精品ppt课件第一章（2）绪论传感器与遥感成像原理

中国农业大学 信息与电气工程学院 苏 伟 地理信息工程系 第一章 绪论绪论 (Cont) 2009年2月18日 第二次课 1. 传传感器结结构 2. 摄摄影成像 () 框幅式摄影成像 () 缝隙式摄影成像 () 全景式摄影成像 () 多光谱摄 影成像 3. 扫扫描成像 () 光机扫描成像 () 推帚式扫描成像 4. 雷达成像 () SAR () LIDAR 传感器 (Sensor)：传感器是记录地物反射或者发射电磁波能量的装 置，是遥感平台的核心部分。 组成：任何类型的传感器都由收集器、探测器、处理器、输出器四 个基本部件组成。 收集器探测器处理器 输出器 1）收集器：负责收集地面目标辐射的电磁波能量。具体 元件多样，如透镜、反射镜、天线等； 2）探测器：将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能 。如热敏探测元件、光电管、感光胶片等； 3）处理器：对转换后的信号进行各种处理，如信号放大 、变换、校正、编码、显影、定影； 4）输出器：输出信息的装置。如磁带记录仪、阴极射线 管等。 按记录方式： 成像传感器（摄影成像、扫描成像）、 非成像传感器（记录地物的一些物理参数） 按传感器工作的波段： 可见光传感器、红外传感器光学传感器 微波传感器 按工作方式(接收目标自身的热辐射或反射太阳辐射)： 主动传感器、被动传感器 摄影类型传感器：框幅式、缝隙式、全景式、多光谱 扫描成像类型的传感器：光机扫描、推扫式扫描 雷达成像类型的传感器 根据传感器的基本构造和成像原理将传感器分为 ： 8 天底向（Nadir）: 传感器指向垂直地面 非天底向（Off-nadir）: 传感器指向非垂直地面方向 可变的非天底向指向：传感器阵列本身可旋转 固定的非天底向指向 地平面 像平面 光 轴 铅 垂 线 垂 直 摄 影 铅垂线 像平面 倾 斜 摄 影 a 地面主点 像主点/像底点 l成像原理与普通照相机相同，在某个摄影瞬间，地面上视场范 围内目标的辐射一次性地通过镜头中心在焦平面上成像。 l一个摄影中心和一个像平面。 Comparison of the Comparison of the Optical Components of Optical Components of the Simple Camera with the Simple Camera with those of the Human Eyethose of the Human Eye 11 Two Frame Cameras Mounted in the Fuselage of a PlaneTwo Frame Cameras Mounted in the Fuselage of a Plane KodakKodak DCS 420 Digital DCS 420 Digital Camera with a Camera with a NikonNikon camera camera lens and bodylens and body Analog and Digital Analog and Digital CamerasCameras Hasselblad 70-mm cameraHasselblad 70-mm camera 真彩色合成 彩红外合成 框幅式摄影航空遥感影像 2. 2. 摄影成像之摄影成像之( () )缝隙式摄影成像缝隙式摄影成像 又称推扫式摄影成像或航带摄影成像。 在飞机或卫星上，摄影瞬间所获取的影像，是与航线方 向垂直且与缝隙等宽的一条线影像。当飞机或卫星向前 飞行时，摄影机焦平面上与飞行方向成垂直的狭缝中的 影像也连续变化。当摄影机内的胶片不断卷动，且其速 度与地面在缝隙中的影像移动速度相同，则能得到连续 的航带摄影像片。 胶片卷动速度V与飞行速度v和相对航高H有关，以获得清 晰的影像 V=v f/H, f为焦距 15 缝隙式摄影机 多中心投影，不同缝隙对应的投影中心不同 16 又称扫描摄影成像或摇头摄影成像。 在物镜的焦面上平行于飞行方向设置一条狭缝，并随物镜作 垂直于航线方向的摆动扫描，得到一幅扫描成像的图像。 物镜摆动的幅面很大，能将航线两边的地平线内的影像都摄 入底片。-（全景摄影机） 2. 2. 摄影成像之摄影成像之( () )全景式摄影成像全景式摄影成像 17 全景式摄影机 18 焦距长，可达600mm 幅面大，23cm(长)*128cm（宽） 扫描视场大，可达180度 全景畸变 (panoramic distortion)：像距不变，物距随扫描角的 增大而增大，出现两边比例尺逐渐缩小的现象，整个影像产 生全景畸变；扫描时，飞机向前运动，扫描摆动的非线性因 素，使畸变复杂化。 对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影成像方式 可充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征，来增多获 取目标的信息量，以提高识别地物能力。 三种基本类型： 多摄影机型多光谱摄影成像 多镜头型多光谱摄影成像 光束分离型多光谱摄影成像 用几架普通的航空摄影机组装而成，对各摄影机分别配以不同 的滤光片和胶片的组合，采用同时曝光控制，以进行同时摄影 。 Century Century City, Los City, Los AngelesAngeles Four 70-mm Hasselblad Cameras Four 70-mm Hasselblad Cameras Arranged to Obtain Multiband Vertical Arranged to Obtain Multiband Vertical Aerial PhotographyAerial Photography 多镜头型多光谱摄影机 由多个物镜组成的摄影机，是用普通航空摄影机改制而成，在 一架摄影机上配置多个镜头，同时选配相应的滤光片与不同感 光特性的胶片组合，使各镜头在底片上成像的光谱，限制在规 定的波段区内。 要求： 快门的同步性要好，以便在同一时刻获取地物的多光谱像片； 各物镜光轴严格平行，保证多光谱像片的套合精度； 事先确定曝光时间； 由于不同波长的光聚焦后的实际焦面位置不同，应使地物成像在最 清楚的位置上 光束分离型多光谱摄影机 利用单镜头进行多光谱摄影。摄影时，光束通过一个镜头后 ，经分光装置分成几个光束，然后分别透过不同滤光片，分 成不同波段，在相应的感光胶片上成像，实现多光谱摄影。 Sir Isaac Newton Sir Isaac Newton discovered that discovered that white light could white light could be dispersed into be dispersed into its spectral its spectral components by components by passing it through passing it through a prisma prism 一束白光通过棱镜传 播后将被散射，表现 形式是其光谱组成 White Light Separated into its Spectral Components Using White Light Separated into its Spectral Components Using a Prisma Prism 利用平台的行进和旋转扫描镜对与平台行进的垂直方向的地面（ 物平面）进行扫描，获得二维遥感数据。 组成：扫描系统（旋转扫描镜）、聚焦系统（反射镜组）、分光 系统（棱镜、光栅）、检测系统（探测元件光电转换系统、放 大器）、记录系统等组成。 optical-mechanical scanner 成像原理： Landsat MSS/TM/ETM+ TM1TM10.450.520.450.52m m 蓝绿波段蓝绿波段 TM2TM20.520.600.520.60m m 绿红波段绿红波段 TM3TM30.630.690.630.69m m 红波段红波段 TM4TM40.760.900.760.90m m 近红外波段近红外波段 TM5TM51.551.751.551.75m m 近红外波段近红外波段 TM6TM610.412.510.412.5m m 热红外波段热红外波段 TM7TM72.082.352.082.35m m 近红外波段近红外波段 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。 ETM1ETM10.450.520.450.52m m 蓝绿波段蓝绿波段 ETM2ETM20.520.600.520.60m m 绿红波段绿红波段 ETM3ETM30.630.690.630.69m m 红波段红波段 ETM4ETM40.760.900.760.90m m 近红外波段近红外波段 ETM5ETM51.551.751.551.75m m 近红外波段近红外波段 ETM6ETM610.412.510.412.5m m 热红外波段热红外波段 ETM7ETM72.082.352.082.35m m 近红外波段近红外波段 ETM8ETM8（PANPAN）0.520.90 0.520.90 m m 可见光可见光近红外近红外 ETM数据是在TM基础上改进 和发展而成的一种遥感器。 NOAA/AVHRR与“风风云”气象卫卫星 数据来源：美国气象卫星。数据来源：美国气象卫星。 近圆形太阳同步轨道。近圆形太阳同步轨道。 卫星携带的环境监测遥感器主要有改进型甚高分卫星携带的环境监测遥感器主要有改进型甚高分 辨率辐射计辨率辐射计( (AVHRR)AVHRR)和泰罗斯业务垂直观测系统和泰罗斯业务垂直观测系统 ( (TOVS)TOVS)。 NOAANOAA图像图像。 参考网站参考网站: : / / / / NextNext 时间： 2003年1月18日 地点： 堪培拉 影像： NOAA AVHRR 用途： 反映火灾的 发生和痕迹。 BACKBACK NOAA/AVHRR与“风风云”气象卫卫星 NOAA/AVHRR有5个通道，各通道的波长范围分别是 ： AVHRR1：0.580.68m，绿红 AVHRR2：0.725l. lm， 近红外 AVHRR3：0.480.53m，蓝绿 AVHRR4：0.530.68m，绿红 AVHRR5：10.512.5m，热红外 NOAA/AVHRR与“风风云”气象卫卫星 FY-l-A的AVHRR数据与美国NOAA卫星的AVHRR很相 似，可互相切换工作，互为备份。 FY-1两卫星的实时传输采用与NOAA卫星兼容的体制， 有高分辨率图像传输(HRPT)和4 km分辨率的自动图像传 输(APT)两种。 FYFY图像图像 参考网站： /(气象卫星接收中心) /(中国国家气象局) NextNext BACKBACK Push-broom scanner 把探测器按扫描方向（垂直于飞行方向）阵列式排列来感应地 面响应，以代替机械的真扫描。 若探测器按线性阵列排列，则可以同时得到整行数据；若面 阵式排列，则同时得到的是整幅图像。 线阵列传感器多使用电荷耦合器件CCD（charge coupled device ），每个探测器元件感应响应“扫描”行上一个唯一的地面分辨 单元的能量，探测器的大小决定了每个地面分辨单元的大小。 卫星运行方向 中巴资源卫星、 SPOT/HRG、 IKONOS、 QuickBird、 北京1号小卫星 空间间和辐辐射分辨率高：线性阵列系统可以为每个探测器提供 较长的停留时间，以便更充分的测量每个地面分辨单元的能量。 几何精度更高：记录每行数据的探测元件间有固定的关系，具 有更大的稳定性。 体积积小、重量轻轻、能耗低：CCD是固态微电子装置。 结结构上可靠性高：因为没有光机扫描仪的机械运动部分。 存在的问题问题 ：由于使用了多个感光元件把光同时转换成电信号 ，因此当感光元件间存在灵敏度差时，往往会产生带状噪声，需 要进行校准。 HRG - 高分辨率几何成像仪仪 (High Resolution Geometric Imaging Instrument) 两台HRG的瞄准轴放在正中一档方向上，两台HRG位于铅垂线左右两侧， 每台HRG的瞬时地面视场 舷向宽60km，两台HRG的瞬时视场 左右相接， 中间在天底点及其附近重叠3km，故两台HRG的瞬时地面视场 合成一舷向 宽117km、航向仅为 20m宽的细长 条。 雷达（RADAR，Radio Detection and Ranging，无线电波探测与测 距），主动发射已知的微波信号（短脉冲），再接收这些信号与 地面相互作用后的回波反射信号，并对这些信号的探测频率和极 化位移等进行比较，生成地表的数字图像或模拟图像。 侧视侧视 机载载雷达(Side-Looking Airborne Radar， SLAR) 20世纪50 年代，美国军方 真实实孔径雷达（Real Aperture Radar, RAR） 合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar) 侧视机载雷达(SLAR，Side-Looking Airborne Radar) 为什么使用雷达成像技术 全天候，穿透云雾能力（在我国西南部多雨、多云、多雾 地区具有绝对优势） 全天时工作 穿透植被和树叶 目标与频率的相互关系 运动检测 雷达波段划分 遥感中常用的微波范围为0.8-30cm 使用的是波长1mm-1m(即频率 300MHz-300GHz)的微波波段， 比可见光-红外(0.38-15um)波长 要大的多，最长的微波波长可 以是最短的光学波长的250万倍 。 微波穿透特性 微波对土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲线 可用下图表示： 0 5 10 15 20 25 湿度 30 20 60 50 40 D （m） 穿透深度 W（%） 由图看到，波长越长，目标地物越干燥，微波对其穿透性越好 ，基本呈线性关系。 L S C x 地形测绘与地质研究中的应用 如埃及古河道的发现, 阿尔贝托油田的分析 农业和林业中的应用 如土地利用调查, 土壤水分测量, 作物生长与分类 海洋研究和监测方面的应用 如海面石油污染的监测 军事方面的应用 如军事目标的识别与定位 减灾防灾方面的应用 如森林火灾,地震等灾害的预报 激光雷达，或称机载激光雷达，是英文LIght Detection And Ranging的缩写，激光探测与测距，是一种高精密度的激光 测试技术，其基本原理是由激光器发射光脉冲信号，探测器 接收前方物体反射的光脉冲信号，通过测定光脉冲发射和接 收的时间差来确定前方物体的距离(或运行速度)。 494254.70 5420255.16 261.12 494254.67 5420252.35 261.36 494254.64 5420249.40 261.60 494254.61 5420246.42 261.96 494254.67 5420242.15 266.68 494254.65 5420238.93 267.48 494254.65 5420235.65 269.06 494254.65 5420232.36 270.69 494254.64 5420229.01 272.13 494254.61 5420226.27 271.93 494254.55 5420223.51 270.79 494254.49 5420221.04 269.63 494254.35 5420219.49 264.44494254.32 5420216.53 264.53 494254.29 5420213.58 264.58 494254.26 5420210.73 264.80 494254.23 5420207.76 264.99 494254.20 5420204.80 265.15 494254.17 5420201.85 265.30 494254.14 5420198.99 265.69 494254.11 5420195.73 266.02 494254.08 5420192.78 266.27 494254.05 5420189.82 266.58 494254.03 5420186.86 266.94 494254.00 5420183.90 267.34 494253.97 5420180.99 267.51 494253.95 5420177.87 268.06 494253.93 5420174.91 268.58 LIDAR系统组统组 成： (1) 定位与导航系统：动态差分GPS(即DGPS)技术和惯性测量 装置(即IMU-Inertial Measurement Unit)； (2) 激光扫描仪：用来量测地物地貌的三维空间坐标信息，由 激光发射器、接收器、时间间 隔测量装置、传动装置、计算 机和软件组成； (3) 数码相机：获取地面的地物地貌真彩或红外数字影像信息 (4) 中心控制单元：实现三个重要设备的精确同步，采用导航 、定位和管理系统构成同步记录IMU的角速度和加速度的增 量以及GPS的位置、激光扫描仪和数码相机的数据。 激光雷达测高是通过量测光波从发射到被目标反射返回 后接收所经历的时间 来计算目标到激光器的距离的。 因此，目标到激光器的距离R可以表示为： 为光波速度 （1）数据密度高 根据不同工程需要，可以灵活调节不同地表激光点采集间 隔。Leica最新型号ALS50-II设备，激光点采集间距可以达到0.15 米，甚至更小，数据采集密度极大，非常有利于真实地面高程 模型的模拟。 （2）数据精度高 与传统航摄不同，由于采用激光回波探测原理，LIDAR数 据的高程精度不受航飞高度影响，且激光具有极高的方向指向 性，加上LIDAR配置的高精度姿态测量系统，即使在没有地面 控制点的情况下，也能达到较高的定位精度。 （3）植被穿透能力强 由于激光探测具有多次回波的特性，激光脉冲在穿越植被 空隙时，可返回树冠、树枝、地面等多个高程数据，有效克服 植被影响，更精确探测地面真实地形。 （4）不受阴影和太阳高度角影响 LIDAR技术以主动测量方式采用激光测距方法， 不依赖自然光；而因受太阳高度角、植被、山岭等影 响传统航测方式无能为力的阴