理学遥感成像原理与遥感成像特征学习教案

1、会计学1理学遥感理学遥感(yogn)成像原理与遥感成像原理与遥感(yogn)成像特征成像特征第一页，共48页。2瞬时视场角：扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射(fsh)，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。即扫描仪的空间分辨率。总视场角：扫描带的地面宽度称总视场。从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。 总视场(FOV)是遥感器能够受光的范围，决定成像宽度。瞬时视场角(IFOV)决定了每个像元的视场。一般说来，瞬间视场角对应的地面分辨单元是一个正方形，该正方形是瞬间视场角对应的地表面积。严格说来，光机扫描中瞬间视场角对应的每个像元是个

2、矩形。光机扫描成像时每一条扫描带都有一个投影中心，一幅图象由多条扫描带构成，因此遥感影像为多中心投影。每条扫描带上影像的几何特征服从中心投影规律，在航向上影像服从垂直投影规律。 第1页/共48页第二页，共48页。3光光/机扫描机扫描(somio)成像成像探测元件响应波长/工作温度/K光电倍增管硅光二极管锗光二极管锑化铟（InSb）碲镉汞(HgCdTe)硫化铅（PbS）锗掺汞(Ge:Hg)0.4-0.750.53-1.091.12-1.732.1-4.753-58-142-68-13.577室温77室温77第2页/共48页第三页，共48页。4光光/机扫描机扫描(somio)成像成像A：扫描镜B：

3、探测(tnc)元件C：IFOV瞬时视场角D：地面分辨率E：总视场角（10-200航天）F：扫描带宽第3页/共48页第四页，共48页。5几种(j zhn)光机扫描一仪1、红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。2、多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。3、专题制图仪TM：专题制图仪TM的成像原理与MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提高到30米；探测波段由4个增加到7个。特点：利用(lyng)光电探测器解决了各种波长辐

4、射的成像方法。输出的电学图象数据，存储、传输和处理方面十分方便。但装置庞杂，高速运动使其可靠性差；在成像机理上，存在着目标辐射能量利用(lyng)率低的致命弱点。第4页/共48页第五页，共48页。6光光/机扫描机扫描(somio)成像成像实例（实例（MSS） MSS MSS 具有具有4 4个光谱个光谱(gungp)(gungp)通道。通道。Landsat 1-5Landsat 1-5均用了均用了MSSMSS，其中除，其中除Landsat Landsat 3 3采用采用5 5个波段外，其余均用可见光个波段外，其余均用可见光- -近红外近红外4 4个波段。个波段。（1 1）MSS4MSS4：0.5

5、0.50.60.6微米，微米， 为蓝绿波段为蓝绿波段（2 2）MSS5MSS5：0.60.60.70.7微米，为橙红波段微米，为橙红波段（3 3）MSS6MSS6：0.70.70.80.8微米，为红、近红外波段微米，为红、近红外波段（4 4）MSS7MSS7：0.80.81.11.1微米，为近红外波段微米，为近红外波段 第5页/共48页第六页，共48页。7光光/机扫描机扫描(somio)成像成像实例（实例（MSS）MSS-4MSS-5第6页/共48页第七页，共48页。8光光/机扫描机扫描(somio)成像成像实例（实例（MSS）MSS-6MSS-7第7页/共48页第八页，共48页。9光光/机扫

6、描机扫描(somio)成像成像实例（实例（MSS）MSS Band 4 = Blue MSS Band 5 = Green MSS Band 7 = Red 第8页/共48页第九页，共48页。10固体固体(gt)自扫描成像（推帚式扫描仪）自扫描成像（推帚式扫描仪）1、固体自扫描是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。2、电子藕合器件CCD：是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件。具有感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、灵敏度高、动耗小、寿命长、可靠性高等(godng)一系列优点。3、扫描方式上具有刷式扫描成像特点。探测元件数目越

7、多，体积越小，分辨率就越高。电子藕合器件CCD逐步替代光学机械扫描系统。第9页/共48页第十页，共48页。11高光谱高光谱(gungp)成像光谱成像光谱(gungp)扫描（成像光谱扫描（成像光谱(gungp)仪）仪） 成像光谱仪是遥感领域中的新型遥感器，它把可见光、红外波谱分割成几十个到几百个波段，每个波段都可以取得目标图像，同时对多个目标图像进行同名地物点取样，取样点的波谱特征值随着波段数愈多愈接近于连续波谱曲线。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术称为成像光谱技术，按该原理制成的遥感器称为成像光谱仪。 高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图象是多达数百个波段的非常(fichn

8、g)窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、近红外、中红外和热红外区域全部光谱带。光谱仪成像时多采用扫描式和推帚式，可以收集200或200以上波段的收据数据。使图象中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般传统的成像谱光仪在波段之间存在间隔。主要应用于高光谱航空遥感，在航天遥感领域高光谱也开始应用第10页/共48页第十一页，共48页。12摄影成像扫描成像波谱范围光谱分辨率多光谱获取方式数据记录方式投影方式可见光+近红外相对低多个镜头胶片、数字中心投影可见光+近红外+热红外相对高单镜头，分光数字多中心投影第11页/共48页第十二页，共48页。13微波微波(wib)波段波段划分划分第

9、12页/共48页第十三页，共48页。14微波遥感的特点：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：在微波波段，水的比辐射率为0.4，冰的比辐射率为0.99；而在红外波段，水的比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92。3、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。 4、对海洋遥感具有特殊意义：适合(shh)于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测 5、分辨率较低，但特性明显。 第13页/共48页第十四页，共48页。15微波遥感方式：主动微波遥感方式：主动(zhdng)和被动和被动第14页/共48页第十五页，共48页。16微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类(fn li)主动(zhd

10、ng)方式被动(bidng)方式1、雷达（侧视雷达）：成像2、微波高度计：不成像3、微波散射计：不成像1、微波辐射计：成像2、微波散射计：不成像第15页/共48页第十六页，共48页。17微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类(fn li)微波散射计：测量地物的散射或反射特性微波散射计：测量地物的散射或反射特性微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离(jl)，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离根据发射波和接收波间的时间差，测出距离(jl)。第16页/共48页第十七页

11、，共48页。18微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类(fn li)微波辐射计微波辐射计 微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力 , 其发射强度与自身的亮度温度有关。通过其发射强度与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信号扫描接收这些信号(xnho)并换算成对应的亮度温度图并换算成对应的亮度温度图 , 对地面物体状况的探测很有意义。对地面物体状况的探测很有意义。亮度温度(wnd)是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度(wnd)。第17页/共4

12、8页第十八页，共48页。19微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类(fn li)侧视雷达侧视雷达 侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面 , 发射一个窄的波束发射一个窄的波束 , 覆盖地面上这一侧面的一个条带覆盖地面上这一侧面的一个条带 , 然后接收在这一条带上地物的反射波然后接收在这一条带上地物的反射波 , 从而从而(cng r)形成一个图像带。随着飞行器前进形成一个图像带。随着飞行器前进 , 不断地发射这种脉冲波束不断地发射这种脉冲波束 , 又不断地接收回波又不断地接收回波 , 从而从而(cng r)形成一幅一幅的

13、雷达图像。形成一幅一幅的雷达图像。雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。第18页/共48页第十九页，共48页。20合成孔径雷达合成孔径雷达 合成孔径雷达与侧视雷达类似合成孔径雷达与侧视雷达类似(li s) , 也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧

14、面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元 , 每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。目的：提高图象在飞行方向的分辨率。目的：提高图象在飞行方向的分辨率。微波遥感传感器分类微波遥感传感器分类(fn li)第19页/共48页第二十页，共48页。21侧视雷达侧视雷达(lid)工作原理工作原理 雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当

15、遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。 由于系统与地物距离由于系统与地物距离(jl)不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。第20页/共48页第二十一页，共48页。22遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束宽度范围内，地面遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束宽度范围内，地面(dmin)不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来侧视雷达工作

16、侧视雷达工作(gngzu)原理原理第21页/共48页第二十二页，共48页。23侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理(yunl)有关术语有关术语A：飞行方向；：飞行方向；B：天底方向：天底方向E：方位向；：方位向；D：距离向；：距离向；C：扫描：扫描(somio)宽度宽度第22页/共48页第二十三页，共48页。24侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理(yunl)有关术语有关术语A入射角; B视角(shjio); C斜距; D地距;俯角第23页/共48页第二十四页，共48页。25侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理有关有关(yugun)术语术语A: 近射程(shchng)（near range）; B: 远射

17、程(shchng)（far range）第24页/共48页第二十五页，共48页。26侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理(yunl)距离分辨力距离分辨力Pg在侧视方向的分辨率在侧视方向的分辨率距离距离(jl)分辨率分辨率 Pg=c /2sin脉冲持续期（脉冲宽度），脉冲持续期（脉冲宽度）， 视角，视角，c光速光速q越大（俯角越大（俯角(fjio)（90-）越）越小），小）， Pg越小，分辨率越高越小，分辨率越高q即：距离越近，距离向分辨率越即：距离越近，距离向分辨率越低低 /2第25页/共48页第二十六页，共48页。27距离越近，方位距离越近，方位(fngwi)分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相

18、反分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反沿航线沿航线(hngxin)方向的分辨率方向的分辨率方位分辨率，沿迹分辨率方位分辨率，沿迹分辨率 Pa= *R波束宽度，波束宽度， R天线到该像元的倾斜距离天线到该像元的倾斜距离=/l, 波长，波长， l天线长度天线长度 Pa = (/l)*R天线越长，天线越长， Pa越小，方位分辨率越高越小，方位分辨率越高侧视侧视(c sh)雷达工作原理雷达工作原理方位分辨力方位分辨力Pa第26页/共48页第二十七页，共48页。28合成孔径雷达工作合成孔径雷达工作(gngzu)原理原理合成孔径雷达（合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar

19、）, 也是侧视雷达。也是侧视雷达。基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。在沿飞行航迹方向在沿飞行航迹方向(fngxing)上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影象。经过复杂的处理，得到地面的实际影象在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不

20、同，形成相干影象。经过复杂的处理，得到地面的实际影象第27页/共48页第二十八页，共48页。29合成孔径雷达工作合成孔径雷达工作(gngzu)原理原理第28页/共48页第二十九页，共48页。30合成孔径雷达工作合成孔径雷达工作(gngzu)原理原理理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹(hn j)方向的分辨率为： ra =l/2 l为天线长度第29页/共48页第三十页，共48页。31合成孔径雷达工作合成孔径雷达工作(gngzu)原理原理第30页/共48页第三十一页，共48页。32合成孔径雷达工作合成孔径雷达工作(gngzu)原理原理第31页/共48页第三十二页，共48页。33合成孔径雷达工作合成孔

21、径雷达工作(gngzu)原理原理第32页/共48页第三十三页，共48页。34几何特征：目标地物的大小、形状及空间分布特点；几何特征：目标地物的大小、形状及空间分布特点；物理物理(wl)特征：目标地物的属性特点；特征：目标地物的属性特点；时间特征：目标地物的变化动态特点时间特征：目标地物的变化动态特点 第33页/共48页第三十四页，共48页。35 遥感图象上能够详细区分的最小单元遥感图象上能够详细区分的最小单元(dnyun)的尺寸，是用来表征图象分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像解率或视场角来表示。的尺寸，是用来表征图象分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像解率或视场角来表示

22、。像元（像元（pixel）：将地面信息单元）：将地面信息单元(dnyun)离散化而形成的格网单元离散化而形成的格网单元(dnyun)，单位为米，是组成图象的基本单元，单位为米，是组成图象的基本单元(dnyun)。像元越小，空间分辨率越高；。像元越小，空间分辨率越高；像解率是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的条数来表示，如线像解率是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的条数来表示，如线/毫米或线对毫米或线对/毫米；毫米；瞬时视场角瞬时视场角(instantaneous field of view, IFOV): 指传感器的张角及瞬时视域，又称角分辨率。指传感器的张角及瞬时视域

23、，又称角分辨率。 传感器在某一时刻所能感测的外来光（或其它电磁波）所来自的空间角度区域传感器在某一时刻所能感测的外来光（或其它电磁波）所来自的空间角度区域空间空间(kngjin)分辨率分辨率第34页/共48页第三十五页，共48页。36分辨率（像元大小分辨率（像元大小(dxio)）=平台高度平台高度*角分辨率（弧度）角分辨率（弧度） D= H * IFOV如，飞机飞行高度如，飞机飞行高度8000米，角分辨率为米，角分辨率为2.5毫弧度，则地面分辨率为：毫弧度，则地面分辨率为： 8000m*2.5*10-3=20m空间空间(kngjin)分辨率分辨率对于摄影成像的图像：sR fgHR 对于扫描方式

24、：与瞬时视场角有关第35页/共48页第三十六页，共48页。37第36页/共48页第三十七页，共48页。38第37页/共48页第三十八页，共48页。39第38页/共48页第三十九页，共48页。40第39页/共48页第四十页，共48页。41第40页/共48页第四十一页，共48页。42传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小，分辨率愈高间隔愈小，分辨率愈高或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越宽，分辨率越低或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越宽，分辨率越低不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很大区别；如不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很大区别；如MSS（100-200nm）、）、AVIRIS（10 nm ）传感器的波段选择传感器的波段选择(xunz)必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果感测人体选择感测人体选择(xunz)8-12m, 探测森林火灾应选择探测森林火灾应选择(xunz)3