。总视场角：遥感平台与地面扫描带外侧所构成的夹角。光学机械扫描成像由遥感平台的高度和总视场角可以获取地面扫描带的宽度

在扫描成像时，总视场角不宜过大，否则会导致图像边缘的畸变过大。2023/2/3遥感与地理信息系统39固体自扫描成像利用固定的探测单元，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描成像。目前常用的探测元件是电荷耦合器件（CCD）目前正在使用的大部分高分辨率传感器就是这种系统，包括SPOT系列，中巴资源系列，IKONOS，QUICKBIRD等。此类扫描系统一般分辨率比较高，但扫描宽幅比较小。2023/2/3遥感与地理信息系统40高光谱成像光谱扫描既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术称作成像光谱技术，按照该原理制成的仪器称作成像光谱仪。图像光谱分辨率非常高，波段数非常的多，能达到上百个波段，它仍属于多光谱扫描仪的范畴。典型的传感器如MODIS（中等分辨率成像光谱仪）和中国的推扫式高光谱成像仪（PHI）。2023/2/3遥感与地理信息系统41微波遥感与成像在电磁波谱中，波长在1mm-1m的波段范围内的电磁波称作微波；微波遥感是通过微波传感器获取从目标地物发射或者反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。2023/2/3遥感与地理信息系统42微波遥感的特点雷达遥感全天时、全天候工作：高的空间分辨率雷达信号的穿透能力电磁波通过介质时部分被吸收，强度要衰减，故将电磁波振幅减少倍的穿透深度定义为趋肤深度侧视成像，图像立体感强雷达图像信息丰富其中为地物的导电率为地物的介电常数2023/2/3遥感与地理信息系统43主动微波遥感主动微波遥感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遥感观测，主要传感器有雷达、雷达高度计和微波散射计。电磁波在空间的传播速度是一定的，当雷达在时刻发射出一个脉冲信号，被目标反射之后，在时返回，根据时间差可以计算目标地物的距离：2023/2/3遥感与地理信息系统44主动式微波遥感多普勒效应：受到运动的影响，目标的反射回波的频率会发生改变，该频率的改变与目标物体的运动速度成正比。因此可以根据多普勒效应类测定运动的目标物体；微波的极化特征，导致垂直方向和水平方向的反射强度不同；2023/2/3遥感与地理信息系统45侧视雷达侧视雷达的天线与遥感平台的运动方向形成角度，朝着一侧或者两侧倾斜安装，向侧下方反射微波，接收回波信号（包括振幅、相位和极化）；雷达为什么采取侧视成像，而不采用正视成像方式？2023/2/3遥感与地理信息系统46距离向分辨率雷达采用距离成像方式成像，因此距离向分辨率理论上等于脉冲宽度的一半；其中为脉冲的频带宽度，为微波的传播速度为为脉冲宽度俯仰角越大，距离分辨率越低，俯仰角越小，距离分辨率越高；2023/2/3遥感与地理信息系统47方位向分辨率在方位向，雷达的波瓣角与雷达的波长成正比和天线的孔径成反比；其中雷达天线的孔径为微波的波长方位向的分辨率发射的波长越小，天线的孔径越大、距离目标越近，则方位分辨能力越高；2023/2/3遥感与地理信息系统48方位向分辨率思考题传感器的波长为3cm，天线的孔径为4m，卫星高度