航天遙感傳感器教案課件

1、會計學(xué)1航天遙感傳感器傳感器的類型傳感器是獲取地面目標(biāo)電磁輻射信息的裝置，它是遙感技術(shù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵設(shè)備。傳感器的性能決定遙感的能力，即傳感器對電磁波段的響應(yīng)能力、傳感器的空間分辨率及圖像的幾何特征、傳感器獲取地物信息量的大小和可靠程度。概述第1頁/共64頁 遙感器結(jié)構(gòu)定義：遙感器是記錄地物反射或者發(fā)射電磁波能量的裝置，是遙感平臺的核心部分。遙感器的一般組成：收集器探測器處理器記錄器第2頁/共64頁遙感器1）收集器：透鏡、反射鏡、天線2）探測器：將收集的輻射能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能或電能感光膠片、光電管、光電二極管、電子耦合器件（CCD）、熱電偶探測器、熱釋電探測器、天線3）處理器：對收集到的信號

2、進(jìn)行處理，顯影、定影、信號放大、變換、校正等。包括攝影處理裝置和電子處理裝置4）記錄器：膠片、磁帶、磁盤第3頁/共64頁傳感器分類按記錄方式分：成像方式；非成像方式按工作波段：可見光傳感器；紅外傳感器；微波傳感器?？梢姽獾浇t外區(qū)的光學(xué)波段稱為光學(xué)傳感器，微波波段的傳感器稱為微波傳感器。按照工作方式：主動傳感器；被動傳感器。第4頁/共64頁成像傳感器類型使用膠片記錄使用磁記錄高光譜第5頁/共64頁傳感器的性能分辨率是遙感技術(shù)及其應(yīng)用中的一個重要概念，也是衡量遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量特征的一個重要指標(biāo)。包括：空間分辨率光譜分辨率輻射分辨率；溫度分辨率（熱紅外遙感）時間分辨率第6頁/共64頁遙感圖像的空間分辨

3、率（幾何分辨率） 遙感圖像上的像元對應(yīng)地面單元的尺度，一般指成像時，星下點地面對應(yīng)圖像像元的所代表的地面范圍的大小。如，北京1號小衛(wèi)星全色4米，多光譜32米航空遙感影像一般說成圖比例尺，如1：2000；1：5000第7頁/共64頁常用遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率 美國NOAA極軌氣象衛(wèi)星AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer） 1.1km Terra衛(wèi)星（上午星，EOS-AM1）；Aqua （下午星 ，EOS-PM1）MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）1000米/500米/25

4、0米 LandSat 5 TM 多光譜 30米 熱紅外 120米 中巴資源衛(wèi)星（CBERS-1）全色和多光譜 20米 法國SPOT5 多光譜 10米 全色（pan）2.5米 美國IKONOS 多光譜4米；全色1米 美國QuickBird多光譜為2.44米；全色為0.61米；WorldView為0.5米第8頁/共64頁傳感器的性能空間分辨率攝影成像方式的空間分辨率。取決于物鏡分辨率、大氣傳輸對分辨率的影響和感光材料的分辨率。常用線對/mm。 像解率（photographic resolution?）：單位距離內(nèi)能分辨的線寬或間隔相等平等細(xì)線的條數(shù) Resolving power test cha

5、rt第9頁/共64頁傳感器的性能空間分辨率掃描成像方式的空間分辨率。瞬時視場：掃描成像過程中一個光敏探測元件通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)投射到地面上的直徑或者邊長。視場角（Field Of View, FOV）、瞬時視場角（Instantaneous Field Of View, IFOV）S: 探測元件的邊長H: 遙感平臺的高度 f : 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的焦距 第10頁/共64頁Effect of pixel size in the digitizing process. In this synthetic image, circles represent tree crowns of 6 m diameter

6、 on a contrasting background. (a) 10 cm pixel; (b) 50 cm pixel; (c) 1 m pixel; (d) 2 m pixel; (e) 4 m pixel; (f) 8 m pixel(a)(b)(c)(d)(e)(f)空間分辨率傳感器的性能第11頁/共64頁13不同空間分辨率的圖像第12頁/共64頁141米第13頁/共64頁1530米第14頁/共64頁1680米第15頁/共64頁并不是空間分辨率越高越好不同的自然現(xiàn)象有不同的最佳觀測距離和尺度，并不一定是距離越近越好，觀測越細(xì)微越好。要適當(dāng)?shù)木嚯x和比例尺，才能有效、完整地觀察。第16

7、頁/共64頁遙感圖像的波譜分辨率遙感器所選用的波段數(shù)量的多少，以及波段波長間隔的大小。間隔越小，分辨率越高傳感器在接收目標(biāo)輻射的光譜時能分辨的最小波長間隔。間隔愈小，分辨率愈高第17頁/共64頁0.40.60.81.02.02.61.21.41.61.82.22.40204060Reflectance (%)Wavelength (m)Dry bare soil (grey-brown)Vegetation (green)Water (clear)Landsat MSSLandsat TMSPOT HRGNOAA AVHRRSpectral bands of the sensors傳感器的性能

8、光譜分辨率第18頁/共64頁光譜分辨率在10-1數(shù)量級范圍內(nèi)的為多光譜(Multispectral)，這樣的遙感器在可見光和近紅外光譜區(qū)只有幾個波段，如美陸地衛(wèi)星TM和法國SPOT衛(wèi)星等;光譜分辨率在10-2的遙感信息稱之為高光譜(Hyperspectral)遙感。由于其光譜分辨率高達(dá)納米(nm)數(shù)量級，往往具有波段多的特點，即在可見到近紅外光譜區(qū)其光譜通道多達(dá)數(shù)十甚至超過100以上。第19頁/共64頁波譜分辨率第20頁/共64頁輻射分辨率輻射分辨率：遙感傳感器接收波譜信號時，能分辨的最小輻射度差，即遙感傳感器將截獲的電磁輻射能夠分出的等級。反映為圖像的灰階數(shù)，如 64 灰階、128 灰階、2

9、56 灰階等。TM、SPOT等遙感圖像 8bit 量化級256IKONOS 和QuickBird 為11bit 量化級 2048第21頁/共64頁輻射分辨率傳感器的性能傳感器的探測靈敏精度動態(tài)范圍（Dynamic range）信噪比（S/N）第22頁/共64頁248-bit256 greys6-bit64 greys4-bit16 greys3-bit8 greys2-bit4 greys1-bit2 greys輻射分辨率第23頁/共64頁25Maximum brightness = 255Maximum brightness = 127輻射亮度范圍第24頁/共64頁溫度分辨率溫度分辨率：指熱

10、紅外傳感器分辨地表熱輻射（溫度）最小差異的能力。與探測器的響應(yīng)率和傳感器系統(tǒng)內(nèi)的噪聲有直接關(guān)系，一般為噪聲等效溫度的2-6倍。紅外系統(tǒng)的噪聲等效溫度限制在0.1-0.5K，系統(tǒng)的溫度分辨率為0.2-3K。目前，TM（10.4-12.5）的第六波段，溫度分辨率可達(dá)到0.5K。第25頁/共64頁遙感器按照一定的時間周期重復(fù)采集數(shù)據(jù)，這種重復(fù)觀測的最小時間間隔稱為時間分辨率，也稱為重訪周期也稱衛(wèi)星的覆蓋周期、重訪周期，重復(fù)獲得同一地區(qū)的最短時間間隔。（注意和衛(wèi)星運行周期的區(qū)別）時間分辨率第26頁/共64頁用途：研究對象的時間序列的變化。 如： 1）自然規(guī)律的時間考慮 作物監(jiān)測：農(nóng)時，拔節(jié)期、抽穗期、

11、乳熟期 樹木： 葉子發(fā)芽、生長、開始黃枯 地質(zhì)、土壤：不長植物，不隨季節(jié)變化而變化 2）社會經(jīng)濟現(xiàn)象的時間考慮 城市擴張 環(huán)境污染監(jiān)測 3）天氣預(yù)報 高時間分辨率傳感器的性能時間分辨率第27頁/共64頁常用遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率 靜止氣象衛(wèi)星：20-30秒 （氣象） 美國NOAA極軌氣象衛(wèi)星AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer） 每天上午、下午 Terra衛(wèi)星（上午星，EOS-AM1）；Aqua （下午星 ，EOS-PM1）MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）每天最多4次

12、，白天兩次（10：30；1：30），晚上兩次 LandSat 5 TM 16天 中巴資源衛(wèi)星（CBERS-1）26天（可通過側(cè)擺提高時間分辨率） 法國SPOT5 26天（最快6天） 美國IKONOS 可達(dá)1-3天（通過側(cè)擺提高時間分辨率） 美國QuickBird數(shù)據(jù)1 6天 取決于緯度高低第28頁/共64頁19841988198919911992199419961997199920002001Temporal land cover change利用多年遙感數(shù)據(jù)，區(qū)域的時間序列分析第29頁/共64頁傳感器的性能 四種分辨率對于一種傳感器是相互制約的，有矛盾的。在同等敏感度水平上，空間分辨率增高，

13、光譜分辨率或輻射分辨率就不可能高。其根本原因是傳感器是要獲得一定光能才能響應(yīng)。提高空間分辨率提高瞬時視場探測元件接受到的輻射能量相應(yīng)減少，降低了圖像的輻射亮度等級。 提高光譜分辨率探測元件接受到的輻射能量相應(yīng)減少，降低了圖像的輻射亮度等級。第30頁/共64頁遙感器成像類型攝影類型遙感器（框幅式）掃描成像類型的遙感器 擺掃式；推掃式第31頁/共64頁攝影類型傳感器攝影原理針孔攝影機單透鏡攝影機f 焦距長o物距i 像距第32頁/共64頁對于遙感成像, do di這樣像距為固定值，等于焦距在航空攝影中O 很大、無限遠(yuǎn)攝影類型傳感器攝影原理第33頁/共64頁攝影機定義：攝影機是成像遙感最常用的傳感器，

14、可裝載在地面平臺、航空平臺及航天平臺上，有框幅式和全景式攝影機之分。第34頁/共64頁框幅式攝像機第35頁/共64頁框幅式中心投影地面被拍攝物體透鏡像平面是其他成像（不包括雷達(dá)）的基礎(chǔ)第36頁/共64頁真彩色彩紅外框幅式攝影航空遙感影像第37頁/共64頁數(shù)碼攝影機成像原理與一般攝影機同，為框幅式攝像機，結(jié)構(gòu)也類似。所不同的是其記錄介質(zhì)不是感光膠片，而是光敏電子器件，如CCD（電荷耦合器件Charge Coupled Device的縮寫）第38頁/共64頁全景式攝影機縫隙式攝影機鏡頭轉(zhuǎn)動式攝影機第39頁/共64頁縫隙式全景攝影機縫隙攝影機，又稱推掃式攝影機：這種攝影機在衛(wèi)星或飛機上，在攝影瞬間所

15、獲得的影像是與航線方向垂直且與縫隙等寬的一條線狀影像。第40頁/共64頁攝影類型傳感器膠片在旋轉(zhuǎn)鏡頭的焦距處沿一曲面曝光。縫隙在物鏡的焦面上平行于飛行方向，并隨物鏡作垂直于航線方向的掃描。第41頁/共64頁鏡頭轉(zhuǎn)動式攝影機第42頁/共64頁攝影類型傳感器全景攝影機全景攝影畸變：相片兩端的地表景物被壓縮。類似于垂直于軌道的掃描儀的工作原理全景攝影機的特點是焦距長，可達(dá)600 mm以上，可在長約23 cm，寬達(dá)128 cm的膠片上成像。它的精密透鏡既小又輕，掃描視場很大，可達(dá)180度。第43頁/共64頁全景圖片第44頁/共64頁“勇氣”號火星探測器發(fā)回的第一張其著陸地點的三維圖像。（來源：美國宇航

16、局網(wǎng)站）第45頁/共64頁攝影類型傳感器多光譜攝影機同一瞬間攝取多個波段圖像的攝影機多攝影機型多鏡頭型光束分離型：經(jīng)過分光鏡頭分成幾個光束a、多相機組合型；b 、多鏡頭組合型； c 、光束分離型第46頁/共64頁掃描成像遙感器第47頁/共64頁衛(wèi)星運行方向擺掃式成像擺掃面垂直于衛(wèi)星運行方向第48頁/共64頁擺掃式成像系統(tǒng)特點利用平臺的行進(jìn)和旋轉(zhuǎn)掃描鏡，對于平臺行進(jìn)的垂直方向的地面（物平面）進(jìn)行掃描包括： 熱紅外掃描儀 NOAA/AVHRR、MODIS 、MSS/TM等多光譜掃描儀同一掃描行分辨率不同 a=a0sec2 第49頁/共64頁掃描原理以MSS為例第50頁/共64頁掃描軌跡MSS只由西

17、向東掃描，不回掃（又東向西）TM包括回掃，7個波段，共100個，TM的1、2、3、4、5、7波段有16個探測器，TM6為4個。第51頁/共64頁衛(wèi)星運行方向推掃式成像中巴資源衛(wèi)星、SPOT5的HRG、 IKONOS、QuickBird等的CCD相機包括北京1號小衛(wèi)星第52頁/共64頁推掃式掃描儀特點空間分辨率高全色和多光譜數(shù)據(jù)采用不同的CCD相機成像能夠側(cè)擺成像 北京1號小衛(wèi)星側(cè)擺30度 中巴資源衛(wèi)星32度第53頁/共64頁第54頁/共64頁SPOT 5的掃描方式三種掃描方式同軌立體成像三臺掃描儀寬掃描第55頁/共64頁推掃式成像-QuickBird目前空間分辨率最高的商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)全色0.

18、61m；多光譜2.44m美國DigitalGlobe公司W(wǎng)orldView，全色0.5m第56頁/共64頁QuickBird推掃式成像 大約4秒鐘獲取 16.5 km x 16.5 km 地面范圍圖像傳感器包括:全色Panchromatic 多光譜藍(lán)綠紅近紅外16.5 kmEach line is 1 pixel deepSensor Focal Plane has 5 color lines第57頁/共64頁QuickBird 傳感器Panchromatic (BW)DCAMultispectral (MS)DCAMS MS MS MS MS MS BWBWBWBWBWBW第58頁/共64頁30 Field of Reg