《遙感基礎(chǔ)》課件-項(xiàng)目四 遙感傳感器及其成像原理

遙感技術(shù)應(yīng)用任務(wù)一遙感傳感器任務(wù)二遙感傳感器成像原理項(xiàng)目四遙感傳感器及其成像原理主要任務(wù)主要內(nèi)容一、傳感器的定義二、傳感器的組成三、傳感器的分類(lèi)四、傳感器的性能指標(biāo)任務(wù)三、遙感傳感器與成像原理任務(wù)一遙感傳感器

傳感器器是遙感技術(shù)系統(tǒng)的核心部分。

傳感器的性能制約著整個(gè)遙感系統(tǒng)的能力，包括遙感器對(duì)電磁波波段的響應(yīng)能力（探測(cè)靈敏度和波譜分辨率）、遙感器的空間分辨率及影像的幾何特性、遙感器獲取地物的電磁波信息的大小和可靠程度。

傳感器也稱(chēng)遙感器或探測(cè)器，是收集、探測(cè)、記錄地物電磁波輻射信息的工具。一、傳感器的定義傳感器的組成收集器：收集來(lái)自地物的輻射能量。常見(jiàn)有透鏡組、反射鏡組、天線(xiàn)等。探測(cè)器：將收集的輻射能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能或電能。如感光膠化，光電二極管，光敏和熱敏探測(cè)元件等。處理器：將探測(cè)后的化學(xué)能或電能等信號(hào)進(jìn)行處理，即數(shù)字信號(hào)的放大、增強(qiáng)或調(diào)制。如：顯影及定影，信號(hào)放大，變換甚至校正和編碼等。輸出器：將獲取的信息輸出。如：掃描曬像儀、陰極射線(xiàn)管、電視顯像管、磁帶記錄儀等。二、傳感器的組成

收集器探測(cè)器處理器輸出器二、傳感器的組成人工輻射源向目標(biāo)物發(fā)射輻射能量，然后接收目標(biāo)物反射回來(lái)的能量，如雷達(dá)。接收地物反射的太陽(yáng)輻射或地物本身的熱輻射能量，如攝影機(jī)、多光譜掃描儀（MSS、TM、ETM、HRV）。主動(dòng)遙感傳感器:被動(dòng)遙感傳感器:1.按電磁波輻射來(lái)源三、傳感器的分類(lèi)2.按成像原理和所獲取圖象性質(zhì)

攝影方式傳感器：掃描方式傳感器：雷達(dá)：按感光膠片性質(zhì)不同分為：黑白、天然彩色、紅外、彩紅外和多波段攝影等。按掃描成像方式分為：光機(jī)掃描儀、推帚式掃描儀和成像光譜儀。按天線(xiàn)形式分為側(cè)視雷達(dá)和合成孔徑側(cè)視雷達(dá)。三、傳感器的分類(lèi)3.按是否成像圖像方式傳感器：非圖像方式傳感器：地物的電磁波能量強(qiáng)度用圖像的形式表示。如航空攝像機(jī)、掃描儀、成像光譜儀和成像雷達(dá)等。所探測(cè)到的地物電磁波能量強(qiáng)度用數(shù)字或曲線(xiàn)圖形表示。如微波輻射計(jì)和微波高度計(jì)。三、傳感器的分類(lèi)

傳感器是遙感技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響遙感成果的好壞。反映傳感器性能的指標(biāo)主要：

1.空間分辨率

2.光譜分辨率

3.輻射分辨率

4.時(shí)間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)空間分辨率又稱(chēng)地面分辨率（groundresolution），指遙感影像上能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元的尺寸或大小，是用來(lái)表征影像分辨地面目標(biāo)細(xì)節(jié)能力的指標(biāo)。1.空間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)

對(duì)于攝影影像，通常用單位長(zhǎng)度內(nèi)包含可分辨的黑白“線(xiàn)對(duì)”數(shù)表示（線(xiàn)對(duì)/mm），表示在地面的覆蓋寬度；對(duì)于掃描影像，通常用瞬時(shí)視場(chǎng)角（IFOV）的大小來(lái)表示（mrad），即像元（pixelsize），是掃描影像中能夠分辨的最小面積，即像元所對(duì)應(yīng)的地面實(shí)際尺寸。1.空間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)不同遙感目的所要求的空間分辨率1.空間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)

光譜分辨率是指遙感器所能記錄的電磁波譜中，某一特定的波長(zhǎng)范圍值，波長(zhǎng)范圍值越寬，光譜分辨率越低。

一般來(lái)講，衡量遙感器光譜分辨能力大小還不僅僅單指其記錄波段的范圍值，還要考慮其記錄的波段數(shù)量和整體波長(zhǎng)范圍。遙感器記錄的波段數(shù)越多，波段寬度越窄，地面物體的信息區(qū)分和識(shí)別，針對(duì)性越強(qiáng)。2.光譜分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)光譜分辨率在遙感中的意義：（1）提高了對(duì)地物的識(shí)別程度；（2）在圖像處理中多光譜信息的利用可以提高分析判斷效果。

對(duì)于特定的目標(biāo)，選擇的遙感器并非波段越多越好，波譜分辨率越高，效果就越好，而要根據(jù)目標(biāo)的光譜特性和必要的地面分辨率來(lái)綜合考慮。2.光譜分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)

輻射分辨率是表征遙感器所能探測(cè)到的最小輻射功率的指標(biāo)，歸結(jié)到影像上是指影像記錄灰度值的最小差值。3.輻射分辨率攝影成像：灰度連續(xù)掃描成像：灰度離散，分級(jí)記錄，2n級(jí)?；叶燃?jí)別越多，輻射分辨率就越高。四、傳感器的性能指標(biāo)

遙感影像的時(shí)間分辨率指對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行遙感采樣的時(shí)間間隔，即采樣的時(shí)間頻率。例：靜止氣象衛(wèi)星半小時(shí)/次、陸地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星幾天或幾周/次、航空攝影幾個(gè)月或幾年/次。4.時(shí)間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)遙感影像時(shí)間分辨率分類(lèi)：①超短、短周期時(shí)間分辨率指一天的變化，以小時(shí)計(jì)。主要指氣象衛(wèi)星所獲得的信息，用來(lái)探測(cè)大氣，海洋物理現(xiàn)象，火山爆發(fā)，植物病蟲(chóng)害，森林火災(zāi)，污染源監(jiān)控。4.時(shí)間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)遙感影像時(shí)間分辨率分類(lèi)：②中周期時(shí)間分辨率指一年的變化，以日或月為單位。主要指陸地衛(wèi)星信息用以探測(cè)植物的季相節(jié)律，再生資源調(diào)查，旱澇，氣候?qū)W，大氣動(dòng)力學(xué)，海洋動(dòng)力學(xué)等。4.時(shí)間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)遙感影像時(shí)間分辨率分類(lèi)：③長(zhǎng)周期時(shí)間分辨率以年為單位，通過(guò)時(shí)間序列的對(duì)比來(lái)反映不同時(shí)間的軌跡。如：湖泊的消長(zhǎng)，河道的遷徙、海岸的進(jìn)退，城市的擴(kuò)展，資源的變化，兩極冰川的進(jìn)退、氣候的演變等。4.時(shí)間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)時(shí)間分辨率在遙感中的意義：①進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)如：我國(guó)利用氣象衛(wèi)星云圖進(jìn)行天氣、海況、漁情監(jiān)測(cè)。再如：英國(guó)利用氣象衛(wèi)星與氣象雷達(dá)相結(jié)合進(jìn)行臺(tái)風(fēng)或暴雨形成與晴空湍流的檢測(cè)預(yù)報(bào)，時(shí)間分辨率要求可達(dá)到1小時(shí)甚至幾十分鐘，他們用雷達(dá)確定云的移動(dòng)速度，水滴的大小，云頂高度等參數(shù)，推測(cè)該云團(tuán)的輸水量，來(lái)預(yù)報(bào)2小時(shí)內(nèi)的天氣變化，并控制水庫(kù)的閘門(mén)。4.時(shí)間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)②進(jìn)行自然歷史變遷和動(dòng)力學(xué)分析如：湖北江漢平原“云夢(mèng)澤”曾有2000多個(gè)湖泊，解放前夕的地圖上還保留有609個(gè)湖，但現(xiàn)在在衛(wèi)星圖象上核實(shí)僅留下300多個(gè)，并且湖廓齊線(xiàn)發(fā)生了變化，原有小湖消失，中等湖泊部分不復(fù)存在，即使洪湖，大同湖這樣的大湖也被肢解破碎。如：北京城的變遷，原址薊縣。時(shí)間分辨率在遙感中的意義：4.時(shí)間分辨率率四、傳感器的性能指標(biāo)③更新數(shù)據(jù)庫(kù)，形成時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)庫(kù)的重要信息源，是數(shù)字地球的重要技術(shù)支持之一。時(shí)間分辨率在遙感中的意義：4.時(shí)間分辨率四、傳感器的性能指標(biāo)任務(wù)一遙感傳感器任務(wù)二遙感傳感器成像原理項(xiàng)目四遙感傳感器及其成像原理主要任務(wù)主要內(nèi)容一、掃描型傳感器成像原理二、微波遙感及傳感器成像任務(wù)三、遙感傳感器與成像原理任務(wù)二遙感傳感器成像原理

光學(xué)攝影是將收集到的地物反射光在感光膠片上直接曝光成像；攝影像片一般記錄波長(zhǎng)在1.1μm以?xún)?nèi)的電磁波輻射能量，另外航天攝影時(shí)采用攝影型相機(jī)的衛(wèi)星所帶膠片有限，這類(lèi)遙感衛(wèi)星壽命也較短，因此，攝影成像的應(yīng)用范圍受到了較大的限制。一、掃描型傳感器成像原理20世紀(jì)50年代以來(lái)，產(chǎn)生了一種新興的探測(cè)成像技術(shù)——掃描成像技術(shù)。

光電掃描類(lèi)型傳感器將探測(cè)范圍可以從可見(jiàn)光到整個(gè)紅外區(qū)，將收集到的電磁波能量通過(guò)儀器內(nèi)的光敏或熱敏元件轉(zhuǎn)變成電能后再記錄下來(lái)。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。常見(jiàn)的掃描式的傳感器：光機(jī)掃描儀、推帚式掃描儀和高光譜成像光譜儀。一、掃描型傳感器成像原理收集器:收集地面電磁波輻射信息。分光器:將收集器收集的地面電磁波信息分解成所需要的光譜成分。探測(cè)器:探測(cè)分光后的電磁波并把電磁波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。處理器:輸出器:1.光機(jī)掃描儀需探測(cè)器出來(lái)的低電平信號(hào)，需放大和限制帶寬。將探測(cè)器輸出的信號(hào)記錄在處理后的膠片或磁帶上。一、掃描型傳感器成像原理光機(jī)掃描儀1.光機(jī)掃描儀一、掃描型傳感器成像原理1.光機(jī)掃描儀

光機(jī)掃描儀全稱(chēng)是光學(xué)機(jī)械掃描儀，它是借助于遙感平臺(tái)沿飛行方向運(yùn)動(dòng)和遙感器自身光學(xué)機(jī)械橫向掃描達(dá)到地面覆蓋，得到地面條帶圖像的成像裝置。分為紅外掃描儀和多光譜掃描儀（MSS)。一、掃描型傳感器成像原理2.推帚式掃描儀推帚式掃描儀工作原理圖

把許多CCD探測(cè)元件按線(xiàn)性排列方式裝置，并與衛(wèi)星前進(jìn)方向垂直，且裝置的探測(cè)元件的數(shù)目等于掃描線(xiàn)上的像元數(shù)，沿衛(wèi)星前進(jìn)方向推帚式掃描成像。一、掃描型傳感器成像原理2.推帚式掃描儀只要線(xiàn)性排列集成的CCD探測(cè)元件足夠多，這種設(shè)計(jì)就能滿(mǎn)足分辨率越老越高的需求。如：法國(guó)SPOT衛(wèi)星的HRT傳感器每線(xiàn)性列陣有4096個(gè)CCD探測(cè)器，地面分辨率可達(dá)15m，如果有8192個(gè)探測(cè)器，分辨率可提高到7.5m。推帚式掃描儀由于沒(méi)有光機(jī)掃描儀那樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，所以結(jié)構(gòu)上可靠性高，但是由于使用了多個(gè)感光元件把光同時(shí)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所以當(dāng)感光元件之間存在靈敏度差時(shí)，往往產(chǎn)生帶狀噪聲。一、掃描型傳感器成像原理3.高光譜成像光譜儀

通常的多光譜掃描儀將可見(jiàn)光-近紅外波段分割為幾個(gè)或十幾個(gè)波段，我們稱(chēng)為寬波段。當(dāng)分割的波段數(shù)越來(lái)越多，接近于連續(xù)光譜，每個(gè)波段的波長(zhǎng)范圍很窄，我們稱(chēng)為高光譜或窄波段。能記錄高光譜的窄波段數(shù)據(jù)的掃描儀，稱(chēng)為高光譜成像光譜儀。一、掃描型傳感器成像原理3.高光譜成像光譜儀高光譜成像光譜儀能夠得到上百波段的連續(xù)圖像，且每個(gè)圖像像元都可以提取一條光譜曲線(xiàn)。一、掃描型傳感器成像原理3.高光譜成像光譜儀成像光譜儀不是在“點(diǎn)”上的光譜測(cè)量，而是在連續(xù)空間上進(jìn)行光譜測(cè)量，因此它是光譜成像的；成像光譜儀的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域“成像無(wú)光譜”和“光譜不成像”的歷史問(wèn)題。

目前高光譜成像光譜儀主要應(yīng)用于航空遙感，在航天遙感領(lǐng)域也開(kāi)始應(yīng)用高光譜。一、掃描型傳感器成像原理

微波是20世紀(jì)90時(shí)代迅速發(fā)展起來(lái)的遙感技術(shù)，它具有不同于可見(jiàn)光和近紅外遙感的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。1.微波的基本知識(shí)

在電磁波譜中，微波的波長(zhǎng)是1~1000mm的波段范圍。微波遙感是指通過(guò)微波傳感器獲取從目標(biāo)地物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過(guò)判斷處理來(lái)識(shí)別地物的技術(shù)。二、微波遙感及傳感器成像（1）全天候，全天時(shí)成像；（2）對(duì)某些地物有特殊的波譜特征，如微波在水中的比輻射率為0.4，而在冰中的比輻射率為0.99；（3）對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力，所以對(duì)探測(cè)隱藏于林下的地形、地質(zhì)構(gòu)造、軍事目標(biāo)，以及埋藏于地下的工程、礦藏、地下水等有重要意義；（4）對(duì)海洋遙感有特殊意義。因海上云霧較多所以微波探測(cè)限制不少，此外還可以探測(cè)海洋，洋流；（5）微波遙感器成像的投影方式屬于距離投影。（6）分辨率低，但特性明顯。2.微波遙感的特點(diǎn)二、微波遙感及傳感器成像2.微波遙感的特點(diǎn)微波遙感的弱點(diǎn)：（1）不能記錄與顏色有關(guān)的信息，記錄的某些地物信息屬于人的視覺(jué)不可見(jiàn)信息，因此微波遙感的解譯比較困難；（2）遙感器系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜而龐大，價(jià)格昂貴，因此目前微波遙感資料的商品化程度低；（3）影像變形情況復(fù)雜，幾何校正過(guò)程復(fù)雜，技術(shù)難度高。二、微波遙感及傳感器成像微波遙感分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式微波遙感是通過(guò)向目標(biāo)地物發(fā)射微波并接收其后散射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀(guān)測(cè)的遙感方式。其特點(diǎn)：傳感器自身發(fā)射微波輻射，并接收從目標(biāo)反射或散射回來(lái)的電磁波，與目標(biāo)、背景的發(fā)射率無(wú)關(guān)，與日照變化也無(wú)關(guān)，圖像較穩(wěn)定、清晰、易于識(shí)別。例如：雷達(dá)、側(cè)視雷達(dá)、合成孔徑側(cè)視雷達(dá)。3.微波遙感的分類(lèi)二、微波遙感及傳感器成像微波遙感分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)微波遙感是本身不發(fā)射電磁波，只靠接收地物和其背景發(fā)射或反射的微波能量來(lái)探測(cè)目標(biāo)特性。地面地物的受太陽(yáng)輻射的影響比較大，其成像受時(shí)間和大氣條件的限制。例如：微波輻射計(jì)。3.微波遙感的分類(lèi)微波輻射計(jì)主要用于接收地面各點(diǎn)發(fā)射的微波信號(hào)，其強(qiáng)度與自身的亮度溫度有關(guān)，并生成對(duì)應(yīng)亮度溫度圖像。二、微波遙感及傳感器成像3.微波遙感的分類(lèi)按其成像分類(lèi)：非成像微波遙感和成像微波遙感。（1）非成像遙感器非成像遙感器一般屬于主動(dòng)式遙感系統(tǒng)。通過(guò)發(fā)射裝置發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，再通過(guò)接收回波信號(hào)測(cè)定參數(shù)這種設(shè)備不以成像為目的。例如：微波散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)。微波散射計(jì)：測(cè)量地物表面（或體積）的散射或反射特性。雷達(dá)高度計(jì)：測(cè)量目標(biāo)物與遙感平臺(tái)的距離，從而可以準(zhǔn)確得知地表高度的變化、海浪的高度等參數(shù)，在飛機(jī)、航天器、海洋衛(wèi)星中廣泛應(yīng)用。二、微波遙感及傳感器成像3.微波遙感的分類(lèi)按其成像分類(lèi)：非成像微波遙感和成像微波遙感。（2）成像遙感器成像微波遙感器的共同特征是獲得在地面掃描所得到帶有地物信息的電磁波信號(hào)并形成圖像。遙感器有主動(dòng)遙感：如側(cè)視雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)；也有被動(dòng)遙感：微波輻射計(jì)。微波輻射計(jì)主要用于接收地面各點(diǎn)發(fā)射的微波信號(hào)，其強(qiáng)度與自身的亮度溫度有關(guān)，并生成對(duì)應(yīng)亮度溫度圖像。二、微波遙感及傳感器成像3.微波遙感的分類(lèi)按其成像分類(lèi)：非成像微波遙感和成像微波遙感。（2）成像遙感器真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)：以實(shí)際孔徑天線(xiàn)進(jìn)行工作的雷達(dá)。合成孔徑側(cè)視雷達(dá)：利用遙感平臺(tái)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，將小孔徑的天線(xiàn)安裝在平臺(tái)的側(cè)方，以代替大孔徑的天線(xiàn)，提高方位分辨率的雷達(dá)。二、微波遙感及傳感器成像

天線(xiàn)裝在飛機(jī)或衛(wèi)星的側(cè)面，發(fā)射天線(xiàn)向平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的側(cè)面發(fā)射一束寬度很窄的脈沖電磁波，然后接收從目標(biāo)地物反射回來(lái)的后向散射波，進(jìn)而從接收的信號(hào)中獲取地表的圖像。由于地面各點(diǎn)到平臺(tái)的距離不同，地物后向反射信號(hào)被天線(xiàn)接收的時(shí)間也不同，依它們到達(dá)天線(xiàn)的先后順序記錄，即距離近者先記錄，距離遠(yuǎn)者后記錄，這樣根據(jù)后向反射回電磁波的返回時(shí)間排列就可以實(shí)現(xiàn)距離方向的掃描。通過(guò)平臺(tái)的前進(jìn)，掃描面在地面上移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)方位方向的掃描。4.真實(shí)孔徑雷達(dá)（RAR）二、微波遙感及傳感器成像4.真實(shí)孔徑雷達(dá)（RAR）真實(shí)孔徑雷達(dá)的分辨率包括距離分辨率和方位分辨率。距離分辨率是在脈沖發(fā)射的方向上，能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離。方位分辨率是在雷達(dá)飛行方向上，能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離。二、微波遙感及傳感器成像4.真實(shí)孔徑雷達(dá)（RAR）距離分辨率是在脈