第三章遥感成像原理与遥感图像特征Word下载.docx

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它的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。

二、传感器的分类

按工作方式分为：

主动方式传感器：

侧视雷达、激光雷达、微波辐射计。

被动方式传感器：

航空摄影机、多光谱扫描仪（MSS）、TM、ETM、HRV、红外扫描仪等。

三、传感器的组成

收集器：

收集地物的辐射能量。

探测器：

将收集的辐射能转变成化学能或电能。

处理器：

将探测后的化学能或电能等信号进行处理。

输出器：

将获取的数据输出。

四、传感器的工作原理

收集、量测和记录来自地面目标地物的电磁波信息的仪器，是遥感技术的核心部分。

Ø

根据传感器的工作方式分为：

主动式和被动式两种。

主动式：

人工辐射源向目标物发射辐射能量，然后接收目标物反射回来的能量，如雷达。

被动式：

接收地物反射的太阳辐射或地物本身的热辐射能量，如摄影机、多光谱扫描仪（MSS、TM、ETM、HRV）。

传感器按照记录方式

1）非成像方式：

探测到地物辐射强度，以数字或者曲线图形表示。

如：

辐射计、雷达高度计、散射计、激光高度计等。

2）成像方式：

地物辐射（反射、发射或两个兼有）能量的强度用图象方式表示。

摄影机、扫描仪、成像雷达。

五、摄影型传感器

1、航空摄影机：

是空中对地面拍摄像片的仪

器，它通过光学系统采用感光材料记录地物

的反射光谱能量。

记录的波长范围以可见光~

近红外为主。

2、成像原理：

由于地物各部分反射的光线强

度不同，使感光材料上感光程度不同，形成

各部分的色调不同所致。

涉及的概念

◆主光轴：

通过物镜中心并与主平面（或焦平面）垂直的直线称为主光轴。

◆像主点：

主光轴与感光片的交点称为像主点。

◆航摄倾角：

主光轴与铅垂线的夹角a

3.航空摄影的分类

1）按照航摄倾角分类

垂直航空摄影

倾斜航空摄影:

立体感强

2）按摄影实施方式分类

单片摄影

航线摄影

航向重叠：

60-53%

面积摄影（多航线摄影）

60-53%旁向重叠：

30-15%

3）按感光片和所用波段分类

普通黑白摄影：

0.38-0.76μm

彩色红外摄影：

0.38-1.3μm

黑白红外摄影：

天然彩色摄影：

多光谱摄影：

通常蓝、绿、红及近红四

个波段

4）按比例尺分类

大比例尺航空摄影：

比例尺大于1／l0000

中比例尺航空摄影：

比例尺为1／10000～1／30000

小比例尺航空摄影：

比例尺为1／30000～1／l00000

超小比例尺航空摄影：

比例尺为1／100000～1／250000

4.摄影像片的几何特征

4.1像片的投影

（1）中心投影和垂直投影

航片是中心投影：

摄影光线交于同一点

地图是正射投影：

即摄影光线平行且垂直投影面。

（２）中心投影和垂直投影的区别

◆投影距离的影响

正射投影:

比例尺和投影距离无关

中心投影:

焦距固定，航高改变，其比例尺也随之改变

◆投影面倾斜的影响

总是水平的，不存在倾斜问题

中心投影，若投影面倾斜，航片各部分的比例尺不同

◆地形起伏的影响

地形起伏对正射投影无影响

对中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同

（3）中心投影的透视规律

◆点的像仍然是点。

◆与像面平行的直线的像还是直线；

若直线垂直于地面，有两种情况：

第一，直线与像片垂直并通过投影中心时，该直线在像片上的像为一个点；

第二；

直线的延长线不通过投影中心，这时直线的投影仍为直线，但该垂直线状目标的长度和变形情况则取决于目标在像片中的位置。

◆平面上的曲线，其中心投影一般仍为曲线。

特殊情况下为直线

4.2航空像片比例尺

航空像片上某一线段长度与地面相应线段长度之比，称为像片比例尺。

（1）平均比例尺：

以各点的平均高程为起始面，并根据这个起始面计算出来的比例尺。

（2）主比例尺：

由像主点航高计算出来的比例尺，它可以概略地代表该张航片的比例尺。

平坦地区、摄影时像片处于水平状态（垂直摄影），则像片比例尺等于像机焦距（f）与航高（H）之比。

4.3像点位移-地形起伏

位移量与地形高差成正比。

当高差为正时，像点位移为正，是背离像主点方移动；

高差为负时，像点位移为负，是朝向像主点方向移动。

位移量与像点距离像主点的距离成正比，即距像主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。

像主点无位移。

位移量与摄影高度（航高）成反比。

即摄影高度越大，因地表起伏的位移量越小。

六、扫描方式的传感器

1.光/机扫描成像

1.1概念：

依靠机械传动装置使光学镜头摆动，形成对目标地物逐点逐行扫描。

探测元件把接受到的电磁波能量能转换成电信号，在磁介质上记录或再经电/光转换成为光能量，在设置于焦平面的胶片上形成影像

●瞬时视场角：

扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。

即扫描仪的空间分辨率。

●总视场角：

扫描带的地面宽度称总视场。

从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。

1.2工作原理：

扫描镜在机械驱动下，随遥感平台的

前进运动而摆动，依次对地面进行扫描，地面物体的

辐射波束经扫描镜反射，并经透镜聚焦和分光分别将

不同波长的波段分开，再聚焦到感受不同波长的探

测元件上。

1.3几何特性

◆中心投影

◆行扫描

◆每条扫描线均有一个投影中心

2.固体自扫描成像

2.1固体自扫描是用固定的探测元件，通过遥感平台的

运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。

2.2与光机扫描的对比：

（1）相同点：

利用飞行器的前向运动，借助于与飞行方向垂直的¡

°

扫描¡

±

线记录，构成二维图像。

（2）不同点：

对扫描行数据的记录方式。

光机扫描：

利用旋转扫描镜，逐个像元轮流采光

固体自扫描：

通过广角光学系统采集地面辐射能量，

聚焦投射到焦平面的阵列探测元件上，这些探测元件

同时感应地面响应，同时采光，同时转换为电信号、

同时成像。

2.3电荷藕合器件CCD：

是一种用电荷量表示信号大小的探测元件。

具有感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、灵敏

度高、动耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点。

2.4扫描方式上具有刷式扫描成像特点。

探测元件数目越多，体积越小，分辨率就高。

电子藕合器件CCD逐步替代光学机械扫描系统。

3、高光谱成像光谱扫描

成像光谱仪：

既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术，称为成像光谱技术。

按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。

七、微波遥感及成像

微波与地物相互作用，也存在散射、透射、发射等物理过程，可以通过测量地物在不同频率、不同极化条件下的后向散射特性、多普勒效应等，来反演地物的物理特性——介电常数、湿度等，及几何特性——地物大小、形状、结构、粗糙度等多种有用信息。

1.概述

◆微波的电磁波范围

◆微波的划分

◆微波遥感的概念及特点

2.主动微波遥感

雷达、微波高度计、微波散射计

2.1雷达

（Radar，RadioDirectionandRandge）

按工作方式可分为：

成像雷达：

真实孔径雷达、合成孔径雷达

非成像雷达

2.1.1雷达测距

2.1.2根据“多普勒效应”测定运动物体

◆多普勒效应：

目标地物和传感器的相对运动，所引起的电磁发射频率与回波频率的变化。

◆多普勒频移：

一个频率为r的电磁辐射源和被测物体之间的距离变化时，则被测物体接受的信号频率r’,其差即为多普勒频移

2.2侧视雷达

侧视雷达，其天线不是安装在遥感平台的正下方，而是与遥感平台的运动方向形成角度，朝向一侧或两侧倾斜安装，向侧下方发射微波，接受回波信号。

2.2.1机载侧视雷达的工作原理

◆机载侧视雷达的工作原理示意图

◆记录地物的回波强度。

侧向发射范围宽，使不同的地形显示出更大的差别，增强雷达图像的立体感。

2.2.2距离分辨力（垂直于飞行的方向）

距离分辨率是指沿距离方向可分辨的两点间的最小距离。

脉冲宽度是决定距离分辨率大小的关键。

目标在距离上的位置是由脉冲回波从目标至雷达天线间传播的时间决定的，要区分两个目标则必须是目标反射的各部分能量能在不同时间内到达天线。

距离分辨率取决于脉冲持续时间，即脉冲宽度，其与波长是完全不同的概念。

2.2.3方位分辨率

方位分辨率指沿一条航向线可以分辨的两点间的最小距离。

要区分两个目标，必须要求两个目标间的距离大于一个波束宽度，只有这样才能在图像上记录为两个点。

◆方位分辨率与波瓣角（β）有关.

β=λ/D

波瓣的宽度与距离成正比，则

方位分辨率

Pa=（λ/D）R

发射波长λ越短、天线孔径D越大、距目标地物距离R越近、则方位分辨力越高。

◆真实孔径侧视雷达（RAR-realapertureradar）

以实际孔径天线进行工作的侧视雷达。

提高方位分辨力的途径

发射波长λ、天线孔径D、距目标地物距离R

2.3合成孔径侧视雷达

（SAR-syntheticapertureradar）

◆遥感平台匀速前进,以一定时间间隔发射脉冲信号,天线在不同位置接收同一目标的回波信号,将之合成处理后得到真实影像

◆原理：

用一根小天线作为发射辐射单元，将此辐射单元沿一直线运动，在运动中选择若干位置并发射信号、接受回波信号并记录（振幅和相位）。

当辐射单元移动一段距离Ls后将储存的信息对同一目标不同强度的信号进行叠加，效果相当于一根长天线。

3.雷达回波强度的影响因素

雷达回波强度可简单理解为雷达图像上各种地物的灰度值，雷达回波强度与后向散射系数直接相关，而后向散射系数受到雷达遥感系统参数和地表特性的影响。

3.1雷达遥感系统参数

3.1.1波长或频率

雷达遥感波长的长短，决定了表面粗糙度的大小和入射波穿透深度的能力。

当波长为1cm时，大多数表面都被认为是粗糙面，穿透能力可以忽略不计；

而波长接近1m时，则很少有显得粗糙的，对潮湿土壤的穿透能力为0.3m，而对干燥土壤则为1m或1m以上

3.1.2俯角和照射带宽度

俯角是雷达波束与飞行平面间的夹角。

其与后向散射强度密切相关，俯角大，雷达回波强。

雷达波束在其距离方向上对应于一定的俯角范围，在这一范围内，雷达波束照射的地面宽度为照射带宽度。

图像的近距点对应波束的俯角大，回波强；

远距点对应于波束的俯角小，回波强度小。

3.1.3极化方式

雷达波束具有偏振性（又称极化）。

电磁波与目标相互作用时，会使雷达的偏振产生不同方向的旋转，产生水平、垂直两个分量。

若雷达波的偏振方向垂直于入射面称为水平极化，用H表示；

若雷达波的偏振方向平行于入射面称为垂直极化，用V表示。

雷达遥感系统可以用不同的极化天线发射和接受电磁波。

常用四种方式：

同向极化：

HH，VV

交叉极化（正交极化）：

HV，VH

3.2地