遥感图像的成像原理2

遥感图像的成像原理演示文稿当前1页，总共68页。（优选）遥感图像的成像原理当前2页，总共68页。随着空间技术、航天技术、无线电电子技术、光学技术、计算机技术及其它相关科学的迅速发展，遥感传感器从第一代的航空摄影机，第二代的多光谱摄影机、扫描仪，很快发展到第三代的固体扫描仪（ChargeCoupledDevice，CCD）。进入90年代以后，高分辨率CCD传感器的出现，使遥感图像的空间分辨率由Landsat-MSS的80m提高到目前的2~3m，甚至1m以上；4.1传感器的分类当前3页，总共68页。高光谱分辨率成像仪的出现，使多光谱遥感图像的光谱分辨率可达到5~10nm；加拿大雷达卫星（RADARSAT）的成功发射以及美国的地球观察雷达系统EOS-SAR的研制标志着雷达图像的空间分辨率大大提高。所有这些说明，遥感图像应用于地图的测绘和GIS基础信息的获取已成为可能。4.1传感器的分类当前4页，总共68页。遥感技术常用的传感器：

航空摄影机（航摄仪）全景摄影机多光谱摄影机多光谱扫描仪(Multi-SpectralScanner，MSS)专题制图仪（ThematicMapper,TM）反束光导摄像管（RBV）HRV（HighResolutionVisiblerangeinstruments）扫描仪合成孔径侧视雷达（Side-LookingAirborneRadar，SLAR）4.1传感器的分类当前5页，总共68页。4.1传感器的分类图遥感器的分类情况主动式侧视雷达全景雷达真实孔径雷达合成孔径雷达被动式光电成像类型ＴＶ摄像机电荷耦合器件CCD扫描仪光学摄影类型多光谱摄影机全景摄影机缝隙摄影机框幅摄影机成像遥感器成像光谱仪面阵成像光谱仪线阵成像光谱仪当前6页，总共68页。4.2光学摄影机类型传感器的成像原理光学摄影类型传感器主要包括：框幅摄影机、缝隙摄影机、全景摄影机和多光谱摄影机四种类型。共同特点：由物镜收集电磁波，并聚焦到感光胶片上，通过感光材料的探测与记录，在感光胶片上留下目标的潜像，然后经过摄影处理，得到可见的影像。分幅式摄影机成像示意图当前7页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理框幅式摄影机传感器成像原理是在某一个摄影瞬间获得一张完整的像片（18cm×18cm或23cm×23cm幅面）。一张像片上的所有像点共用同一个摄影中心和同一个像片面，亦即共用一组外方位元素。因此，像点和物点之间可以用航测像片解析的共线方程来描述。一、框幅式摄影机当前8页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理缝隙摄影机，或称推扫式摄影机、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线方向垂直且缝隙等宽的一条线影像。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不断地卷动，且其速度与地面在缝隙中的影像移动相同，则能得到连续的航带摄影像片。二、缝隙摄影机vxyVSH当前9页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理全景摄影机又称摇头摄影机，或叫扫描摄影机。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，得到一幅扫描成的图像，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

摄入底片，因此又称为全景摄影机。全景摄影机的特点：焦距长，有的达600mm以上，可在长约23cm，宽达128cm的胶片上成像。它的精密透镜既小又轻，扫描视场很大，有时能达180°。三、全景摄影机航向航线缝隙当前10页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理但由于全景像机的像距保持不变，而物距随扫描角而增大，因此出现两边比例尺逐渐缩小的现象。再加上扫描的同时，飞机向前运动，以及扫描摆动的非线性等因素，整个影像产生全景畸变。三、全景摄影机扫描方向飞行方向全景像片的畸变当前11页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理对于同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机称多光谱摄影机。采用多光谱摄影的目的，是充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征，来增多获取目标的信息量，以便提高影像的判读和识别能力。四、多光谱摄影机当前12页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理四、多光谱摄影机在一般摄影方法基础上，对摄影机和胶片加以改进，再选用合适的滤光片，即可实现多光谱摄影。根据其结构特点，可以分为三种基本类型：多摄影机型，多镜头型和光束分离型。（a）多摄影机型滤光片镜头摄影机胶片（b）多镜头型滤光片镜头摄影机胶片（c）光束分离型滤光片镜头二分色镜胶片当前13页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理四、多光谱摄影机

（一）多摄影机型多光谱摄影机这种多光谱摄影机是用几架普通的航空摄影机组装而成的，对各摄影机分别配以不同的滤光片和胶片的组合，采用同时曝光控制，以进行同时摄影（如图a）。当前14页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理四、多光谱摄影机（二）多镜头型多光谱摄影机它是用普通航空摄影机改制而成的，在一架摄影机上配置多个镜头（如三镜头、六镜头和九镜头），暗盒部分用几种胶片记录从不同镜头拍摄得到的影像。这种摄影机同样需要选配相应的滤光片与不同光谱感光特性的胶片组合，以实现多光谱摄影（如图b）。当前15页，总共68页。光学摄影机类型传感器的成像原理四、多光谱摄影机（三）光束分离型多光谱摄影机在摄影时，光束通过一个

镜头后，经分光装置分成

几个光束，然后分别透过

不同的滤光片，分成不同

波段，在相应的感光胶片

上成像，实现多光谱摄影

（如图c）。当前16页，总共68页。4.3光电成像传感器的成像原理光电成像传感器主要包括：电视摄像机、扫描仪、电荷耦合器件CCD。其中后两种应用最广泛，特别是，长线阵大面阵CCD传感器已经问世，其地面分辨率最高可达1m以下，为遥感图像定量研究提供了保证。光电成像类型传感器与光学摄影类型的传感器有很大区别。光电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（探测器）转变成电能后再记录下来。光电传感器较光学摄影机的优点在于：一是扩大了探测的波段范围；二是便于数据的存贮与传输。当前17页，总共68页。电视摄像机是从空中观测地面或从空间观测地球的常用的传感器。这类传感器体积较小，重量较轻，影像是由电子记录的，即使在低照明的条件下也能工作，并具有较高的分辨率，因此，它能够比较容易获得可靠的地面遥感数据。一、电视摄像机光电成像传感器的成像原理当前18页，总共68页。应用于遥感的电视摄像机的摄像管有光导摄像管，反束光导摄像管和超正摄像管等，它们的功能和用途不完全相同，其基本工作原理是：地面上的景物通过物镜在摄像管的光阴极上成像，并形成一定格式的电荷，用电子束扫描光阴极，通过光电转换，记录在胶片上，以影像方式输出，其分辨率大致取决于光阴极的尺寸及读出光阴极上的电荷格式所采用的电子束特性。一、电视摄像机光电成像传感器的成像原理当前19页，总共68页。早期的气象卫星采用了光导摄像机。陆地卫星-1、2上装有三台反束光导管摄像机，分别拍摄不同光谱通道的同一景物，陆地卫星-3改用两台焦距全色反束光导管摄像机。虽然电视摄像机有许多优点，但它每张像片的覆盖度和分辨率还是比不上摄影机。从几何成像原理上看，电视摄像机是一种面阵列式传感器，与面阵列CCD传感器的成像几何关系相同。一、电视摄像机光电成像传感器的成像原理当前20页，总共68页。扫描仪与摄影机一样是成像传感器，但是它的输出信号为电信号形式，便于传送、记录、分析和处理，扫描仪的波谱范围也比摄影胶片要宽得多，而且感测的过程是可逆的，即探测器在感测过程中并不消耗能量，而且，所获得的数据是定量的辐射量数据，便于校正；并可同时收集几个不同波段通道的数据资料。扫描仪应用于红外波段的成像，也用于从近紫外到红外范围内的多波段扫描成像。二、扫描仪光电成像传感器的成像原理当前21页，总共68页。在航空遥感中常用的光/机扫描仪是利用光学系统的机械转动和飞行器向前飞行的两个方向相互垂直的运动，形成对地物目标的二维扫描，逐点将不同目标物的反射或辐射光谱会聚到能将其能量转变成电信号的光电转换器件－CCD探测器上。电信号通过放大处理后记录下来，记录的方式或在显像管上显示或经过电光能转换器件把电信号再转换成光信号在普通全色胶片上成像，亦可记录在模拟磁带上，航空红外扫描仪对地物目标扫描过程如右图（机载红外扫描仪结构原理图）。二、扫描仪光电成像传感器的成像原理（一）光/机扫描仪瞬时视场摄影负片阴极射线管信号放大和调制反射镜组旋转扫描镜G探测器致冷器当前22页，总共68页。多光谱扫描仪光学系统原理图光/机扫描成像当前23页，总共68页。多光谱扫描仪是在红外扫描仪的基础上发展起来的，它所涉及的波长范围已超出了红外波段，包括电磁波谱中的紫外、可见光和红外三个部分。多光谱扫描仪根据大气窗口和地物目标的波谱特性用分光系统（棱镜或光栅等）把扫描仪的光学系统所接收的电磁辐射（从紫外、可见光，到红外）分成若干波段，目前已有4个波段到24个波段的扫描仪。用多光谱扫描仪可记录地物在不同波段的信息，因此，不仅可根据扫描影像的形态和结构识别地物，而且可用不同波段的差别区分地物，为遥感数据的分析与识别提供了非常有利的条件。它常用于收集农作物、植物、土壤、森林、地质、水文和环境监测等方面的遥感资料。二、扫描仪光电成像传感器的成像原理（二）多光谱扫描仪陆地卫星-1、2上安装的多光谱扫描仪有4个波段（波长范围为0.5～0.6um、0.6～0.7um、0.7～0.8um、0.8～1.1um）；在陆地卫星-3上的多光谱扫描仪增加了一个10.4～12.6um的热红外波段。陆地卫星-3上专题制图仪有7个波段。当前24页，总共68页。多光谱扫描仪主要由两个部分构成：机械扫描装置和分光装置。它是由扫描镜收集地面目标的电磁辐射，通过聚光系统把收集到的电磁辐射会聚成光束，然后，通过分光装置分成不同波长的电磁波，它们分别被一组探测器中的相对应的不同探测器所接收，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。二、扫描仪光电成像传感器的成像原理（二）多光谱扫描仪记录器地面辐射扫描镜次反射镜主反射镜色散元件探测器同步信号多光谱扫描仪的构成略图当前25页，总共68页。用一种称为电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）的探测器制成的传感器称为CCD传感器。这种探测器是由半导体材料制成的，在这种器件上，受光或电激作用产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，以产生输出信号。将若干个CCD元器件排列成一行，称为CCD线阵列传感器。例如法国SPOT卫星使用的传感器HRV就是一种CCD线阵传感器，其中全色HRV用6000个CCD元器件组成一行。三、CCD传感器（数码摄影机）光电成像传感器的成像原理将若干个CCD元器件排列在一个矩形区域中，即可构成面阵列传感器。每个CCD元器件对应于一个像元素。目前，长线阵、大面阵CCD传感器已经问世，长线阵可达12000个像元素，长为96mm；大面阵可达到5120×5120个像素，像幅为61.4mm×61.4mm。每个像元素的地面分辨率可达到2～3m，甚至1m以上。当前26页，总共68页。三、CCD传感器光电成像传感器的成像原理面阵列CCD传感器获取图像的方式如图：它与框幅式摄影机相似，某一瞬间获取得一幅完整的影像，因而是一个单中心投影，其构像关系可直接使用框幅式中心投影的航空像片的构像关系式。面阵列传感器图像目标物投影中心时刻t面阵传感器成像方式当前27页，总共68页。线阵列CCD传感器获取图像的方式如图：线阵列方向与飞行方向垂直，在某一瞬间得到的是一条线影像，一幅影像由若干条线影像拼接而成，所以又称为推扫式扫描成像。这种成像方式在几何关系上与缝隙摄影机的情况相同。三、CCD传感器光电成像传感器的成像原理线阵列传感器图像投影中心时刻t目标物XYZ线阵列传感器成像方式当前28页，总共68页。4.4成像光谱仪原理简介目前正在迅速发展的一种新型传感器称为高光谱(Hyperspectral)

成像光谱仪(ImagingSpectrometer)，它是以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起，可以实现对同一地区同时获取几十个到几百个波段的地物反射光谱图像。成像光谱仪为每个像元提供数十至数百个窄波段（通常波段宽度<10nm）光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。如图所示（AirborneVisible/InfraredImagingSpectrometer，AVIRIS）。当前29页，总共68页。成像光谱仪原理简介如：AVIRIS航空可见光/红外成像光谱仪（美国），共有224个波段，光谱范围从0.38um至2.5um，波段宽度为10nm，整个扫描视场为30°。其工作原理是扫描式，这种成像光谱仪的航高为20km，地面分辨率为20m，每幅宽为11km。当前30页，总共68页。成像光谱仪基本上属于多光谱扫描仪，其构造与CCD线阵列推动式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。由于高光谱数据能以足够的光谱分辨率区分出那些具有诊断性光谱特征的地表物质，而这是传统宽波段遥感数据所不能达到的，由此可见，高光谱数据在遥感地物定量分析上具有极大的应用前景。成像光谱仪（ImagingSpectrometer）按其结构的不同，可分为两种类型：成像光谱仪原理简介当前31页，总共68页。成像光谱仪原理简介－它利用线阵列扫描器进行扫描，利用色散元件将收集到的光谱信息分散成若干个波段后，分别成像于面阵的不同行。这种仪器利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，利用线阵列扫描器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描，它具有空间分辨率高（不低于10～30m)等特点，主要用于航天遥感。1、面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪。（推扫式成像：Pushbroomimaging）二维面阵列成像光谱仪色散型分光器狭缝透镜阵列遥感器当前32页，总共68页。成像光谱仪原理简介－它利用点探测器收集光谱信息，经分散元件后分成不同的波段，分别成像于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。离散元件入射光圈物镜平行光管线阵线阵列成像光谱仪2、线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪。（掸扫式成像，Whiskbroomimaging）当前33页，总共68页。当前34页，总共68页。成像光谱仪原理简介图像数据立方体（DataCube）就是适应于成像光谱数据的表达而发展起来的一种新型的

数据格式，它是类似扑克牌式

的各光谱段图像的叠合。

成像光谱仪数据具有光谱分辨率极高的优点，同时也带来了海量数据不便于进行存贮、检索和分析的缺点。为了解决这一问题，必须对数据进行压缩处理，而且不能沿用常规少量波段遥感图像的二维结构表达方式。当前35页，总共68页。成像光谱仪原理简介影像数据立方体正面的图像是一幅自己选择的三个波段图像合成，它是表示空间信息的二维图像，在其下面则是单波段图像叠合；位于立方体边缘的信息表达了各单波段图像最边缘各像元的地物辐射亮度的编码值或反射率。当前36页，总共68页。4.5合成孔径侧视雷达原理简介微波遥感（MicrowaveRemoteSensing）因其具有全天候、全天时的工作能力，能够实现实时动态监测，对一些物体及地表层具有一定的穿透能力，这些优点使它在军事和民用上都发挥了重要作用。所以，微波遥感已成为当今世界上遥感界研究开发应用的重点。雷达（Radar）就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。当前37页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介侧视雷达是向遥感平台行进的垂直方向的一侧或两侧发射微波，再接收由目标反射后散射回来的微波的雷达。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。按照天线结构的不同，侧视雷达又分为：真实孔径侧视雷达(SLAR)和合成孔径侧视雷达(SyntheticApertureRadar，SAR

)。一、侧视雷达（SideLookingRadar）当前38页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介真实孔径侧视雷达的工作原理：它是向平台行进方向（称为方位向）的侧方（称为距离向）发射宽度很窄的脉冲电波波束，然后接收从目标返回的后向散射波。按照反射脉冲返回的时间排列可以进行距离向扫描，而通过平台的前进，扫描面在地表上移动，可以进行方向向的扫描。二、真实孔径侧视雷达原理当前39页，总共68页。机载侧视雷达的工作原理当前40页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介雷达影像的空间分辨率包括两个方向：距离分辨率和方位分辨率。二、真实孔径侧视雷达原理当前41页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介二、真实孔径侧视雷达原理距离分辨率

距离分辨率是指雷达所能识别的同一方位角上的两个目标之间的最小距离，它由脉冲宽度τ和光速c来计算，即为：

c

•τ/2

（斜距分辨率）或c

•τ/(2cosθd)

（地距分辨率）。θd＝俯角R＝斜距距离向分辨率当前42页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介二、真实孔径侧视雷达原理方位分辨率方位分辨率为波束宽度β与到达目标的距离R之积，即β

•R，而波束宽度与波长λ成正比，与天线孔径尺寸D成反比，所以方位分辨率为：λ•R/D。D天线β

ΔL1

ΔL2R1R2方位向分辨率当前43页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介由此，要提高真实孔径雷达的距离分辨率，必须降低脉冲宽度τ。然而脉冲宽度过小则反射功率下降，反射脉冲的信噪比降低。为了解决这一矛盾，实际采用脉冲压缩的方法，以达到既不降低功率又减少脉冲宽度的目标，从而提高距离分辨率。二、真实孔径侧视雷达原理要提高方位分辨率，就必须增大天线的孔径D。然而在飞机或卫星上搭载的天线尺寸是有限的。因此，要通过增大天线孔径来提高方位分辨率很难实现。为此，实际常采用合成孔径雷达的方法。当前44页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介二、真实孔径侧视雷达原理合成孔径雷达的特点是：在距离向上与真实孔径雷达相同，采用脉冲压缩来实现高分辨率，在方位向上则通过合成孔径原理来实现。当前45页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介合成孔径原理如图，其基本思想是：用一个小天线作为单个辐射单元，孔径为D。将此单元沿一直线不断移动，在移动中选择若干个位置，在每个位置上发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号，并将回波信号的幅度连同相位一起贮存下来。当辐射单元移动一段距离后，把所有不同时刻接收到的回波信号消除因时间和距离不同引起的相位差，修正到同时接收的情况，就可以得到与天线阵列相同的效果。三、合成孔径侧视雷达工作原理ΔLSθφββsD合成孔径长度h实际孔径长度实际波束宽度合成波束宽度卫星高度方位向分辨率偏天底角D：β：βs：h：ΔLS：φ：合成孔径侧视雷达工作大原理当前46页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介可以证明：合成孔径侧视雷达的方位分辨率是：ΔLs＝D/2。

这表明其方位分辨率与距离和波长无关，而且实际天线的孔径越小，方位分辨率越高。利用合成孔径技术，合成后的天线长度为LS，则方位分辨率是：ΔLs＝βS•R，其中βS＝λ/(2LS)为合成波束宽度，而LS＝β•R。所以：三、合成孔径侧视雷达工作原理合成孔径侧视雷达的距离分辨率则与真实孔径雷达相同。当前47页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介此外，合成孔径侧视雷达的距离分辨率与方位分辨率都只取决于雷达本身，而与遥感平台无关。三、合成孔径侧视雷达工作原理双天线INSAR（SRTM计划）当前48页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介透视收缩当波束照射到传感器一侧的斜面时，其到达斜面顶部的斜距与到达底部的斜距之差ΔR比地距之差(水平距离之差)ΔX要小，所以在图像上斜面的长度被缩短了，这种现象称为透视收缩。四、侧视雷达图像的几何特性因为侧视雷达是斜着照射地表的，所以，如果地形有起伏，就会在图像上出现透视收缩，顶底位移以及雷达阴影等现象，从而使图像失真。ΔR：斜距之差ΔX：地距顶底位移透视收缩透视收缩与顶底位移当前49页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介四、侧视雷达图像的几何特性地形起伏越大，或波束的照射方向与垂直方向所夹的偏天底角越小时，这种现就越容易产生。由于起伏地形的前斜面长度在图像上被缩短了，从而造成图像失真。因此，由雷达图像正确地判读斜面形状及坡度角是很困难的。顶底位移透视收缩进一步发展，使得波束到达顶部的斜距比到达底部的斜距更短时，其顶部和底部是颠倒显示的，这种现象称为顶底位移。ΔR：斜距之差ΔX：地距顶底位移透视收缩透视收缩与顶底位移当前50页，总共68页。合成孔径侧视雷达原理简介四、侧视雷达图像的几何特性雷达阴影

雷达阴影是由波束照射到有起伏的地形时，在斜面的背后往往存在电波不能到达的阴影部分而产生的。

当与传感器相背的后斜面的坡度角α与偏天底角θ之间满足（α＋θ）>90°的关系时，就会产生雷达阴影。雷达阴影h•secθαααhθ雷达阴影的斜距长度可以由斜面的高差h求出：h•secθ。当前51页，总共68页。附：与微波遥感有关的向个电磁波特征一、叠加当两个或两个以上的波在空间传播时，如果在某点相遇，则该点的振动是各个波独立引起该点振动时的叠加。当前52页，总共68页。附：与微波遥感有关的向个电磁波特征二、相干性当两个或两个以上的波在空间传播，它们的频率相同，振动方向相同，振动位相差是一个常数时，这时叠加后合成波的振幅是各个波振幅的矢量和，这种现象称为干涉。两波相干时，在交叠的位置，相位相同的地方，振动加强，相位相反的地方振动抵消，其他位置均有不同程度的减弱。当两束微波相干时，在微波雷达图像上会出现颗粒状或