ch3 遙感成像和影像特性

1、7/7遙感成像和影像特性第一節(jié) 遙感成像機(jī)理3。1.1 地球輻射的分段特性地球輻射是地球表面和大氣電磁輻射的總稱。其中,太陽電磁輻射是近似60的黑體輻射,能量集中在.3.5微米波段之間；地球自身輻射則是近似30K的黑體輻射,能量集中在6.0微米以上的波段。 在可見光與近紅外波段（0.-2。5微米),地表以反射太陽輻射為主，地球自身的輻射可以忽略；在中紅外波段(2。56.0微米），地表反射太陽輻射和地球自身的熱輻射均為被動(dòng)遙感的輻射源;在熱紅外波段（6.0微米以上）,地球自身的熱輻射為主，地表反射太陽輻射可以忽略不計(jì).3.1。2 遙感成像機(jī)理 任何地物均有發(fā)射、吸收和反射電磁波的特性。把地物與電

2、磁波相互作用形成的波譜用一定的傳感設(shè)備記錄下來，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換就形成了遙感影像?？梢姽馀c近紅外成像：記錄地物在可見光與近紅外波段的反射特性 熱紅外成像：記錄地物的熱輻射特性微波成像:記錄地物對(duì)微波的后向散射特性第二節(jié) 遙感器特征3。.1 遙感器的一般組成與特征 遙感器一般由采集單元、分光單元、探測與信號(hào)轉(zhuǎn)化單元、記錄或通信單元組成。 。 采集單元:把來自地面的電磁波采集起來的功能單元。不同的遙感器有不同的采集元件?；镜牟杉峭哥R、反射鏡和天線。 2。 分光單元:把混合光分解為不同波段光譜的功能單元.3 探測與信號(hào)轉(zhuǎn)化單元：探測分光后的電磁波并把它們轉(zhuǎn)換成其他形式信號(hào)的功能單元。 4。記錄或通

3、信單元：遙感器的記錄單元是將探測到的電磁波信息用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)記錄下來.記錄的介質(zhì)有：膠片、磁帶、和磁盤等。通信單元是將探測到的電磁波信息傳輸?shù)疆惖氐慕邮昭b置.3.22遙感器特性與遙感構(gòu)像參數(shù) 本節(jié)以掃描成像類型的遙感器為例，討論遙感器的特性與遙感構(gòu)像的關(guān)系。遙感器特性決定著遙感構(gòu)像的特征。遙感器收集與記錄地球表面觀測目標(biāo)的反射、輻射能量，遙感器的以下特性影響著遙感構(gòu)像： 1遙感器探測陣列單元的尺寸決定了遙感構(gòu)像的空間分辨率。在使用掃描儀探測地面目標(biāo)時(shí)，載著地物分布信息和屬性信息的電磁波，通過大氣層進(jìn)入遙感器,遙感器內(nèi)部的探測單元陣列對(duì)地物分布進(jìn)行成像。此時(shí)的圖像空間分辨率是指遙感器中探測陣列能把

4、兩個(gè)目標(biāo)作為兩個(gè)清晰的實(shí)體記錄下來的兩目標(biāo)間的最小距離,它可以采用圖像視覺清晰度來衡量。遙感器探測元件的輻射靈敏度和有效量化級(jí)決定了遙感構(gòu)像的輻射分辨率。輻射分辨率是指遙感器探測元件在接收電磁輻射信號(hào)時(shí)能分辨的最小輻射度差.探測分光后的電磁波并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元件稱為探測元件,其作用是光電變換并在實(shí)現(xiàn)這種變換的過程中完成信息的傳遞。 .在遙感器設(shè)計(jì)中,波譜分辨率設(shè)計(jì)必然要考慮的因素是： ). 使用多少波譜波段; 2）. 如何確定所用波段在總光譜范圍中的位置.3)。 如何確定所用的各個(gè)波段的波譜帶寬度； 上述三個(gè)問題，都與遙感器設(shè)計(jì)目的和制造遙感器的工藝技術(shù)水平有關(guān).遙感器設(shè)計(jì)目的和制造遙感器

5、的工藝技術(shù)水平（分光及濾光系統(tǒng)能力、探測器陣列和不同波段間配準(zhǔn))決定了遙感構(gòu)像的波譜分辨率。波譜分辨率是指遙感器在接收目標(biāo)輻射的波譜時(shí)能分辨的最小波長間隔。間隔愈小，波譜分辨率愈高，反之則低。 隨著制造遙感器的工藝技術(shù)水平的進(jìn)步，遙感器使用的波譜波段正在迅速增加。成像光譜儀在可見光紅外波段范圍內(nèi)，被分割成幾百個(gè)窄波段,具有很高的光譜分辨率，從其近乎連續(xù)的光譜曲線上,可以分辨出不同物體光譜特征的微小差異，有利于識(shí)別更多的目標(biāo)。對(duì)于高光譜遙感來說,不同波段之間的相關(guān)系數(shù)將隨著波長間隔距離的增加而單調(diào)地減少。 確定一個(gè)波段在總光譜范圍中的位置,需要考慮使用該波段對(duì)地觀測的特點(diǎn)，根據(jù)地物反射或輻射特性

6、來選擇最佳位置。如探測地物自身熱輻射，應(yīng)在812m波長范圍選擇最佳位置,而探測森林火災(zāi)等則應(yīng)在35m波長范圍選擇最佳位置，才能取得好效果.此外,確定一個(gè)波段位置,還要考慮波段與波段之間的平衡分布，作為一個(gè)通用遙感器，還需要考慮與已有遙感器兼容。第三節(jié)常見的遙感器類型。1 光學(xué)成像類型 光學(xué)照相機(jī)是最早的一種遙感器，也是今天常見的一種遙感器。它的工作波段在近紫外到近紅外(0。3。3微米）之間，對(duì)不同波段的感應(yīng)決定于相機(jī)的分光單元和膠片類型。空間分辨率決定于光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率和膠片里所含銀鹽顆粒的大小.空間分辨率高是光學(xué)相機(jī)獲取的遙感影像的普遍特性.用于遙感的光學(xué)相機(jī)有以下幾種類型：分幅式攝影機(jī)

7、、全景攝影機(jī)、多光譜攝影機(jī)等。 .。掃描成像類型 。光學(xué)機(jī)械掃描儀 光學(xué)一機(jī)械掃描（簡稱光機(jī)掃描)成像系統(tǒng)，一般在掃描儀的前方安裝可轉(zhuǎn)動(dòng)的光學(xué)鏡頭，并依靠機(jī)械傳動(dòng)裝置使鏡頭擺動(dòng)，形成對(duì)地面目標(biāo)的逐點(diǎn)逐行掃描。遙感器光譜分辨率依賴于不同分光器和探測元件,其輻射分辨率取決于探測元件的靈敏度.在光機(jī)掃描所獲得的影像中，每條掃描帶上影像寬度與圖像地面分辨率分別受到總視場和瞬時(shí)視場的影響。總視場（FV）是遙感器能夠受光的范圍,決定成像寬度。瞬時(shí)視場角（IFOV）決定了每個(gè)像元的視場。一般說來，瞬間視場角對(duì)應(yīng)的地面分辨單元是一個(gè)正方形,該正方形是瞬間視場角對(duì)應(yīng)的地表面積。嚴(yán)格說來，光機(jī)掃描中瞬間視場角對(duì)應(yīng)

8、的每個(gè)像元是個(gè)矩形。光機(jī)掃描成像時(shí)每一條掃描帶都有一個(gè)投影中心，一幅圖象由多條掃描帶構(gòu)成，因此遙感影像為多中心投影。每條掃描帶上影像的幾何特征服從中心投影規(guī)律,在航向上影像服從垂直投影規(guī)律。 2.推帚式掃描儀 推帚式掃描采用線列（或面陣）探測器作為敏感元件,線列探測器在垂直于飛行方向上做向排列，當(dāng)飛行器向前飛行完成Y向掃描時(shí)，線列探測器就向刷子掃地一樣實(shí)現(xiàn)帶狀掃描,推帚式掃描由此而得名。與光學(xué)機(jī)械掃描相比，推帚式掃描代表了更為先進(jìn)的遙感器掃描方式。它具有感受波譜范圍寬、元件接受光照時(shí)間長，無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)可靠性高、噪聲低、畸變小、體積小、重量輕、動(dòng)耗小、壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)。PO衛(wèi)星上搭載的

9、高分辨率傳感器（HV）采用就是推帚式掃描系統(tǒng)。SOT圖像上空間分辨率由相鄰光敏元件中心點(diǎn)間距確定(像素分辨率），衛(wèi)星在標(biāo)準(zhǔn)軌道高度上飛行時(shí),ST圖像上像素分辨率在全色波段為微米， 多光譜波段為26微米，對(duì)應(yīng)地面分辨率分別為010和2020平方米，其空間分辨率高于陸地衛(wèi)星上的TM圖像。SPOT-5衛(wèi)星于202年5月3日晚上由阿里亞娜4型火箭送入太空。 它與前4顆SPOT衛(wèi)星相比,SPOT衛(wèi)星有較大改進(jìn),并攜帶有新的儀器設(shè)備。其中包括:高分辨率立體成像儀,這是新增加的最重要的儀器設(shè)備,它能同時(shí)獲取兩幅圖像，因此可用于制作更為精確的地形圖和高程圖；兩臺(tái)高分辨率幾何成像儀，通過把2張5米分辨力圖像相疊

10、加的技術(shù)，可把全色圖像分辨力提高到2。米分辨率；植被相機(jī),幾乎每天可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，圖像的分辨率為千米。3.3成像光譜儀成像光譜儀是遙感領(lǐng)域中的新型遙感器，它把可見光、紅外波譜分割成幾十個(gè)到幾百個(gè)波段,每個(gè)波段都可以取得目標(biāo)圖像，同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)圖像進(jìn)行同名地物點(diǎn)取樣，取樣點(diǎn)的波譜特征值隨著波段數(shù)愈多愈接近于連續(xù)波譜曲線。這種既能成像又能獲取目標(biāo)光譜曲線的“譜像合一”的技術(shù)稱為成像光譜技術(shù),按該原理制成的遙感器稱為成像光譜儀. 這類成像光譜儀的特點(diǎn)是，探測器積分時(shí)間長,像元的凝視時(shí)間增加,可以提高系統(tǒng)靈敏度或空間分辨率;在可見光波段,由于目前器件成熟，集成程度高,光譜維的分辨率也可以提高到12n的

11、水平；成像部件無需機(jī)械運(yùn)動(dòng),儀器體積比較小.目前在可見光、近紅外波段,此類成像光譜儀很多，有的已經(jīng)達(dá)到商品化的水平。其主要不足之處是，受器件限制，短波紅外靈敏度還不理想，熱紅外暫時(shí)不可能。具有代表性的面陣推帚型機(jī)載成像光譜儀是加拿大的CASI系統(tǒng)，中國研制的成像光譜儀PHI也屬于這種類型。成像光譜儀影像的 光譜分辨率高,每個(gè)成像波段的寬度可以精確到0.m，有的甚至到0。01mm。成像光譜儀獲得的數(shù)據(jù)不是傳統(tǒng)意義上某個(gè)多光譜波段內(nèi)輻射量的總和，它可以看成是對(duì)地物連續(xù)光譜中抽樣點(diǎn)的測量值如圖31.一些在寬度波段遙感中不可探測的物質(zhì)，在高光譜遙感中有可能被探測出來。33.4 微波成像系統(tǒng)在電磁波譜中

12、，波長在mm到1m的波段范圍稱為微波.微波遙感是研究微波與地物相互作用機(jī)理以及利用微波遙感器獲取來自目標(biāo)地物發(fā)射或反射的微波輻射，并進(jìn)行處理分析與應(yīng)用的技術(shù)。微波遙感分為主動(dòng)微波遙感與被動(dòng)微波遙感.微波成像 系統(tǒng)主要以成像雷達(dá)為代表,它屬于主動(dòng)微波遙感。 （）真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)(Rel ArueRaar，RAR） 孔徑(aerture)的原意是光學(xué)相機(jī)中打開快門的直徑。在成像雷達(dá)中沿用這個(gè)術(shù)語，含義變成了雷達(dá)天線的尺寸。真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)，是按雷達(dá)具有的特征來命名的,它表明雷達(dá)采用真實(shí)長度的天線接收地物后向散射并通過側(cè)視成像。RA工作原理在最簡單的實(shí)現(xiàn)方法中，距離分辨率是利用發(fā)射的脈沖寬度或持續(xù)時(shí)

13、間來測定的,最窄的脈沖能產(chǎn)生最優(yōu)的分辨率。在典型的二維微波圖像中，距離是沿雷達(dá)平臺(tái)的航跡測量的，雷達(dá)通過天線發(fā)射微波波束，微波波束的方向是垂直于航線方向，投在一側(cè)形成窄長的一條輻射帶。波束遇到地物后發(fā)生后向散射，雷達(dá)上的接收機(jī)通過雷達(dá)天線按時(shí)間順序先后接收到后向散射信號(hào)，并按次序記錄下后向能量的強(qiáng)度,在此基礎(chǔ)上計(jì)算機(jī)算出距離分辨率。方位與距離保持垂直,方位分辨率與波束銳度成正比關(guān)系。正如光學(xué)系統(tǒng)需要大的透鏡或鏡像來獲得較優(yōu)分辨率一樣，工作在它們極低頻率上的雷達(dá)也需要較大的天線或孔徑來產(chǎn)生高分辨率的微波圖像。 （2) 合成孔徑側(cè)視雷達(dá)（Syhti ApeuRa，SR） 合成孔徑雷達(dá)就是利用雷達(dá)與

14、目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一個(gè)較大的等效天線孔徑的雷達(dá)。合成孔徑雷達(dá)是對(duì)真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)（RAR）的技術(shù)創(chuàng)新的產(chǎn)物.利用合成孔徑替代真實(shí)孔徑，提高雷達(dá)的方位向分辨率。合成孔徑的設(shè)計(jì)思想就是通過一定的信號(hào)處理方法,使得合成孔徑雷達(dá)的等效孔徑長度相當(dāng)于一個(gè)很長的真實(shí)孔徑雷達(dá)的天線。由于合成孔徑等于目標(biāo)處于同波束內(nèi)雷達(dá)所行進(jìn)的距離,因此它是一個(gè)虛擬的天線長度，合成孔徑雷達(dá)提高了方位分辨率。通過合成孔徑技術(shù)可以提高方位分辨率，但無法解決距離分辨率提高的問題。距離分辨率是根據(jù)區(qū)分相鄰兩點(diǎn)之間的回波延時(shí)和多普勒頻移來實(shí)現(xiàn)的。于是RAR和SAR利用線性調(diào)頻技術(shù)，解決時(shí)帶的矛盾

15、，進(jìn)而提高距離分辨率. 目前，加拿大arsa 衛(wèi)星提供的AR圖象已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營。Radrat1衛(wèi)星于1995年11月日發(fā)射成功，設(shè)計(jì)壽命5年，至今仍在正常運(yùn)行，Raas2計(jì)劃在近期內(nèi)發(fā)射。衛(wèi)星高度9800km，傾角9。，太陽同步軌道，雷達(dá)采用波段（波長。6c),H極化，波束入射角在00范圍內(nèi)可調(diào)（表4 )，用戶可根據(jù)應(yīng)用要求和地形條件選擇合適的角度來獲取圖像。寬束模式San AR可以降低分辨率而得以頻繁地獲取同一地區(qū)的圖像。不同成像模式為用戶提供分辨率從1m到100m的圖像數(shù)據(jù)，以便于用戶將Radrsat數(shù)據(jù)與其他傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合.第四節(jié) 遙感構(gòu)像的幾何特征。4。1 分幅式航空攝影儀構(gòu)像的

16、幾何特征分幅式航空攝影儀拍攝的航空照片是對(duì)于地面點(diǎn)的中心投影像片。所謂中心投影，就是平面上各點(diǎn)的投影光線均通過一個(gè)固定點(diǎn)（投影中心或透視中心),投射到一平面（投影平面)上形成的透視關(guān)系. 3。2 全景攝影機(jī)構(gòu)像的幾何特征 在全景攝影機(jī)構(gòu)像中，隨著物鏡筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，地表物體在后方向弧形膠片上聚焦成像.對(duì)于每條狹縫的形成,其幾何關(guān)系等效于一個(gè)畫幅式航空攝影機(jī)沿旁向傾斜一個(gè)掃描角后,以中心線（=0）成像的情況，同樣,多光譜掃描儀獲取的影象也存在投影變形。由于在動(dòng)態(tài)掃描的情況下，其構(gòu)像方程都是對(duì)應(yīng)于一個(gè)掃描瞬間（相對(duì)于某一象素或某一條掃描線）而建立的，不同成像瞬間的傳感器外方位元素可能各不相同，因而相應(yīng)的

17、變形誤差方程式只能表達(dá)該掃描瞬間像幅上相應(yīng)點(diǎn)、線所在位置的局部變形，整個(gè)圖像的變形將是所有瞬間局部變形的綜合結(jié)果。3。4.連續(xù)航帶縫隙式攝影機(jī)構(gòu)像的幾何特征連續(xù)航帶縫隙攝影機(jī)垂直于航行方向，當(dāng)飛行器以速度 向前運(yùn)行時(shí),感光底片也同時(shí)以速度 同向卷動(dòng),從而使底片被縫隙連續(xù)暴光形成航帶影像.連續(xù)航帶縫隙式攝影機(jī)攝影所用的狹窄縫隙與飛行器的飛行方向垂直，在每條縫隙曝光的瞬間，其構(gòu)像的幾何形態(tài)為中心投影，在垂直成像條件下，CCD線列推帚式遙感器與連續(xù)航帶縫隙式攝影機(jī)成像方式相同，影象在旁向?qū)儆谥行耐队?在航向上屬于以時(shí)間為參數(shù)的正射投影，因此，連續(xù)航帶縫隙式攝影機(jī)構(gòu)像共線方程和附加構(gòu)像方程同樣適用于C

18、D線列推帚式遙感器，但此時(shí)，附加構(gòu)像方程中的vf 代表掃描行間隔的電子采樣記錄速度,而不代表卷片速度。4。側(cè)視成象雷達(dá)構(gòu)像的幾何特征 側(cè)視雷達(dá)采用斜距投影,它與攝像機(jī)中心投影方式完全不同。其構(gòu)像方程根據(jù)側(cè)視雷達(dá)工作方式分為以下兩種:平面掃描斜距構(gòu)像方程和圓錐掃描斜距構(gòu)像方程，由側(cè)視雷達(dá)構(gòu)像方程可知：側(cè)視雷達(dá)在方位向和距離向用不同的方法記錄影像.在方位向上，當(dāng)?shù)匚锬繕?biāo)通過照射波束時(shí),雷達(dá)記錄一個(gè)特征條帶；在距離向,雷達(dá)測量從飛機(jī)到地形目標(biāo)的距離.在側(cè)視雷達(dá)構(gòu)成的微波影像中，RAR真實(shí)孔徑雷達(dá)分辨率是由成象雷達(dá)的斜距分辨率和方位向分辨率決定的，它們分別由脈沖的延遲時(shí)間和波束寬度來控制.對(duì)于合成孔徑雷達(dá)來說，微波影像方位向分辨率與波束寬度和多普勒頻移的識(shí)別精度等有關(guān)。這點(diǎn)不同于攝影成象的分辨率與掃描影像的分辨率。3.4。5 立體觀測構(gòu)像目前，在已發(fā)射和計(jì)劃發(fā)射的一些遙感衛(wèi)星具備立體觀測功能(主要的立體觀測衛(wèi)星及觀測參數(shù)見表11 )，早期立體觀測與航空立體攝影相似，用攝影機(jī)進(jìn)行，如Spacelab上的RMK3/23相機(jī)和SI41G次航天飛機(jī)上的LFC大像幅相機(jī)的立體攝影.后來在航天遙感使用的