第二章遙感技術(shù)系統(tǒng)

第一節(jié)遙感平臺第二節(jié)傳感器第三節(jié)、遙感地面接收站和遙感信息的傳輸?shù)谖骞?jié)遙感資料的種類第二章遙感技術(shù)系統(tǒng)目標(biāo)物反射發(fā)射回射大氣窗口被動主動攝影掃描雷達(dá)回收視頻輻射校正幾何校正影象膠卷模擬數(shù)據(jù)帶高密度數(shù)字磁帶象片磁帶目視解譯光學(xué)處理計算機(jī)圖象識別專業(yè)圖件統(tǒng)計數(shù)字收集傳輸校正轉(zhuǎn)換處理專業(yè)圖件與統(tǒng)計數(shù)字物體發(fā)射、反射電磁波遙感的基本過程第一節(jié)遙感平臺遙感平臺指安置傳感器的運載工具不同高的平臺上進(jìn)行遙感，可獲得不同覆蓋面積，不同比例尺，不同分辨力的遙感圖像一、近地面平臺二、航空平臺三、航天平臺一、近地面平臺高度小于300m，常用的有：三角架，0.75—2m遙感車和遙感船，1—10m遙感塔（6—100m）用之稱地面遙感，用于測量地物波譜特征，和用于試驗研究的地物細(xì)節(jié)圖像。三角架——測試單—地物波譜遙感塔、車、船——測試地物綜合波譜二、航空平臺指在大氣層內(nèi)飛行的飛行器，高度100m—30Km，主要有飛機(jī)、直升機(jī)、飛艇、氣球等.１低空平臺：航高<2000m，直升機(jī)、偵察飛機(jī).２中空平臺：航高2000—6000m，飛機(jī).３高空平臺：航高>12000m，飛機(jī)、汽球.三、航天平臺指在大氣層外飛行的飛行器，高度幾百、幾千至幾萬公里（一）人造衛(wèi)星（二）其它航天平臺（一）人造衛(wèi)星衛(wèi)星是航天遙感的主要平臺，衛(wèi)星運行在大氣層有效阻力之外（約150KM），而又在重力場之內(nèi)，進(jìn)入軌道，便周期性地繞地球運轉(zhuǎn)，可在規(guī)定時間內(nèi)覆蓋全球，或任何指定地域。１、衛(wèi)星軌道參數(shù)２、軌道類型３、幾種主要航天平臺的運行特征１、衛(wèi)星軌道參數(shù)軌道周期——衛(wèi)星在軌道上繞地球一周所需的時間軌道傾角——衛(wèi)星軌道而與地球赤道平面的夾角，用

i表示.i=0，軌道平面與赤道面重合，稱赤道軌道。

i=90，軌道平面與赤道面垂直，稱極地軌道。其它稱傾斜軌道順行轉(zhuǎn)道：衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致，0<i<90稱順行轉(zhuǎn)道逆行轉(zhuǎn)道：衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，90<i<180稱逆行轉(zhuǎn)道１、衛(wèi)星軌道參數(shù)(2)星下點：衛(wèi)星質(zhì)心與地心連線同地面交點稱星下點星下點軌跡或地面軌跡：星下點在衛(wèi)星飛行過程中在地面移動的軌跡升交點和降交點：當(dāng)i不等于0時，軌道與赤道面有兩個交點，即衛(wèi)星由南向北飛時的升交點，由北向南飛時的降交點。由于地球自轉(zhuǎn)，若i>90，上升時星下點西退，下降時東進(jìn)，若i<90。上升時，星下點東進(jìn)，下降時下點而退。軌道形狀：繞地球運行的衛(wèi)星，一般具有圓形和橢圓形兩種軌道。以何種軌道運行、或者其軌道形狀如何，這主要取決于衛(wèi)星運動的速度和方向１、衛(wèi)星軌道參數(shù)(３)衛(wèi)星高度橢圓形軌道，其高度是變化的，通常用近地點高度（HN

）、遠(yuǎn)地點高度（HA）、以及瞬時高度（H）來表示。近地點地球地心近地點高度HN橢圓軌道半長軸a1遠(yuǎn)地點高度HA軌道壽命:它主要取決于衛(wèi)星近地點高度。因為近地點越遠(yuǎn)，空間的真空度愈高，衛(wèi)星與空氣分子的摩擦愈小，所以衛(wèi)星壽命愈長。一般300公里以上空氣密度已經(jīng)足夠小了，因而衛(wèi)星多采用300公里以上的軌道高度。軍事偵察衛(wèi)星由于需獲得高分辨率圖象，常采用200以下的軌道，所以通常只能工作一、二周，或一、二月。１、衛(wèi)星軌道參數(shù)(３)軌道覆蓋地域:衛(wèi)星軌道覆蓋地域的大小由軌道傾角決定。對于正方向衛(wèi)星而言，軌道覆蓋的最高緯度與軌道傾角完全一致;對于反方向衛(wèi)星，軌道所能覆蓋的最高緯度等于180度減去軌道傾角軌道進(jìn)動:衛(wèi)星軌道面每天圍繞地軸發(fā)生的轉(zhuǎn)動。重復(fù)覆蓋周期：衛(wèi)星星下點在地表面上的航跡重復(fù)一次所需要的時間。２、軌道類型１）太陽同步軌道：２)地球靜止軌道:１）太陽同步軌道近極地軌道.衛(wèi)星軌道與太陽光的夾角始終保持一致，一年進(jìn)動360，亦每天自西向東偏轉(zhuǎn)0.986。等于地球公轉(zhuǎn)角速度.特點:除兩極很小的區(qū)域外，衛(wèi)星可定期覆蓋全球；衛(wèi)星過每一點的地方時相同目前大多數(shù)遙感衛(wèi)星均為太陽同步軌道太陽同步衛(wèi)星軌道２)地球同步（靜止）軌道為赤道軌道。衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致，且運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相等。特點：衛(wèi)星與地球表面的相對運動為0；軌道高，可具有極大的覆蓋范圍；可對地表面進(jìn)行凝聚監(jiān)測；是一個重要的遙感衛(wèi)星發(fā)展方向２、軌道類型(２)按軌道高度可分1）低高度衛(wèi)星：高150—200KM。壽命短，幾到幾十天，用軍事偵察。2）中高度衛(wèi)星：高350—1500KM。壽命1—5年，壽命較長，對地面又有一定分辨力，如陸地衛(wèi)星高918KM3)高軌道衛(wèi)星：高>1500KM，衛(wèi)星壽命長，分辨力不高，如GMS，35000KM。2、幾種主要航天平臺的運行特征1）陸地衛(wèi)星系列Landsat衛(wèi)星軌道中高度(705KM)，近圓形、近極地(i=98.22);太陽同步。太陽入射光線與降交點之間角距始終為37。30’，過降交點時刻為地方時的上午9時42分，太陽高度角適中，利于獲得高質(zhì)量的圖像。地球觀測試驗衛(wèi)星（SPOT）采用與Landset相似的近圓形，近極地太陽同步軌道。只是具體參數(shù)有所不同。2、幾種主要航天平臺的運行特征4)氣象衛(wèi)星（NOAA）系列近極地圓形軌道，近與太陽同步、雙星系統(tǒng)，軌道高度分別為833KM和870KM。傾角分別為98.7和98.9，周期分別為101.6分和102分。4）GMS：與地球同步，軌道高度36000KM。（二）其它航天平臺載人飛船：載人地球衛(wèi)星（載人飛船）、空間軌道站、航天飛機(jī)?？臻g探測器：運行在地球范圍之外的無人駕駛飛船，叫“空間探測器”。可以分為飛往內(nèi)太陽系（即金星、水星、火星）飛船；飛往外太陽系（土星、木星、天王星、海王星）飛船；以及飛出太陽系的宇宙飛船三種類型第二節(jié)傳感器傳感器：就是用以獲取目標(biāo)電磁輻射信息的探測儀器。它是收集、檢測和記錄電磁波信息的工具。是遙感工作系統(tǒng)的主要部分一、傳感器的基本組成及工作原理二、傳感器的特性參數(shù)三、傳感器的分類四、傳感器的主要類型及工作原理簡介五、遙感數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)一、傳感器的基本組成及工作原理傳感器主要由以下四個系統(tǒng)組成:收集系統(tǒng)地物電磁波探測系統(tǒng)分光系統(tǒng)記錄系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換遙感器的基本組成１、收集系統(tǒng)功能是接收電磁波并將其聚焦成像，然后送往分光系統(tǒng)。最基本的收集原件掃描反射鏡（或天線）和透鏡。掃描系統(tǒng)向地面進(jìn)行掃描，在垂直飛行方向上逐點、逐行收集地面光譜聚焦系統(tǒng)（透鏡）將收集到的地面光譜進(jìn)行聚焦。瞬時視場β角，瞬時視場ΔA儀器孔徑Ap,鏡頭對地面觀測點所張立體角Δω進(jìn)入傳感器的反射輻射功率取決于儀器孔徑和瞬時視場，而與距離（航高）H無關(guān)２、分光系統(tǒng)多波段傳感器的收集系統(tǒng)收集地面光譜信號后經(jīng)分光系統(tǒng)進(jìn)行分光，將入射光分解成所需探測波段光譜。分光原件包括各種色散原件或分光原件：濾色鏡、三棱鏡、光柵、分光鏡等。3.檢（探）測系統(tǒng)功能：將光信號轉(zhuǎn)化為電信號光子探測器熱探測器電荷偶合器件（CCD）a.光子探測器特點但響應(yīng)速度快，弛豫（響應(yīng)）時間不超過10-9秒，且與光強(qiáng)無關(guān)但響應(yīng)率變化大。響應(yīng)率與波長及所用半導(dǎo)體材料有關(guān)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在金屬表面時，有電子從表面逸出的現(xiàn)象產(chǎn)生的光電流與入射光強(qiáng)成正比頻率大于紅限時才能發(fā)生弛豫（響應(yīng)）時間不超過10-9秒，且與光強(qiáng)無關(guān)半導(dǎo)體有兩種：P型——空穴多而電子少n型——電子多而空穴小.P—n結(jié)：P型與n型接觸，P中空穴向n中擴(kuò)散，n中電子向P中擴(kuò)散，結(jié)果使P帶正電而n帶正電。平衡時接觸面附近形成一阻擋層。該阻擋層P型一側(cè)為一電子膜。阻擋空穴通過但不阻擋電子通過，n型中則相反,有單向?qū)щ娦约?。如受光照射，P型中的電子將吸收光子能量成為自由電子。并通過阻擋層進(jìn)入到n型帶負(fù)電而P型帶正電。二者出現(xiàn)電位差，如連通二者將有電流通過。n中的自由電子與光強(qiáng)成正比。這樣就將信號轉(zhuǎn)化為電信號.光生伏特現(xiàn)象在光的照射下，p-n結(jié)區(qū)附近區(qū)吸收光子后產(chǎn)生大量電子—空穴對，

p-n結(jié)內(nèi)的電場將電子掃到n區(qū)，使n區(qū)帶負(fù)電，p區(qū)帶正電，使p-n結(jié)兩端產(chǎn)生電位差，電壓高低正比于輻照強(qiáng)度。光電磁效應(yīng)在光的照射下，半導(dǎo)體表面吸收光子后，在上表面產(chǎn)生大量的電子—空穴對，使表面的電子—空穴濃度比體內(nèi)大，因此電子、空穴向體內(nèi)擴(kuò)散。擴(kuò)散過程中，磁場的作用使電子和空穴各偏向一側(cè)，因此在垂直磁場與擴(kuò)散方向的兩端面上產(chǎn)生電位差，這類現(xiàn)象收光電磁效應(yīng)。b.熱探測器特點響應(yīng)率與波長無關(guān)但響應(yīng)速度慢，這是熱紅外遙感數(shù)據(jù)空間分辨率低的原因光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料在光的照射下吸收光子，激發(fā)自由載流子，使體內(nèi)載流子濃度增加，引起電導(dǎo)率顯著增加的現(xiàn)象。也稱內(nèi)光電效應(yīng)（電子并沒有逸出）。利用該特性制造的元件稱光敏電阻c.CCD電荷偶合器件（chargecoupledevice)電荷耦合器件（CCD）的工作原理CCD是一種用電荷量表示信號強(qiáng)弱，用耦合方式傳遞信號的全固體化半導(dǎo)體器件.主要原理是根據(jù)光生伏特現(xiàn)象：CCD推帚式成像框架結(jié)構(gòu)CCD感光器件結(jié)構(gòu)電信號的輸出CCD陣面結(jié)構(gòu)CCD靈敏度響應(yīng)率與響應(yīng)函數(shù)單位入射輻射能量（每瓦）所產(chǎn)生的電響應(yīng)量即為響應(yīng)率響應(yīng)率隨波長變化的函數(shù)稱響應(yīng)函數(shù)信噪比信號功率與噪聲功率之比分別表示信號和燥聲分別為平均功率和電壓４、記錄系統(tǒng)其功能是將探測系統(tǒng)或信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的電磁波信息（光信號）記錄、存儲到遙感信息載體上，再以影像或數(shù)字形式輸出。遙感信息載體指記錄、存儲成像遙感器輸出信號的介質(zhì)，如感光材料，和磁帶等。1)感光材料2)磁帶1)感光材料形象直觀,便于目視解譯指經(jīng)爆光后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)一定化學(xué)、物理方法處理產(chǎn)生固定影像的材料的總稱，分為黑色和彩色感光材料。由感光劑和支持體構(gòu)成。以透明片基為支持體的稱感光膠片，以紙基為支持體稱為像紙:(1)色盲片、僅能感λ<0.5的紫、藍(lán)光；(2）正色片（分色片），感光范圍擴(kuò)大至0.6，能感綠、黃光，對綠光的敏感程度大于金色片。(3)全色片：感光范圍擴(kuò)大至0.72,可感全部可見光;(4)紅外片：感光范圍擴(kuò)大至1.3，可感攝影紅外波，但不感綠、黃光。一、傳感器的基本組成及工作原理（３）(5)彩色片：天然彩色片：由對藍(lán)、綠、紅感光的三層乳膠組成，影像（正片）記錄的影物和肉眼看到的顏色基本相同。(6)彩色紅外片：由對綠、紅和近紅外感光的三層乳膠組成影物色彩彩紅外正片綠蘭蘭

綠紅外紅分辨力與清晰度:以1mm距離內(nèi)能分辨的線條數(shù)來表示。一般航攝膠片分辨能力內(nèi)40—150線/mm.2)磁帶便于通過無線快速傳輸、貯存、和圖像處理。(1)數(shù)字磁帶：探測系統(tǒng)輸出的電壓信號，經(jīng)過模擬數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D），對電壓曲線分段讀數(shù)（取樣與量化），記錄這種數(shù)據(jù)的磁帶稱為數(shù)字磁帶(2)模擬信號記錄：反傳感器探測器上輸出的連續(xù)變化的視頻信號模擬記錄在磁帶上，每條成像掃描線對應(yīng)一條電壓曲線?；胤艜r，模擬磁帶復(fù)原為電壓曲線。經(jīng)電光轉(zhuǎn)換成光信號。以掃描方式記錄在感光膠片上。二、傳感器的特性參數(shù)１、空間分辨率２、波譜分辨率

3、輻射分辨率（輻射靈敏度）１、空間分辨率能把兩個相鄰目標(biāo)作為兩個清晰實體記錄下來的兩目標(biāo)間的最小距離。取決于：（1）象元大?。╬ixelsize)：每個象元對應(yīng)地面的范圍。（2）象解率（photographicresolution)：膠片上1毫米間隔內(nèi)包含的線對數(shù)，用線對/毫米來表示。一條白線加一條黑線構(gòu)成一個線對。象解率可以轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的象元大小象元大小=每線對寬度（毫米）/2.8（3）瞬時視場角（IFOV—InstantaneousFieldOfView）：電子傳感器的瞬時視域，用毫弧度表示。瞬時視場角小，空間分辨率高；反之，空間分辨率低。(4)視場角（FOV—fieldofview）：整個傳感器能夠受光的角度。相當(dāng)于視場角的地面距離叫觀測寬度或叫掃描寬度。2、波譜分辨率波譜分辨率:指傳感器在接收目標(biāo)輻射的波譜時，能分辨的最小波長間隔.取決于：（１）傳感器的工作波段數(shù)目、（２）工作波段波長（３）波長間隔（譜帶寬度）。3、輻射分辨率輻射分辨率:指傳感器探測原件在接收波譜輻射信號時，能分辨的最小輻射差。（１）取決于傳感器輻射靈敏度（２）數(shù)據(jù)的位數(shù)。信噪比：指有效信號功率與噪聲功率之比微波輻射計地磁測量儀重力測量儀傅立葉光譜儀其它黑白天然彩色紅外彩色紅外其它TV攝像機(jī)固體掃描儀光機(jī)掃描儀微波輻射計微波散射計微波高度計激光光譜儀激光高度計激光水深計激光測距儀微波散射計真實孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)被動型相控陣?yán)走_(dá)

非圖像方式圖像方式照相機(jī)遙感器被動方式非掃描方式掃描方式像面掃描方式物面掃描方式圖像方式主動方式非掃描方式非圖像方式掃描方式圖像方式物面掃描方式像面掃描方式三、傳感器的分類四、傳感器的主要類型及工作原理簡介（一）攝影方式傳感器（二）掃描方式傳感器（三）側(cè)視雷達(dá)（一）攝影方式傳感器指經(jīng)過透鏡（組），按幾何光學(xué)的成像原理聚焦成像，用感光材料通過光化學(xué)反應(yīng)直接感測和記錄目標(biāo)反射的可見光和攝影紅外波段電磁輻射能，在膠片或像紙上形成目標(biāo)物固化影像的傳感器。優(yōu)點：空間分辨率高、成本低、操作易，信息容量大缺點：①局限在0.3—1.3波譜段，②影像幾何畸變嚴(yán)重，③成像受氣候、光照條件和大氣效應(yīng)的限制。④不便于數(shù)字處理攝影方式傳感器的種類１幀幅式（像幅式）攝影機(jī)可用于全色、近紅外、彩色、彩紅外攝影，有單鏡頭和多鏡關(guān)方式，多鏡頭方式是在一架相機(jī)中同時裝有3、5或9個鏡頭和暗盒，多鏡頭的光軸交叉成一固定角度。可同時曝光同時攝取幾張像片.２全景攝影機(jī)具有120視角的超廣角鏡頭，并在鏡頭前裝有旋轉(zhuǎn)棱鏡，或通過鏡頭自身旋轉(zhuǎn)，在與飛行方向垂直的方向上進(jìn)行廣角攝影。膠片壓成圓弧狀。這種攝影機(jī)能在一飛行中拍攝大面積景物.攝影方式傳感器的種類３條幅式攝影機(jī)在飛機(jī)飛行時，采用微小寬度的狹縫獲取地面影像，它的膠片卷動速度與飛行速度相匹配，顯然，其影像是由一條條狹縫影像連接而成。多光譜攝影機(jī)使用不同光譜段的濾光片和不同感光特性的膠片相配合，同步拍攝同一地區(qū)不同波段的黑白相片，一般是分綠、紅、近紅外三個波段攝影。三個波段可合成彩色圖像（二）掃描方式傳感器特點1、多波段掃描儀——MSS2、主題掃描儀——TM3、紅外掃描儀4、固體掃描儀特點：(１)能探測0.3—14，從紫外到熱紅外的波段，可以同時獲取數(shù)個乃至數(shù)百個窄波段的多波段、超多波段數(shù)據(jù)，大大提高了波譜分辨率(２)輸出為電信號，可用磁帶記錄，并能實時傳輸。(３)所獲是的數(shù)據(jù)是輻射量的定量數(shù)據(jù)，便于較正，數(shù)字增強(qiáng)１多波段掃描儀（MSS）同時采用若干個波段通道，用掃描方式來探測地物電磁輻射能量的光學(xué)——機(jī)械掃描儀。掃描鏡分光棱鏡檢測器輸出或存盤工作原理：(1)通過收集器的掃描和反光鏡的反射逐點收集地面輻射光譜(2)通過分光棱鏡將地面的輻射光譜分離成依次排列的譜線。(3)通過檢測器的光敏元件檢波和光電轉(zhuǎn)換，把不同光譜的地面強(qiáng)度分波段計錄下來。(4)掃描鏡在垂直于前進(jìn)的方向上來回擺動，橫掃地面，掃描鏡掃描的頻率與飛行速度相匹配。計錄下來的信息即構(gòu)成一條連續(xù)的地面影像帶。美國陸地衛(wèi)星使用的多光譜掃描儀有4個譜段，每個譜段有6個排成一列的檢測器.掃描鏡每擺一次，每個譜段就有6條掃描線產(chǎn)生，共24個檢測同步接收來自地面的輻射能，并將之轉(zhuǎn)化為視頻信號輸出。掃描方式傳感器2、專題制圖儀（TM）是第二代光學(xué)機(jī)械掃描儀，與MSS不同的是：(1)它采用了雙向掃描，即正掃與反掃均為有效掃描，使感測時間倍增.(2)同時探測器的靈敏度提高.(3)探測器裝在焦平面上,減少了圖像的變形.使地面分辨率提高了一倍多（30m）.3、紅外掃描儀結(jié)構(gòu)與工作方式與多波段掃描儀大體相同，只是采用了相應(yīng)的紅外探測器。4、固體掃描儀1)成像過程與原理采用電荷耦合器件（CCD）作探測原件，并將許多固體探測元件裝置成與衛(wèi)星前進(jìn)方向垂直的列。探測原件的數(shù)目等于掃描線上的像元素，每一個元件探測掃描線上的一個點，一條掃描線上的像元同時成像。隨衛(wèi)星運行，掃描線前推移，就得到連續(xù)帶狀圖像，故又稱推掃式掃描儀。2)固體掃描儀特點：革除了光機(jī)掃描儀的一維行掃描，它沒有最易發(fā)生故障的機(jī)械掃動結(jié)構(gòu)，體積小，分辨率高、工作效率及數(shù)據(jù)的質(zhì)量都得到很大提高，是新一代的傳感器。法國SPOT-1的高分辨率可見光推掃式掃描儀（HRV）的多光譜成像器地面分辨率為20米，全色波段為10m，是目前分辨率較高的星載民用掃描儀。新一代傳感器均采用該技術(shù)。（三）、側(cè)視雷達(dá)特點：①為主動式傳感器，工作波段為微波：，可全天候工作②側(cè)視雷達(dá)記錄的是地面物體對微波脈沖的散射強(qiáng)度，由于它是側(cè)視的，故當(dāng)?shù)匦蔚胤髸r，會受地形障礙而形成死角。工作原理：由機(jī)載脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的微波脈沖經(jīng)空向天線向地面目標(biāo)發(fā)射，一次向側(cè)面垂直于飛機(jī)航向方向發(fā)射一扇形窄帶之后，并由天線接收地面目標(biāo)反射的回波，接回波的時間先后定位經(jīng)接收機(jī)檢波后由指示器顯示出地面目標(biāo)圖像。再由以相應(yīng)速度卷動的膠片計錄下來。(詳細(xì)內(nèi)容在后續(xù)章節(jié)中介紹)第三節(jié)、遙感地面系統(tǒng)和遙感信息的傳輸一、地面系統(tǒng)二、遙感信息的傳輸一、地面系統(tǒng)星體從發(fā)射時起，直到在空間連續(xù)運轉(zhuǎn)，地面一直需要有龐大的系統(tǒng)來指揮、控制、保障和配合它的工作。這種地面系統(tǒng)通常由站網(wǎng)、空間控制中心、遙感數(shù)據(jù)處理與管理中心組成。１、站網(wǎng)２、空間控制中心3、數(shù)據(jù)資料中心１、站網(wǎng)1）跟蹤站:分固定型和流動型兩種，對星體進(jìn)行長期監(jiān)視和觀測，執(zhí)行跟蹤與觀測任務(wù)，并把所測的軌道數(shù)據(jù)及時提供空間控制中心，用以計算星體的空間軌道及其軌道變化。2）接收站:它執(zhí)行兩項主要任務(wù)，一是指揮和控制星體工作；二是接收星體傳送下來的遙感圖象信息及其有關(guān)數(shù)據(jù)接收站通過拋物面