第二章摄影测量与遥感

,第二章航空摄影与卫星遥感的信息获取,主要内容,第一节航空摄影第二节扫描成像第三节多光谱遥感图像,一、航空摄影概述航空摄影是以飞机或气球作为遥感平台，使用航空摄影机在空中对地面，以摄影方式收集、处理目标物地信息的，获取各种图像、数据的全过程。（一）航空摄影机航空摄影机是安装在飞机等飞行器上，在空中对地面拍摄像片的摄影机。它是通过光学系统采用感光材料直接记录地物的反射光谱能量。因此，航空摄影机的结构与普通摄影机（相机）基本相同，但由于空中摄影的特殊要求，在镜头精密程度及结构上则更为精密和复杂，并能根据设计可进行自动连续摄影。,（二）航空摄影的种类（1）按主光轴和铅垂线的关系（像片倾斜角）分类可分为垂直摄影和倾斜摄影（2）按航空遥感区域（摄影的实施方式）分类可分为单片摄影、航线摄影和面积摄影。（3）按航空遥感平台的高度可分为高空航空摄影、中空摄影、低空摄影（4）按感光材料分类可分为全色黑白摄影、黑白红外摄影、彩色摄影、彩色红外摄影和多光谱摄影等。,摄影测量对空中摄影的基本要求1：摄影测量的飞行质量的基本要求像片比例尺是由摄影机的主距和摄影的高度来确定的：式中m为像片比例尺分母，f为摄影机主距，H为摄影高度或称航高。按照摄影测量要求，像片比例尺分母的相对误差一般不应超过5。因此，空中摄影测量飞行航高H的变换量也称航高差应限制为：,当测绘小、中等比例尺地形图，摄影比例尺略大于或接近于测图比例尺。当测绘大比例尺地形图时，摄影比例尺一般小于测图比例尺，为测图比例尺的35倍。,另外，测量规范还规定同一航带内最大航高与最小航高之差不得大于30m；摄影区域内实际航高与设计航高之差不得大于50m。这里的航高是指摄影飞机在摄影瞬间相对某一水准面的高度，从该水准面起算向上为正号。根据所取基准面的不同，航高可分为相对航高和绝对航高。相对航高是指摄影机物镜相对于某一基准面的高度，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。是确定航摄飞机飞行的基本数据，按Hmf计算得到绝对航高是相对干平均海平面的航高，是指摄影物镜在摄影瞬间的真实海拔高度。通过相对航高H与摄影地区地面平均高度A。计算得到H绝HA,2：像片重叠度航向重叠度：摄影测量使用的航摄像片，要求在航线飞行方向两相邻像片上对所摄地面有一定的重叠影像。旁向重叠度：对于区域摄影，要求两相邻航带像片之间也需要有一定的影像重叠。航向重叠度Px%=Px/lx*100%旁向重叠度Py%=Py/ly*100%,像片的重叠部分是立体观察和像片连接所必需的条件、在航向方向必须要三张相邻像片有公共重叠影像，这一公共重叠部分称之为三度重叠部分（如图所示，这是摄影测量选定控制点的要求。因此，三度重叠中的1，3像片的重叠部分不能太小。因为像片最边缘部分的影像，清晰度很差，会影响量测的精度。所以，一般情况下要求航向重叠度最小不能小于53，旁向重叠度不能小于15。最好航向保持在6065，旁向重叠度保持1530。,书,3：航带弯曲航带弯曲度是指航带两端像片主点之间的直线距离L与偏离该直线最远的像主点到该直线垂距的反比，一般用百分数表示，航带弯曲度一般规定不得超过3。,4：像片旋偏角相邻两像片的主点连线与像幅沿航带飞行方向的两框标连线之间的夹角称为像片的旋偏角，对像片的旋偏角一般要求小于6度，个别最大不应大于8度。而且不能连续三片有超过6度的情况。,航空像片的物理特征（一）航空像片的分辨率一幅像片内能辨别相邻两个物体的能力。影像分辨率：像片或底片1mm距离内能够分辨线条的数目。地面分辨率：离地面一定高度的空中所获得的图像资料，经过航摄仪器或其他电子仪器的放大，所能观察到地面最小物体的尺寸。（二）像片的反差G=Bmax/BminB亮度值2.54.5中反差,四、黑白航空像片（一）全色黑白航空像片（二）黑白近红外像片五、彩色航空像片的特点,第二节扫描成像,扫描成像：主要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，已得到目标地物电磁辐射特性信息，利用光电效应和光热效应，将辐射能转换成电能或者其他物理特性的变化，从而对物体进行探测。扫面方式分类：机械扫描方式、电子束扫描方式及固体自扫描方式等。,第三节多光谱遥感图像,多光谱遥感：将地物辐射较宽的连续的电磁波分割成若干较窄的光谱段，以摄影或扫描的方式，在同一时间获得同一目标不同的光谱信息的遥感技术。卫星遥感：利用安装在人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等遥感平台上的传感器，来获取地面物体电磁波信息的探测技术。,一、landsat卫星及其影像美国于1961年发射了第一颗试验型极轨气象卫星,70年代,在气象卫星的基础上研制发射了第一代试验型地球资源卫星(Landsat-1、2、3)。这三颗卫星上装有返束光导摄像机和多光谱扫描仪MSS,分别有3个和4个谱段，分辨率为80m。各国从卫星上接收了约45万幅遥感图像。80年代,美国分别发射了第二代试验型地球资源卫星(Landsat45)。卫星在技术上有了较大改进,平台采用新设计的多任务模块,增加了新型的专题绘图仪TM,可通过中继卫星传送数据。TM的波谱范围比MSS大,每个波段范围较窄,因而波谱分辨率比MSS图像高,其地面分辨率为30m(TM6的地面分辨率只有120m)。,90年代，美国又分别发射了第三代资源卫星(Landsat-6,7)。Landsat-6卫星是1993年发射的，因未能进入轨道而失败。由于克林顿政府的支持，1999年发射了Landsat-7卫星，以保持地球图像、全球变化的长期连续监测。该卫星装备了一台增强型专题绘图仪ETM+，该设备增加了一个15m分辨率的全色波段，热红外信道的空间分辨率也提高了一倍，达到60m。美国资源卫星每景影像对应的实际地面面积均为185km185km，16天即可覆盖全球一次。,（二）landsat图像的空间信息1.图像经纬度粗制图像的经纬度-图像中心点的经纬度推算精确图像的经纬度-在概略坐标的基础上，用地面控制点和统一横轴墨卡托坐标纠正后计算而得到，精度较高。2.图像获取的时间是指获取图像信息的地方时间，与太阳同步3.图像的重叠（1）图像航向重叠：图像沿卫星运行方向的重叠。,RBV图像航向重叠MSS图像航向重叠,（2）图像旁向重叠：图像在相邻轨道间的重叠，由轨道间距和成像宽度决定。,Landsat图像的旁向重叠,172km,13km7%,4图像的投影RBV图像是光学镜头成像，地面上各点的投影光线均通过镜头中心，同航空像片一样，属于中心投影。MSS、TM和ETM+都是扫描成像，每次有效扫描都有一个中心，一幅MSS像片要390次有效扫描才能扫出185km*185km的地面，就应有390个中心，故称多中心投影，而且投影中心是动态的。,5图像的分辨率Landsat卫星图像的分辨率是指地面分辨率，即图像上所能辨别的地面物体的最小尺寸（m）。,Landsat图像的光谱特性1.MSSMSS扫描宽度185km，地面分辨率为80m。扫描镜每振动一次，有6条扫描线同时覆盖4个光谱带，约扫地面宽474m，扫描一张图像约需390次，包含2340（390次*6行/次）行扫描线，每行扫描线为3240个像元，则MSS图像一景的总数据量约为30兆字节（3240像元*2340行*4个波段），辐射分辨率分别为64（MSS7），128（MSS46）级。,MSS4：0.50.6m，为蓝绿波段；对蓝绿、黄色景物一般呈浅色调，随着红色成分的增加而变暗。水体色调最浅，对水体有一定的穿透能力，可测一定的水深（约10-20m）的水下地形，并利于识别水体混浊度、沿岸流、沙地、沙洲等。MSS5：0.60.7m，为橙红色波段；橙红景物一般呈浅色调，随着绿色成分的增加而变暗。水体色调最浅，对水体也有一定的穿透能力（约2m），水中泥沙流反映明显，对裸露的地表、植被、土壤、岩性地层、地貌现像等可提供较丰富的信息，为可见光最佳波段。MSS6：0.70.8m，为红、近红外波段。MSS7：0.81.1m，为近红外波段。MSS6、MSS7波段相关性较大，植被为浅色调，水体为深色调。尤以MSS7水陆界线清晰，对土壤含水量反映明显，对寻找地下水以及识别与水有关的地质构造、隐伏构造、作物病虫害、植物生长状况、军事伪装、土壤岩石类型等很有利。,2.TMLandsat4/5采用了TM。TM是一种改进型的多光谱扫描仪，其空间、光谱、辐射性能比MSS均有明显提高，使数据质量与信息量大大增加，TM图像一景的总数据量为230兆字节。TM的扫描镜可在往返两个方向进行扫描和获取数据（MSS只能单方向扫描），这样可以降低扫描速率，缩短停顿时间，提高测量精度，所以TM的辐射分辨率从MSS的64、128个量级提高到256个量级。,3.ETMLandsat7卫星携带的传感器ETM+是TM的增强型，是具8个波段的扫描式光学成像仪器，ETM+与TM的波段、光谱特性和分辨率基本相似，最大的变化有3点：1）增加了分辨率为15m的全色波段PAN（0.520.90m）。2）波段6的分辨率由120m提高到60m。3）辐射定标误差率小于5%，比Landsat5提高1倍。,二、SPOT卫星及其影像地球观测卫星系统SPOT是由瑞典、比利时等国参加，法国国家空间研究中心（CNES）设计制造的。目前为止，SPOT计划已经发射了5颗卫星，轨道特征基本相同。SPOT-1、2、3卫星搭载的是两台高分辨传感器HRV，SPOT-4、5搭载的是HRVIR和“植被”成像装置。具有高空间分辨率和偏离天底点（即倾斜观测）作业的特点。,SPOT卫星轨道特征与Landsat近似，为近极地、准圆形、与太阳同步、可重复、中等高度的轨道。,PA：0.510.73m，全色波段。地面分辨率较高，为10m。XS1：0.500.59m，为绿波段。波段中心位于叶绿素反射曲线最大值，即0.55m处，处与水蒸气衰减最小值的长波端，对于水体混浊度评价以及水深10-20m以内的干净水体的调查是十分有用的。XS2：0.610.68m，为红波段。位于叶绿素吸收带，同MSS5及TM3相关性大，受大气散射的影像较小，为可见光最佳波段，用于识别裸露的地表、植被、土壤、岩性地层、地貌现象等。XS3：0.790.89m，为近红外波段。能够很好地穿透大气层。在该波段，植被表现的特别明亮，水体表现的非常黑,2、SPOT4SPOT4的传感器为HRVIR和VI。HRVIR是HRV的改进型，具体的改进是：1）在HRVIR中增加了1个波长1.581.75m,地面分辨率为20m的近红外波段（SWIR），对水分、植被比较敏感，常用于土壤含水量监测、植被长势调查、地质调查中的岩石分类，对于城市地物特征也有较强的突显效应；2）原10m分辨率的全色通道改为0.610.68m的红色通道。这样，HRVIR共有4个波段，2种分辨率。,3、SPOT5为了确保遥感图像服务的连续性，SPOT于2002年5月4日发射了SPOT5号卫星，SPOT5号卫星上搭载有3种传感器，除了前几颗卫星上的高分辨率几何装置(HRVIR)和植被探测器(VEGETATION)外，还有一个高分辨率立体成像(HRS)装置。各种传感器的光谱和空间特性如表8-8，与SPOT14相比：地面分辨率几乎提高了一个数量级，最高可达2.5m；以前后模式实时获取立体像对；在运营性能上也有了大大的提高；在数据压缩、存储和传输等一系列方面都有显著的提高。,4、SPOT图像其他特征SPOT把图像上的地球自转影响考虑在内，平台可以绕航偏轴旋转，所以SPOT的图像是正方形或矩形的，而不像Landsat图像是倾斜的。图像的周边由一些符号和注记，表明了图像的物理特性和几何特性。,三、CBERS卫星及其影像1986年国务院批准航天工业部关于加速发展航天技术报告，确定了研制中国资源1号卫星的任务。1988年中国和巴西两国政府联合议定书批准，在中国资源1号原方案基础上，由中、巴两国共同投资，联合研制中巴地球资源卫星CBERS（ChinaBrazilEarthResourceSatellite），我国又称为ZY1。,CBERS的遥感系统1、形状及工作系统CBERS1号卫星总质量为1.45t，星体为长方体，电源采用太阳能电池加镉镍蓄电池方案，末期输出功率为1100W。卫星本体外形尺寸为200018002250mm3，飞行状态尺寸200084403215mm3。星体分舱设计，由公用服务平台和有效载荷舱两个舱段构成，舱段内采用分小舱设计，以形成分系统之间电磁和热方面的隔离。,2轨道特征CBERS采用三轴定向，是近极地、准圆形、与太阳同步、可重复、中等高度的轨道卫星。CBERS1卫星轨道高度778km，倾角98.5，偏心率1.110-3，运行周期100.26min，重复周期26d(373圈)，偏移系数（d）+9，设计寿命2年。,3地面应用系统资源卫星应用中心负责我国地面应用的总体工作。CBERS是我国第一次研制地球资源卫星，星上主要遥感器也是第一次研制，缺少飞行试验和与应用结合的经验。卫星上天后，各用户开展了对卫星数据的检验和评价，其中包括对图像的空间分辨率、几何精度、配准精度、辐射精度、动态范围以及信噪比