04第四章 傳感器.ppt

1、第四章 傳感器,遙感技術(shù)的核心,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 四、傳感器的性能指標(biāo) 五、攝影型傳感器 六、掃描方式的傳感器,傳感器是收集、探測(cè)、記錄地物電磁波輻射信息的工具。它遙感技術(shù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵設(shè)備。 它的性能決定遙感的能力，即傳感器對(duì)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。,一、傳感器的定義,遙感傳感器由四個(gè)基本部件組成： 收集器。如透鏡組、反射鏡組、天線、棱鏡。 探測(cè)器。如感光膠片、光電管、光敏和熱敏探測(cè)元件。 處理器。如攝影處理裝置和電子處理裝置。 輸出器。如掃描曬像儀、陰極攝像管、電視顯

2、像管等。膠片和磁帶。,二、傳感器的組成,電磁波能量,化學(xué)能或電能,傳感器的記錄信息的形式:,數(shù)字影像：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：基于光學(xué)原理，利用感光膠片來曝光成像，通過光學(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。 A-analog signals; D-digital signals.,三、（4.1）傳感器的類型,按數(shù)據(jù)記錄方式劃分：非成像方式、成像方式（光學(xué)類 （攝影成像類） 、掃描類 （掃描成像類） 按波段劃分：可見光、紅外、微波 按工作方式劃分：被動(dòng)（光學(xué)

3、攝影類、光電成像類、成像光譜儀）、主動(dòng)（側(cè)視雷達(dá)、全景雷達(dá)）,四、（4.2）傳感器的性能,（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，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，用來表征分辨目標(biāo)細(xì)節(jié)能力的指標(biāo)。通常用像元（像素）大小、像解率或視場(chǎng)角表示。 像元（pixel），單位：米，越小空間分辨率越高； 像解率，對(duì)于光學(xué)影像像片，單位距離內(nèi)能分辨的線寬或間隔相等的平行細(xì)線的條數(shù)來表示，單位：線/毫米，越大空間分辨率越高； 瞬時(shí)視場(chǎng)是指在掃描成像過程，一個(gè)光敏探測(cè)元件通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)投影到地面上的直徑或邊長(zhǎng)。,最具實(shí)用意義的指標(biāo)是傳感器的分辨率，包括空間、時(shí)間

4、、光譜、溫度分辨率。,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TM15，7波段的一個(gè)象素（pix）代表地面28.5米28.5米，或概略地說它的空間分辨率為30米，在1：10萬圖像上影像分辨率為0.3mm，在1：20 萬圖像上則為？。,（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（見下表） 光譜分辨率變化幅度與遙感類型的關(guān)系 Mss: 1002000n

5、m；成像光譜儀：510nm。一般來說，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。,（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landsat 16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

6、,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。,五、（4.3）光學(xué)成像（攝影）類型傳感器,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、可見光到近紅外（0.321.3微米）之間，通過光學(xué)系統(tǒng)采用膠片或磁帶記錄地物的反射光譜能量。工作平臺(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。 用于遙感的光學(xué)相機(jī)有以下幾種類型： 框幅式攝影機(jī)（分幅式攝影機(jī)）； 縫隙式攝影機(jī)（又稱航帶攝影機(jī)） ； 全景攝影機(jī)（又稱掃描攝影機(jī) ）； 多光譜攝影機(jī) 。,分幅式攝影機(jī),縫隙式攝影機(jī),全景攝影機(jī),多光譜攝影機(jī),多光譜攝影機(jī)有三種類型：

7、多相機(jī)組合型、多鏡頭組合型和光束分離型。,分幅式攝影機(jī),根據(jù)攝影的目的要求不同，相機(jī)的鏡頭透鏡可用常角（視場(chǎng)角50-70）、寬角（視場(chǎng)角70-105）和特寬角鏡頭（視場(chǎng)角105-135）。在同樣平臺(tái)高度的情況下，視場(chǎng)角愈大，覆蓋地面范圍愈大。 鏡頭與焦平面的距離為該相機(jī)的焦距，焦距f200mm為長(zhǎng)焦距?，F(xiàn)在常用的航空攝影相機(jī)的焦距在150mm左右。用于航天的攝影機(jī)的焦距需要大于300mm，甚至大于1000mm的。 一般的遙感攝影機(jī)鏡頭中心的光學(xué)分辨率通常在70-100線對(duì)/mm。分幅式攝影機(jī)拍攝的地面一般呈長(zhǎng)寬一致的方形。在膠片上形成縮小了的地面影像。 RMKA30/23 航天攝影機(jī)，焦距、像

8、幅、高度、比例尺（？）、范圍。,六、（4.4）光電成像與掃描,光電成像：傳感器將收集到的電磁波能量，通過儀器內(nèi)的光敏或熱敏元件（探測(cè)器），轉(zhuǎn)變成電能后再來記錄下來的成像方式。 優(yōu)點(diǎn)為：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 該類型傳感器：電視攝像機(jī)、掃描儀和電荷耦合器件CCD，其中以多光譜掃描儀和CCD應(yīng)用最為廣泛。,掃描成像是指依靠探測(cè)元件和掃描鏡對(duì)目標(biāo)物以瞬間視場(chǎng)為單位進(jìn)行的逐點(diǎn)、逐行取樣，以得到目標(biāo)地物電磁輻射特性信息，形成一定譜段的圖像。,掃描方式,線掃：傳感器來回?cái)[動(dòng)，傳感器擺動(dòng)方向和傳感器運(yùn)動(dòng)方向垂直，一次擺動(dòng)獲得多行數(shù)據(jù)。一般為線陣排列。 推掃：不需要擺動(dòng)掃描鏡，可以推掃方式

9、獲取沿軌道的連續(xù)圖像帶。有線陣和面陣兩種排列方式。例如線陣列推掃式掃描儀Spot HRV(High Resolution Visible range instrument ),推掃,（一）紅外掃描儀,旋轉(zhuǎn)掃描鏡的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)地面橫越航線方向的掃描，并將地面輻射來的電磁波反射到反射鏡組。反射鏡組的作用是將地面輻射來的電磁波聚焦在探測(cè)器上。探測(cè)器則是將輻射能轉(zhuǎn)變成電能。致冷器為了隔離周圍的紅外輻射直接照射探測(cè)器，一般機(jī)載傳感器可使用液氧或液氮致冷。電子處理裝置主要是對(duì)探測(cè)器輸出的視頻信號(hào)放大和進(jìn)行光電變換。輸出端是一個(gè)陰級(jí)射線管和膠片傳動(dòng)裝置。電流強(qiáng)度（視頻信號(hào)）經(jīng)電光變換線路調(diào)制陰極射線管的陰極

10、，這時(shí)陰級(jí)射線管屏幕上掃描線的亮度變化相應(yīng)于地面掃描現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的輻射量變化。膠片曝光后得到掃描線的影像。,上海市中心區(qū)熱紅外掃描圖像 F ig.7 T herm a l in frared im age of Shangha i(cen tra l area),說明：三維成像儀于2000年3月在上海市中心區(qū)飛行獲取的熱紅外掃描圖像、GPS數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了快速處理.這次飛行的高度約為650m,視場(chǎng)角CJFD2001,（二）MSS多光譜掃描儀 （Multispectral Scanner）,利用多個(gè)波段的敏感元件同時(shí)對(duì)地物掃描成像的遙感器。探測(cè)波段：紫外、可見光、紅外波段。,掃描儀每個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)

11、視場(chǎng)為86urad，衛(wèi)星高為915km，因此掃描瞬間每個(gè)像元的地面分辨率為79m x 79m，每個(gè)波段由6個(gè)相同大小的探測(cè)單元與飛行方向平行排列，這樣在瞬間看到的地面大小為474m x 79m。由于掃描總視場(chǎng)為11.56，地面寬度為185km，因此掃描一次每個(gè)波段此取6條掃描線圖像，其地面范圍為474m x185km。又因掃描周期為73.42ms，衛(wèi)星速度(地速)為6.5km/s，在掃描一次的時(shí)間里衛(wèi)星往前正好移動(dòng)474m，因此掃描線恰好銜接。,地速是指飛機(jī)相對(duì)與地面物體的速度 。,Landsat-1，2攜帶的多光譜掃描儀,Landsat7 TM、ETM+傳感器 的波段設(shè)置和光譜效應(yīng),Land

12、Sat15米ETM全色衛(wèi)星影像,.tw/astrolab/mirrors/apod/ap990514.html,舊金山市附近的自然景觀，以及周圍的丘陵地貌 (上方是北方)。三個(gè)可見光波段照片所組合出來的自然色彩影像。,QuickBrid傳感器,多光譜掃描成像，包括1個(gè)全色波段，4個(gè)多光譜波段。全色地面分辨率0.6米，多光譜地面分辨率2.7米。,北京故宮0.6快鳥,北京故宮0.6快鳥,（三）CCD,CCD傳感器(Charge Coupled Device)稱電荷耦合器件，是一種用電荷量表示信號(hào)大小，用耦合方式傳輸信號(hào)的探測(cè)元件。 線陣列CCD推掃式成

13、像儀用平行排列的CCD探測(cè)桿收集地面輻射信息，每根探測(cè)桿由3 000/6 000個(gè)CCD元件呈一字排列，負(fù)責(zé)收集某一波段的地面輻射信息使用線陣列的CCD元件作探測(cè)器，在瞬間能同時(shí)得到垂直航線的一條圖像線，不需要用擺動(dòng)的掃描鏡，像縫隙攝影機(jī)那樣，以“推掃”方式獲取沿軌道的連續(xù)圖像條帶。一幅影像由若干條線影像拼結(jié)而成。 若干個(gè)CCD器件排在一個(gè)矩形中，可構(gòu)成面陣列傳感器，面陣一次得到一個(gè)2維數(shù)字方陣，某一瞬間獲得一幅完整的影像。與框幅式攝影相似,SPOT HRV (High Resolution Visible)傳感器的波段設(shè)置和光譜效應(yīng),在Spot5上增加了HRG傳感器,Wetlands of

14、special state concern (yellow) and submerged aquatic vegetation (green) displayed on SPOT 10-meter panchromatic image of Chesapeake Bay area. This image of Anne Arundel County, Maryland, illustrates MERLINs mapping and data display capabilities and was taken directly from the Web site.,七、4.5成像光譜儀和高光

15、譜分辨率遙感技術(shù)（Imaging Spectrometer）,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。 成像光譜儀基本上屬于多光譜掃描儀，其構(gòu)造與CCD線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區(qū)別僅在于通道數(shù)多，各通道的波段寬度很窄。,高光譜分辨率遙感技術(shù)P116,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)。它以納米級(jí)的超高光譜分辨率和幾十或幾百個(gè)波段同時(shí)對(duì)地物成像，能夠獲得地物的連續(xù)光譜信息。,成像光譜儀的成像特點(diǎn),美國(guó)宇航局“阿卡”(取自拉丁文，意思是“水”。)衛(wèi)星中分辨率成像光譜儀所拍攝到的衛(wèi)星圖片。反映了澳大利