宁夏大学资源环境学院遥感概论课件第三章 遥感成像原理与遥感图象特征

第三章遥感成像原理与遥感图象特征第一节遥感平台与传感器自学题目：1、气象卫星有什么特点，简述我国气象卫星的发展状况。2、从轨道类型、重复周期、空间分辨率来比较一下陆地卫星、SPOT卫星、中巴地球资源卫星和高空间分辨率陆地卫星。第三章遥感成像原理与遥感图象特征第一节遥感平台与传感器1二、航天遥感几种主要的传感器1、多光谱扫描仪MSS（MultispectralScannerMSS是一种较早使用的星载传感器，曾载于美国的Landsat1-5，MSS有4个通道。波段序号波长波段名称地面分辨率10.5-0.6绿色8220.6-0.7红色8230.7-0.8近红外8240.8-1.1近红外82二、航天遥感几种主要的传感器波段序号波长波段名称地面分辨率22、专题制图仪TM（ThematicMapper）TM是Landsat所载的第二代光学机械扫描设备，曾载于Landsat4、5上，它的波谱分辨率和空间分辨率都比MSS有了很大进步，TM有7个通道。TM1-5和TM7的空间分辨率为30m，TM6为热红外通道，可用于城市热岛研究，其空间分辨率为120m。ETM在此基础上增加了全色波段（0.50-0.90），地面分辨率为15m。其热红外通道的空间分辨率为60米。2、专题制图仪TM（ThematicMapper）3

Landsat4、5上TM技术参数波段序号波长范围波段名称地面分辨率10.45-0.52兰色3020.52-0.60绿色3030.63-0.69红色3040.76-0.90近红外3051.55-1.75短波红外30610.4-12.5热红外12072.08-2.35短波红外30Landsat4、5上TM技术参数波段序号波4

Landsat7上ETM技术参数波段序号波长范围波段名称地面分辨率10.45-0.52兰色3020.52-0.60绿色3030.63-0.69红色3040.76-0.90近红外3051.55-1.75短波红外30610.4-12.5热红外6072.08-2.35短波红外30PAN0.50-0.90全色波段15Landsat7上ETM技术参数波段5TM1TM16TM2TM27TM3TM38TM4TM49TM5TM510TM6TM611TM7TM712教学活动：上网查资料，了解Landsat卫星的最新动态。/////教学活动：上网查资料，了解Landsat卫星的最新动态。133、高分辨率可见光扫描仪（HRV）HRV是SPOT卫星上装载的多通道成像式传感器，法国从1986年2月22日发射了第一颗SPOT地球观测卫星，到目前为止已经发射了五颗SPOT卫星。SPOT图象具有两个突出特点：1、高地面分辨率，如全色图象地面分辨率为10m，多光谱波段地面分辨率为20m。2、可以同时利用两个线性阵列探测器分别从不同角度对地面目标观测，获得同一地区的立体图象（3、高分辨率可见光扫描仪（HRV）14SPOT1-4（5）技术参数波段序号波长波段名称地面分辨率10.50-0.59绿色20（10）20.61-0.68红色20（10）30.79-0.89近红外20（10）41.5-4.75短波红外20（10）全色0.51-0.73全色10（5-2.5）SPOT1-4（5）技术参数波段序号波长波段名称地面分辨率115法国tlse10m多光谱法国tlse10m多光谱16法国tlse5m全色法国tlse5m全色17法国tlse2.5m全色法国tlse2.5m全色184、高分辨率CCD相机中巴地球资源卫星上搭载的传感器中巴地球资源卫星又称资源1号卫星，是中国和巴西联合研制的,01星于1999年10月14日发射成功，设计寿命2年，目前卫星已超出两年设计寿命，分别为中国和巴西两国用户提供了大量数据。2003年10月21日又在太原卫星发射中心将02星成功发射。卫星的轨道重复周期为26天，空间分辨率是19.5米。4、高分辨率CCD相机19卫星携带有CCD高分辨率相机、红外多光谱扫描仪和宽视场成像仪三种传感器。其中CCD相机的波段与Landsat4、5的专题绘图仪基本相同，也包括四个单波段和一个全色波段。高分辨率CCD相机的技术参数0.45-0.520.52-0.590.63-0.690.77-0.89全色波段（0.51-0.73）空间分辨率为19.5m卫星携带有CCD高分辨率相机、红外多光谱扫描仪和宽视场成像仪20永济市河段2003年11月12日CBERS-02星

CCD的合成图像永济市河段2003年11月12日CBERS-02星

CCD的21永济市河段2004年2月4日CBERS-02星CCD的合成图像永济市河段2004年2月4日CBERS-02星CCD的合成225、IKONOS-21999年9月美国成功发射IKONOS-2(IKONOS-1于1999年4月发射失败），这是一颗高分辨率商业遥感卫星，是空间成像公司发射的，空间成像公司由美国洛马公司、雷神公司和欧洲、日、韩、新加坡等国多家公司共同投资组成。5、IKONOS-223IKONOS可获得4个波段4m分辨率多光谱数据和一个波段的1m分辨率全色数据。其中多光谱波段就是TM的前四个波段，虽然探测波段比TM少了三个，但是其空间分辨率却大大提高。而且时间分辨率达到3-4天。0.45-0.520.52-0.610.64-0.720.77-0.88全色通道（0.45-0.90）单色通道的空间分辨率为4m，全色通道的空间分辨率为1m。http//IKONOS可获得4个波段4m分辨率多光谱数据和一个波段的124IKONOSIKONOS25IKONOSIKONOS26上海浦东（2000年三月六号）上海浦东（2000年三月六号）276、QuickBird数据美国DigitalGlobe公司的高分辨率商业卫星，于2001年10月18日在美国发射成功。卫星轨道高度450km,倾角98°,卫星重访周期1～6天（与纬度有关）。QuickBird图像，目前是世界上分辨率最高的遥感数据，为0.61m，幅宽16.5km。可应用于制图、城市详细规划、环境管理、农业评估。6、QuickBird数据28QuickBird数据的光谱段数据类型波段范围/μm分辨率/m多波段蓝：0.45~0.522.44绿：0.52~0.602.44红：0.63~0.692.44近红外：0.76~0.902.44全波段0.45~0.900.61QuickBird数据的光谱段数据类型波段范围29Quickbird(王府井）Quickbird(王府井）30Quickbird(北京火车站）Quickbird(北京火车站）31Quickbird(天安门）Quickbird(天安门）32Quickbird(机场）Quickbird(机场）33Quickbird(California)Quickbird(California)34上网查资料，了解QuickBird卫星的最新动态。Http://Http://Http://上网查资料，了解QuickBird卫星的最新动态。35第二节航空摄影摄影就是通过成像设备获取物体影象的技术。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；数字摄影则通过放置在焦平面的光敏元件，以数字信号来记录物体的影象。航空摄影波长范围（0.3-0.9），又可细分为近紫外摄影、可见光摄影、近红外摄影、多光谱摄影。第二节航空摄影36一、摄影机摄影机是成像遥感最常用的传感器，地面平台、航空平台、航天平台均使用（一）分幅式摄影机遥感探测和制图经常使用分幅式摄影机，像幅通常有23cm×23cm和18cm×18cm。在摄影机中，镜头是构成光学影象的主体，直接影响着航片的性能，有三个技术指标来衡量——焦距、像角、镜头分辨率

一、摄影机371、焦距（f）航空摄影原理同透镜成像，透镜成像中，1/D+1/d=1/f比例尺计算公式为1/M=ab/AB=d/D在航空摄影中，高度一般在1000m以上，d与D相差极大，1/D可忽略不计，因此d=f，D为航高H，则1/M=f/H.1、焦距（f）38航摄机的焦距f是固定的，因此航摄比例尺由飞行高度H来决定，在不同高度摄影，就得到不同比例尺的像片。相反，如果比例尺一定，航摄机选定，就要求一定的高度。例f=100mm，比例尺为1：20000，求飞行高度。航摄机的焦距f是固定的，因此航摄比例尺由飞行高度H来决定，在39同时焦距也是航摄机分类的一种指标短焦距f<100mm，用于拍摄小比例尺像片中焦距100mm<f<200mm，用于拍摄中比例尺像片长焦距f>200mm，用于拍摄大比例尺像片航空摄影机的焦距在150mm左右，航天摄影机大于300mm，甚至大于1000mm。同时焦距也是航摄机分类的一种指标402、像角（2β）航摄机镜头中心与像片对角线的夹角，它决定在一定航高所拍摄的地面范围。看p55页图3.5当摄影高度相同时，像角愈大，一次摄影的面积也愈大。2β≤50。——窄角50。〈2β≤70。——常角70。〈2β≤105。——宽角（常用）105。〈2β≤135。——特宽角

2、像角（2β）413、镜头分辨力：1mm能清晰分辨出的平行线条数。假设某镜头分辨力为25线对/mm，指25对黑白相间的线条，因此每根线的宽度是1/50mm。航摄机镜头的分辨率中央部分大于边缘部分，因此航片中央部分的影像比边缘部分清晰。遥感摄影机镜头中心的光学分辨率通常在70-100线对/mm。3、镜头分辨力：1mm能清晰分辨出的平行线条数。42（二）多光谱摄影机多光谱摄影能同时获取同一地物在可见光——近红外波段内若干个分波段影象。可将分波段影象进行彩色合成，制成模拟天然彩色片和假彩色片。

多光谱摄影机有三种类型：*多相机组合型：是将几架相机同时组装在一个外壳上，每架相机配置不同的滤光片和胶片，来获取同一地物不同波段的影象。（二）多光谱摄影机43多镜头组合型：在同一架相机上装置多个镜头，配以不同波长的滤光片，在一张大胶片上拍摄同一地物不同波长的影象。*光束分离型：是用一个镜头，利用分光装置将不同波段在各焦平面上记录影象。（三）数码摄影机成像原理同一般摄影机，所不同的是其记录介质不是感光胶片，而是光敏电子元件。多镜头组合型：在同一架相机上装置多个镜头，配以不同波长的滤光44（四）全景摄影机又叫扫描摄影机，焦距较长，可超过600mm，主要用于军事侦察。二、航摄胶片与滤光片（一）航摄胶片1、定义：就是记录地物反射太阳辐射能的感光材料，由感光乳剂层（记录影象）和片基组成（承载乳剂）。（四）全景摄影机45感光乳剂层的主要成分是溴化银，受光后发生光化作用，经显影后使部分溴化银分解出溴和银，还原出的银原子使感光层变黑，由于乳剂层上个部分所感受的光量不同，因而各部分还原出来的银原子数量不等，各部分变黑的程度不同，这就得到与地物呈相反灰度的负像，经过晒印得到与实物相同的影象。

感光乳剂层的主要成分是溴化银，受光后发生光化作用，经462、胶片性能胶片性能由一系列感光物理性质决定如感光度、反差、灰雾度、宽容度、解像力等。2、胶片性能473、种类1）黑白摄影胶片：通过灰度来表现被摄目标物体的摄影胶片。根据其感受光谱范围不同又可分为色盲片、正色片、分色片、全色片和红外黑白片。2）彩色胶片：通过色彩来表现被摄物体。天然彩色片和红外彩色片3、种类48（二）滤光片多光谱摄影就是用适当的胶片与滤光片组合来得到不同光谱段的照片。1、定义：安置在航摄机镜头前面的透明有色玻璃。2、特性：对色光具有选择性，不同品种的滤光片允许某几种色光通过而阻止另外的色光通过。（二）滤光片49例如空气中由于分子散射短波产生雾气，会影响黑白像片的反差（对比度），使用黄色滤光片能阻止兰紫光通过，提高影象质量。例如空气中由于分子散射短波产生雾气，会影响黑白像片的反差（对50三、航空摄影（一）方式按空中摄影时摄影机光轴与地面的位置分为垂直摄影：光轴与地面垂直。一般由于飞机震动影响，不可能绝对垂直，只要光轴与铅垂线夹角α〈3。都称为垂直摄影。倾斜摄影：α〉3。时称为倾斜摄影，全景摄影机成像为倾斜摄影。

三、航空摄影51按摄影区形状分为面状航空摄影：多条航线带状航空摄影：点状航空摄影：（二）航摄像片的重叠重叠：相邻像片的重复覆盖程度航向重叠：同一条航线内相邻像片的重叠，也叫纵向重叠。旁向重叠：相邻航线见像片的重叠，也叫横向重叠。按摄影区形状分为52（三）航片的基本标志指像片边幅和四角的有关注记，这些标志是安放在摄影机上的各种装置，摄影时与地物同时摄入镜头的影象，不同类型的摄影机，标志不完全相同。1、航片编号（航摄时间、航线号、编号），人为写在负片上。2、水准气泡：反映本张航片在摄影瞬间光轴的倾斜情况。3、时表：指像片航摄的精确时间。

（三）航片的基本标志534、航摄机焦距：5、框标：有光学框标和金属框标，框标连线的交点为像片中心点。6、高度表：绝对航高。7、计数器：4、航摄机焦距：54第三节

航片的几何特性一、中心投影航空摄影与人的眼睛看物体一样都是中心投影。（一）定义所谓中心投影就是有一固定点S和任意点A的连线为一平面所截，直线与平面的交点a即为点A的中心投影。第三节

航片的几何特性55地面物体A向外辐射的许多光线中，总有一条通过投影中心（镜头）不改变方向，与投影平面（感光胶片）有一个交点a,点a就是点A的负像，同样B点也是这样。航空摄影中，地面上每一物点反射的光线通过镜头中心后，都会在感光胶片上构成负像，与中心投影原理相同，因此航片是地面的中心投影。地面物体A向外辐射的许多光线中，总有一条通过投影中心56宁夏大学资源环境学院遥感概论课件第三章遥感成像原理与遥感图象特征57从P58图3.11可看出，地物在底片上的像与地物的位置相反，这与我们平时照相底片是反的一样，底片经过接触晒印就得到正像，也即航片，其影象和地物一致。从投影上来说，航片的位置等于以投影中心为圆心，以焦距为半径将P,旋转至P（旋转180度），P即为正像的位置，正像与地物在投影中心S的一侧，而负像与地物在投影中心的两侧。

从P58图3.11可看出，地物在底片上的像与地物的位置相反，58（二）中心投影与垂直投影的区别航片是地物的中心投影，大比例尺地形图是地物的垂直投影。1、垂直投影——不经过投影中心，物体通过互相平行的光线投影到与光线垂直的平面上。2、中心投影与垂直投影的区别

（二）中心投影与垂直投影的区别59宁夏大学资源环境学院遥感概论课件第三章遥感成像原理与遥感图象特征601）投影距离的影响垂直投影图象的缩小和放大与投影距离无关，并有统一的比例尺。中心投影图象的比例尺与投影距离有关。

1）投影距离的影响612）投影面倾斜的影响垂直投影影象比例尺有所放大，但各点相对位置保持不变。中心投影影象比例尺有显著变化，各点相对位置发生变化。2）投影面倾斜的影响62宁夏大学资源环境学院遥感概论课件第三章遥感成像原理与遥感图象特征633）地形起伏的影响地形起伏对垂直投影没有影响，各点相对位置保持不变。地形起伏对中心投影有影响，产生投影差。3）地形起伏的影响64宁夏大学资源环境学院遥感概论课件第三章遥感成像原理与遥感图象特征653、中心投影的透视规律中心投影的像片上，各种物体的形状不同及其所处的位置不同，其变形的情况也各不相同，了解不同形状物体在中心投影影象上的变形规律，对解译和制图很重要。点：在中心投影上仍然是一个点，如果有几个点同在一投影线上，它们的影象便重叠成一个点。3、中心投影的透视规律66直线：与像面平行：在中心投影上仍是直线，与地面目标的形状基本一致。与像面垂直：如通过投影中心，在像面上是一个点；如不通过投影中心，在像片上表现为直线，近像片中心，直线的长度被缩短，在像片边缘，直线的长度被夸大。直线：67曲线：在中心投影的像片上仍为曲线，如道路、河流。面：水平面：投影仍为一平面，如田地、池塘、运动场。垂直面：在投影中心反映其顶部形状，为一直线。其它位置则为不规则的梯形，还伴有阴影。

曲线：在中心投影的像片上仍为曲线，如道路、河流。68二、航空像片的比例尺（一）定义：像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比。1、已知某一地面目标的大小，可通过测量其在像片上的影象而计算出像片的比例尺。2、若有摄影地区的地形图，先在像片上和地形图上找到一个对应的明显地物，分别在像片上和地形图上量得其长度，地形图比例尺已知，就可求出像片比例尺。

二、航空像片的比例尺693、根据公式1/M=f/H也可求出比例尺。对一张像片上，比例尺有两种不同的情况*如果被摄地区地形平坦，则一张像片上比例尺处处一致。*如果被摄地区地形起伏不平，那么飞机在拍摄时，各点的航高不一致，那么像片的比例尺也不一致。所以在山区航摄时若在航片上进行定量判读，须求出像片上该部位的局部比例尺。

3、根据公式1/M=f/H也可求出比例尺。70绝对航高——海平面到航摄机镜头的距离。相对航高——地面到航摄机镜头的距离。例：某一区域的绝对航高为2650m，区域海拔为358m，航摄机焦距为210mm，则局部比例尺为多少。通常说的像片比例尺只是概略代表该张像片的比例尺。绝对航高——海平面到航摄机镜头的距离。71三、航空相片的像点位移（一）定义：在中心投影的相片上，地形的起伏除引起像片比例尺变化外，还会引起平面上的点位在像片位置上的移动，这种现象称为像点位移。又称为投影误差。三、航空相片的像点位移72（二）像点位移规律（二）像点位移规律73δ=rh/H（公式推导见P62）δ——位移量r——像点至像主点的距离像主点——过投影中心作直线垂直于像平面P，垂线与像平面的交点称为像主点。在实际工作中，通常用像片中心点代替像主点。

像片中心点——航片框标连线的交点。h——高差H——摄影高度

δ=rh/H（公式推导见P62）741、像点位移量与像点至像主点的距离成正比，即距像主点愈远，像点位移量越大，像主点是唯一不因高差而引起像点位移的点。2、像点位移量与高差成反比。高差为正时，位移量为正，影象离开中心点向外移动；高差为负时，位移量为负，影象向着中心点移动。3、像点位移量与航高成反比（航天遥感可不考虑像点位移）

1、像点位移量与像点至像主点的距离成正比，即距像主点愈远，像75四、航片的立体观察（一）立体像对——航空摄影机在空中两个摄影站对同一地物摄影所获得的有足够重叠的相邻重叠的两张像片称为立体像对。（二）立体观察——用光学仪器或肉眼对立体像对进行观察，可取得地物和地形的光学立体模型，这就称为像片的立体观察。

四、航片的立体观察76（三）立体观察的条件眼基线——两眼球晶状体中心的连线。像片基线——像片中心点和转刺中心点的连线。1、具有立体像对2、左眼看左像片，右眼看右像片

3、像片基线与眼基线平行4、两张像片的基线在一条直线上（三）立体观察的条件77第四节热红外遥感与微波遥感一、热红外遥感波段范围3-15μm，即中红外和远红外，感受的是地物温度的差异热红外能穿透夜障，不能穿云透雾。（一）航空：空间分辨率高，可达到2.5-5m，但是成本过高（二）航天第四节热红外遥感与微波遥感781、陆地卫星TM6(10.4-12.5)主要反映地面温度场的信息1）覆盖范围大一般一座城市及其附近的中小城镇可同时包容在一幅图象内2）成本低一幅TM图象（7个波段）的磁带数据约需5000元，约为航空热红外遥感的1%。1、陆地卫星793）成像周期短TM6的空间分辨率为120m，对于研究地面温度变化如城市热场，这个精度已相当高。TM图象的重复周期为16天，除去大约一半的阴雨、多云等不利天气，成像周期也只有30天左右，因此可用来作季节动态变化研究。我国有自己的地面接收站，可以直接接受卫星图象和数据信息。

3）成像周期短802、气象卫星如NOAA的甚高分辨率辐射计AVHRR的第三通道（3.55-3.93）是对草原火和森林火进行监测的最敏感通道。1）周期更短2）空间分辨率为1.1km，可满足城市热场研究要求成本更低，气象卫星是目前国际上唯一的无偿接收信息源，而且国内有许多地面接收台站，资料易于取得。

2、气象卫星81（三）应用1、城市热岛研究城市热岛——城市中心的气温比郊区高。城市热岛是城市气候中最典型的特征，通过遥感分析，可对城市的热环境、热岛特征、强度进行分析，并编制专题图。

（三）应用822、森林火灾、草原火灾监测森林火灾和草原火灾的预测预报和实时监测是搞好防火和控制火灾的前提。气象卫星覆盖面大，时间分辨率高，因此NOAA卫星资料可以实时提供火灾发生区域，确定火点地理位置，判断火势发展趋势，计算过火面积，预测评估灾情损失等数据，为管理部门和生产部门即使发报火情信息，为防火、灭火提供科学依据，使火灾损失降低到最低限度。2、森林火灾、草原火灾监测83热红外图象热红外图象84热红外图象热红外图象85二、微波遥感通过微波传感器获取目标地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。波段范围1mm-1m（一）特点1、能全天候、全天时工作二、微波遥感86可见光遥感只能在白天工作，红外遥感能穿透夜障，昼夜成像，但不能穿云透雾，而微波对云层、雨区的穿透能力较强，基本不受烟云雨雾的限制，这一特点对热带雨林地区有重要意义。2、对某些地物具有特殊的波谱特征有些地物在可见光和红外波段不能区别出来，而在微波波段辐射差别较大。例如水和冰在红外波段发射率几乎相等，而在微波波段其发射率差异很大，很容易区别。

可见光遥感只能在白天工作，红外遥感能穿透夜障873、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。该特性可用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事项目以及埋藏在地下的工程、矿藏、地下水等。4、对海洋遥感具有特殊意义微波对海水敏感，其波长适合于海面动态情况的观测。5、分辨率较低，但特性明显。微波传感器的分辨率一般都比较低。

3、对冰、雪、森林、土壤等具有一