遥感技术导论航空遥感PPT课件.ppt

第三章 遥感成像原理与图像特征 航空遥感部分 第二节摄影成像 航空摄影 一 概念利用安装在飞机 或气球 上的航摄仪器 按照预定的计划从空中向地面摄影取得航空像片 AerialPhotos 的全部作业过程 包括飞行摄影 暗室冲洗 质量评定等环节 就称为航空摄影 二 航空摄影机主要由镜箱和暗箱组成分幅式全景式多光谱数码 航空摄影机的主要技术指标 1焦距 f 通常其焦距是固定不变的2视场角 2 镜头中心和像片对角线的夹角 航高相同时 视场角越大 摄影面积越大 与焦距成反比3物镜分辨率 反映了镜关构像的细致程度 常以1mm内所能分辨的最细线条数量来表示航空摄影机分类 按物镜焦距和像场角 1短焦距航摄仪f100 2中焦距航摄仪150mm300mm 视场角为2 70 三 航空摄影飞机专用 要求稳定性能好 保持一定的飞行高度 保持航线飞行的直线性与平行性 四 航空摄影过程1准备阶段飞行线路设计 航高计算 所需航片比例尺和摄影机焦距 飞机租借 获得当地军管部门批准等工作2空中摄影地面导引 GPS导引3暗室处理4质量评定 A像片倾斜角若在摄影瞬间透镜的主光轴垂直于地面 或与当地铅垂线重合 则称为垂直摄影 实际上 摄影瞬间透镜主光轴往往会与铅垂线夹一个很小的角度 这种摄影方式称为倾斜摄影 要求 像片倾斜角 不大于2 最大不超过3 B摄影比例尺由摄影机的焦距和航高决定 即 C摄影航高摄影航高是指摄影飞机在摄影瞬间相对于某一所取基准面的高度 相对航高是指摄影机物镜相对于某一基准面的高度 通常称为摄影航高 它是相对于被摄区域内地面平均高程基准面的设计航高 绝对航高是指摄影机物镜相对于大地水准面的高度 是指摄影瞬间的真实海拔高度 要求 同一航带内最大航高与最小航高之差不得大于30m 摄影区内实际航高与设计航高之差不得大于50m 1 m f H H f m D像片重叠度像片重叠度是立体观察和像片连接所必需的条件 要求 航向重叠度保持在60 65 最小不得小于56 E航偏角相邻两像片的主点连线与像幅沿航带飞行方向之间的夹角就是航偏角 要求 航偏角一般不得大于6 最大不得超过8 F航线弯曲度航线弯曲最大值 与航线全长L之比要求 航线弯曲度不得大于3 五 航空摄影的分类按照航摄倾角分类 按摄影实施方式分类 按感光片和所用波段分类 按比例尺分类 垂直航空摄影倾斜航空摄影 单片摄影 独立地块摄影 单航线摄影面积摄影 多航线摄影 普通黑白摄影黑白红外摄影天然彩色摄影彩色红外摄影 大比例尺航空摄影 所获像片比例尺大于1 l0000中比例尺航空摄影 像片比例尺为1 10000 1 30000小比例尺航空摄影 像片比例尺为1 30000 1 l00000超小比例尺航空摄影 比例尺为1 100000 1 250000 航空遥感特点 优点 航空遥感空间分辨率高 信息量大2航空遥感灵活 可用于一些专题遥感研究3航空遥感作为实验性技术系统 是各种星载遥感仪器的检验者4信息获取方便缺点 受天气等条件限制大 观测范围受限制 数据的周期性和连续性不如航天遥感 六 航空像片的特性什么是航片 航片属于中心投影 中心投影上 点的像还是点 线的像还是线 面的像还是面 航片的比例尺随航高而改变 地形的起伏和投影面的倾斜会引起航片上像点的位置的变化 叫像点位移 由地物反射的光线进入摄影机镜头 使感光材料产生光化学反应而形成 因此 像片的特性取决于 地物反射率 相机性能和感光材料的性能 中心投影 FocusProjection 所有的投影光线都交于一点所形成的投影垂直投影 PerpendicularProjection 所有投影光线相互平行且垂直于投影面 中心投影的正像和负像 航片的基本标志常用航片的像幅有18 18cm 23 23cm和30 30cm三种 都具有以下标志1框标像片4边中部的黑色箭头 其连线的交点为像片的中心点 垂直摄影时与像主点重合2时表记录本张照片拍摄的时刻3水准器水准器气泡位置说明本张照片拍摄时主光轴的倾斜程度4压平线像片4边的井字形直线 其弯曲程度说明摄影时感光胶片未压平而产生的影像变形情况5像片编号表示摄区的位置 本张照片在整个图幅及本条航线内的顺序 垂直投影与中心投影 七航空像片中心投影的像点位移 h r H 位移量 又称投影差h 地形高差r 像点到像主点O的距离H 航高结论 1 位移量与地形高差h成正比 2 位移量与像主点的的距离r成正比 3 投影差与航高成反比 像点位移的应用思考 有一个塔的像片 知其投影差为5mm 像片中心到塔像点的距离为20mm 摄影高度到塔基的距离为1000m 求塔的高度 垂直投影与中心投影的区别 投影距离的影响 投影面倾斜的影响 地形起伏的影响 七 摄影材料及技术 一 黑白感光材料的结构及功能 2感光层卤素银盐 明胶 光学增感染料感光使银盐颗粒均匀分散开来调节感光能力 感光材料指胶片 Films 和相纸 PrintingPaper 两者只在片基上有差异 防光晕 防静电 防卷曲 七 摄影材料及技术 二 黑白感光材料的特性曲线定义 是表征感光材料感光后变黑的程度与曝光量关系的曲线1光学密度 OpticalDensity 指胶片经感光显影后 影像表现出的深浅程度 以阻光率O的对数表示透光率TD lg O O 1 T2曝光量H ExposureAmount 指感光材料在曝光时吸收光量的多少 取决于照度E和曝光时间t 是照度 illumination 与曝光时间 ExposurePeriod 的乘积H Et照度由相机 Camera Lens Focus 的光圈 Aperture 控制 曝光时间由快门 Shutter 调节3特性曲线 FeatureCurve 横坐标为曝光量的对数值 纵坐标为胶片的光学密度 黑白感光材料的特性曲线SensitometricCharacteristicCurve 1A0至A 灰雾密度 生产或存贮过程有轻微曝光所致A至B 趾部 曝光不足部分 再现目标物中较暗的部分之间的差异 B至C 直线部分 感光材料唯一能正确记录景物明暗差异部分越长 表明该感光材料对景物明暗差异的记录能力越强C至D 肩部 曝光过度部分 表达地物较亮部分间的差异能力强5超过D 反转部分 曝光量继续增加而光学密度反而降低 对特性曲线的理解 七 摄影材料及技术 三 黑白感光材料的主要性能感光度 片速 胶片的感光速度反差 胶片的明亮部分与阴暗部分的密度差 表达的是特性曲线的直线部分的斜率 称为反差系数 ContrastCoefficient 若 1 扩大原始景物间的亮度差异 航空摄影常用 若 1 保持原始景物间的亮度差异若 1 抑制原始景物间的亮度差异3宽容度 ExposureLatitude 胶片表达被摄物体亮度间距的能力 范围越大 能正确记录景物明暗层次越丰富 就是特性曲线中 lgH的宽度 颗粒度 GrainSize 是指感光乳剂层中AgBr微粒直径的大小 越小生成影像越细腻 七 摄影材料及技术 三 黑白感光材料的主要性能分辨率 Resolution 与清晰度 Definition 分辨率反映感光材料对景物细微结构清晰记录的能力影响航空像片分辨率的因素有 A相机镜头分辨率B感光材料中银盐颗粒D的大小C冲洗水平三者综合作用后的分辨率即为航片分辨率 感色性感光材料对色光的敏感范围和敏感程度保存性 QualityofPreservation 是指感光材料的主要性能不发生明显变化所经历的一定时间和所需要的一定条件 时间越短 条件越苛刻 则这种感光材料的保存性越差 七 摄影材料及技术 四 成像过程感光AgBr见光分解 在胶片上形成潜影显影将潜影成比例的放大 要控制显影液的温度 浓度显影时间定影将剩余的未感光的AgBr洗去清水冲洗避免药水 Na2S2O3 分解将胶片氧化而发黄印相将胶片上的影像重复上述过程转移到相纸上 补充 彩色原理 一 概述色彩分为消色和彩色两种 消色指黑 白以及界于两者间灰色 彩色根据人眼视觉特征区分为红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 可粗分为红 绿 蓝三色 RGB 色彩的生理基础视网膜上的视细胞 神经末梢 中枢神经共同构成色彩的生理基础 基于未通过生理学 解剖学证明的假设 将视细胞分为锥状细胞 杆状细胞 锥状细胞分布于黄斑区 能检测亮度和颜色信息 每个细胞连一神经末梢因此其分辨率高 能检测目标细节 在强光条件下起作用杆状细胞只能检测亮度信息 多个细胞连一神经末梢 因此其分辨率低 能检测目标总体轮廓 在弱光条件下起作用 利用上述假设能解释生活中的现象 彩色原理 二 色彩三要素1色调 Hue 色相或色别 决定于彩色光的光谱成分 反映色光在 质 方面的差异2饱和度 Saturation 决定于色光中混入白光的数量 类似与溶液的稀释效应 混入白光越多则饱和度越低 它是色光 纯度 的表达3亮度 Intensity 决定于色光的能量 反映色光在 量 方面的特征注意 光谱成分决定了光的颜色 但某种颜色的光与光谱成分不是一对一的关系 第二章遥感物理基础 彩色原理 三 色彩合成A加色法用于物理学 计算机中颜色合成 是指用两种或两种以上的原色按一定比例混合而得到新颜色的方法 就成为加色法 几个基本概念 1 相加三原色 红 绿 蓝 它们不能由其它颜色合成 它们按一定比例组合可以合成任何色彩 某种色彩 a R b G c B 只需改变3者的比例 即可合成任何色彩 2 互补色 若两种色光等量混合而得到白色 则这两种色光互为补色 3 加色法合成原理 第二章遥感物理基础 加色法色彩合成原理 Cyan Yellow Fuchsine B减色法常用于颜料色混合 印刷出版业是指颜料吸收了白光中一种或一种以上的原色将剩余色光反射出来而获得新颜色的方法减色法三原色 黄 品红 青 黄色是减去蓝色的红绿组合黄色 蓝色称也为互补色 七 摄影材料及技术 五 天然彩色片胶片感光层中是染料而非银盐颗粒 又称为真彩色 TrueColororNaturalColor 天然彩色片的结构 a原景物的色彩 原始景物的反射率 蓝绿红近红外 b曝光后胶片感蓝层黄滤光层感绿层感红层 激活 吸收蓝色的滤光层 激活 激活 曝光 c显影定影后 负片 黄色层品红色层青色层 对近红外不感光 透明 黄色 黄色 黄色 品红色 透明 品红色 品红色 青色 青色 透明 青色 BGR BGR BGR BGR d观察到的颜色 正片 蓝绿红黑 天然彩色片的生成过程 1曝光 即在各层乳剂上形成潜影中心 蓝光在感蓝层感光 绿光在感绿层感光红光在感红层感光2显影 显影时金属银析出 凡感光的乳剂都出现其成色剂的颜色 未感光不显示颜色3定影 把残留的银溶解掉 只留下染料部分观察负片时 看到的颜色遵从减色法原理 相当于三个滤色片的叠合 品红和青色形成蓝色 黄 青形成绿 黄 品形成红 黄 品 青形成黑色 正片是负片经过曝光 显影 定影生成的 原理与负片的生成相同 负片中生成了原天然物体颜色的补色 而正片又将其补色再生成补色 最的形成与天然景物完全相同的色彩 天然彩色片的成色原理 七 摄影材料及技术 六 彩色红外片 FalseColor 假彩色 伪彩色 PseudoColor 第二章遥感物理基础 a原景物的色彩 原始景物的反射率 蓝绿红近红外 b曝光后胶片黄滤光层感近红外层感绿层感红层 吸收蓝色的滤光层 激活 激活 曝光 c显影定影 负片 青色层黄色层品红色层 青色 青色 青色 透明 黄色 透明 黄色 黄色 品红色 品红色 透明 品红色 BGR BGR BGR BGR d观察到的颜色 黑蓝绿红 激活 彩色红外片成色原理 从上述成色原理看出 彩红外片上成像色彩与景物的颜色不一致 因此称为 假彩色 地物色彩在真彩色及红外彩色像片的区别 现实地物在彩红外片中的表现处于成长期的健康植物呈现出红色 植物越嫩 红色越鲜艳 枯萎和衰老的植物则不呈现红色 而是黄偏红的颜色 水面主要呈现蓝色或绿色 路面多为灰色 青灰色或蓝黑色 建筑物的顶面多呈现青色 暗黄色或蓝黑色等 红色屋顶 在彩红外影像中呈现出黄绿色或暗黄色 植被在彩红外像片上表现为不同程度的品红到红色 因为近红外段的光谱反射率远远高于它在可见光波段的光谱反射率 水在彩红外像片上表现为蓝到青色 清水呈蓝色 浊水呈青色 城市呈现内部有纵横纹理的青色 公园 绿化带呈品红到红色 湿地呈青色 干旱裸地和沙漠都呈黄色 雪和云都呈白色 分析 1健康的绿色植被在彩红外片上呈什么色调 2感病初期的绿色植被在此片种上呈什么色调 3濒临死亡的植被在此片种上呈什么色调 1健康植被反射绿光在负片上形成黄色染料 到正片后为蓝色 黄色的补色 同时健康植被强烈反射红外 在负片上形成青色染料 在正片上为红色 青的补色 因此 正片上就是红 蓝 品红 但由于健康植被反射红外的能力是反射绿光能力的3 5倍 因此正片上应是红占优势 所以 健康的绿色植被在彩红外片上应是红品红2感病初期绿色植被从肉眼看还呈现绿色 但此时其光谱特性已经有了明显的变化 其反射绿光和红外的能力迅速下降 并且由于细胞结构的病变其反射红外的能力与绿光的能力基本一致 所以理论上正片应该是品红色调 但品红变淡 就是俗称 暗红 色调 3濒临死亡的植被 肉眼检测呈现黄色并不再反射红外 因此在负片上为红色 到正片后为 青 色 第二节扫描成像摄影成像是传感器收集到的地物反射光在感光胶片上曝光成像扫描成像是传感器将收集到的电磁波能量 通过仪器内的光敏或热敏元件转变成电能后再记录下来优点 扩大了探测的波段范围 便于数据的存储与传输原理扫描成像是依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点 逐行取样 以得到目标地物电磁辐射特性信息 形成一定谱段的图像 探测波段包括紫外 红外 可见光 红外目前常用的有红外扫描仪和多光谱段扫描仪 红外扫描仪 对目标物的红外辐射进行扫描成像或显示的一种仪器多光谱扫描仪 利用电磁波的紫外 可见光 红外进行扫描成像成像光谱仪主要应用于高光谱航空遥感 成像光谱仪 主要应用于高光谱航空遥感 通常的多波段扫描仪将可见光 红外分成几个或几十的波段 对于遥感而言 在一定的波长范围内 被分割段数越多 越接近于连续光谱 可发使扫描仪在取得地物目标图像的同时也可获得该地物的光谱组成 这种技术叫成像光谱技术 利用该原理制成的扫描仪称成像光谱仪 红外扫描仪结构原理 热红外扫描 多光谱扫描仪原理图 MSS扫描影图 AVIRIS 航空可见光 红外光成像光谱仪 高光谱遥感 第三节微波遥感与成像微波遥感 通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射 经过判读处理来识别地物的技术微波遥感特点 1能全天候 全天时工作2对某些地物具有特殊的波谱特征3对冰 雪 森林 土壤等具有一定的穿透能力4对海洋遥感具有特殊意义5分辨率低 但特征明显 微波遥感主动微波遥感 雷达侧视雷达合成孔径侧视雷达被动微波遥感 是指通过向目标地物发射微波并接受其后向辐射信号来实现对地观测的遥感方式 主要传感器为雷达 此外还有微波高度计和微波散射计 是指通过传感器 接受来自目标地物发射的微波 而达到探测目的的遥感方式 被动接受目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计 被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微波散射计 SAR传感器 合成孔径雷达 SAR SyntheticApertureRadar SAR是一套多波束合成孔径雷达 工作频率为5 3GHz 属C频段 白宫SAR 第四节遥感图像的特征 一 空间分辨率 SpatialResolution 是指遥感影像上一个像元所对应的地面实际面积的大小 通常有3种表示方法 像元 Pixel 指单个像元所对应的地面面积的大小 以m或Km为单位 如Quickbird的0 61米 Landsat TM的30米 NOAA AVHRR的1 1Km等 像元是扫描影像的基本单位 由行 列号及对应的亮度值描述 线对数 LinePairs 对于摄影系统而言 影像最小单元通过1mm间隔内包含的线对数确定 单位为线对 mm 一空间分辨率瞬时视场 IFOV InstantaneousFieldofView 指遥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 空间分辨率越高 IFOV取决于遥感器光学系统和探测器的大小 一个IFOV内往往包含不止一种地物覆盖类型 这就是 混合像元 MixedPixel 其中包含的每一种类型称为 纯 的 终端单元 Endmember 通常情况下 空间分辨率越高 识别地物的能力越强 但实际上每一目标在图像上的可分辨程度 不完全由空间分辨率决定 还与目标的形状 大小以及它周围的亮度 结构的差异有关 利用空间分辨率来选择遥感数据时 主要考虑 1需要识别的地物的最小尺寸2考虑大数据量对计算机存储 计算的压力3考虑成本经费 二 光谱分辨率 SpectralResolution 是指遥感器所选用的波段数量的多少 各波段的波段位置及波长间隔的大小 即选用通道数 每个通道的中心波长 带宽 三者共同决定光谱分辨率 光谱分辨率越高 专题研究的针对性越强 对物体的识别精度越高 遥感应用分析的效果就越好 光谱分辨率越高 越容易捕捉到各种物质特征波长的微小差异 便于找到那些识别不同地物类型的 诊断波谱 所以高光谱遥感就有利于探测目标物之间波谱特征的细微差异 光谱分辨率越高 描述每个像元的特征向量维度就越高 高光谱遥感数据的维度就越高 光谱分辨率的选取要以研究地物的波谱特征为基础 三 时间分辨率 TemporalResolution 是指遥感器重复覆盖同一地区的频率或时间间隔的长短 时间间隔越短 则说明时间分辨率越高 主要由遥感平台的回归周期来决定 遥感图像的时间分辨率有助于对地物进行动态监测 根据遥感探测系统周期的长短可以将时间分辨率划分为3种类型 超短周期和短周期时间分辨率 主要指气象卫星系列