《遥感基础》课件-项目四 遥感传感器及其成像原理

遥感技术应用任务一遥感传感器任务二遥感传感器成像原理项目四遥感传感器及其成像原理主要任务主要内容一、传感器的定义二、传感器的组成三、传感器的分类四、传感器的性能指标任务三、遥感传感器与成像原理任务一遥感传感器

传感器器是遥感技术系统的核心部分。

传感器的性能制约着整个遥感系统的能力，包括遥感器对电磁波波段的响应能力（探测灵敏度和波谱分辨率）、遥感器的空间分辨率及影像的几何特性、遥感器获取地物的电磁波信息的大小和可靠程度。

传感器也称遥感器或探测器，是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。一、传感器的定义传感器的组成收集器：收集来自地物的辐射能量。常见有透镜组、反射镜组、天线等。探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。如感光胶化，光电二极管，光敏和热敏探测元件等。处理器：将探测后的化学能或电能等信号进行处理，即数字信号的放大、增强或调制。如：显影及定影，信号放大，变换甚至校正和编码等。输出器：将获取的信息输出。如：扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪等。二、传感器的组成

收集器探测器处理器输出器二、传感器的组成人工辐射源向目标物发射辐射能量，然后接收目标物反射回来的能量，如雷达。接收地物反射的太阳辐射或地物本身的热辐射能量，如摄影机、多光谱扫描仪（MSS、TM、ETM、HRV）。主动遥感传感器:被动遥感传感器:1.按电磁波辐射来源三、传感器的分类2.按成像原理和所获取图象性质

摄影方式传感器：扫描方式传感器：雷达：按感光胶片性质不同分为：黑白、天然彩色、红外、彩红外和多波段摄影等。按扫描成像方式分为：光机扫描仪、推帚式扫描仪和成像光谱仪。按天线形式分为侧视雷达和合成孔径侧视雷达。三、传感器的分类3.按是否成像图像方式传感器：非图像方式传感器：地物的电磁波能量强度用图像的形式表示。如航空摄像机、扫描仪、成像光谱仪和成像雷达等。所探测到的地物电磁波能量强度用数字或曲线图形表示。如微波辐射计和微波高度计。三、传感器的分类

传感器是遥感技术系统的关键设备，其性能直接影响遥感成果的好坏。反映传感器性能的指标主要：

1.空间分辨率

2.光谱分辨率

3.辐射分辨率

4.时间分辨率四、传感器的性能指标空间分辨率又称地面分辨率（groundresolution），指遥感影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。1.空间分辨率四、传感器的性能指标

对于摄影影像，通常用单位长度内包含可分辨的黑白“线对”数表示（线对/mm），表示在地面的覆盖宽度；对于扫描影像，通常用瞬时视场角（IFOV）的大小来表示（mrad），即像元（pixelsize），是扫描影像中能够分辨的最小面积，即像元所对应的地面实际尺寸。1.空间分辨率四、传感器的性能指标不同遥感目的所要求的空间分辨率1.空间分辨率四、传感器的性能指标

光谱分辨率是指遥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。

一般来讲，衡量遥感器光谱分辨能力大小还不仅仅单指其记录波段的范围值，还要考虑其记录的波段数量和整体波长范围。遥感器记录的波段数越多，波段宽度越窄，地面物体的信息区分和识别，针对性越强。2.光谱分辨率四、传感器的性能指标光谱分辨率在遥感中的意义：（1）提高了对地物的识别程度；（2）在图像处理中多光谱信息的利用可以提高分析判断效果。

对于特定的目标，选择的遥感器并非波段越多越好，波谱分辨率越高，效果就越好，而要根据目标的光谱特性和必要的地面分辨率来综合考虑。2.光谱分辨率四、传感器的性能指标

辐射分辨率是表征遥感器所能探测到的最小辐射功率的指标，归结到影像上是指影像记录灰度值的最小差值。3.辐射分辨率摄影成像：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。四、传感器的性能指标

遥感影像的时间分辨率指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率。例：静止气象卫星半小时/次、陆地观测卫星几天或几周/次、航空摄影几个月或几年/次。4.时间分辨率四、传感器的性能指标遥感影像时间分辨率分类：①超短、短周期时间分辨率指一天的变化，以小时计。主要指气象卫星所获得的信息，用来探测大气，海洋物理现象，火山爆发，植物病虫害，森林火灾，污染源监控。4.时间分辨率四、传感器的性能指标遥感影像时间分辨率分类：②中周期时间分辨率指一年的变化，以日或月为单位。主要指陆地卫星信息用以探测植物的季相节律，再生资源调查，旱涝，气候学，大气动力学，海洋动力学等。4.时间分辨率四、传感器的性能指标遥感影像时间分辨率分类：③长周期时间分辨率以年为单位，通过时间序列的对比来反映不同时间的轨迹。如：湖泊的消长，河道的迁徙、海岸的进退，城市的扩展，资源的变化，两极冰川的进退、气候的演变等。4.时间分辨率四、传感器的性能指标时间分辨率在遥感中的意义：①进行动态监测与预报如：我国利用气象卫星云图进行天气、海况、渔情监测。再如：英国利用气象卫星与气象雷达相结合进行台风或暴雨形成与晴空湍流的检测预报，时间分辨率要求可达到1小时甚至几十分钟，他们用雷达确定云的移动速度，水滴的大小，云顶高度等参数，推测该云团的输水量，来预报2小时内的天气变化，并控制水库的闸门。4.时间分辨率四、传感器的性能指标②进行自然历史变迁和动力学分析如：湖北江汉平原“云梦泽”曾有2000多个湖泊，解放前夕的地图上还保留有609个湖，但现在在卫星图象上核实仅留下300多个，并且湖廓齐线发生了变化，原有小湖消失，中等湖泊部分不复存在，即使洪湖，大同湖这样的大湖也被肢解破碎。如：北京城的变迁，原址蓟县。时间分辨率在遥感中的意义：4.时间分辨率率四、传感器的性能指标③更新数据库，形成时态数据动态多时相的遥感数据是空间数据库的重要信息源，是数字地球的重要技术支持之一。时间分辨率在遥感中的意义：4.时间分辨率四、传感器的性能指标任务一遥感传感器任务二遥感传感器成像原理项目四遥感传感器及其成像原理主要任务主要内容一、扫描型传感器成像原理二、微波遥感及传感器成像任务三、遥感传感器与成像原理任务二遥感传感器成像原理

光学摄影是将收集到的地物反射光在感光胶片上直接曝光成像；摄影像片一般记录波长在1.1μm以内的电磁波辐射能量，另外航天摄影时采用摄影型相机的卫星所带胶片有限，这类遥感卫星寿命也较短，因此，摄影成像的应用范围受到了较大的限制。一、扫描型传感器成像原理20世纪50年代以来，产生了一种新兴的探测成像技术——扫描成像技术。

光电扫描类型传感器将探测范围可以从可见光到整个红外区，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。常见的扫描式的传感器：光机扫描仪、推帚式扫描仪和高光谱成像光谱仪。一、扫描型传感器成像原理收集器:收集地面电磁波辐射信息。分光器:将收集器收集的地面电磁波信息分解成所需要的光谱成分。探测器:探测分光后的电磁波并把电磁波转换成电信号。处理器:输出器:1.光机扫描仪需探测器出来的低电平信号，需放大和限制带宽。将探测器输出的信号记录在处理后的胶片或磁带上。一、扫描型传感器成像原理光机扫描仪1.光机扫描仪一、扫描型传感器成像原理1.光机扫描仪

光机扫描仪全称是光学机械扫描仪，它是借助于遥感平台沿飞行方向运动和遥感器自身光学机械横向扫描达到地面覆盖，得到地面条带图像的成像装置。分为红外扫描仪和多光谱扫描仪（MSS)。一、扫描型传感器成像原理2.推帚式扫描仪推帚式扫描仪工作原理图

把许多CCD探测元件按线性排列方式装置，并与卫星前进方向垂直，且装置的探测元件的数目等于扫描线上的像元数，沿卫星前进方向推帚式扫描成像。一、扫描型传感器成像原理2.推帚式扫描仪只要线性排列集成的CCD探测元件足够多，这种设计就能满足分辨率越老越高的需求。如：法国SPOT卫星的HRT传感器每线性列阵有4096个CCD探测器，地面分辨率可达15m，如果有8192个探测器，分辨率可提高到7.5m。推帚式扫描仪由于没有光机扫描仪那样的机械运动部分，所以结构上可靠性高，但是由于使用了多个感光元件把光同时转换成电信号，所以当感光元件之间存在灵敏度差时，往往产生带状噪声。一、扫描型传感器成像原理3.高光谱成像光谱仪

通常的多光谱扫描仪将可见光-近红外波段分割为几个或十几个波段，我们称为宽波段。当分割的波段数越来越多，接近于连续光谱，每个波段的波长范围很窄，我们称为高光谱或窄波段。能记录高光谱的窄波段数据的扫描仪，称为高光谱成像光谱仪。一、扫描型传感器成像原理3.高光谱成像光谱仪高光谱成像光谱仪能够得到上百波段的连续图像，且每个图像像元都可以提取一条光谱曲线。一、扫描型传感器成像原理3.高光谱成像光谱仪成像光谱仪不是在“点”上的光谱测量，而是在连续空间上进行光谱测量，因此它是光谱成像的；成像光谱仪的出现解决了传统科学领域“成像无光谱”和“光谱不成像”的历史问题。

目前高光谱成像光谱仪主要应用于航空遥感，在航天遥感领域也开始应用高光谱。一、扫描型传感器成像原理

微波是20世纪90时代迅速发展起来的遥感技术，它具有不同于可见光和近红外遥感的特点与优势。1.微波的基本知识

在电磁波谱中，微波的波长是1~1000mm的波段范围。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，经过判断处理来识别地物的技术。二、微波遥感及传感器成像（1）全天候，全天时成像；（2）对某些地物有特殊的波谱特征，如微波在水中的比辐射率为0.4，而在冰中的比辐射率为0.99；（3）对冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力，所以对探测隐藏于林下的地形、地质构造、军事目标，以及埋藏于地下的工程、矿藏、地下水等有重要意义；（4）对海洋遥感有特殊意义。因海上云雾较多所以微波探测限制不少，此外还可以探测海洋，洋流；（5）微波遥感器成像的投影方式属于距离投影。（6）分辨率低，但特性明显。2.微波遥感的特点二、微波遥感及传感器成像2.微波遥感的特点微波遥感的弱点：（1）不能记录与颜色有关的信息，记录的某些地物信息属于人的视觉不可见信息，因此微波遥感的解译比较困难；（2）遥感器系统设备复杂而庞大，价格昂贵，因此目前微波遥感资料的商品化程度低；（3）影像变形情况复杂，几何校正过程复杂，技术难度高。二、微波遥感及传感器成像微波遥感分为主动式和被动式。主动式微波遥感是通过向目标地物发射微波并接收其后散射信号来实现对地观测的遥感方式。其特点：传感器自身发射微波辐射，并接收从目标反射或散射回来的电磁波，与目标、背景的发射率无关，与日照变化也无关，图像较稳定、清晰、易于识别。例如：雷达、侧视雷达、合成孔径侧视雷达。3.微波遥感的分类二、微波遥感及传感器成像微波遥感分为主动式和被动式。被动微波遥感是本身不发射电磁波，只靠接收地物和其背景发射或反射的微波能量来探测目标特性。地面地物的受太阳辐射的影响比较大，其成像受时间和大气条件的限制。例如：微波辐射计。3.微波遥感的分类微波辐射计主要用于接收地面各点发射的微波信号，其强度与自身的亮度温度有关，并生成对应亮度温度图像。二、微波遥感及传感器成像3.微波遥感的分类按其成像分类：非成像微波遥感和成像微波遥感。（1）非成像遥感器非成像遥感器一般属于主动式遥感系统。通过发射装置发射雷达信号，再通过接收回波信号测定参数这种设备不以成像为目的。例如：微波散射计、雷达高度计。微波散射计：测量地物表面（或体积）的散射或反射特性。雷达高度计：测量目标物与遥感平台的距离，从而可以准确得知地表高度的变化、海浪的高度等参数，在飞机、航天器、海洋卫星中广泛应用。二、微波遥感及传感器成像3.微波遥感的分类按其成像分类：非成像微波遥感和成像微波遥感。（2）成像遥感器成像微波遥感器的共同特征是获得在地面扫描所得到带有地物信息的电磁波信号并形成图像。遥感器有主动遥感：如侧视雷达、合成孔径雷达；也有被动遥感：微波辐射计。微波辐射计主要用于接收地面各点发射的微波信号，其强度与自身的亮度温度有关，并生成对应亮度温度图像。二、微波遥感及传感器成像3.微波遥感的分类按其成像分类：非成像微波遥感和成像微波遥感。（2）成像遥感器真实孔径侧视雷达：以实际孔径天线进行工作的雷达。合成孔径侧视雷达：利用遥感平台的前进运动，将小孔径的天线安装在平台的侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨率的雷达。二、微波遥感及传感器成像

天线装在飞机或卫星的侧面，发射天线向平台运动方向的侧面发射一束宽度很窄的脉冲电磁波，然后接收从目标地物反射回来的后向散射波，进而从接收的信号中获取地表的图像。由于地面各点到平台的距离不同，地物后向反射信号被天线接收的时间也不同，依它们到达天线的先后顺序记录，即距离近者先记录，距离远者后记录，这样根据后向反射回电磁波的返回时间排列就可以实现距离方向的扫描。通过平台的前进，扫描面在地面上移动，进而实现方位方向的扫描。4.真实孔径雷达（RAR）二、微波遥感及传感器成像4.真实孔径雷达（RAR）真实孔径雷达的分辨率包括距离分辨率和方位分辨率。距离分辨率是在脉冲发射的方向上，能分辨两个目标的最小距离。方位分辨率是在雷达飞行方向上，能分辨两个目标的最小距离。二、微波遥感及传感器成像4.真实孔径雷达（RAR）距离分辨率是在脉