遥感图像处理 第三章 遥感成像原理与遥感图像特征

第三章

遥感成像原理与遥感图像特征

成像照相成像：可见光，识别地物遥感成像：获取包括紫外、可见光、红外、微波、中长波更为宽广的电磁波段信息；识别地物及获取一些隐性的信息，如植物含水量，海水含沙量，植被病虫害信息等等。传感器照相装置传感器遥感系统1)空间信息采集系统〔后面讲〕2)地面接受和预处理系统3)地面实况调查系统4)信息分析应用系统A遥感平台B传感器1.1地面接收和预处理系统航天遥感获取的遥感信息通过无线电的形式进行实时或者非实时地发送并被地面接收站接受和进行预处理〔前处理、粗处理〕。预处理主要作用：针对噪音和误差进行辐射纠正和初步的几何纠正、图象分幅等，提供用户信息产品〔光学图象，即像片和CCT磁带、光盘〕…注:计算机兼容磁带指符合计算机工业标准的数字磁带,简称CCT磁带1.2地面实况调查系统1)遥感信息获取之前：地物波谱测定2)遥感信息获取同时：其它相关资料〔区域环境和气象〕的采集。设计遥感器和分析应用遥感信息的依据遥感信息校正和应用的辅助信息:地形、专题属性信息1.3信息分析应用系统课程的重点气象卫星为例说明气象卫星图象产品气象卫星应用-台风云图2遥感平台2.1遥感平台的分类2.2简介航空和地面遥感平台2.3航天遥感平台——卫星〔详细〕卫星平台因覆盖面积大，重复监测周期短，工作本钱低等优点而成为目前开展最快，应用最广的遥感平台。2.1遥感平台的分类空间运载工具空中运载工具地面运载工具飞机气球遥感用汽车遥感用艇船卫星宇宙飞船航天飞机遥感平台〔航天遥感〕〔航空遥感〕各种遥感平台的相对高度2.2.1地面遥感汽车三角架、遥感吊车：5米－50米遥感塔：30米－400米滑翔机，遥控飞机：50米－500米气球：500米－800米用途：地物波谱测量，近距离摄影测量等。2.2地面遥感平台和航空遥感平台2.2.2遥感飞机低空：航空摄影测量<2000米摄影测量、地面调查中空：2000米－2万米军事侦察和资源环境调查高空：2万－3万米，无人飞机，军事侦察和资源环境调查U-2

R无人战略侦察机

2.3.1轨道形状和高度2.3.2轨道倾角2.3.3卫星姿态和坐标2.3.4太阳〔或地球〕同步2.3.5运行周期2.3航天平台——卫星2.3.1轨道形状和高度1)轨道形状固定的椭圆轨道绕地球周期性的运行。焦距c长半轴a短半轴b偏心率e=c/a2)轨道高度轨道高度:卫星离地面的平均距离。低轨卫星：150—300KM，高分辨率图像，寿命1～3周，

举例:多数是军事卫星中轨卫星：300～1500KM，寿命1年以上，

举例:陆地卫星、气象卫星、海洋卫星高轨卫星：35800KM,寿命很长，

举例：通信卫星;GPS卫星：22000KM卫星2.3.2轨道倾角定义：卫星轨道平面与赤道面之间的夹角。升交点：北上降交点：南下度量：卫星经过升交点方向的轨道面，顺时针转到赤道面的夹角。极轨卫星和近极轨卫星轨道倾角＝90度轨道倾角接近90度极轨卫星近极轨卫星轨道倾角越大，覆盖地球外表的面积越大，一般的，资源卫星都是近极轨卫星。2.3.3卫星姿态和坐标卫星轨道在地心坐标系中是不变的，卫星沿固定轨道运行，是时间的函数。地心坐标系三轴定义：X轴：地心至春分点Y轴：赤道面内垂直与X轴Z轴：垂至于XY平面三轴定向和姿态控制要保持卫星姿态相对稳定，控制3轴，3角度，共6个自由度。X卫星运动方向Y赤道面内垂直X轴Z垂直地球滚动ω

俯仰φ偏航κω滚动φ俯仰κ偏航2.3.4太阳同步光照角β:卫星轨道面至太阳至地心连线间的夹角。太阳同步：光照角不随地球绕太阳公转而改变。太阳同步与遥感卫星与太阳同步，光照角保持不变化卫星轨道上每一点的平均太阳时保持不变〔卫星每天通过不同的纬度,具有相同的地方太阳时〕保证了太阳辐射量的大致相同，遥感资料处理带来方便LANDSAT-4/5：每天经过赤道都是9：45AM,北京：是10：00AM左右2.3.5卫星运行周期和覆盖周期卫星绕地球运行一周所需要的时间，称为卫星周期〔T〕。1)卫星运行周期2)卫星覆盖周期卫星覆盖全球一次的天数。对遥感动态监测更重要。LANDSAT16SPOT26NOVA122.4航天遥感平台航天遥感按照用途分为三大系列：气象卫星系列〔FY－1、FY－2、NOAA〕陆地卫星系列〔CBERS、Landsat、SPOT〕海洋卫星系列〔Seasat、ERS、RADARSAT〕20世纪60年代开展了第一代气象卫星1970～1977年开展了第二代气象卫星1978年以后气象卫星进入第三个开展阶段气象卫星系列1960年4月美国发射了第一颗气象卫星泰罗斯-1(Tiros-1)。随后，前苏联也相继发射了自己的气象卫星。从此，气象学的开展进入了一个新的时代，气象卫星的研究和应用蓬勃开展。目前，在轨道上运行的大多数气象卫星是由美国和俄罗斯发射的，其中很大一局部为极地轨道卫星，简称极轨卫星。Tiros-11970～1977年开展了第二代气象卫星ITOS－1〔ImprovedTIROSOperationalSystem〕，是TIROS业务卫星的改进型，相当于TIROS第三代，后进一步开展为诺瓦〔NOAA〕业务卫星；SMS〔SynchronousMeteorologicalSatellite〕即地球同步气象卫星；GOES〔GeostationaryOperationalEnvironmentalSatellite〕即静止业务环境监测卫星。静止业务环境监测卫星在赤道的某一经度、约36000公里高度上，它环绕地球一周约需24小时，几乎与地球自转同步。从地球上看好象卫星是相对静止的，故又称为地球静止卫星；前苏联的“流星〞Ⅱ型气象卫星〔MeteopⅡ〕;日本的对地观测静止气象卫星〔GMS〕；欧洲空间局的Meteosat等1978年以后气象卫星进入第三个开展阶段以NOAA系列卫星为代表，每颗卫星的寿命在两年左右，采用近极地太阳同步近圆形轨道，双星系统，轨道高度分别是870米和833米。

1966年美国发射第一颗业务气象卫星艾萨(ESSA)，主要提供可见光云图。

1970年、1978年美国又相继发射诺阿(NOAA〕和泰罗斯－N系列业务气象卫星。这些卫星都属于极轨气象卫星。NOAA1974年，美国成功地研制了第一颗静止业务环境监测卫星(GOES)。目前，日本GMS系列静止气象卫星、俄罗斯的GOMES卫星、欧盟

METEOSAT-3

卫星、印度的INSAT以及美国的两颗静止卫星(GOES-E和GOES-W)共6颗卫星组成地球静止气象卫星监测网。它们分别位于全球赤道东经140

度、东经76

度、西经75度、东经74度、西经75度、西经135度上空。这些卫星位于赤道上空约36000公里高，每半小时向地球发送一次图片。另外，还有三颗极轨卫星(2颗美国NOAA卫星，1颗俄罗斯METEOR卫星)，这些卫星每天实时监视大气天气系统的运动和变化。思考：极轨卫星和地球静止卫星的区别？极地气象卫星和近极地气象卫星〔低轨〕轨道倾角＝90°，极地卫星；轨道倾角≈90°，近极地卫星；均是低轨卫星，轨道高度为800～1600km，南北向绕地球运转，对东西宽约2800km的带状地域进行观测。由于与太阳同步，使卫星每天在固定的时间〔地方时〕经过每一个地点的上空，使资料获得时具有相同的照明条件。地球同步气象卫星〔静止气象卫星；高轨〕轨道高度36000km左右，绕地球一周需24小时，卫星公转角速度和地球自转角速度相等，相对于地球似乎固定于高空某一点。地球同步气象卫星能观测1／4地球面积，由3～4颗卫星形成空间监测网，对全球中低纬地区进行监测。对某一固定地区，每隔20～30min获取一次资料。我国气象卫星——中国风云1号卫星太阳同步轨道主要功能是用于天气预报、气候研究、提供植被指数、区分云和雪、进行海洋水色观测及环境监测。

中国风云2号卫星东方红1号气象卫星的特点短周期重复观测:静止气象卫星具有较高的重复周期〔0.5小时1次〕，极轨卫星如NOAA等具有中等重复覆盖周期，约0.5～1天／次。成像面积大，获取宏观同步信息:气象卫星扫描宽度约2800km，只需2～3条轨道就可以覆盖我国。相对于其他卫星资料〔如陆地卫星〕更加容易获得完全同步、低云量或无云的影像。资料来源连续，实时性，本钱低气象卫星的应用领域天气分析和气象预报气候研究和气候变迁海洋领域的应用环境监测2.4.2陆地卫星系列〔地球资源卫星〕Landsat陆地卫星系列美国，1972年7月23日发射了第一颗地球资源卫星，1975年改名为陆地卫星，至今已经发射了7颗卫星〔Landsat－6发射失败〕，陆地卫星属于中高度〔350～1500km〕极轨卫星并与太阳同步。陆地卫星的结构

MSSLandsat4

TMLandsat7Landsat－7卫星的发射，标志着美国国家宇航局〔NASA〕从1972年开始实施的大型、昂贵的Landsat系列地球观测卫星时代的结束，NASA的下一步发生方案是开展廉价、研制周期较短的小型地球观测卫星。在陆地卫星1～3号上装载的传感器有反束光导管摄像机〔RBV〕及多光谱扫描仪〔MSS〕。在陆地卫星4、5号上，除装载多光谱扫描仪〔MSS〕外，还装载有专题制图仪〔TM〕；在陆地卫星7号，安装了增强型的专题制图仪〔ETM＋〕MSS多光谱扫描仪 多光谱扫描仪是把来自地面上地物的电磁波辐射〔反射或发射〕分成几个不同的光谱段，同时扫描成像的一种传感器，在陆地卫星1～5号上均装有这种传感器。它是由扫描反射镜、校准器、聚光系统、旋转快门、成像板、光学纤维、滤光器和探测器等所组成。TM专题制图仪陆地卫星4、5号上的TM〔ThematicMapper〕是一个高级的多光谱扫描型的地球资源传感器，与多光谱扫描仪MSS的性能相比，它具有更高的空间分辨率，更好的频谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度和分辨率。 TM中增加了一个扫描行改正器，目的之一是使扫描行垂直于飞行轨道〔MSS扫描行不垂直于飞行轨道〕。其二是使往返双向都对地面进行扫描，收集图像数据〔MSS仅仅从西向东扫描式单向收集图像数据，从东往西回扫时，关闭望远镜与地物之间的光路〕。ETM+增强型专题制图仪 陆地卫星7号安装的是增强型专题制图仪，它是在TM传感器的根底上增加了一个波长为0.5～0.9μm的全色波段，称为pan波段，其瞬间视场为13m×15m，其他7个波段的波长范围：如表2-2所示，瞬时视场与TM相同。只是热红外波段的探测器阵列从4个增加到8个，从而提高了地面分辨率。美国陆地卫星概况卫星发射时间遥感器谱段（μm）空间分辨率（m）备注Landsat-1Landsat-21972年1975年RBVMSS0.48～0.580.58～0.680.70～0.830.5～0.60.6～0.70.7～0.80.8～1.180808079797979Landsat-31978年RBVMSS同Landsat-20.5～0.60.6～0.70.7～0.80.8～1.110.4～12.68079797979240热红外谱段未能工作Landsat-4Landsat-51982年1984年MSSTM同Landsat-20.45～0.520.52～0.600.63～0.690.76～0.901.55～1.752.08～2.3510.4～12.579303030303030120Landsat-6Landsat-71993年1999年ETM-panETMETM+0.50～0.900.45～0.520.52～0.600.63～0.690.76～0.901.55～1.752.09～2.3510.4～12.51530303030303060（ETM为120）Landsat-6未进入轨道陆地卫星图像信息特征及用途一览表

图像类型波段波长范围(um)分辨率(m)辐射量化级光谱信息识别特征及实用范围TM10.45－0.5228.5256属可见光蓝光波段，能反映岩石中铁离子叠加吸收光谱，为褐铁矿、铁帽特征识别谱带，但因大气影响图像分辨率较差。20.52—0.6028.5256属可见光绿光波段，对水体有一定的穿透能力，可用于水下地形、环境污染、植被识别，但受大气影响图像质量相对较差。30.63—0.6928.5256属可见光红光波段，对岩石地层、构造、植被等有较好显示40.76—0.9028.5256属近红外波段，为植被叶绿素强反射谱带，反映植被种类，第四系含水量差异。实用于岩性区分，构造隐伏地质体识别，地貌细节显示较清楚。51.55—1.7528.5256属近红外波段，为水分子强吸收带，适用于调查地物含水量、植被类型区分；地质构造、隐伏断裂识别及冰川、雪识别等。610.45—12.5120256属远红外波段，也为地物热辐射波段，图像特征取决于地物表面温度及热红外发射率，可用于地热制图，热异常探测，水与植被热强确定。72.08—2.3528.5256属反射红外波段，为烃类物质、蚀变岩类和含羟基蚀变矿物吸收谱带，用于区分热蚀变岩类、含油气信息识别、岩性和地质构造解译。ETM+80.50－0.9015256信息量丰富，空间分辨率高，与多光谱波段影像融合，制作高空间分辨率和光谱分辨率的影像LandsatHistory1,July23,1972;2,January22,1975,3,March5,1978;4,July16,1982,5,March1,19846,launchedlater,failedtooperate;7,April15,1999.目前Landsat－5和Landsat－7还在运行美国陆地卫星有关参数卫星编号1（2、3）4（5）7轨道高度（km）轨道倾角（°）运行周期（分／圈）降交点时间覆盖周期扫描宽度（km）在赤道上轨道间距（km）远地点918近地点90599.125103.267(14圈/天)18天（约251圈）185195705（平均）99.2298.9（14.5圈／天）9：45a.m.16天（233圈）185170705.3近极点98.916天（233圈）185171.5飞越赤道上空时间9∶429∶4510∶15陆地卫星的轨道SPOT法国在1986年2月22日发射了第一颗SPOT卫星，1990年1月、1993年9月和1998年3月又分别发射了SPOT－2、SPOT—3和SPOT—4。SPOT—1卫星携带了两台相同的高分辨率可见光传感器〔HRV〕，每一HRV由一个全色波段和三个分色波段组成SPOT卫星各波段对应的波长范围及空间分辨率

法国2001年发射SPOT—5。SPOT—5为第二代卫星，它同第一代卫星相比，有两项重大改进：一是全色图像和多光谱图像的分辨率分别提高到5m和10m；二是立体成像方式由原来的不同圈轨道上左右倾斜成像改为在同一圈轨道上前后倾斜成像。中巴地球资源卫星〔CBERS〕

－中国资源一号卫星1999年10月14日，我国第一颗地球资源遥感卫星在太原发射中心成功发射。其轨道是太阳同步近极地轨道，轨道高度778m，卫星的重访周期是26天，设计寿命2年。其携带的传感器的最高空间分辨率是19.5米。IKONOS－2〔美国，1999年9月〕波段名称波段范围空间分辨率多光谱波段蓝色0.45～0.534绿色0.52～0.614红色0.64～0.724红外0.77～0.884全色波段全色0.45～0.901卫星Quickbid-2遥感器类型CCD波段/μm全色0.445～0.90多光谱0.45～0.520.52～0.600.63～0.690.76～0.90地面分辨率全色多光谱0.612.44刈幅／km星下点30°倾角16.5×16.5165量化等级／bit11星上存储／Gbit128轨道测量设备GPS自主定位精度／m水平高程23重访周期/d1～3.5（0.61m时，不同纬度下）立体成像方式异轨立体像对长江三角洲北京天安门地区天安门金

字

塔2.4.3海洋遥感卫星系列为什么要单独研究海洋卫星?海洋信号比陆地信号更难探测,一般要小2~3个数量级；海洋属于动态环境；所以普通的陆地卫星对海洋的观测能力很差，需要单独研究。开展简史探索试验〔1970～1978年〕，这一阶段主要载人飞船搭载试验和利用气象卫星、陆地卫星探测海洋试验研究阶段〔1978～1985年〕,该阶段美国发射1颗海洋卫星〔SeaSat-A〕和1颗雨云卫星〔NUMBUS-7〕,该星上载海岸带水色扫描仪〔CZCS〕。这两颗皆属于实验研究性质应用研究阶段〔1985～〕，在这一阶段世界上发射了多颗海洋卫星。如海洋地形卫星Geosat、Geo-1、Topex/Poseidon,海洋动力环境卫星ERS-1&ERS-2、Radarsat,海洋水色卫星〔SeaStarROCSAT、KOMPSAT〕。除此以外、还在别的卫星上搭载海洋探测器。主要传感器类型海色传感器：叶绿素浓度、悬移质浓度、海洋初级生产力、及其它海洋光学参数；红外传感器：主要是测量海表温度；微波高度计：平均海平面高度、大地水准面、有效波高、海面风场〔10m〕、表层流、重力异常、降雨指数等；微波散射计：海面风场〔10m〕;合成孔径雷达：波浪、涡旋、内波、浅海地形、海面污染；微波辐射计：海温、海面风速、降雨。海洋卫星研究现状GOES-9红外光图像 北半球的台风鲸鱼，拍摄时间─2003年4月16日下午1时32分，图中显示有一台风(中心的风眼清晰可见)，气旋是逆时针方向。南半球的台风佐伊，拍摄时间─2002年12月28日上午10时32分，气旋是顺时针方向。载有SAR的卫星富士山地区的SAR图像ADEOSAdvancedEarthObservationSatellite1996年发射，主要进行全球变暖，臭氧层、热带雨林破坏，气候异常，为下一代地球观测系统铺路。装备有海洋水色仪，高级可见光－近红外辐射计等。3成像原理摄影成像扫描成像微波成像3.1摄影成像历史悠久、较为完善、使用广泛。信息量大、分辨率高受到感光剂的限制，感光范围0.29－1.10微米，而且只能在晴朗的白天工作。一般遥感中应用最多的是航空摄影机和多光谱摄影机。航空摄影机：是空中对地面拍摄像片的仪器，它通过光学系统采用胶片或磁带记录地物的反射光谱能量。记录的波长范围以可见光~近红外为主。多光谱摄影机：同时获取可见光和近红外范围内假设干个分波段影像。航空摄影机航空摄影机3.2扫描成像

是依靠探测元件和扫描镜对物体以瞬时视场为单位进行逐点、逐行取样，获取目标电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。其探测波段包括紫外、可见光、红外和微波波段。成像方式光机扫描成像固体自扫描成像高光谱成像光谱扫描光机扫描成像用光学系统接收来自目标地物的辐射，并分成几个不同的光谱段，使用探测仪器把光信号转变为电信号，同时发射信号回地面，如MSS、TM等。分为单波段扫描成像和多波谱扫描成像。固体自扫描成像用平行排列的CCD探测杆收集地面辐射信息，每根探测杆由3000/6000个CCD元件呈一字排列，负责收集某一波段的地面辐射信息，是推帚式扫描成像。3.2.3高光谱成像光谱扫描3.3微波遥感与成像分类主动式〔有源〕：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。主要传感器有雷达、微波高度计和微波散射计等。被动式〔无源〕：是指通过传感器，接收来自目标地物发射的微波〔辐射的或散射的〕，来实现对地物的观测。被动接收目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计，被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微波散射计，这两种传感器均不成像。主动式微波遥感雷达：RadioDirectionAndRange(Radar)，意为无线电测距和定位。按照工作方式可分为：雷达成像雷达非成像雷达真实孔径侧视雷达合成孔径侧视雷达雷达的工作原理：由发射机通过天线在很短时间内，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。不同物体，回波信号的振幅、位相不同，故接收处理后，可测出目标的物的方向、距离等数据。侧视雷达侧视雷达的天线不是安装在遥感平台的正下方，而是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，向侧下方发射微波，接收回波信号〔包括振幅、位相、极化等〕的。这样，侧向发射范围可以设计的宽一些。有的机载侧视雷达各可探测100km，同时，波束向侧下方发射可使不同地形显示出更大的差异，使雷达图像更具有立体感。机载侧视雷达工作原理真实孔径侧视雷达合成孔径侧视雷达SyntheticApertureRadar,简称SAR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,提高方位分辨力的雷达。要用小孔径雷达天线代替大孔径雷达天线，在地面上，通常采用假设干小孔径天线组成阵列，即把一系列彼此相连、性能相同的天线，等距离地布设在一条直线上，利用它们接收窄脉冲信号〔目标地物后向散射的相位、振幅等〕，以获得较高的方位分辨力。天线阵列的基线愈长，方向性愈好。合成孔径侧视雷达工作时，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，天线在不同位置上接收回波信号，并记录和储存下来，将这些在不同位置上接收的信号合成处理，得到与真实天线接收同一目标回波信号相同的结果。这样，就是一个小孔径天线，起到了大孔径天线的同样作用。举例比较：得到的是相干影象，不是地面的实际记录，必须