06遥感成像原理与遥感图像特征 (2).ppt

3 3 2摄影像片的基本特征 航空摄影的基本种类垂直摄影像片的几何特性 1 航空摄影种类 根据像片的倾角分类 根据摄影的实施方式分类 根据感光材料分类 据像片的倾角 摄影机主光轴和通过透镜中心的地面铅垂线 主垂线的夹角 垂直摄影与倾斜摄影示意图 AerialPhotography Verticalvs Oblique 据摄影的实施方式单片摄影 为拍摄单独固定目标而进行的摄影 一般只摄取一张或一对像片 航线摄影 沿一条航线 对地面狭长地区或沿线状地物 公路 铁路 进行的连续摄影 为使相邻像片的地物能互相衔接以满足立体观察的需求 相邻像片间要有一定的重叠成为航向重叠 一般 60 至少不小于53 面积摄影 区域摄影 沿数条航线对较大区进行连续摄影 面积摄影要求各航线互相平行 在同一条航线上相邻像片间的航向重叠为60 53 相邻航线间的像片也要有一定的重叠此为旁向重叠 30 15 1979年1 1万全色 1983 89年1 6 7万彩红 1960年1 2 5万全色 1978年1 1 8万全色 2002年1 1万真彩色 1981年1 1万全色 据感光材料全色黑白摄影 用全色黑白感光材料进行的摄影 对可见光波段内的所有色光都能感光 是目前应用广又能收集到的航空遥感资料之一 黑白红外摄影 用黑白红外感光材料进行的摄影 能对可见光 近红外光 0 4 1 3um 波段感光 尤其对水体 植被反应灵敏 所摄像片具有较高反差和分辨率 彩色摄影 可感受可见光范围内的各种色彩 可表现地物的自然色彩 明暗度及深浅 影像比全色黑白相片更为清晰 分辨能力高 彩红外摄影 能对可见光 近红外光 0 4 1 3 波段感光 但却使绿光 红光 近红外感光之后依次变为蓝色 绿色和红色 此种彩红外片与彩色片相比在色别 明暗度和饱和度上都有很大差别 如绿色植物多光谱摄影 利用摄影镜头与滤光片的组合 同时对一地区进行不同波段的摄影 取得不同的分波段像片 航片的相幅 18cm 18cm23cm 23cm30cm 30cm 航空相片上的标志 航片注记 航片号 像主点 距像片中心越近 误差越小 反之则越大 时间 水准仪 框标 压平线 压平线 像片四边井字形直线叫压平线 其弯曲度说明摄影时感光胶片未压平而产生的影像变形情况 像片的投影像片的比例尺像点的位移 2 垂直摄影像片的几何特性 用一组假想的直线将物体向几何面投射称为投影 其投射线称为投影射线 投影的几何面通常取平面称为投影平面 在投影平面上得到的图形称为该物体在投影平面上的投影 根据所用投影射线组遵循规律及投影射线与投影平面相关位置的不同 投影有中心投影与平行投影两种 当投影射线会聚于一点时 称为中心投影 投影射线的会聚点称为投影中心 当诸投影射线都平行于某一固定方向时 这种投影称为平行投影 当投影射线与投影平面成斜交的称为斜投影 投影射线与投影平面成正交的称为正射投影 像片的投影 垂直投影和中心投影示意图 航摄像片的投影航摄像片是空中用航摄仪对地面摄影取得的 它是地面的中心投影 因为航摄时 各地物点的光线都通过航摄仪物镜中心 投影中心 后与底片 投影面 相交 底片感光 产生地物点的影像 中心投影构成的像有正负之分 根据透镜成像原理 如果物体和投影面位于投影中心两侧 其投影像为负像 物体和投影面位于同一侧时 得到正像 因此 航片是地面的中心投影正像 投影距离变化的影响 投影面 投影面 垂直投影与中心投影的区别 投影面倾斜对构像的影响 地形起伏的影响 中心投影的特殊点线 像片比例尺 航空像片上某线段长度 ab 与地面相应线段长度之比 AB 用1 M表示1 M f H ab ABf 物镜的焦距 H 飞行器的相对航高F可在像片的边缘获相应的影像资料 航摄报告 设计 中找到 H由摄影部门提供 航高 地形起伏会影响比例尺主比例尺 用航高仪记录的像主点航高计算的像片比例尺 航空像片的比例尺及其测定 平坦地区 在平坦地区 当像片倾角小于1 时 由于地形起伏和像片倾斜所引起的误差很小 像片上各部分比例尺变化也很小 故可用像片的平均比例尺作为像片的比例尺 丘陵地区 丘陵地区由于地形起伏引起投影差 使像片各处的比例尺不一致 所以不能采用上述像片平均比例尺的方法 而必须按测站求各点的平均比例尺 航高未知时 像片比例尺的计算 1 已知某一地面目标的大小 通过量测其在像片上的影象计算出像片比例尺例 某河流宽度20米 像片上宽度0 5厘米比例尺1 m 0 5 20 100 1 40002 若有摄影地区的地形图 比例尺已知 先在像片和地形图上找到两个地物的对应点 然后分别在像片上和地形图上量得其长度 例 地形图比例尺1 50000 地形图上两点长度3 5厘米 像片上相应两点长度7厘米 则像片比例尺 1 m 7 3 5 50000 7 175000 1 25000 1 概念航摄像片上地物的像点位置相对于其在地形图上的位置产生了变化 这种变化成为像点位移 位移的结果 地物在像片上的影像形状发生变化 位移的原因 地面起伏 像片倾斜 感光片变形 镜头畸变 大气折射及地球曲率等 像点位移 2 地面起伏引起的像点位移 投影误差 由于地面起伏 高于或低于基准面的地面点 在像片上的像点对于它在基准面上的垂直投影点的像点所产生的直线位移为投影误差 地形起伏引起的像点位移 投影误差 T0 为选定的起始面 A 高出于起始面 高差为ha B 低于起始面 高差为hb A B在起始面上的垂直投影点为A0 B0 A B在像片上的投影点为a b A0 B0在像片上的投影点为a0 b0 像片上的线段aa0 bb0就是因为地形起伏引起的像点位移 投影误差 由位移量的计算公式可见 位移量与地形高差成正比 当地面高差为正 地形凸起 h为正 位移量为正值 像点背离像主点移动 当地面高差为负 地形低洼 h为负 位移量为负值 像点朝向像主点移动 位移量与像点距像主点的距离r成正比 即距主点越远的像点位移量越大 像片中心部分位移量较小 位移量与摄影高度即航高成反比 P0 P 同一摄影站的水平像片和倾斜像片 A 地面任意点 a0 a 分别为地面点A在水平像片和倾斜像片上的影像 hchc 为等比线 c 为等角点 cv0 cv 为主垂面在两像片上的交线 0 分别为像点a0和a与等角点c的连线与主纵线的夹角 3 像片倾斜引起的像点位移 倾斜误差 地物点在倾斜像片上的像点位置与同一摄影站摄得的水平像片上的像点位置相比 产生的一段位移为倾斜误差 倾斜误差的一般规律 因倾斜而引起的像点位移路线是在像点与等角点的连线上 倾斜误差的大小与像片的倾角成正比 倾角为0 误差为0 即水平像片不存在倾斜误差 倾斜误差的大小与像点的辐射距平方成正比 与航摄仪的焦距成反比 等比线上的像点不存在倾斜误差 位于主纵线上的像点倾斜误差最大 像片的立体观察与测量 用光学仪器或肉眼对一定重叠率的像对进行观察 获得地物和地形的光学立体模型 称为像片的立体观察 它的原理是根据人对物体的双眼观察 像对的立体观察条件必须是由不同的摄影站对同一地区所摄影的两张像片 两张像片的比例尺相差不得超过16 两眼必须分别各看两张像片上的相应影像 即左眼看左像 右眼看右像 像片所安放的位置 必须能使相应视线成对相交 相应点的连线与眼基线平行 各种立体效应正立体效应反立体效应零立体效应 立体像对 立体观察的光学系统及方法 立体镜及立体观测 反光镜 目镜 像对 视差杆 对大幅面航片 增大焦距 扩大眼基距 航空摄影过程 3 2 3航空摄影及其资料 1 航摄的准备工作划分摄影分区 确定摄影比例尺 选择航空摄影机 计算航高 摄影基线和航线间距 准备航摄软片 编制领航图 确定曝光时间和曝光间隔以及飞机航行速度 2 空中摄影天气 天气晴朗 能见度好 气流平稳 摄影时间 上午九时至下午四时之间 摄影处理每次空中摄影后立即进行摄影处理 即对空中曝光后的胶片进行冲洗 得到影像稳定的航摄底片 待底片晾干后 在底片的底膜上写明测区代号 图号 摄影日期 航摄仪类型 相片编号等 4 航摄质量评定包括底片的影像质量和飞行质量两方面 影像质量 影像清晰 色调一致 反差适中 反差系数 0 5 1 3 最大密度 1 0 1 8 灰雾度 0 3 阴影 云影都不过大 底片无损伤 斑痕 霉点等等 飞行质量 A 像片重叠度B 像片倾斜角C 航线弯曲度D 像片旋角 航偏角 E 底片压平质量 A 像片重叠度 重叠长度与像片边长之比 航向重叠度 p lx Lx 100旁向重叠度 q ly Ly 100规定 航向重叠度为60 最小不得小于53 旁向为30 最小不得小于15 B 像片倾斜角 在空中摄影曝光的一瞬间 像平面与水平面的夹角为一般应小于2o 最大不得超过3o C 航线弯曲度 整条航线长度L与最大弯曲的矢距 之比 一般不超过3 航线弯曲度 L 100 D 像片旋角 航偏角 相邻像片两像主点的连线与航线方向像幅上两框标连线间的夹角 一般要求不超过5o 最大不超过8o E 底片压平质量 由压平线进行检查 压平线是航摄仪承影框前离四周2 2 5cm处拉的四条金属线 摄影后 底片上留有该四条线的影像 一般要求弯曲不得大于0 05 0 1mm 3 3扫描成像 扫描成像是依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬间视场角为单位进行的逐点 逐行取样 以得到目标地物电磁辐射特征信息 利用光电效应和光热效应 将辐射能转换成电能 电流 电压 或是其它物理特性 体积 压力等 的变化 从而对物体进行探测 与摄影方式传感器均属成像传感器 区别 工作波段 成像方式不同 扫描方式可弥补摄影方式 0 3 1 4 m 不能探测的波长 扫描成像探测波段可包括紫外 红外 可见和微波波段 数据可采用视频传输方式来接收 成像方式 用光栅 棱镜作为光谱分解元件 以光 电转换原理扫描成像 特点 用磁带记录信息 经处理变成图像 而摄影方式受本身结构 感光胶片响应范围等限制 3 3 1光 机扫描成像 1 光机扫描仪的结构组成 Opticalmechanicalscanner 借助于遥感平台沿飞行方向运动和遥感器本身光学机械横向扫描达到地面覆盖 得到地面条带图像的成像装置 光机扫描仪数据采集原理 像元 一条影像线 一条条相互衔接的地面影像 瞬时视场角 IFOV instantaneousfieldofview 瞬时间扫描镜可视为静止状态 此时接受目标地物的电磁波辐射 限制于一个很小的角度内 称为 或扫描系统在某一时刻对空间所张的角度即扫描仪的空间分辨率 其中的信息表示为一个像元 由探测元件的线度 与光学系统的总焦距f决定 f像元 Pixel 瞬时视场在影像上对应的点 像素 像点 地面分辨率 瞬时视场在地面上对应的距离 瞬时视场线度D 为地面分辨率 其大小与 航高H和扫描角 有关 扫描仪垂直投影点的线度 地面分辨率 D0 H飞行方向的线度 地面分辨率 Df D0 sec 扫描方向的线度 地面分辨率 Ds D0 sec2 总视场角 0 FOV 扫描带的地面宽度 扫描宽度 swathwidth 为总视场 从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角为 光学扫描系统对目标扫描摆动的最大角度 整个遥感器能够受光的角度 总扫描角 L 2Htan 0 2 L 扫描带对应的地面宽度 H 航高注意 总视场角不宜过大 航空遥感中取70 120o 瞬时视场角和总视场角 决定了光机扫描的几何特征 瞬时视场角和视场角 MSS多光谱扫描仪光学系统原理图 MSS多光谱扫描仪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反射镜反射 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 3 3 2固体自扫描成像 又称电子光学型光谱扫描 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 CCD基本结构与工作原理CCD成像原理CCD探测器类型 将许多固定探测元件按线性排列方式装置成与卫星前进方向相垂直 且探测元件的数目等于扫描线上的像元数 在每一探测元件上输入的数据 是与每个像元点的亮度值相对应的 所以此扫描仪的分辨率取决于探测元件的个数 电荷耦合器件成像器 3 3 3高光谱遥感Hyperspectralremotesensing 1 高光谱遥感指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据 它是在电磁波谱的紫外 可见 近红外和中红外区 热红外获取许多 多达数百个 非常窄且光谱连续的图像数据的技术 通常所用的多波段扫描仪将可见 红外波段分为几 十几个波段 对遥感而言 一定波长范围内 被分割波段数越多 波谱取样点越多 越接近连续波谱曲线 这种既能成像又能获取目标光谱曲线的 谱像合一 技术为 2 高光谱遥感与常规遥感 宽波段遥感 的对比 x y代表平面空间 一个网格代表一个像元 代表波长或波段 TM和AVIRIS在可见和近红外 3 成像光谱设备 盒式机载光谱成像仪 CASI 机载可见光红外成像光谱仪 AVIRIS 数字机载成像光谱仪 DAIS 高级机载成像光谱仪 AAHIS TRW成像光谱仪 TRWIS 高光谱测图系统 HyMap 二 工作原理 扫描式和推帚式1 光机扫描式产生200多个连续光谱波段 经光学色散装置分色后 不同波段辐射照射到CCD线阵列的各元件上 所以来自地面的瞬时视场的辐射强度被分色记录 其光谱通道数与线阵列元件数相同 在逐行逐个扫描过程中 产生了上百个窄波段组成的连续光谱图像 适用于航空遥感探测 垂直飞行方向的掸扫式扫描线阵列 为二维面阵列 一维为线性阵列 另一维做光谱仪 图像一行一行记录数据 不再移动元件 成像装置在横向上测量一行中每像元所有波段辐射强度 有多少波段就有多少探测元件 工作方式与1相似 2 推帚式面阵列成像光谱 三 高光谱遥感应用 3 4遥感图像的特征 3 4 1遥感图像的空间分辨率 Spatialresolution 图像的空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小 即扫描仪的瞬时视场 或地面物体能分辨的最小单元 对于摄影成像的图像来说 地面分辨率取决于胶片的分辨率和摄影镜头的分辨率所构成的系统分辨率 以及摄影机焦距和航高 由公式所得的地面分辨率的单位是线对 m 而实际地面分辨的最小间隔 图像能够被分辨出来的地面上两个目标的最小距离 应为线 m 即地面分辨率 2 Graphicrepresentationshowingdifferencesinspatialresolutionamongsomewellknownsensors Source Landsat7ScienceDataUsersHandbook 3 4 2图象的光谱分辨率 SpectralResolution 波谱分辨率是指传感器在接受目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔 间隔愈小 分辨率愈高 传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值 SpectralreflectancecurvesSpectralsignatures 辐射分辨率是指传感器接受波谱信号时 能分辨的最小辐射度差 在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级 某个波段遥感图像的总信息量与空间分辨率 以像元数n表示 辐射分辨率 以灰度量化级D表示 有关 在多波段遥感中 遥感图像总信息量还取决于波段数k 3 4 3辐射分辨率 RadiometricResolution 26 0 63 6428 0 255 256210 0 1023 1024Examples GOESImager 10bitLandsat7ETM 8bitLandsat7ScienceDataUsershandbook 8 bit256greys 6 bit64greys 4 bit16greys 3 bit8greys 2 bit4greys 1 bit2greys 辐射分辨率