遥感原理与应用RS课件：第4章传感器.ppt

1、 遥感传感器大体上可分为以下一些类型遥感传感器大体上可分为以下一些类型 1 摄影类型的传感器摄影类型的传感器 2 扫描类型的传感器扫描类型的传感器 3 雷达类型的传感器雷达类型的传感器 4 非图像类型的传感器非图像类型的传感器画幅式摄影机画幅式摄影机 真彩色影像真彩色影像 假彩色影像假彩色影像 中心投影中心投影 收集器收集器 探测器探测器 处理器处理器 输出器输出器3-13-1 扫描成像类传感器扫描成像类传感器一一 对物面扫描的成像仪对物面扫描的成像仪(一一)、 红外扫描仪红外扫描仪 1 、 结构 (1)扫描镜扫描镜:对地扫描对地扫描, 轻质材料轻质材料 (2)反射镜组反射镜组:聚焦成像聚焦成

2、像 (3)探测器探测器:光能变为电能光能变为电能 (4)致冷器致冷器:阻挡周围红外光阻挡周围红外光 (5)处理器处理器:信号放大、调制、电信号放大、调制、电光转换、模数转换光转换、模数转换 (6)输出器输出器:胶片、磁带、光盘等胶片、磁带、光盘等 (1) 扫描过程 从左至右从左至右,垂直飞行方向逐点扫描垂直飞行方向逐点扫描,得到一条相应于地面的图像线得到一条相应于地面的图像线 飞机向前运动，第二次扫描得到第二条扫描线飞机向前运动，第二次扫描得到第二条扫描线 (2)(2)空间空间分辨率分辨率 瞬间视场瞬间视场 =d/f 星下点时星下点时: : 空间空间分辨率分辨率 = H= dH/f 扫描角为扫

3、描角为时时: =H =H 0 0secsec=0 0secsec ( (平行航线方向平行航线方向) ) =secsec=0 0secsec2 2 (垂直垂直航线方向航线方向) )(3)(3)温度分辨率温度分辨率 与传感器响应率与传感器响应率R R和系统内的噪声和系统内的噪声N(0.1-0.5K)N(0.1-0.5K)有关有关 dHHos扫描角时分辨率 飞行速度飞行速度 W=/t (扫描一次的时间扫描一次的时间) 当当 Wt=时时,不会出现扫描空隙和重复不会出现扫描空隙和重复 因因 wt= =H, w/H=/t 为常数为常数4 、 热红外像片的特征热红外像片的特征 几何特征几何特征 : 有全景变

4、形有全景变形 ,影像两边景物被压缩影像两边景物被压缩 色调特征色调特征: w=T4 为发射率为发射率 ,T为地物温度为地物温度 温度高温度高,发射率大的地物在影像上色调亮发射率大的地物在影像上色调亮,反之则暗反之则暗. 航空像片航空像片 红外扫描像片红外扫描像片 图图1 午后午后13:00成像成像图图2 凌晨凌晨4:00成像成像 1、扫描仪的结构扫描仪的结构 (1) 扫描反射镜扫描反射镜 摆动频率摆动频率-13.62HZ 总观测视场角总观测视场角-11.56 (2)(2) 反射镜组反射镜组 由主反射镜和次反射镜组成由主反射镜和次反射镜组成 作用：将扫描镜接反射进入的地面景物聚集在作用：将扫描镜

5、接反射进入的地面景物聚集在 成像面上成像面上32456飞飞行行方方向向1扫描方向扫描方向0.5-0.6m0.7-0.8m0.6-0.7m0.8-1.1m10.4-12.6m波段波段 4 5 6 7 84 5 6 7 8 作用作用：将辐射能转变成电信号输出：将辐射能转变成电信号输出 MSS 4，5，6 采用采用18个光电倍增管个光电倍增管 MSS 7 使用六个硅光电二极管使用六个硅光电二极管MSS 8 采用采用2个汞镉碲热敏感探测器个汞镉碲热敏感探测器 Landsat1-3Landsat1-3有五个波段有五个波段MSS4(MSS4(绿绿) )、MSS5(MSS5(红红) )、MSS6 (MSS6

6、 (红外红外) )、MSS7 (MSS7 (红外红外) )、MSS8(MSS8(热红外热红外) ) (5) (5) 输出输出 数字影像数字影像 (2340(2340行行23402340列列) ) 采样后影像分辨率为 57M79M (1) (1) 扫描瞬间扫描瞬间 像元的地面分辨力像元的地面分辨力=瞬时视场瞬时视场卫星高卫星高 79m=86rad915km， 六个相同大小的探测元在瞬间看到的地面大小为六个相同大小的探测元在瞬间看到的地面大小为 474m79m (2)(2)扫描一次扫描一次 扫描总视场：扫描总视场：11.56 地面宽度：地面宽度：185km六条扫描线图像的地面范围：六条扫描线图像的

7、地面范围：474mX185km (3)(3)扫描线衔接扫描线衔接 因扫描周期为因扫描周期为73.42ms 卫星速度（地速）为卫星速度（地速）为6.5km/s474m= 73.42ms 6.5km/s 在扫描一次的时间里卫星往前正好移动在扫描一次的时间里卫星往前正好移动474m，扫描线恰好衔接，扫描线恰好衔接 飞行方向飞行方向123456123456主 动 扫 描 回 扫 474MMSS 扫描成像过程扫描成像过程 (1)(1)几何特征几何特征 MSSMSS影像与红外扫描仪影像一样影像与红外扫描仪影像一样, ,存在存在全景变形全景变形 (2)(2)波谱特征波谱特征 Landsat1-3Landsa

8、t1-3有五个波段有五个波段MSS4(MSS4(绿绿) )、MSS5(MSS5(红红) )、MSS6 (MSS6 (红外红外) )、MSS7 (MSS7 (红外红外) )、MSS8(MSS8(热红外热红外) ) 同样的地物在不同波段的影像上有不同的灰度值同样的地物在不同波段的影像上有不同的灰度值 多波段影像可彩色多波段影像可彩色( (假彩色假彩色) )合成合成识别识别地物地物 也可画出波谱响应曲线也可画出波谱响应曲线识别识别. 1、探测器 探测器共有探测器共有100个个,分分七个七个 波段波段呈呈错开排列错开排列 TM15及及TM7的探测器的探测器 有有16个个,每个的瞬时视每个的瞬时视场在地

9、面场在地面上为上为3030 TM6的探测器有的探测器有4个个,每个的每个的瞬时视场在地面上为瞬时视场在地面上为 120120 TM中中增加一个扫描改正器增加一个扫描改正器,使扫描行垂直于飞行轨道使扫描行垂直于飞行轨道 （MSS扫描不垂直于飞行轨道）扫描不垂直于飞行轨道） 往返往返双向双向都对地面扫描都对地面扫描 （MSS仅单向扫描）仅单向扫描） 半个扫描周期，即单向扫描所用的时间为半个扫描周期，即单向扫描所用的时间为71.46ms，卫星正好飞过地面卫星正好飞过地面480m，下半个扫描周期获取的，下半个扫描周期获取的16条图条图像线正好与上半个扫描周期的图像线像线正好与上半个扫描周期的图像线衔接

10、衔接 (1)(1)几何特征几何特征 存在存在全景变形全景变形, ,空间分辨力为空间分辨力为30m30m3030m m (2)(2)波谱特波谱特征征 通道通道波长波长m 特征特征TM1 蓝蓝0.45-0.52清洁水清洁水、针叶林、针叶林TM2 绿绿0.52-0.60植物植物TM3 红红0.63-0.69土壤土壤、地质边界、地质边界TM4 红外红外0.70-0.9植物植物TM5 红外红外1.55-1.75干旱干旱、NDVINDVITM6 热红外热红外10.4-12.6植物植物、热惯量、热惯量TM7红外红外2.08-2.35植物植物、地质、地质 TM1波段（波段（0.45-0.52微米）：用于区别土

11、壤微米）：用于区别土壤 植被，区别各种农作物。植被，区别各种农作物。 TM2波段（波段（0.52-0.60微米）：正常农作物绿微米）：正常农作物绿光反射区。光反射区。 TM3波段（波段（0.63-0.69微米）：是农作物覆盖微米）：是农作物覆盖度、作物叶绿素吸收光度、作物叶绿素吸收光 谱分析的谱分析的最佳范围。最佳范围。 TM4波段（波段（0.76-0.90微米）：可用于测定微米）：可用于测定 各种植物的生物量。各种植物的生物量。 TM5波段（波段（1.55-1.75微米）：可用于作物微米）：可用于作物 生长期内叶绿素浓度、水分含量生长期内叶绿素浓度、水分含量 的推定和作物分类，监测作物需的推

12、定和作物分类，监测作物需 水状况和土壤墒情。水状况和土壤墒情。 TM6波段（波段（10.4-12.5微米）：可用于作物微米）：可用于作物热异常和地表热分布探测。热异常和地表热分布探测。 TM7波段（波段（2.08-2.35微米）：可用于土壤微米）：可用于土壤类型、作物水分状况等研究。类型、作物水分状况等研究。 ETM+与TM相比在以下三方面作了改进 1: 增加全色波段增加全色波段,分辨率分辨率15M 2: ETM+6波段分辨率提高到波段分辨率提高到60M 3 : 辐射定标精度较辐射定标精度较Landsat5提高提高1倍倍 HRV HRV线阵列推扫式扫描仪线阵列推扫式扫描仪 1 1、HRVHRV

13、的结构和成像原理的结构和成像原理 (1)(1)结构结构 HRVHRV是一种线阵列是一种线阵列推扫式推扫式扫描仪扫描仪 电磁波反射到反射镜组，后聚焦在电磁波反射到反射镜组，后聚焦在 CCD线阵列件上线阵列件上 CCD的输出端以一路时序视频信号输出的输出端以一路时序视频信号输出 (二二) 对像面扫描的成像仪对像面扫描的成像仪 (2)(2)成像成像 以以“推扫推扫”方式获取沿轨道的连续图像条带。方式获取沿轨道的连续图像条带。 SPOT- 4上的上的HRV分成分成两种形式两种形式 多光谱型的多光谱型的HRV 地面上总的视场宽度为地面上总的视场宽度为60km 三个谱段三个谱段,每个波段探测器组由每个波段

14、探测器组由3000个个CCD元件组成元件组成 每个元件形成的像元，相对地面上为每个元件形成的像元，相对地面上为20m20m 全色的全色的HRV 波段范围波段范围0.510.73m, 6000个个CCD元件组成一行元件组成一行 每个像元地面的大小为每个像元地面的大小为10m10m SPOT-4可形成邻轨立体可形成邻轨立体, SPOT-5可形成同轨立可形成同轨立体体SPOT5可提供分辨率为可提供分辨率为20米、米、10米、米、5米、米、 2.5米米的影像的影像获取获取120公里宽的全色和多光谱影像公里宽的全色和多光谱影像 SPOT5号卫星能在每号卫星能在每5天内重访同一地天内重访同一地点。点。 增

15、强后的星上处理能力使得增强后的星上处理能力使得SPOT5号号卫星能同时获取卫星能同时获取120公里宽的全色和多光谱公里宽的全色和多光谱影像影像 SPOT5号卫星上的每个传感器只有一号卫星上的每个传感器只有一个线性阵列，而个线性阵列，而SPOT1-4号则有号则有4个，个， 这个这个革新大大简化了焦平面的设计，使得将来更革新大大简化了焦平面的设计，使得将来更容易地添加波段。容易地添加波段。B1、B2、B3波段使用包波段使用包含含12000个微型感应器件的传感器，全色图个微型感应器件的传感器，全色图像则是用两个像则是用两个12000的传感器来获取的。的传感器来获取的。 (1)(1)几何特征几何特征

16、SPOTSPOT影像影像不存在不存在全景变形全景变形, ,SPOT5SPOT5的的PANPAN波段经处理波段经处理, ,分辨分辨率可达到率可达到2.5M 另外另外IKONOS IKONOS 、QuickBird QuickBird 、OrbViewOrbView也是也是CCDCCD成像的成像的, ,它它们具有更高的们具有更高的分辨率分辨率 (2) (2) 波谱特波谱特征征 SPOT5影像有影像有PAN0.49-0.69PAN0.49-0.69波段、多光谱波段、多光谱共分四个谱段共分四个谱段 波段波段1 0.5-0.59m 绿绿 波段波段2 0.61-0.68m 红红 波段波段3 0.79-0.

17、89m 近红外近红外 波段波段4 1.58-1.75m 短波红外短波红外 特特征与征与TM2-4TM2-4相同相同, ,彩色彩色( (假彩色假彩色) )合成方法、波谱响应合成方法、波谱响应曲线方法可用于地物曲线方法可用于地物识别识别. .200万朝圣者的惊人景观万朝圣者的惊人景观 200万朝圣者的惊人景观万朝圣者的惊人景观 侧视雷达利用发射的电磁波作为照射源侧视雷达利用发射的电磁波作为照射源 由发射机、由发射机、 接收机、接收机、 转换开关和天线等构成。转换开关和天线等构成。 微波波谱微波波谱 (常用波段为常用波段为0.830cm) 被动微波遥感被动微波遥感主动微波遥感主动微波遥感利用发射的电

18、磁波作为照射源利用发射的电磁波作为照射源 1 工作原理工作原理 地面各点到飞机的距离不同，接收机接收到许多地面各点到飞机的距离不同，接收机接收到许多 信信 号，号，以它们到飞机距离的远近，先后依序记录以它们到飞机距离的远近，先后依序记录信号的强度与辐照带内各种地物的特性、形状和坡向等有信号的强度与辐照带内各种地物的特性、形状和坡向等有关。关。 距离分辨力距离分辨力是在脉冲发是在脉冲发射的方向上，能分辨两个射的方向上，能分辨两个目标的最小距离目标的最小距离 斜斜距分辨率距分辨率 Rd=(c )/2 地距分辨率地距分辨率 Rr=(c sec)/2 方位分辨力方位分辨力是指相邻是指相邻的两束脉冲之间

19、，能分辨的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离两个目标的最小距离 R=RR Rr Rd天线D R1 R2 R1 R2波瓣角与方位分辨率波瓣角与方位分辨率 S1 最小分辨角 S2 D圆孔的直径 =1.22/D*波瓣角在意义上与光学波瓣角在意义上与光学上的最小分辨角相近。上的最小分辨角相近。*方位分辨率是波瓣角与方位分辨率是波瓣角与雷达到达目标的距离的乘雷达到达目标的距离的乘积。积。 1 原理原理 用一个用一个小天线小天线作为单作为单 个辐射个辐射单元单元 将此单元沿一直线不断将此单元沿一直线不断移动移动 当移动一段距离当移动一段距离LS后，存贮后，存贮的信号和实际天线阵列诸单的信号和实际天线阵

20、列诸单元所接收的信号非常元所接收的信号非常相似相似 3 侧视雷达图像的特征侧视雷达图像的特征 (1)(1)几何特征几何特征 垂直飞行方向的比例尺由小变大垂直飞行方向的比例尺由小变大 1/mc1/mb1/ma 地面上AB线段投影到影像上为ab,比例尺为： 考虑到实测的斜距是按 比例尺缩小为影像，因此在侧视方向上的比例尺为： 侧视雷达图像的几何特征侧视雷达图像的几何特征 造成山体前倾造成山体前倾朝向传感器的山坡影朝向传感器的山坡影像被压缩，而背向传像被压缩，而背向传感器的山坡被拉长，感器的山坡被拉长，还会出现不同地物点还会出现不同地物点重影现象。重影现象。 高差产生的投影差高差产生的投影差亦与中心

21、投影影像投亦与中心投影影像投影差位移的方向相反影差位移的方向相反 前倾前倾斜距投影的特点斜距投影的特点 雷达阴影雷达阴影侧视雷达图像的几何特征侧视雷达图像的几何特征斜距投影的特点斜距投影的特点 反立体图像反立体图像 侧视雷达图像的几何特征侧视雷达图像的几何特征与入射角有关与入射角有关 朝向飞机方向的坡面朝向飞机方向的坡面-反射强烈反射强烈-很亮很亮朝天顶方向朝天顶方向-弱些弱些-较亮较亮背向飞机方向背向飞机方向-反射很弱反射很弱( (没回波没回波)-)-很暗很暗 与地面粗糙程度有关与地面粗糙程度有关 地面地物微小起伏小于雷达波波长地面地物微小起伏小于雷达波波长-镜面漫反射镜面漫反射-很暗很暗地

22、面微小起伏大于或等于发射波长地面微小起伏大于或等于发射波长-漫反射漫反射-较亮较亮 “ “角隅反射角隅反射”-反射波强度更大反射波强度更大-很亮很亮与地物的电特性有关与地物的电特性有关 一切物体的电特性量度是复合介电常数一切物体的电特性量度是复合介电常数物体复合介电常数高物体复合介电常数高-反射雷达波强反射雷达波强-亮亮 微波有较强的穿透能力微波有较强的穿透能力 它能穿透云层、树它能穿透云层、树木和水木和水,得到下面的地得到下面的地表信息表信息另一方面微波在物另一方面微波在物体内会产生体散射，体内会产生体散射，因此能将地下的一些因此能将地下的一些状况反映出来状况反映出来全南极雷达（全南极雷达（

23、RadarSatRadarSat）影像）影像4 SAR获取地面高程信息的方法 1)、将SAR观测数据经成像处理成图像，然后在图像的基础上进行分析，这部分包括经典的雷达摄影测量技术Radargrammetry（即：StereoSAR）和雷达坡度测量Radarclinometry（即：shape from shading）；stereoSAR方法最常选用的数据源是加拿大空间局的Radarsat卫星 误差：在平坦地区，精度约为20m左右(使用精细模式可以得到的DEM精度略大于12M，使用标准模式影像略大于20M)；在山区，精度明显降低,一般为30M以上。 2、将、将SAR两次或者多次观测的数据进行干

24、涉两次或者多次观测的数据进行干涉处理，利用相位信息提取地面高程信息，处理，利用相位信息提取地面高程信息，这就是目前的热点这就是目前的热点INSAR；德国已经建成的机载德国已经建成的机载SAR系统系统(AeS1，2，3),，其，其空间分辨率从空间分辨率从0.5米到米到5米，用米，用InSAr生成的生成的DEM高程精度高程精度为为0.25m到到2m。 INSAR就是利用就是利用SAR在平行轨道上对同一地在平行轨道上对同一地区获取两幅（或两幅以上）的单视复数影像来形区获取两幅（或两幅以上）的单视复数影像来形成干涉，进而得到该地区的三维地表信息。成干涉，进而得到该地区的三维地表信息。 该方法充分利用了

25、雷达回波信号所携带的该方法充分利用了雷达回波信号所携带的相相位信息位信息，获得同一区域的重复观测数据（复数影，获得同一区域的重复观测数据（复数影像对），综合起来形成像对），综合起来形成干涉干涉，得到相应的，得到相应的相位差相位差，结合观测平台的结合观测平台的轨道参数轨道参数等提取等提取高程信息高程信息。 如如ERS-1/2组合组合 亮度图象亮度图象相位图象相位图象相干雷达（相干雷达（INSAR）雷达图像信号：亮度：亮度+相位相位 复雷达图像：复雷达图像： )exp(),(),(),(),(jyxAyxIjyxRyxS亮度图像亮度图像相位图像相位图像相干雷达（相干雷达（INSAR）干涉测量：数据

26、处理实例相干雷达（相干雷达（INSAR）数据处理过程 : 1 影像配准 2 干涉图 int = 1 2 生成复数影像1：1=| 1 |ej1 生成复数影像2：2=| 2 |ej2 相位差m=mod(, 2) 3噪声滤除 4基线估算 B 5平地效应消除 6相位解缠:主值 M推算出绝对的相位差 的过程 设 ，称为水平方向基线角,则有 sin(-)= cos(-21)= = = 如果已知天线位置（参数H，B，a）和雷达成像系统的参数（）等，就可以从 计算出地面的高程值h。 3、多极化干涉测量获取地面高程信息 由多极化SAR干涉所获得的地面数字高程图其精度可以达到厘米的数量级，同时人们还可用通过极化信

27、息更好地了解地物目标的散射特性。极化SAR干涉逐渐成为合成孔径雷达信息处理领域研究的新热点。 目前，试验数据不足成为制约这种新技术发展的瓶颈。 扫描类型的传感器扫描类型的传感器 对物面扫描成像仪的成像原理和影像特征对物面扫描成像仪的成像原理和影像特征 红外扫描仪、红外扫描仪、 MSS、TM 、ETM 对像面扫描成像仪的成像原理和影像特征对像面扫描成像仪的成像原理和影像特征 HRV(SPOT)雷达成像类传感器雷达成像类传感器的成像原理和影像特征的成像原理和影像特征 1、 MSS、TM、ETM+影像各有何特点？ 2、对物面扫描的成像仪为什么会产生全景畸变？扫描角为时的影像的分辨率为多大？ 3 、侧视雷达影像有何影像特征?