第3章--传感器及航天遥感.ppt

第三章传感器及航天遥感,电磁波及电磁波谱黑体辐射和实际物体辐射太阳辐射和地球辐射电磁波在大气传输中的影响物体的反射辐射各典型地物的光谱曲线,回顾,遥感图像的分辨率传感器遥感平台及卫星轨道常见卫星参数及其影像特性,第三章传感器及航天遥感,主要内容,传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。是遥感技术系统中数据获取的关键设备。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。,传感器,1遥感图像分辨率,分辨率-传感器最具实用意义的指标。分辨率是遥感技术及其应用中的一个重要概念，也是衡量遥感数据质量特征的一个重要指标。分为：空间分辨率；时间分辨率；光谱分辨率；温度分辨率。,遥感图像的空间分辨率,空间分辨率：每个像元对应空间的大小。表征影象分辨地面目标细节能力的指标。,空间分辨率单位以米表示。空间分辨率数值越大分辨率越低。,遥感图像的空间分辨率,空间分辨率=地面分辨率空间分辨率=？影像分辨率影像分辨率随比例尺的变化而变化，是空间分辨率在不同比例尺的具体影像上的反映。,计算机屏幕无影像分辨率之说,空间分辨率决定其所能形成影像分辨率之范围,影象一厘米包含多少个象素,遥感图像的光谱分辨率,光谱分辨率是指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小,分辨率越高。人眼的光谱分辨率？,遥感图像的光谱分辨率,它包括传感器总的探测波段的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。全色多波段高光谱成像光谱仪,遥感图像的时间分辨率,时间分辨率指对同一地点进行遥感采样的时间间隔,即采样的时间频率,也称重访周期。可提供地物动态变化的信息。时间分辨率与所需探测目标的动态变化有直接的关系。各种传感器的时间分辨率，与卫星的重复周期及传感器在轨道间的立体观察能力有关。,遥感图像的时间分辨率,根据回归周期的长短，时间分辨率分为三种类型：超短（短）周期时间分辨率，可以观测到一天之内的变化，以小时为单位。中周期时间分辨率，可以观测到一年内的变化，以天为单位。长周期时间分辨率，一般以年为单位的变化。,遥感图像的时间分辨率,时间分辨率的意义：进行动态监测和预报自然历史变迁和动力学分析提高成像率和解像率，对历次获取的数据资料进行叠加分析，提高地物识别精度,遥感图像的辐射分辨率,指传感器能区分两种辐射强度最小差别的能力。在遥感图像上表现为每一个像元的辐射量化级。,温度分辨率,温度分辨率是指热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力。与探测器的响应率和传感器系统内的噪声有直接关系，一般为等效噪声的2-6倍。,任何类型的传感器都由四个基本部件组成：收集器：收集地物辐射来的能量。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：将获取的数据输出。,2传感器,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）。NOAA/AVHRRTERRA/MODISLANDSAT/TM,传感器的分类,根据传感器工作的波段可分为：可见光传感器，红外传感器，微波传感器。从可见光到红外区的光学波段的传感器统称光学传感器。微波领域的传感器统称微波传感器。,传感器的分类,传感器的分类,就基本结构原理来看,目前遥感中使用的传感器可分为以下四类:摄影类型的传感器雷达成像类型的传感器光电成像型的传感器成像光谱仪,光电成像型的传感器,将收集到的电磁波能力，通过光敏或热敏元件（探测器）转变成电能后再记录下来。与光学摄影机比：扩大了探测的波段范围；便于数据的存储与传输航天多使用此类传感器,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，形成一定谱段的图象对物面扫描的成像仪：特点:对地面直接扫描光机扫描仪(红外扫描仪，多光谱扫描仪)，成像光谱仪，多频段频谱仪对像面扫描的成像仪：特点:瞬间在像面上先形成一条线图象,甚至是一幅二维影象,然后对影象进行扫描成像.线阵列推扫式成像仪，电视摄像机,光电成像型的传感器,以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起，可以实现对同一地区同时获取几十个到几百个波段的地物反射光谱图像。属于多光谱扫描仪，其构造与线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪类型相同，区别在于通道数目多，各通道的波段宽度很窄。,成像光谱仪,成像光谱仪,成像光谱仪特点,高光谱分辨力：可获得可见光、近红外、短波红外、热红外波段多而窄的连续光谱，波段多，间隔在nm级，10-20nm，个别到2.5nm；图谱合一：在获得高光谱波段图象的同时，可以显示图象中每个像元的连续光谱。空间分辨率：航空的较高；航天的分为中分辨率和高分辨率。辐射分辨率大和信噪比高。数据量大。,3遥感平台及卫星轨道,遥感平台:遥感中搭载遥感器的工具。可按以下不同类别进行划分：遥感平台的高度所利用的电磁波的光谱段分类研究对象分类应用空间尺度分类,地面平台,地面平台：高度在0到50m范围内，包括车、船、三脚架、遥感塔、遥感车等。对地观测研究中应用较少。主要目的：对地物进行波谱测量。,航空平台,航空平台：高度在百米到10多km，包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等飞机：高空：无人机2到3万米低空：航空摄影测量1时为交错偏移。,卫星轨道运行特征,近圆形轨道:不同地区获取的图像比例尺一致。便于扫描行之间衔接。近极地轨道:有利于增大卫星对地面总的观测范围。与太阳同步轨道:有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空。可重复轨道:有利于对地面地物或自然现象的变化作动态监测。,与太阳同步,卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度。,可重复轨道,3遥感平台及卫星轨道,遥感平台:遥感中搭载遥感器的工具。可按以下不同类别进行划分：遥感平台的高度所利用的电磁波的光谱段分类研究对象分类应用空间尺度分类,地面平台,地面平台：高度在0到50m范围内，包括车、船、三脚架、遥感塔、遥感车等。对地观测研究中应用较少。主要目的：对地物进行波谱测量。,航空平台,航空平台：高度在百米到10多km，包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等飞机：高空：无人机2到3万米低空：航空摄影测量2000米，大比例尺航片气球：高空气球12到40公里航空平台历史悠久，主要是飞机摄影,航天平台,航天平台：高度在150km以上。主要有航天飞机（240到350km高度）和卫星。航天平台目前发展最快、应用最广：气象卫星系列、海洋卫星系列、陆地卫星系列,可应用的遥感平台,航天遥感,与航空遥感比，优缺点有：视野开阔，观测的地面范围大，可发现大面积，宏观的整体的特征。可进行周期，重复的观察，有利于对地球表面的资源，环境，灾害进行动态监测。不需燃料供给。分辨率低于航空遥感平台。,遥感卫星的姿态,遥感卫星是航天遥感平台的一种主要类型。卫星在太空中由于受各种因素的影响，姿态是不断变化的，从而对所获取的数据质量有很大的影响。为了修正这些影响，在获取地表数据的同时，必须测量，记录遥感卫星的姿态数据。便于数据使用前做几何校正。,三轴倾斜,现定义卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为x轴，垂直轨道面的方向为y轴，垂直xy平面的为z轴，则卫星的姿态有三种情况：绕x轴旋转的姿态角，称之为滚动；绕y轴旋转的姿态角，称俯仰；绕z轴旋转的姿态角，称偏航。滚动是一种横向摇摆。俯仰是一种纵向摇摆。偏航是指遥感卫星在飞行过程中偏移轨道。,振动,指除三轴倾斜以外的非系统性的不稳定的振动。使用遥感数据前需要进行集合校正。,用于表示遥感卫星轨道特征的数值。遥感卫星所包含地球在内的平面叫轨道面。,轨道参数,根据开普勒定律，卫星轨道在空间的具体形状位置，可由六个轨道参数来确定卫星轨道的长半轴a卫星轨道的偏心率（或称扁率）e轨道倾角I升交点赤经近地点角距卫星过近地点时刻t0以上六个参数可以根据地面观测来确定,轨道参数,卫星的空间轨道,倾角i决定了轨道面与赤道面，或与地轴之间的关系。i=0时轨道面与赤道面重合。i=90时轨道面与地轴重合。i90时轨道面接近地轴，这时的轨道称近极地轨道。轨道近极地有利于增大卫星对地球的观测范围。,几种常见轨道面,a和e决定了卫星轨道的形状、i决定卫星轨道面的方向。确定轨道面中轨道的长轴方向。根据t0可计算出任何时刻卫星在轨道上的位置,1卫星高度依据开普勒第三定律同样可解求卫星的平均高度2卫星运行周期指卫星绕地一圈所需要时间，即从升交点开始运行到下次过升交点时的时间间隔。与卫星高度正相关。,其它一些常用参数,3、重复周期指卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地上空时所需要的天数。4，降交点时刻指卫星经过降交点时的地方太阳时的平均值。5，扫描带宽度卫星沿轨道运行时其传感器所观测的地面带的横向宽度。,同一天相邻轨道间在赤道处的距离每天卫星绕地圈数,星下点（天底点）：卫星正下方的地面点。星下点轨迹（地面轨迹或地面轨道）：星下点的集合。降交点：卫星在白天从北向南运行时星下点轨迹与赤道的交点。升交点：卫星在晚上从南向北运行时星下点轨迹与赤道的交点。,NOAA-16图像,NOAA-16日期:2003年05月11日时间:04:59:14(UTC)（UTC指国际标准时间或格林尼治时间）,卫星轨道,地球同步轨道：卫星高度高，观测范围大。与太阳同步轨道:卫星轨道面与地球公转方向相同而同时旋转的近圆形轨道。轨道倾角大，饶过极地地区，因此又称极轨卫星。卫星于同一纬度的地点，每天在同一地方时同一方向上经过，使得卫星在不同时相对同一地区遥感时，太阳高度角大致相等，有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空。近圆形轨道:不同地区获取的图像比例尺一致。便于扫描行之间衔接。,与太阳同步轨道,卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度。,遥感图像的空间分辨率,空间分辨率=地面分辨率空间分辨率=？影像分辨率影像分辨率随比例尺的变化而变化，是空间分辨率在不同比例尺的具体影像上的反映。,4常见卫星参数及其影像特性,现有的卫星系列陆地资源卫星系列气象卫星系列海洋卫星系列,（1）陆地资源卫星,以探测陆地资源为目的的卫星叫陆地资源卫星。陆地卫星的运行特点：近极地、近圆形的轨道；轨道高度为700900km；运行周期为99103min/圈；轨道与太阳同步。,（1）陆地资源卫星,目前，主要的陆地资源卫星有：（1）美国陆地卫星(Landsat)；（2）法国陆地观测卫星(SPOT)；（3）欧空局地球资源卫星(ERS)；（4）俄罗斯钻石卫星(ALMAZ)；（5）日本地球资源卫星(JERS)；（6）印度遥感卫星(IRS)；（7）中-巴地球资源卫星（CBERS）。,一、Landsat数据陆地卫星Landsat，1972年发射第一颗，已连续35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。,（1）陆地资源卫星,Landsat轨道参数,Landsat数据系列,Landsat参考网站,教学活动：上网查资料，了解Landsat卫星的最新动态。/////,二、SPOT数据1978年起，以法国为主，联合比利时、瑞典等欧共体某些国家，设计、研制了一颗名为“地球观测实验系统”(SPOT)的卫星，也叫做“地球观测实验卫星”。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日凌晨当地时间1时31分，在法属圭亚那卫星发射中心由阿里亚娜4号火箭运载成功发射。中等高度（832km)圆形近极地太阳同步轨道。主要成像系统:高分辨率可见光扫描仪（HRV，HRG），VEGETATION，HRS。,（1）陆地资源卫星,SPOT卫星的轨道参数,SPOT参考网站,教学活动：上网查资料，了解SPOT卫星的最新动态。,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101m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。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。,（1）陆地资源卫星,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，下降角在上午10:30，重复周期l3d。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。全色光谱响应范围：0.150.90m而多光谱则相应于Landsat-TM的波段：MSI-10.450.52m蓝绿波段MSI-20.520.60m绿红波段MSI-30.630.69m红波段MSI-40.760.90m近红外波段,IKONOS数据,IKONOS图像,地区：中国上海浦东,影像分辨率：1m,采集时间：2000年3月26日,http/,IKONOS参考网站http/,四、QuickBird数据美国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。卫星轨道高度450km,倾角98,卫星重访周期16d（与纬度有关）。QuickBird图像，目前是分辨率较高的遥感数据，为0.61m，幅宽16.5km。可应用于制图、城市详细规划、环境管理、农业评估。,（1）陆地资源卫星,QuickBird数据的光谱段,Quickbird传感器为推扫式成像扫描仪,QuickBird影像图,QuickBird数据参考网站,教学活动：上网查资料，了解QuickBird卫星的最新动态。Http:/Http:/Http:/,五、CBERS数据特点CBERS计划是中国和巴西为研制遥感卫星合作进行的一项计划。CBERS采用太阳同步极轨道。轨道高度778km轨道，倾角是98.5。每天绕地球飞行14圈。卫星穿越赤道时当地时间总是上午10:30，这样可以在不同的天数里为卫星提供相同的成像光照条件。卫星重访地球上相同地点的周期为26天。,（1）陆地资源卫星,于1997年10月发射CBERS-l；1999年10月发射CBERS-2。卫星设计寿命为2年。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)。以不同的地面分辨率覆盖观测区域：WFI的分辨率可达256m，IR-MSS可达78m和156m，CCD为19.5m。,CBERS数据,CBERS的CCD光谱段,高分辨率CCD像机具有与陆地卫星的TM类似的几个谱段(5个谱段)，其星下点分辨率为19.5m，高于TM；覆盖宽度为113km。B1:0.450.52m，蓝。B2:0.520.59m，绿。B3:0.630.69m，红。B4:0.770.89m，近红外。B5:0.510.73m，全波段。,CBERS的IRMSS光谱段,红外多光谱扫描仪IRMSS(4个谱段)，覆盖宽度为119.5km。B6:0.501.10m，蓝绿近红外,分辨率77.8m。B7:1.551.75m，近红外相当于TM5,分辨率为77.8m。B8:2.082.35m，近红外相当于TM7,分辨率为77.8m。B9:10.412.5m，热红外相当于TM6,分辨率为156m。,CBERS的WFI光谱段,广角成像仪WFI(2个谱段)，覆盖宽度890km。B10:0.630.69m，红,分辨率为256m。B11:0.770.89m，近红外,分辨率为256m。CBERS参考网站：,六、JERS数据数据来源：日本地球资源卫星。近圆形、近极地、太阳同步、中等高度轨道。是一颗将光学传感器和合成孔径雷达系统置于同一平台上的卫星，主要用途是观测地球陆域，进行地学研究等。共有3台遥感器：可见光近红外辐射计（VNR）、短波红外辐射（SWIR）、合成孔径雷达（SAR）。,（1）陆地资源卫星,JERS-1SAR传感器,合成孔径雷达(SAR)SAR是一套多波束合成孔径雷达，工作频率为5.3GHz，属C频段，HH极化。SAR扫描左侧地面。它有5种工作模式，5种模式的照射带分别为：500km,300km,200km,300km与500km，800km。地面分辨率分别为28m25m，28m25m，9ml0m，30m35m与55m32m，28m31m。,JERSImage,地点：美国内华达州JERS图像,JERS数据参考网站,http:/www.eorc.nasda.go.jp/http:/www.eoc.nasda.go.jp/http:/www.jers-,七、IRS数据及特点数据来源：印度遥感卫星1号。太阳同步极地轨道。该卫星载有三种传感器：全色像机（PAN）（）；线性成像自扫描仪（LISS）（）；广域传感器（WiFS）（）。,（1）陆地资源卫星,IRS图像,（2）气象卫星数据,气象卫星是广泛应用于国民经济领域和军事领域的一种卫星，是太空中的自动化高级气象站。它能连续、快速、大面积地探测全球大气变化情况。一般按运行轨道可分为太阳同步轨道气象卫星（又称极轨气象卫星）和地球静止轨道气象卫星。前者每天可对全球表面扫描两遍，其优点是可以获得全球气象资料，但对同一地区的观测需要12小时的观察。后者可对地球近五分之一的地区连续进行气象观测。其晴天资料往往被用于植被等环境动态变化观测。,NOAA卫星系列（美国）GMS气象卫星系列（日本）FY气象卫星系列（中国）,NOAA卫星,数据来源：美国气象卫星。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辨率辐射计(AVHRR)和泰罗斯业务垂直观测系统(TOVS)。参考网站://,AVHRR数据的波段及主要应用,NOAA-14图像,广州,NOAA-16图像,NOAA-16日期:2003年05月11日时间:04:59:14(UTC)（UTC指国际标准时间或格林尼治时间）,FY气象卫星,数据来源：中国风云气象卫星。近极地太阳同步轨道。（1）可连续对我国及周边地区的天气进行实时监测，较大地提高了对影响我国的各种尺度的天气系统的监测能力，所获云图资料可填补我国西部和西亚、印度洋上的大范围气象资料的空白。（2）可连续监测天气变化。（3）其视野更广，可覆盖以我国为中心的约1亿km2的地球表面，即亚洲、大洋洲及非