遙感成像原理與圖像特征

1、12高度：高度：150-36000千米，包括千米，包括航天飛機(jī)（航天飛機(jī)（300KM）、極軌）、極軌衛(wèi)星（衛(wèi)星（700-900KM）、地球）、地球同步軌道衛(wèi)星（同步軌道衛(wèi)星（36000KM）高度：高度：0-50米，車、船、塔等米，車、船、塔等高度：百米高度：百米-萬米不萬米不等，低、中、高空等，低、中、高空飛機(jī)，以及飛艇、飛機(jī)，以及飛艇、氣球等。氣球等。3.1遙感平臺(tái) 遙感中搭載遙感器（傳感器）的工具稱為遙感平臺(tái)，是遙感中搭載遙感器（傳感器）的工具稱為遙感平臺(tái)，是傳感器賴以工作的場(chǎng)所，平臺(tái)的運(yùn)行特征及其穩(wěn)定狀況直接傳感器賴以工作的場(chǎng)所，平臺(tái)的運(yùn)行特征及其穩(wěn)定狀況直接影響傳感器的性能和遙感資料的

2、質(zhì)量。影響傳感器的性能和遙感資料的質(zhì)量。3按航天遙感平臺(tái)的服務(wù)內(nèi)容，可分為按航天遙感平臺(tái)的服務(wù)內(nèi)容，可分為1）氣象衛(wèi)星系列）氣象衛(wèi)星系列2）陸地衛(wèi)星系列）陸地衛(wèi)星系列3）海洋衛(wèi)星系列）海洋衛(wèi)星系列 4航天遙感航天遙感特點(diǎn)特點(diǎn)：觀察范圍大，發(fā)現(xiàn)宏觀、整體的特征；觀察范圍大，發(fā)現(xiàn)宏觀、整體的特征；效率高于航空遙感；效率高于航空遙感；獲取同樣數(shù)量的數(shù)據(jù)時(shí)，費(fèi)用較低；獲取同樣數(shù)量的數(shù)據(jù)時(shí)，費(fèi)用較低；適于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；適于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；分辨率一般低于航空遙感，但已在逐步改善分辨率一般低于航空遙感，但已在逐步改善5遙感衛(wèi)星的姿態(tài)與軌道參數(shù)姿態(tài)描述：姿態(tài)描述：（1）三軸傾斜：）三軸傾斜：滾動(dòng)：滾動(dòng)：橫向搖擺；橫向搖

3、擺；俯仰俯仰（俯角）：縱向搖擺；（俯角）：縱向搖擺；偏航偏航（航偏角）：（航偏角）：偏移運(yùn)行軌道偏移運(yùn)行軌道（2）振動(dòng)振動(dòng)：非系統(tǒng)性的不穩(wěn)定振動(dòng)：非系統(tǒng)性的不穩(wěn)定振動(dòng)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，使用數(shù)據(jù)前需進(jìn)行幾何糾正影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，使用數(shù)據(jù)前需進(jìn)行幾何糾正6衛(wèi)星空間軌道及其運(yùn)行特征：開普勒定律 衛(wèi)星在空間運(yùn)行，遵循天體運(yùn)動(dòng)的開普勒三定律。（1 1）開普勒第一定律）開普勒第一定律 星體繞地球（或者太陽）運(yùn)動(dòng)的軌道是一個(gè)橢圓，地球（太陽）位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。 軌道離地最近的點(diǎn)稱近地點(diǎn)近地點(diǎn)，反之為遠(yuǎn)地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)。7開普勒定律（1）2eaa遠(yuǎn)地點(diǎn)太陽 b近地點(diǎn)地球軌道8（2）開普勒第二定律 從地心或者太陽中心到星

4、體的連線（星體向徑），在單位時(shí)間掃過的面積相等（面積速度守恒）。衛(wèi)星在離地近的地方經(jīng)過時(shí)的速度要快些，在離地遠(yuǎn)的地方運(yùn)行的速度要慢些。a遠(yuǎn)地點(diǎn)近地點(diǎn)Minor axisMajor axisvpvaRpra 9（3）開普勒第三定律 開普勒第三定律，也稱調(diào)和定律（周期定律）：是指繞以太陽為焦點(diǎn)的橢圓軌道運(yùn)行的所有行星，其橢圓軌道半長軸的立方與周期的平方之比是一個(gè)常量。這里，a是行星公轉(zhuǎn)軌道半長軸，T是行星公轉(zhuǎn)周期，K是常數(shù)，其大小只與中心天體的質(zhì)量（M)有關(guān)。（1 1）軌道傾角）軌道傾角 軌道平面與地球赤道平面的夾角：軌道平面與地球赤道平面的夾角：衛(wèi)星軌道上升時(shí)由赤道平面反時(shí)針旋轉(zhuǎn)到軌道平面的夾角

5、。衛(wèi)星軌道參數(shù)衛(wèi)星軌道參數(shù)（2）升交點(diǎn)赤經(jīng)）升交點(diǎn)赤經(jīng) 衛(wèi)星由南向北運(yùn)行時(shí)經(jīng)過赤道平面的那一點(diǎn)，叫“升交點(diǎn)” ；該點(diǎn)離春分點(diǎn)的經(jīng)度值就是升交點(diǎn)赤經(jīng)。（3）近地點(diǎn)幅角）近地點(diǎn)幅角 地心與升交點(diǎn)連線和地心與近地點(diǎn)連線之間的夾角。由于入軌后其升交點(diǎn)和近地點(diǎn)是相對(duì)穩(wěn)定的，所以近地點(diǎn)幅角通常是不變的，它可以決定衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的方位。11遙感衛(wèi)星的軌道類型遙感衛(wèi)星的軌道類型地球同步軌道地球同步軌道（Geosynchronous satellite orbit ）衛(wèi)星的軌道周期等于地球在慣性空間中的自轉(zhuǎn)周期（23小時(shí)56分4秒），且方向與之一致，衛(wèi)星在每天同一時(shí)間的星下點(diǎn)軌跡相同，當(dāng)軌道與赤道平面重合時(shí)叫

6、做地球靜止軌道，即衛(wèi)星與地面的位置相對(duì)保持不變。能夠長時(shí)間觀測(cè)特定地區(qū)，衛(wèi)星高度高，能將大范圍的區(qū)域能夠長時(shí)間觀測(cè)特定地區(qū)，衛(wèi)星高度高，能將大范圍的區(qū)域同時(shí)收入視野，應(yīng)用于氣象和通訊領(lǐng)域同時(shí)收入視野，應(yīng)用于氣象和通訊領(lǐng)域太陽同步軌道太陽同步軌道（ sun-synchronous satellite orbit ）：）：衛(wèi)星的軌道面以與地球的公轉(zhuǎn)方向相同方向而同時(shí)旋轉(zhuǎn)的近衛(wèi)星的軌道面以與地球的公轉(zhuǎn)方向相同方向而同時(shí)旋轉(zhuǎn)的近圓形軌道。圓形軌道。1213（1）框幅式攝影機(jī)）框幅式攝影機(jī)主要由收集器，物鏡和探測(cè)器，感光膠片組成。主要由收集器，物鏡和探測(cè)器，感光膠片組成。成像原理：成像原理：是在某一個(gè)攝

7、影瞬間獲得一張完整的像片，一張像片上的所有像點(diǎn)共用一個(gè)攝影中心和同一個(gè)像片面。16（2）縫隙式攝影機(jī)縫隙式攝影機(jī)v=V*f/H, f為焦距為焦距 又稱為推掃式攝影機(jī)或航帶攝影機(jī)。 在飛機(jī)或衛(wèi)星上，攝影瞬間所獲取的影像，是與航線方向垂直且與縫隙等寬的一條線影像。 投影性質(zhì)多為中心投影。17又稱掃描攝影機(jī)或搖頭攝影機(jī)。又稱掃描攝影機(jī)或搖頭攝影機(jī)。在物鏡的焦面上平行于在物鏡的焦面上平行于飛行方向設(shè)置一條狹縫，并隨物鏡作垂直于航線方向掃描，飛行方向設(shè)置一條狹縫，并隨物鏡作垂直于航線方向掃描，得到一幅掃描成像的圖象。（掃描攝影機(jī)）得到一幅掃描成像的圖象。（掃描攝影機(jī)）物鏡擺動(dòng)的幅面很大，能將航線兩邊的地

8、平線內(nèi)的影象物鏡擺動(dòng)的幅面很大，能將航線兩邊的地平線內(nèi)的影象都攝入底片。都攝入底片。-（全景攝影機(jī)）（全景攝影機(jī)）（2）全景攝影機(jī)）全景攝影機(jī)鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī)鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī)18焦距長焦距長，可達(dá)，可達(dá)600mm；幅面大幅面大，23cm(長長)*128cm（寬）；（寬）；掃描視場(chǎng)大掃描視場(chǎng)大，可達(dá)，可達(dá)180度；度；全景畸變?nèi)盎?(panoramic distortion)：像距不像距不變，物距隨掃描角的增大而增大，出現(xiàn)變，物距隨掃描角的增大而增大，出現(xiàn)兩邊比例尺逐漸縮小的現(xiàn)象，整個(gè)影像兩邊比例尺逐漸縮小的現(xiàn)象，整個(gè)影像產(chǎn)生全景畸變；掃描時(shí)，飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生全景畸變；掃描時(shí)，飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)

9、，掃描擺動(dòng)的非線性因素，使畸變復(fù)雜化。掃描擺動(dòng)的非線性因素，使畸變復(fù)雜化。（3）多光譜攝影機(jī)）多光譜攝影機(jī) 對(duì)同一地區(qū)，在同一瞬間攝取多個(gè)波段影像的攝影機(jī)可對(duì)同一地區(qū)，在同一瞬間攝取多個(gè)波段影像的攝影機(jī)可充分利用地物在不同光譜區(qū)有不同的反射特征，來增加獲充分利用地物在不同光譜區(qū)有不同的反射特征，來增加獲取目標(biāo)的信息量，以提高識(shí)別地物能力。取目標(biāo)的信息量，以提高識(shí)別地物能力。三種基本類型：三種基本類型： 多攝影機(jī)型多攝影機(jī)型 多鏡頭型多鏡頭型 光束分離型光束分離型20Near-infrared (0.7 1.0 m) Red (0.6 0.7 m) Green (0.5 0.6 m) Blue

10、(0.4 0.5 m) 21按攝影機(jī)主光軸與鉛垂線的關(guān)系分 垂直攝影和傾斜攝影主光軸：主光軸：通過物鏡中心并與主平面（焦平面）垂直的直線； 主光軸垂直于像片面像主點(diǎn)：像主點(diǎn)：主光軸與像平面的交點(diǎn)像片傾角（航攝傾角）：像片傾角（航攝傾角）：主光軸與鉛垂線的夾角； 像片面與水平面的夾角 垂直航空攝影： 航攝傾角3 獲得近水平的航空像片 是航空遙感圖象的主要獲取方法 傾斜航空攝影： 航攝傾角3 獲得傾斜航空像片 一般用于科學(xué)研究222324投影距離的影響垂直投影比例尺垂直投影比例尺和投影距離無關(guān)和投影距離無關(guān)中心投影焦距固定，航高改中心投影焦距固定，航高改變，其比例尺也隨之改變變，其比例尺也隨之改變

11、H1H2f垂直投影中心投影比例尺f/H25地形起伏對(duì)垂直投影影響：地形起伏對(duì)垂直投影影響：投影點(diǎn)之間的距離與地面實(shí)際水平距離成比例縮小，相對(duì)位置不變。對(duì)中心投影引起像點(diǎn)位移對(duì)中心投影引起像點(diǎn)位移BACabcACABCabcCA地形起伏的影響地形起伏的影響2627（2）像片比例尺）像片比例尺：像片上某線段長度（ ab ）與地面相應(yīng)線段長度之比（AB） 用1/M表示 1/M = f/H = ab/AB 注：地形平坦，鏡頭主光軸垂直于地面。 f：物鏡的焦距；H：飛行器的相對(duì)航高f 可在像片的邊緣獲相應(yīng)的影像資料（航攝報(bào)告、設(shè)計(jì)）中找到；H由攝影部門提供；航高、地形起伏會(huì)影響比例尺中心投影像片比例尺在

12、中心和邊緣是不同的。中心投影像片比例尺在中心和邊緣是不同的。28(3) 像點(diǎn)位移像點(diǎn)位移 在中心投影的像片上，根據(jù)中心投影的原理，帶有起伏狀態(tài)的地形，在中心投影的像片上，根據(jù)中心投影的原理，帶有起伏狀態(tài)的地形，或高出地面的物體，反映到航空像片上的像點(diǎn)與其平面位置相比，一般或高出地面的物體，反映到航空像片上的像點(diǎn)與其平面位置相比，一般都會(huì)產(chǎn)生位置的移動(dòng)，叫像點(diǎn)位移。都會(huì)產(chǎn)生位置的移動(dòng)，叫像點(diǎn)位移。引起像點(diǎn)位移的因素：引起像點(diǎn)位移的因素：像片傾斜像片傾斜地面點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)面的高差地面點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)面的高差物理因素（攝影材料變形、物鏡畸變、大氣折光、地球曲率等）物理因素（攝影材料變形、物鏡畸變、大氣折光

13、、地球曲率等）29地形起伏引起的像點(diǎn)位移地形起伏引起的像點(diǎn)位移 h像片上的投影差像片上的投影差； h地面上的投影差地面上的投影差A(yù)點(diǎn)高程為點(diǎn)高程為h，其在像片上，其在像片上的構(gòu)像為的構(gòu)像為a；A在基準(zhǔn)面上的投影為在基準(zhǔn)面上的投影為A0，A0在像片上的構(gòu)像為在像片上的構(gòu)像為a0；aa0為由地形引起的像點(diǎn)位為由地形引起的像點(diǎn)位移，也稱像片上的投影差移，也稱像片上的投影差 h30 根據(jù)三角形相似原理，可得像點(diǎn)根據(jù)三角形相似原理，可得像點(diǎn)位移的計(jì)算公式：位移的計(jì)算公式： h = r*h/H r : 像點(diǎn)像點(diǎn) a 到像主點(diǎn)的距離到像主點(diǎn)的距離 ; H 為攝影航高為攝影航高 ; h 為地面離差。為地面離差

14、。地形起伏引起的像點(diǎn)位移地形起伏引起的像點(diǎn)位移31像點(diǎn)位移規(guī)律像點(diǎn)位移規(guī)律對(duì)于相對(duì)高差相等的點(diǎn)，對(duì)于相對(duì)高差相等的點(diǎn)， r=0 時(shí)時(shí), h =0, 像主點(diǎn)無移位。位移量與像像主點(diǎn)無移位。位移量與像主點(diǎn)的距離主點(diǎn)的距離r成正比。成正比。 h與與 h 成正比：成正比： h 0, 像點(diǎn)背離像主點(diǎn)方向移位；像點(diǎn)背離像主點(diǎn)方向移位； h 0, 像點(diǎn)朝向像主點(diǎn)方向移位像點(diǎn)朝向像主點(diǎn)方向移位;(3) h與航高與航高 H 成反比。成反比。地形起伏引起的像點(diǎn)位移地形起伏引起的像點(diǎn)位移 h = r*h/H3.2.2掃描成像類型的傳感器掃描成像類型的傳感器 紅外掃描儀； MSSMSS多光譜掃描儀多光譜掃描儀； TM

15、專題制圖儀； ETM+增強(qiáng)型專題制圖儀。 HRV線陣列推掃式掃描儀 成像光譜儀3334光光/機(jī)掃描成像機(jī)掃描成像探測(cè)器的波段響應(yīng)是掃描探測(cè)器的波段響應(yīng)是掃描圖像物理特性的決定因素圖像物理特性的決定因素光光/機(jī)掃描成像機(jī)掃描成像實(shí)例（實(shí)例（MSS） MSS MSS 具有具有4 4個(gè)光譜通道。個(gè)光譜通道。Landsat 1-5Landsat 1-5均用了均用了MSSMSS，其中除其中除Landsat 3Landsat 3采用采用5 5個(gè)波段外，其余均用個(gè)波段外，其余均用4 4個(gè)波段。個(gè)波段。 MSS4MSS4：0.50.50.60.6微米，微米， 為藍(lán)綠波段；為藍(lán)綠波段；MSS5MSS5：0.60

16、.60.70.7微米，為橙紅波段；微米，為橙紅波段；MSS6MSS6：0.70.70.80.8微米，為紅、近紅外波段；微米，為紅、近紅外波段；MSS7MSS7：0.80.81.11.1微米，為近紅外波段。微米，為近紅外波段。MSS-4MSS-5MSS-7MSS-636成像板成像板 成像板上排列有 242個(gè)玻璃纖維單元，按波段排列成四列，每列有 6個(gè)纖維單元，每個(gè)纖維單元為掃描儀的瞬時(shí)視場(chǎng)的構(gòu)像范圍，由于瞬時(shí)視場(chǎng)為86rad，而衛(wèi)星高度為915km，因此它觀察到地面上的面積為 79m x 79m。mradKM79869151rad（弧度）=1000mrad（毫弧度）=1000000urad（微弧

17、度）37MSSMSS成像過程成像過程 掃描儀每個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)為86rad，衛(wèi)星高為915km，因此掃貓瞬間每個(gè)像元的地面分辨率為 79m x 79m，每個(gè)波段由 6個(gè)相同大小的探測(cè)單元與飛行方向平行排列，這樣在瞬間看到的地面大小為474m x 79m。又由于掃描總視場(chǎng)為 11.56，地面寬度為185km，因此掃描一次每個(gè)波段獲取6條掃描線圖像，其地面范圍為 474m x 185km。又因掃描周期為73.42ms，衛(wèi)星速度（地速）為6.5KM/s，在掃描一次的時(shí)間里衛(wèi)星往前正好移動(dòng)474m，因此掃描線恰好銜接。光光/機(jī)掃描成像機(jī)掃描成像實(shí)例（實(shí)例（MSS）MSSBand4=BlueMSSBa

18、nd5=GreenMSSBand7=Red MSS-4MSS-5MSS-7MSS-639固體自掃描成像（推帚式掃描儀）固體自掃描成像（推帚式掃描儀）CCD傳感器傳感器40高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀） 成像光譜儀是新一代傳感器，成像光譜儀是新一代傳感器，20世紀(jì)世紀(jì)80年代正式開始研制；年代正式開始研制； 目的：目的：在獲取大量目標(biāo)窄波段連續(xù)光譜圖象的同時(shí)，獲得每在獲取大量目標(biāo)窄波段連續(xù)光譜圖象的同時(shí)，獲得每一個(gè)像元幾乎連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)一個(gè)像元幾乎連續(xù)的光譜數(shù)據(jù) （成像光譜儀）；（成像光譜儀）； 主要應(yīng)用于高光譜航空遙感，在航天遙感領(lǐng)域高光譜也開主要應(yīng)用于高光譜

19、航空遙感，在航天遙感領(lǐng)域高光譜也開始應(yīng)用。始應(yīng)用。高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）（1 ）面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀）面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀 利用線陣列探測(cè)器進(jìn)行掃描，利用色散元件和面陣探測(cè)器完成光譜利用線陣列探測(cè)器進(jìn)行掃描，利用色散元件和面陣探測(cè)器完成光譜掃描，利用線陣列探測(cè)器及其沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描。掃描，利用線陣列探測(cè)器及其沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描。42特點(diǎn)：特點(diǎn)：v 空間掃描由固體掃描完成（可見光空間掃描由固體掃描完成（可見光-近紅外，用近紅外，用CCD；短波紅外用汞；短波紅外用汞-鎘鎘-碲碲/CCD混合器件）；混合器

20、件）；v 像元的攝影時(shí)間長；系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率均可得到提高；像元的攝影時(shí)間長；系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率均可得到提高；v 在可見光波段，分辨率可提高到在可見光波段，分辨率可提高到1-2nm量級(jí)量級(jí)，短波紅外靈敏度低，熱，短波紅外靈敏度低，熱紅外暫時(shí)不能感應(yīng)；紅外暫時(shí)不能感應(yīng)；v 總視場(chǎng)角受限制總視場(chǎng)角受限制典型實(shí)例：加拿大的典型實(shí)例：加拿大的CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager)（1 ）面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀）面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀（2 ）線陣列探測(cè)器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀）線陣列探測(cè)器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀 撣掃式（whiskbroom）線陣列成像光譜儀，基本屬于光-機(jī)掃描裝置。 利用點(diǎn)探測(cè)器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測(cè)器的不同元件上；通過點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動(dòng)以及沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描，而利用線探測(cè)器完成光譜掃描。高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）44特點(diǎn)：特點(diǎn)： 空間掃描通過掃描鏡擺動(dòng)在景物方面完成，總視場(chǎng)角大（可達(dá)空間掃描通過掃描鏡擺動(dòng)