遥感成像原理与遥感图像特征.docx

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遥感成像原理与遥感图像特征

第三章遥感成像原理与遥感图像特征

目的与要求：

掌握可见光、近红外、热红外和SAR成像机理，遥感器的类型及其特性对遥感影像的影响，评价遥感影像的主要指标等。

重点及难点：

遥感器与遥感成像特性，评价遥感影像的主要指标；遥感成像机理。

教学法：

讲授法、演示法

教学过程：

第一节传感器

一、传感器的定义和功能

传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。

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）。

Ø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。

如：

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）

航向重叠：

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：

0.38-1.3μm

天然彩色摄影：

0.38-0.76μm

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

Ø正射投影:

比例尺和投影距离无关

Ø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

Ø正射投影:

总是水平的，不存在倾斜问题

Ø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

Ø地形起伏对正射投影无影响

Ø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

Pa=（λ/D）R

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地表特性

3.2.1复介电常数

物体的复介电常数反映物体本身的电学性质，它是由物质组成及温度决定的。

复介电常数直接影响了物体对电磁能量的反射，其值越大，雷达回波强度越大。

比如金属或含水量高的物体复介电常数大，回波强度大；而干木头则反之。

3.2.2地形坡度

地形坡度影响雷达波束的入射角，从而影响回波强度

地形坡度产生阴影效果，增强图像的立体感。

3.2.3表面粗糙度

物体粗糙度远小于入射电磁波波长，表面光滑

物体粗糙度远大于入射电磁波波长，表面粗糙

第二节遥感数据的特征

一、遥感图像的空间分辨率

空间分辨率又称地面分辨率，

前者针对传感器或图像而言，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，或指遥感器区分两个目标的最小角度或线性距离的度量；

后者针对地面而言，指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小。

空间分辨率三种表示法

（1）像元（pixel）

指单个像元所对应的地面面积的大

小，单位为米或公里。

QuickBird：

0.61m×0.61m

Landsat/TM：

28.5m×28.5m

NOAA/AVHRR：

1100m×1100m

（2）线对数（linepairs）

对于摄影系统而言，影像最小单元常通过1mm间隔内包含的线对数确定，单位为线对/mm。

（3）瞬时视场（IntantaneousFieldOfView—IFOV）

指传感器内单个探测元件的受光角度或观测视野，单位为毫弧度（mrad）。

IFOV越小，空间分辨率越大。

IFOV为2.5mrad时，从1000m高度上获得的遥感图像的地面投影单元的大小为2.5m×2.5m

一般来说，遥感系统的空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。

但实际上地物在图像上的分辨程度，不完全依靠空间分辨率的具体值，还与它的形状、大小、以及与它周围物体的亮度、结构的相对差

异有关。

二、图象的光谱分辨率

波谱分辨率是指传感器在所选用的波段数量的多少、各波段的波长位置，波长间隔的大小。

即选择的通道数、每个通道的中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。

三、辐射分辨率

地物目标的识别，其依据是探测目标和特征的亮度差异，其前提条件有两个：

一是地物本身必须有充足的对比度；二是传感器必须有能力记录下这个对比度。

辐射分辨率是指传感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力。

即探测器的灵敏度-遥感器感测元件在接受光谱信号时能分辨的最小辐射度差，或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨能力。

辐射分辨率一般用灰度的分级数来表示，即最暗—最亮灰度值间分级的数目—量化级数。

TM比MSS的辐射分辨率提高，图像的可检测能力增强。

对于空间分辨率与辐射分辨率而言，有一点是需要说明的。

一般瞬时视场IFOV越大，最小可分像素越大，空间分辨率越低；但是，IF0V越大，光通量即瞬时获得的入射能量越大，辐射测量越敏感，对微弱能量差异的检测能力越强，则辐射分辨率高。

因此，空间分辨率的增大，将伴之以辐射分辨率的降低。

可见．高空间分辨率与高辐射分辨率难以两全，它们之间必须有个折衷。

四、图象的时间分辨率

1.时间分辨率指对同一地点进行采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。

2.时间分辨率由飞行器的轨道高度、轨道倾角、运行周期、轨道间隔、偏移系数等参数所决定。

3.多时相遥感情息可以提供目标变量的动态变化信息，用于资源、环境、灾害的监测、预报，并为更新数据库提供保证，还可以根据地物目标不同时期的不同特征，提高目标识别能力和精度。

第三节航空遥感数据

一．黑白全色片与黑白红外片

◆黑白全色片：

对整个可见光波段的各感光乳胶层具有均匀的响应

◆黑白红外片：

仅对近红外波段的感光乳胶层有响应。

二.天然彩色片与彩色红外片

◆天然彩色片：

感光膜由三层乳胶层组成。

片基以上依次为感红层、感绿层、感蓝层。

◆彩色红外片：

彩红外胶片的三层感光乳胶层中，片基以上依次为感红层．感绿层，感红外层。

第四节人造地球卫星概述

所谓人造地球卫星轨道就是人造地球卫星绕地球运行的轨道。

这是一条封闭的曲线。

这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面总是通过地心的。

1.轨道分类：

按离地面的高度：

低轨道、中轨道和高轨道

按形状：

圆轨道和椭圆轨道

按飞行方向分：

顺行轨道（与地球自转方向相同）

逆行轨道（与地球自转方向相反）

赤道轨道（在赤道上空绕地球飞行）

极轨道（经过地球南北极上空）

2.描述轨道的空间形状、位置和某一时刻卫星在轨道中的位置的参数：

◆轨道长半径a

◆卫星轨道偏心率e

◆轨道面倾角i

◆运行周期T

3.人造地球卫星几种特殊轨道

（1）地球同步轨道。

卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同。

这种卫星轨道叫地球同步轨道。

（2）地球静止卫星轨道。

如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看去它好像是静止的，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。

地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。

（3）太阳同步卫星。

　　卫星总是在相同的当地时间从相同的方向经过同一纬度。

这类卫星的特点是：

只要设计好轨道、发射时间，就可以使某一地区在卫星经过时总处于阳光照射下，太阳能电池不会中断工作，可以拍摄下最好的图像，资源卫星、照相卫星、气象卫星多属此类。

第五节地球资源卫星数据

一、Landsat数据

Ø陆地卫星Landsat，1972年发射第一颗，已连续34年为人类提供陆地卫星图像，共发射了7颗，产品主要有MSS,TM,ETM，属于中高度、长寿命的卫星。

Ø陆地卫星的运行特点：

（1）近极地、近圆形的轨道；

（2）轨道高度为700～900km；

（3）运行周期为99～103min/圈；

（4）太阳同步卫星

项目

卫星编号

1,2,3

4,5,7

轨道高度

轨道倾角

运行周期

扫描宽度

重复周期

918km

99.125°

103min/圈

185km

18d

705km

98.2º

98.9min/圈

185km

16d

Landsat轨道参数

MSS数据

mss影像数据的记录

多光谱扫描仪探测器上获取的目标地物模拟信号经过模／数转换，以数字形式记录下不同波段的特征值，这些特征值经过采样与归一化处理，以64级辐射亮度来描述不同地物的光谱特性。

TM数据（Landsat-4,5）

专题绘图仪探测器上获取的目标地物模拟信号经过模／数转换，以数字形式记录下不同波段的特征值，这些特征值经过采样与归一化处理，以256级辐射亮度来描述不同地物的光谱特性。

TM数据是第二代多光谱段光学——机械扫描仪，是在MSS基础上改进和发展而成的一种遥感器。

TM采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收灵敏度。

波段序号

波长

波段名称

地面分辨率

TM1

0.45~0.52μm

蓝绿波段

30m

TM2

0.52~0.60μm

绿红波段

30m

TM3

0.63~0.69μm

红波段

30m

TM4

0.76~0.90μm

近红外波段

30m

TM5

1.55~1.75μm

近红外波段

30m

TM6

10.4~12.5μm

热红外波段

120m

TM7

2.08~2.35μm

近红外波段

30m

TM数据与MSS数据的比较

3、ETM数据

ETM数据是第三代推帚式扫描仪，是在TM基础上改进和发展而成的一种遥感器。

ETM数据与TM数据的比较

传感器工作方式、波谱分辨率、地面分辨率

二、spot数据

SPOT1，1986年2月发射，至今还在运行。

SPOT2，1990年1月发射，至今还在运行。

SPOT3，1993年9月发射，1997年11月14日停止运行。

SPOT4，1998年3月发射，至今还在运行

SPOT5,2002年5月4日发射

SPOT卫星的轨道参数

轨道高度

832km

运行一圈的周期

101.46min

日绕总圈数

14.19圈

重复周期

26d

HRV地面扫描宽度

60km

SPOT卫星的传感器和波段

Spot数据的特点

◆SPOT系列采用推扫式线性阵列扫描成像，基本探测元件为CCD电子耦合器件。

◆SPOT1-3携带两台高分辨率可见光扫描仪HRV；

◆SPOT4携带两台高分辨率几何成像装置HRG和一台宽视域植被探测仪（VGT）；

◆SPOT5有2台高分辨率几何成像装置（HRG）、1台高分辨率立体成像装置（HRS）、1台宽视域植被探测仪（VGT）

◆数据按8bit记录，被有效编码为256个量化级。

探测器的灵敏度高、辐射分辨率高。

◆垂直观察，即天底观察。

◆倾斜观察：

HRV最大倾角为27度，按0.6度的步进，可以有45种不同角度。

◆立体观测：

两台HRV或HRGHRS

◆SPOT卫星的时间分辨率随纬度变化达1—4天

三、IKONOS数据

◆自从l994年3月lO日美国克林顿政府颁布关于商业遥感数据销售新政策以来，解禁了过去不准10~1m级分辨率图像商业销售，使得高分辨率卫星遥感成像系统迅速发展起来。

Ø美国空间成像公司（Space-Imaging）的IKONOS卫星是最早获得许可之一。

经过5年的努力，于1999年9月24日空间成像公司率先将IKONOS-2高分辨率（全色1m，多光谱4m）卫星，由加州瓦登伯格空军基地发射升空。

IKONOS数据特点

◆具有太阳同步轨道，倾角为98.1°。

设计高度681km（赤道上），轨道周期为98.3min，重复周期l～3d。

◆携带一个全色1m分辨率传感器和一个四波段4m分辨率的多光谱传感器。

◆传感器由三个CCD阵列构成三线阵推扫成像系统。

IKONOS光谱段

v全色光谱响应范围：

0.15～0.90μm

v而多光谱则相应于Landsat-TM的波段：

MSI-10.45～0.52μm蓝绿波段

MSI-20.52～0.60μm绿红波段

MSI-30.63～0.69μm红波段

MSI-40.76～0.90μm近红外波段

四、QuickBird数据

v美国DigitalGlobe公司的高分辨率商业卫星，于2001年10月18日在美国发射成功。

v卫星轨道高度450km,倾角98°,卫星重访周期1～6d（与纬度有关）。

vQuickBird图像，目前是世界上分辨率最高的遥感数据，为0.61m，幅宽16.5km。

vQuickbird传感器为推扫式成像扫描仪

v可应用于制图、城市详细规划、环境管理、农业评估。

快鸟影像制作地形图的优点

◆利用快鸟影像制作中小比例尺地形图可以降低制作成本。

◆快鸟影像制作地形图速度要比测量成图快

◆快鸟影像提供的信息要比测量成图提供的信息新。

◆利用快鸟影像和矢量图进行叠加使地形图的效果更直观。

五、CBERS数据

ØCBERS计划是中国和巴西为研制遥感卫星合作进行的一项计划。

ØCBERS采用太阳同步极轨道。

Ø轨道高度778km轨道，

倾角是98.5°。

Ø每天绕地球飞行14圈。

Ø卫星重访地球上相同

地点的周期为26天。

Ø于1997年10月发射CBERS-l；

1999年10月发射CBERS-2。

Ø卫星设计寿命为2年。

Ø三台成像传感器为：

广角成像仪（WFI）、高分辨率CCD像机（CCD）、红外多谱段扫描仪（IR-MSS）。

Ø以不同的地面分辨率覆盖观测区域：

WFI的分辨率可达256m