第三章-遥感成像原理与遥感图像特征

1、第三章 遥感传感器及其成像原理一、遥感图像特征二、遥感传感器三、遥感数据的选购（视时间）n几何特征n物理特征n时间特征一、遥感图像特征一、遥感图像特征这三方面特征的表现参数为： 空间分辨率 光谱分辨率 辐射分辨率 时间分辨率1）空间空间分辨率（地面分辨率）分辨率（地面分辨率）一、遥感图像特征一、遥感图像特征一般有三种表示方法：(1)像元(2)线对数(3)瞬时视场空间分辨率，也称地面分辨率，它们均反映对两个非常靠近的目标物的识别、区分能力。空间分辨率：是针对遥感器或图像而言的，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，或指遥感器区分两个目标的最小角度或线性距离的度量。地面分辨率：是针对地面而言

2、，是指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小。一、遥感图像特征一、遥感图像特征（1）像元（pixel） 指单个像元所对应的地面面积大小，单位为mm或kmkm。 如美国QuickBird商业卫星一个像元相当地面面积0.61m0.61m，简称其空间分辨率为0.61m，Landsat/TM一个像元相当地面面积28.5m28.5m，简称其空间分辨率为30m。（2）线对数（line pairs） 对于摄影系统而言，影像最小单元常通过1mm间隔内包含的线对数确定，单位为线对/mm。所谓线对指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗条对。（3）瞬时视场（IFOV） 指遥感器内单个探测元件的受光角度或观测视野

3、。单位为毫弧度（mrad）。 一、遥感图像特征一、遥感图像特征 S f H IFOV S: 探测元件的边长H: 遥感平台的航高 f : 望远镜系统的焦距 fSIFOV越小，最小可分辨单元越小，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。一个瞬时视场内的信息，表示一个像元。在任何一个给定的瞬时视场内，往往包含着不止一种地面覆盖类型，它所记录的是一种复合信号响应。因此，一般图像包含的是“纯像元”和“混合”像元的集合体，这依赖于IFOV的大小和地面物体的空间复杂性。（4）地面分辨率的计算HfRRgsRs：胶片的分辨率和摄影镜头的分辨率所构成的系统分辨率，单位线对/mmH：摄影机距地面

4、高度，单位mf：摄影机焦距，单位mmR g:地面分辨率，单位线对/mm摄影方式：摄影方式：一、遥感图像特征一、遥感图像特征 S f H IFOV fSHHIFOVS: 探测元件的边长H: 遥感平台的航高 f : 望远镜系统的焦距 一、遥感图像特征一、遥感图像特征（4）地面分辨率的计算扫描方式：扫描方式：IFOV也可理解成：扫描成像过程中一个光敏探测元件通过望远镜系统投射到地面上的直径或者边长。一、遥感图像特征一、遥感图像特征例1：摄影机焦距152mm，航高为6000m，系统分辨率为40线对/mm。求地面分辨率。（P80）解：mHfRRsg/线线对对式中：Rg的单位是 线对/m1m1线对/ m表

5、明：1m中只能区分1个线对，也就是2条线（一明一暗），每条线为0.5m，因此其分辨能力为0.5m，也即地面分辨率为0.5m。（书中不太好理解）例2：SPOT-HRV全色波段的探测元件长度为13m;焦距为1m; 轨道高度为822km。求地面分辨率。解：IFOV=HS/f=8.221051310-61=10.686m一、遥感图像特征一、遥感图像特征一、遥感图像特征一、遥感图像特征例3：Landsat-MSS多光谱扫描仪，每个探测器的瞬时视场为86rad，卫星高度为915km，因此每个像元的地面分辨率为79m79m，每个波段由6个相同大小的探测单元与飞行方向平等排列，这样在瞬间看到的地面大小为474

6、m79m，又由于扫描总视场为11.56，对应地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段获取6条扫描线图像，其地面范围为474m 185km，又因扫描周期为73.42ms，卫星速度（地速）为6.5km/s，在扫描一次的时间里卫星正好向前移动474m，因此扫描线正好衔接。1234560.50.6m0.60.7m0.70.8m0.81.1m10.412.6m扫描方向卫星前进方向成像板mkmmm.一、遥感图像特征一、遥感图像特征 一般来说：遥感系统的空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。但实际上每一目标在图像上的可分辨程度，不完全决定于空间分辨率的具体值，而是和它的形状、大小，以及它与周围物体亮度、结

7、构的相对差有关（反差）。例如MSS的空间分辨率为79m，但是宽仅10-20m的铁路，公路，当它们通过沙漠、水域、草原等背景光谱较单调或与道路光谱差异大的地区，往往清晰可辨。 经验证明：遥感器空间分辨率的选择，一般应选择小于被探测目标最小直径的1/2。 波谱分辨率：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，分辨率 光谱分辨率通过遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的波长位置、及波长间隔的大小，即选择的通道数、每个通道的中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。 Landsat/TM有7个波段，如TM3波段（0.63-0.69 m ，波段间隔为0.06 m ） 航空可见、红外

8、成像光谱仪AVIRIS有224个波段（0.4-2.45m波段间隔近10nm）。一、遥感图像特征一、遥感图像特征2）波谱分辨率（光谱分辨率）波谱分辨率（光谱分辨率）图中红线内为图中红线内为32nm光谱分辨的反射曲线，可见光谱分辨的反射曲线，可见在在1.2 m 处出现明显的双谷形态。处出现明显的双谷形态。 辐射分辨率：指传感器在接收目标辐射的波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。 （能量上、强度上的分辨，表现为灰度量化级）。例如：Landsat5的TM3其最小辐射量值Rmin=-0.0083mv/(cm2srm) 最大辐射量值Rmax=1.410mv/(cm2srm) 量化级D为28=256级其辐射分

9、辨率RL=(Rmax -Rmin)/D=0.0055 mv/(cm2srm) 一、遥感图像特征一、遥感图像特征3）辐射辐射分辨率分辨率空间分辨率和光谱分辨率的矛盾 提高空间分辨率 瞬时视场IFOV要小。 IFOV小 探测元件接受到的辐射能量相应减少，即瞬时获得的入射能量小 对微弱能量差异的检测能力差 辐射分辨率低 除技术上改进探测元件以外，实际工作中考虑较高空间分辨率的图像（例如SPOT-HRV-PAN）和较高光谱分辨率的图像(例如LANDSAT-TM)进行图像融合，避其弱点，达到既要清晰，又彩色丰富。 一、遥感图像特征一、遥感图像特征4）时间分辨率）时间分辨率 也叫卫星的覆盖周期、重访周期。

10、 重复获得同一地区的最短时间间隔。重复获得同一地区的最短时间间隔。用途：注意研究对象的时间序列的变化。 比如说 1）自然规律的时间考虑 农作物监测：农时，拔节期、氧化期、乳熟期 植被： 叶子展开、叶子开始黄枯 地质、土壤：不长庄稼 2）社会经济现象的时间考虑 城市研究：根据对城市的发展特点了解状况。 环境污染监测：立法前后、总量控制前后 一、遥感图像特征一、遥感图像特征1、遥感器概述、遥感器概述 定义：定义：接收、记录目标物电磁波特性的仪器。接收、记录目标物电磁波特性的仪器。 分类分类n 根据工作方式的不同，可以分为根据工作方式的不同，可以分为2类：类： 1）主动式主动式：人工辐射源向目标地物

11、发射电磁波，然后接收从目标地：人工辐射源向目标地物发射电磁波，然后接收从目标地 物反射回来的能量。物反射回来的能量。如：侧视雷达、激光雷达、微波散射计等如：侧视雷达、激光雷达、微波散射计等 2）被动式被动式：接收自然界地物所辐射的能量。：接收自然界地物所辐射的能量。 如：摄影机、多波段扫描仪、微波辐射计、红外辐射计等如：摄影机、多波段扫描仪、微波辐射计、红外辐射计等n 遥感器按照记录方式分类遥感器按照记录方式分类 1）非成像方式非成像方式：探测到地物辐射强度按照数字或者曲线图形表示。：探测到地物辐射强度按照数字或者曲线图形表示。 如：辐射计、雷达高度计、散射计、激光高度计等。如：辐射计、雷达高

12、度计、散射计、激光高度计等。 2）成像方式：成像方式： 地物辐射（反射、发射或两个兼有）能量的强度用图成地物辐射（反射、发射或两个兼有）能量的强度用图成像方式表示。像方式表示。如：摄影机、扫描仪、成像雷达。如：摄影机、扫描仪、成像雷达。二、二、 遥感传感器遥感传感器遥感器的组成不论那一种遥感器，都有以下4个部分组成。n 收集器：收集地物辐射来的能量。类型：透镜组、 反射镜组、天线等n 探测器：将收集的辐射能转换为化学能或电能。 举例：CCD、摄影感光胶片n 处理器：对收集的信号进行处理。类型：摄影处理 装置、电子处理装置n 输出器：输出获取的数据。举例：磁带记录仪、扫 描晒像仪、彩色喷墨仪等二

13、、二、 遥感传感器遥感传感器2、成像方式遥感器、成像方式遥感器 摄影成像类型（光学/电成像类型）成像方式遥感器 扫描成像类型（光电成像类型） 微波成像类型（雷达成像类型）二、二、 遥感传感器遥感传感器 摄影成像类型摄影成像类型 摄影成像原理：通过成像设备获取物体影像的技术。 分类 传统摄影：依靠光学镜头及放置在焦平面 的感光胶片来记录物体影像。 数字摄影：通过放置在焦平面的光敏元件， 经光/电转换，以数字信号来记录 物体影像。n探测波段：近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影 二、二、 遥感传感器遥感传感器 摄影成像类型摄影成像类型 常见摄影机：分幅式摄影机、全景式摄影机、 多光谱摄影机

14、、数码摄影机 特点1) 历史悠久、较为完善、使用广泛。2) 信息量大、分辨率高3) 受到感光剂的限制，感光范围0.291.10微米，而且只能在晴朗的白天工作。二、二、 遥感传感器遥感传感器分幅式摄影机全景摄影机全景摄影机多光谱摄影机多光谱摄影机有三种类型多相机组合型、多镜头组合型和光束分离型数码摄影机 成像原理与一般摄影机同，结构也类似。所不同的是其记录介质不是感光胶片，而是光敏电子器件，如CCD(电荷合耦器件彩色红外照相机v 扫描成像原理：扫描成像原理：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。（2 2）扫描成像）

15、扫描成像v 探测波段：紫外、红外、可见光和微波波段v 成像方式：光/机扫描成像、固体自扫描成像、 高光谱成像。二、二、 遥感传感器遥感传感器 对物面扫描：对地面直接扫描，采用光/机 扫描系统。 扫描成像方式 对影像扫描：先在像面上形成影像，然后 对影像进行扫描。采用CCD固体自扫描成像系统。二、二、 遥感传感器遥感传感器 帚扫式，掸扫式。扫描方式 推扫式。 面阵式。 扫描原理:以MSS为例扫描原理:以MSS为例1234560.50.6m0.60.7m0.70.8m0.81.1m10.412.6m扫描方向卫星前进方向成像板v光/机扫描图像的几何特征取决于光/机扫描的瞬时视场角和总视场角。 瞬时视

16、场角（瞬时视场角（2）：扫描镜在旋转的一瞬间，接收到的目标物电磁辐射限制在一个很小的角度之内，这个角度就称为瞬时视场角。总视场角总视场角/总扫描角（总扫描角（2）：从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角。总视场总视场L：扫描带的地面宽度。L=2Htg 探测元件的选择：探测元件的选择：v进行不同波段的探测，需采用不同的扫描探测元件。v不同的探测元件其响应波长不同。v依据目标地物电磁波特性（波段）和大气窗口来确定，选择对相应波段响应敏感的探测元件。v举例： 一般地物：T300K， max10m 选响应波 段为8 14m探测元件 森林火灾：T800K， max3.5m 选响应波段为3 5m探测元件W

17、HY?bT maxkmb310898. 2（3）固体自扫描成像）固体自扫描成像v扫描方式：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。v优势：突破了光/机扫描仪对可供选择的探测器有很大限制的缺点。 光/机扫描仪：要立即测出每个瞬时视场的辐射特征，就要求探测元件的响应速度足够快。举例：在1/20s内扫描完一幅含512512个像元的图像，光/机扫描中，一个探测元件对一幅图像要扫描512条线，每条线512个像元，则探测元件在每个瞬时视场的停留时间只有 1（20512512）=1.910-7,约 0.2s要求探测元件的响应时间至少要Near-InfreardChannel 3: 3.55-

18、3.93 um Near-InfraredChannel 4: 10.311.3 um Thermal-InfreardChannel 5: 11.512.5 um Thermal-Infrared1） 高分辨率卫星数据2） 中分辨率卫星数据3） 低分辨率卫星数据4） 航空遥感数据三、遥感数据选购三、遥感数据选购1 有什么样的数据 高分辨率（高清晰度）遥感卫星像片空间分辨率一般为5m-10m左右（现在的说法是小于5米），卫星一般在距地600km左右的太阳同步轨道上运行。 其影像广泛应用于精度相对较高的城市内部的绿化、交通、污染、建筑密度、土地、地籍等的现状调查、规划、测绘地图；大型工程选址、勘

19、察、测图和已有工程受损监测等；还可应用于农业、林业、灾害等领域内的详细调查和监测。三、遥感数据选购三、遥感数据选购1）高分辨率数据三、遥感数据选购三、遥感数据选购1）高分辨率数据（1）IKONOS影像（美国）（2）QuickBird影像（美国）（3）SPOT-5影像（法国）（4）SPIN-2（俄国）（5） BhasKara-1，-2影像(印度)空间分辨率为5.8m （6）IRS系列IRS-P6 （印度） 空间分辨率为2.5m（7） EROS影像(以色列)空间分辨率为1m数据数据传感器传感器成像方式成像方式光谱光谱空间分辨率空间分辨率（m）成像波段成像波段（m）成像幅宽成像幅宽（km）覆盖周期覆

20、盖周期轨道高度轨道高度 空间分辨率一般在80m-10m左右，卫星一般在700km- 900km的近极地太阳同步轨道上运行。而重复（更新）覆盖同一地区的时间间隔为几天至几十天等。 它们广泛用于资源调查、环境和灾害监测、农业、林业、水利、地质矿产和城建规划等近50个行业和领域。 三、遥感数据选购三、遥感数据选购2）中等分辨率遥感卫星数据 （1 1） LANDSAT-MSSLANDSAT-MSS（美国）影像（美国）影像（2 2） LANDSAT-TMLANDSAT-TM/ETM/ETM（美国）影像（美国）影像（3 3） SPOT-HRVSPOT-HRV（1-41-4）（法国）影像（法国）影像（4 4

21、） CBRS(CBRS(中巴的资源卫星中巴的资源卫星 ) )三、遥感数据选购三、遥感数据选购2）中等分辨率遥感卫星数据 气象卫星是空间分辨率（清晰度）相对较低的卫星采集（“摄像”）系统，它们就是每天电视气象预报时的“气象卫星云图”，广泛应用于宏观观测的对象，如：气象预报和观测海洋表面深度海浪、海冰等。 （1 1）NOAANOAA气象卫星影像气象卫星影像（2 2）中国风云）中国风云2 2号卫星影像号卫星影像三、遥感数据选购三、遥感数据选购3）低分辨率遥感卫星数据 2.1 航空遥感数据 建国以来，航空照片已经覆盖全国各地，数目达数百万张。这些数据主要存在各省的测绘部门。不仅有历史的照片，而且近年来，随着数字化潮流的