石大遙感導(dǎo)論課件03-04遙感光學(xué)基礎(chǔ)、傳感器

遙感導(dǎo)

論第三章遙感光學(xué)基礎(chǔ)：早期遙感影像多為光學(xué)攝影，為膠片或照片介質(zhì)。主要介紹黑白照片和彩色照片的成像原理，以及80年代以前常見(jiàn)的光學(xué)處理原理，少數(shù)在第八章圖像校正與增強(qiáng)中介紹，略。第四章傳感器：傳感器是獲取地物電磁輻射信息的裝置，它將電磁波收集、量測(cè)并記錄在膠片或磁帶上，是遙感系統(tǒng)中數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵設(shè)備。本章主要介紹傳感器的基本組成部件、性能衡量指標(biāo)、類型、發(fā)展史和發(fā)展趨勢(shì)組成：四個(gè)基本部件收集器：負(fù)責(zé)收集地面目標(biāo)的電磁波能量，透鏡組、反射鏡組、天線等。探測(cè)器：將收集到的電磁輻射,轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能或電能，感光膠片、光電管、光敏熱敏元件、共振腔諧振器。處理器：對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，顯影、定影、信號(hào)放大、變換、校正和編碼等，攝影處理和電子處理裝置。輸出器：掃描曬像儀、陰極射線管、電視顯像管、磁帶記錄儀、XY彩噴記錄儀等傳感器：在遙感中收集、探測(cè)和記錄目標(biāo)的電磁輻射信息的儀器。傳感器的組成：收集器、探測(cè)器、處理器和輸出器收集器探測(cè)器處理器輸出器功能—收集信息常用收集器：攝影機(jī)-透鏡掃描儀-反射鏡雷達(dá)-天線多波段遙感-分光器探測(cè)器—測(cè)量地物電磁輻射性質(zhì)和強(qiáng)度（最重要部分）

常用探測(cè)元件：攝影機(jī)-感光膠片掃描儀-光電管雷達(dá)-微波檢測(cè)器信號(hào)處理器—信號(hào)放大、光電轉(zhuǎn)換等輸出器—信息輸出：膠片、圖像、磁帶、波譜曲線等電磁波輻射傳感器的記錄信息的形式:數(shù)字影像（D-digitalsignals）：記錄在磁性介質(zhì)之上的數(shù)字矩陣，能夠被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理和使用，又稱為數(shù)字量。模擬影像（A-analogsignals）：基于光學(xué)原理，利用感光膠片來(lái)曝光成像，通過(guò)光學(xué)攝影獲得的物質(zhì)膠片、相片；又稱為模擬量（對(duì)現(xiàn)實(shí)的模擬）。模擬影像和數(shù)字影像之間的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)摸轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換。

4.1傳感器的類型目前最常見(jiàn)的成像傳感器的分類：4.2傳感器的性能最具實(shí)用意義的性能指標(biāo)是傳感器的分辨率，包括空間、時(shí)間、光譜、溫度分辨率。（一）空間分辨率指遙感圖像上能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元的尺寸或大小，通常用像元（像素）大小、像解率或視場(chǎng)角表示。是像素所代表的地面范圍的大小，或地面物體能分辨的最小單元，用來(lái)表征分辨目標(biāo)細(xì)節(jié)能力的指標(biāo)。像元（pixel），單位：米，越小空間分辨率越高；像解率：?jiǎn)挝怀叽缋锬芊直娴钠叫屑?xì)線的條數(shù)，線/毫米或線對(duì)/毫米視場(chǎng)角：傳感器在某個(gè)瞬間的視域，又叫傳感器的角分辨率。瞬時(shí)視場(chǎng)是指在掃描成像過(guò)程，一個(gè)光敏探測(cè)元件通過(guò)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)投影到地面上的直徑或邊長(zhǎng)。對(duì)于特定傳感器地面分辨率是定值，但印制的遙感影像比例尺可放大或縮小，地面分辨率在不同比例尺的具體影像上的反映稱為影像分辨率。例如專題制圖儀TM1~5，7波段的一個(gè)象素（pix）代表地面28.5米×28.5米，或概略地說(shuō)它的空間分辨率為30米，在1：10萬(wàn)圖像上影像分辨率為0.3mm，問(wèn)題：在1：20萬(wàn)圖像上則為？！？（二）光譜分辨率（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(zhǎng)間隔。間隔愈小，波譜分辨率愈高，反之則低。一般認(rèn)為，當(dāng)最小波長(zhǎng)間隔在不同量級(jí)變化時(shí)，其遙感類型命名也不同（見(jiàn)下表）光譜分辨率變化幅度與遙感類型的關(guān)系0.45-0.5150.63-0.690.775-0.90一般來(lái)說(shuō)，傳感器的波段數(shù)越多，波段寬度越窄，地物的信息越容易區(qū)分和識(shí)別，針對(duì)性越強(qiáng)。但也會(huì)造成信息量太大，反而不利于識(shí)別地物信息。所以，要根據(jù)實(shí)際需要，恰當(dāng)?shù)剡x擇波段。！高光譜遙感：有幾十個(gè)以上波段，波段寬度小于10nm，一般覆蓋了0.30-2.5um之間的連續(xù)譜段，航空較多。因其譜段連續(xù)且窄，根據(jù)所獲遙感影像，可提取某一地物的連續(xù)光譜曲線，故高光譜傳感器又叫成像光譜儀（三）時(shí)間分辨率對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)探測(cè)時(shí)，相鄰兩次探測(cè)的時(shí)間間隔，稱為遙感圖像的時(shí)間分辨率。根據(jù)回歸周期的長(zhǎng)短，時(shí)間分辨率可分為三種類型:超短（短）周期時(shí)間分辨率，以小時(shí)為單位，如氣象衛(wèi)星；中周期時(shí)間分辨率，以天為單位；長(zhǎng)周期時(shí)間分辨率，以年為單位。例如，陸地資源衛(wèi)星landsat16天一次，靜止氣象衛(wèi)星（地球同步氣象衛(wèi)星）：1次/0.5小時(shí)；太陽(yáng)同步氣象衛(wèi)星：2次/天（四）溫度分辨率指熱紅外傳感器分辨地表熱輻射（溫度）最小差異的能力。如TM6圖像的溫度分辨率可達(dá)到0.5K。與探測(cè)器的響應(yīng)率和傳感器系統(tǒng)內(nèi)的噪聲有關(guān)，一般為噪聲等效溫度的2-6倍。0.2-3K。（五）輻射分辨率傳感器所能探測(cè)到的最小輻射功率，或遙感影像記錄灰度值的最小差值。意義：提高辨識(shí)度在遙感圖像上表現(xiàn)為每一像元的輻射量化級(jí)(D)，如6bit，8bit，12bi等，其輻射分辨率為26級(jí)、28級(jí)、212級(jí)。4.3攝影類型的傳感器框幅式攝影機(jī)：在一個(gè)瞬間獲取一張完整的像片，照片一般為18cm*18cm、23cm*23cm。中心投影縫隙式攝影機(jī)：也稱航帶式或推掃式攝影機(jī)全景攝影機(jī)：中間物距短，兩側(cè)物距？，全景畸變多光譜攝影機(jī)：同時(shí)拍攝多個(gè)波段的影像波段：在近紫外、可見(jiàn)光到近紅外（0.32～1.3微米）之間。方式：通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)采用膠片或磁帶記錄地物的反射光譜能量。平臺(tái)：主要是航空平臺(tái)，偵察衛(wèi)星和早期的回收式遙感衛(wèi)星。縫隙式攝影機(jī)多光譜攝影機(jī)：對(duì)同一地區(qū)、同一瞬間攝取多個(gè)波段影像的攝影機(jī)多相機(jī)組合型、多鏡頭組合型、光束分離型無(wú)論哪一種多光譜攝影機(jī)，都必須選配相應(yīng)的濾光片和不同光譜感光特性的膠片組合，使在不同膠片上成像的光譜限制在規(guī)定的各自波段區(qū)內(nèi)。4.4光電成像類型的傳感器光電成像：傳感器將收集到的電磁波能量，通過(guò)儀器內(nèi)的光敏或熱敏元件（探測(cè)器），轉(zhuǎn)變成電能后再來(lái)記錄下來(lái)的成像方式。優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)大了探測(cè)的波段范圍；便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸類型：電視攝像機(jī)、掃描儀、電荷耦合器件CCD（多光譜掃描儀和CCD應(yīng)用最為廣泛）1.電視攝像機(jī)：來(lái)自地物的電磁波，在光陰極上成像，形成一定格式的電荷，用電子束掃描光陰極，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，記錄在膠片上，面陣列傳感器，但覆蓋度和分辨率較低，感應(yīng)范圍窄，為可見(jiàn)光和近紅外。1972-1978年美國(guó)發(fā)射的Landsat系列衛(wèi)星上搭載，分辨率為80-38m，簡(jiǎn)稱RBV，以后淘汰。2.掃描儀：又叫光機(jī)掃描儀，逐點(diǎn)逐行掃描。輸出信號(hào)是電信號(hào)。光譜響應(yīng)范圍從近紫外至熱紅外。成像過(guò)程：掃描鏡在機(jī)械驅(qū)動(dòng)下，隨遙感平臺(tái)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)，依次對(duì)地面進(jìn)行掃描，地面物體的輻射波束經(jīng)掃描鏡反射，并經(jīng)透鏡聚焦和分光分別將不同波長(zhǎng)的波段分開(kāi)，再聚焦到感受不同波長(zhǎng)的探測(cè)元件上。常見(jiàn)的光機(jī)掃描儀有：1）紅外掃描儀：探測(cè)地物熱輻射，美國(guó)Landsat系列衛(wèi)星，TM6，10.5-12.5um。2）多光譜掃描儀：使用分光系統(tǒng)（棱鏡或光柵等），把掃描儀接收到的輻射分成若干波段，目前已有4個(gè)波段到24個(gè)波段的掃描儀。美國(guó)Landsat系列，早期為multispectralscan，簡(jiǎn)稱MSS，后又改進(jìn)為technologymapper，簡(jiǎn)稱TM（專題繪圖儀）。某些氣象衛(wèi)星上也搭載此類傳感器。是衛(wèi)星遙感中使用最多的傳感器類型。3）CCD傳感器：探測(cè)器為電荷耦合元件（chargecoupleddevice），由半導(dǎo)體材料制成，受光激，產(chǎn)生電荷在固體內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)電荷量即為輸出信號(hào)的大小。一般將多個(gè)CCD元件排成一行，稱為CCD線陣列傳感器，每個(gè)CCD對(duì)應(yīng)一個(gè)像元，分辨率可達(dá)幾米，一個(gè)瞬間所獲影像為一窄帶，平臺(tái)向前行，再獲取下一窄帶數(shù)據(jù)。也可將CCD元件排成面陣列，瞬間獲取的是一個(gè)面的影像。這樣做較線陣列有何好處？瞬間獲得是地面一條窄帶的影像，對(duì)SPOT1來(lái)說(shuō)，是一條20m*60km的影像總結(jié)：光學(xué)攝像機(jī)目前已很少用，一般使用光電式成像傳感器，其中光機(jī)掃描儀應(yīng)用范圍最廣泛（因其感光范圍寬），而CCD式傳感器則是目前陸地探測(cè)衛(wèi)星上最多使用的傳感器，它與光機(jī)掃描相比，代表了更先進(jìn)的傳感器掃描方式。具有元件接受光照時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)可靠性高，噪聲畸變小，能耗小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但不足是感光范圍略窄，只限于可見(jiàn)光至近短紅外，2um以內(nèi)4.5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(jiàn)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.（空分一直較低，航空遙感時(shí)也只幾十至幾百米，工作波段在可見(jiàn)光到短波紅外)。數(shù)據(jù)表達(dá)新型格式：圖像立方體目前主要用于高光譜航空遙感。航天平臺(tái)較少使用。美國(guó)的MODIS傳感器，分辨率250m，50個(gè)波段，光譜范圍547-14521nm。成像光譜儀的數(shù)據(jù)特點(diǎn)高光譜遙感（5.4P116）概念：指利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲取有關(guān)數(shù)據(jù)，它的基礎(chǔ)是測(cè)譜學(xué)。優(yōu)勢(shì)：在寬波段遙感中不可探測(cè)的物質(zhì)特征在高光譜遙感中能被探測(cè)到。在地物探測(cè)和環(huán)境研究中能將混合物或礦物像元中混有植被光譜的情形，在單個(gè)像元內(nèi)計(jì)算出各種成分的比例。波段寬度10nm以內(nèi)。航空成像光譜儀：P118AIS、AISA、ASAS、AVIRIS、CASI本章習(xí)題1.簡(jiǎn)述傳感器的基本組成部件。2.簡(jiǎn)述傳感器的四種分辨率的概念。3.成像傳感器的類型？4.簡(jiǎn)述光學(xué)攝影機(jī)、光機(jī)掃描儀、電荷耦合元件傳感器的概念和優(yōu)缺點(diǎn)。5.簡(jiǎn)述成