遥感成像原理与遥感图像特征

第三章遥感影像原理和遥感影像特征目的和要求：确定可见光、近红外、热红外和SAR成像机制、遥感器的类型和特性对遥感图像的影响、遥感图像主要指标评价等。焦点和困难：遥感器和遥感影像功能、遥感影像主要指标评估；遥感影像机制。教学方法：教学方法，示范方法课程体系：传感器部分1一、传感器的定义和功能传感器是收集、检测和记录物体电磁辐射信息的工具。其性能决定了遥感功能，例如传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率、图像的几何特性、传感器可以获取多少地物信息以及它的可靠性。二、传感器分类根据工作方法，分为：主动式传感器：横向视觉雷达、激光雷达、微波辐射计。手动传感器：航空相机、多光谱扫描仪(MSS)、TM、ETM、HRV、红外扫描仪等。三、传感器配置收集器：收集图的发射能量。探测器：将收集的辐射能转换为化学能或电能。处理器：处理检测到的信号，例如化学能或电能。输出器：要导入的数据输出。四、传感器工作原理在地面目标图中，收集、测量和记录电磁波信息的仪器是遥感技术的核心部分。根据传感器的工作方式，分为主动和被动两种。活动：人工辐射源向目标发射辐射能，然后接收目标反射的能量，如雷达。手动：接收地物反射的太阳辐射，如相机、多光谱扫描仪(MSS、TM、ETM、HRV)，或地物本身的热辐射能量。传感器按照记录1)非美化：侦测到图形复制强度，并以数字或曲线图形表示。辐射计、雷达高度计、散射计、激光高度计等。2)成像：图片复制(反射、辐射或两者)能量的亮度以图像表示。相机、扫描仪、成像雷达。五、照片传感器1，航空相机：在空中拍摄地面的设备通过光学系统使用感光材料记录图片的装置反射光谱能量。记录的波长范围是可见光到近红外周。2、成像原理：因为图片的每个部分都反射出强光度不同，感光材料上的感光程度不同因为各部分的色调不同。相关概念u主灯光轴：通过物镜中心并垂直于主平面(或焦平面)的线称为主灯光轴。u等于关键点。主轴与感光图纸的交点称为关键点。u航空倾斜：主光轴和垂直线的角度a航空照片分类1)根据航空倾斜角分类垂直航空照片倾斜的航空照片：立体感2)以照片执行方式分类单片照片航线照片表头嵌套：60-53%面积照片(多路径照片)表头重叠：60-53%侧重叠：30-15%3)按感光胶片和使用的波段分类普通黑白照片：0.38-0.76m彩色红外照片：0.38-1.3m黑白红外照片：0.38-1.3m彩色照片：0.38-0.76m多光谱照片：通常是蓝色、绿色、红色和几乎红色4一个乐队4)按比例尺分类大规模航空照片：比例大于1/l0000中比例航空照片：比例尺1/10000至1/30000小比例航空照片：比例尺1/30000至1/l00000超小型航空相片：比例尺1/ 1/照片的几何特性4.1照片投影(1)中心和垂直投影飞机是中心投影。照片光线在同一点相交地图是正交投影。也就是说，摄影光线平行，面垂直投影。(2)中心投影和垂直投影之间的区别u投影距离的影响正交投影：比例尺和投影距离无关中心投影：焦距固定，航空高度更改，比例尺更改u投影面拔模的影响正射投影：总是水平的，没有倾斜问题中心投影，如果投影面倾斜，则航空照片的每个部分具有不同的比例尺u地形起伏的影响地形起伏对正投影无影响中心投影产生的投影差异航空零件的比例系数不同(3)中心投影的透视法则u点的图像仍然是点。平行于u面的直线图像或直线；如果直线垂直于地面，则有两种情况。首先，如果直线垂直于幻灯片并通过投影中心，则该直线在图像中显示为一个点。第二；如果直线的延长线没有通过投影中心，则直线的投影仍然是直线，但是垂直线形状的目标的长度和变形取决于目标在相机中的位置。u平面上的曲线，中心投影通常保持为曲线。在特殊情况下是直线4.2航空照片比例航空照片的分段长度与地面相应分段长度的比率，称为视频比例尺。(1)平均比例尺：以每个点的平均高程作为起始面计算的比例尺。(2)主比例尺：计算出的比例尺，类似于主点行高，以近似表示此打印的比例尺。平坦区域，照片处于水平(垂直照片)状态时，图像比例等于机器焦距(f)与航空高度(h)的比例。4.3图像点位移-地形波动位移量与曲面高度差成正比。差值为正时，偏离与主点相同的位置，例如点位移为正时。如果高差值为负，则像主点方向一样移动点位移为负。位移量与距第一点的距离成正比。也就是说，图像点距主点的位移越大，图像中心部分的位移就越小。没有位移，如主要点。位移量与照片高度(航空高度)成反比。照片的高度越大，表面起伏引起的位移就越小。六、扫描传感器1.光/机扫描成像1.1概念：依靠振动光学镜头的机械传动装置逐点扫描目标图片。探测元件将接收的电磁波能量转换为电信号，将磁介质中的记录或再电/光转换为光能量，从而在焦平面设置的胶片上形成图像l瞬时视场角：扫描镜可以被认为在一瞬间时间内静止，此时接收对象的电磁波辐射限制在很小的角度，这个角度称为瞬时视场角。扫描仪的空间分辨率。l总视角：扫描带的地面宽度称为总视野。从遥感平台到地面扫描带外配置的角度称为总视角。1.2工作原理：扫描镜像机械工作，与遥感平台配合使用前进运动，摆动，然后地面扫描，地面对象发射光束通过扫描镜反射，分别通过镜头焦点和光谱取下不同波长的波段，再次集中感受不同波长的勘探测试组件。1.3几何特性u中心投影u线扫描u每个扫描线都有投影中心2.固体自扫描成像2.1固体自扫描使用固定传感元件通过遥感平台动作扫描目标图片的成像方法。2.2与光学机器扫描的比较：(1)相同点：利用飞机的前向运动，用垂直于飞行方向的扫描线记录构成二维图像。(2)差异：扫描线数据的记录方式。光学机械扫描：使用旋转扫描镜以像素为单位旋转照明固体自扫描：通过广角光学系统收集地面辐射能量，聚焦于投影到焦点平面的阵列探测元件(这些探测元件)同时检测地面反应，同时采矿，同时转换成电信号，同步成像。2.3电荷耦合器件CCD:使用电荷量表示信号大小的检测元件。宽光谱范围、小失真、小尺寸、轻重量、低系统噪音、敏感系统高、低功耗、长寿命、高可靠性的一系列优点。2.4扫描方法具有笔刷扫描成像功能。探测元件的数目越多，大小越小，解析度越高。电子藕合装置CCD逐渐取代光学机械扫描系统。3、高光谱成像光谱扫描成像光谱仪：称为成像光谱技术，是能够同时获得目标光谱曲线的“光谱图像集成”技术。根据此原理制作的扫描仪称为成像光谱仪。七、微波遥感和成像微波与地形交互，还存在散射、透射、发射等物理过程，通过测量不同频率、不同极化条件下的后向散射特性、多普勒效应等，可以反转图的物理特性介电常数、湿度等，并利用对几何特性3354图大小、形状、结构、粗糙度等有用的信息。1.概述u微波电磁波范围u微波分割u微波遥感概念和特性2.主动微波遥感雷达、微波高度计、微波散射仪2.1雷达(Radar，Radio Direction and Randge)根据工作方法的不同，可以分为：成像雷达：实际孔径雷达，合成孔径雷达非相雷达2.1.1雷达距离测量2.1.2根据“多普勒效应”测量运动物体u多普勒效应：由目标图和传感器的相对运动引起的电磁发射频率和回波频率的变化。u多普勒频移：频率为r的电磁辐射源与测量的物体之间的距离发生变化时，测量的物体接收的信号频率r 的差异是多普勒频移2.2侧视雷达用测光雷达，该天线不是直接安装在遥感平台下，而是形成遥感平台的移动方向和角度，向一侧或两侧倾斜安装，向侧面发射微波，接受回波信号。2.2.1机载侧视雷达的工作原理u机载侧视雷达工作原理示意图记录u图片的反向强度。侧面发射范围大，不同地形的差异更大，提高了雷达图像的立体感。2.2.2距离分辨率(垂直于飞行方向)距离分辨率表示沿距离方向区分的两点之间的最小距离。脉冲宽度是确定距离分辨率大小的关键。目标相对于距离的位置由脉冲回波从目标传播到雷达天线的时间决定，要区分两个目标，目标反射的能量的一部分必须能够在不同的时间到达天线。距离分辨率取决于脉冲持续时间，即脉冲宽度，与波长完全不同的概念。2.2.3方位角分辨率方位角分辨率表示沿一条航线可以分隔的两点之间的最小距离。要区分两个目标，两个目标之间的距离必须大于一个梁的宽度，以便在图像中记录为两点。u方位角分辨率与波瓣角度()相关。=/Drob的宽度与距离成正比方位角分辨率Pa=(/D)R发射波长越短，天线光圈d越大，与目标图像距离r越近，方位角分辨率越高。u实际光圈实测雷达(RAR-real aperture radar)用实际孔径天线工作的侧视雷达。提高方位角分辨力的方法Pa=(/D)R发射波长，天线孔径d，与目标地形的距离r2.3合成孔径侧视雷达(SAR-synthetic aperture radar)u遥感平台以一定的间隔发送脉冲信号，天线从不同位置接收相同目标的回波信号，进行合成，然后获得实际图像u原理：使用小天线作为发射单元，以直线移动此发射单元，在运动中选择多个位置，发送信号，接收回显信号，并记录(振幅和相位)。发射设备从Ls移动一定距离时，将存储的信息与同一目标的不同强度的信号重叠，从而产生类似长天线的效果。雷达回波强度的影响因素雷达回波强度可以简单地理解为与雷达遥感系统参数和表面特性直接相关的雷达图像的各种图片的灰度值。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度决定了表面粗糙度的大小和入射波穿透深度的能力。波长为1厘米时，大多数表面被视为粗糙面，渗透能力可以忽略。波长接近1米时，很少看起来粗糙，渗透潮湿土壤的能力为0.3米，干燥的土壤为1米或1米以上3.1.2倾斜角和调查区域宽度倾角是雷达光束和飞行平面之间的角度。与背向散射强度密切相关，倾角大，雷达回波强。雷达波束在距离方向上对应于特定的倾斜角范围，在这个范围内雷达波束照射的地面宽度是调查波段宽度。图像的近点对应于梁的倾斜角，回声很强。远点对应于较小的光束倾斜角和较小的反向强度。3.1.3极化方法雷达光束具有偏振(也称为极化)。电磁波与目标相互作用时，雷达的偏振产生不同方向的旋转，产生两个水平、垂直的分量。如果雷达波的偏振方向垂直于入射面，则称为水平偏振，以h表示。雷达波的偏振方向与入射面平行时，称为垂直偏振，以v表示。雷达遥感系统可以通过不同的极化天线发射电磁波来接受。四种常用方法：各向同性偏振：HH，VV相交极化(正交极化):HV，VH3.2曲面性质3.2.1复介电常数物体的复介电常数反映物体本身的电特性，由物质的组成和温度决定。复电常数直接影响物体对电磁能量的反射，其值越大，雷达回波强度越大。例如，金属或水分含量高的物体，复素常数大，混响强度大。干枯的树正好相反。3.2.2曲面坡度地形坡度影响雷达光束的入射角，进而影响回波强度地形坡度创建阴影效果，以增强图像的立体感。3.2.3表面粗糙度物体的粗糙度比入射电磁波的波长小得多，表面光滑物体的粗糙度大于入射电磁波的波长，表面粗糙第二节遥感数据特征一、遥感图像的空间分辨率空间分辨率，也称为地面分辨率，电子是对传感器或图像的情况下，图像中可详细区分的最小单位的大小或大小，或远程检测器分隔两个目标的最小角度或线性距离的测量。后者表示可相对于地面识别的最小地面距离或最小目标的大小。空间分辨率的三种表达(1)像素(pixel)表示单个图元对应的地面区域的大小小，单位为米或千米。QuickBird:0.61m0.61mLandsat/TM: 28.5m 28.5mNoaa/AVHRR: 1100m 1100m(2)线代数对于摄影系统，图像最小单位通常以线对/毫米为单位，由1mm间隔中包含的线数确定。(3)即时视野(Intantaneous Field Of ViewIFOV)指示传感器内单个探测组件的光