环境遥感技术及应用（田静毅）03遥感传感器1

第三章遥感传感器与成像原理

本章主要介绍获得遥感数据的传感器的类型与获取数据的工作原理，介绍常用的遥感数据，如航空数据、陆地卫星数据、气象卫星数据的特点。

§1传感器

本节主要内容：

一、传感器的定义和功能二、传感器的分类三、传感器的组成四、传感器的工作原理五、摄影型传感器六、扫描方式的传感器七、微波遥感的传感器一、传感器的定义和功能传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。它的性能决定遥感的能力: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。§1传感器二、传感器的分类按工作方式分为：主动方式传感器：侧视雷达、激光雷达、微波辐射计。被动方式传感器：航空摄影机、多光谱扫描仪（MSS）、TM、ETM、HRV、红外扫描仪等。§1传感器三、传感器的组成收集器：收集来自地物目标镜、天线。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。§1传感器四、传感器的工作原理是收集、量测和记录来自地面目标地物的电磁波信息的仪器，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）。§1传感器五、摄影型传感器

航空摄影机：是空中对地面拍摄像片的仪器，它通过光学系统采用胶片或磁带记录地物的反射光谱能量。记录的波长范围以可见光~近红外为主。§1传感器六、扫描方式的传感器光机扫描仪用光学系统接收来自目标地物的辐射，并分成几个不同的光谱段，使用探测仪器把光信号转变为电信号，同时发射信号回地面，如MSS、TM等。分为红外扫描仪和多光谱扫描仪。推帚式扫描仪用平行排列的CCD探测杆收集地面辐射信息，每根探测杆由3000/6000个CCD元件呈一字排列，负责收集某一波段的地面辐射信息，是推帚式扫描成像。§1传感器推帚式扫描仪工作原理图BACK七、微波遥感的传感器主动微波遥感是指通过向目标地物发射微波并接受其后向辐射信号来实现对地观测的遥感方式。主要传感器为雷达，此外还有微波高度计和微波散射计。被动微波遥感是指通过传感器，接受来自目标地物发射的微波，而达到探测目的的遥感方式。被动接受目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计，被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微波散射计。§2传感器的分辨率

在遥感应用中，传感器的分辨率指标是选择遥感数据的重要依据。传感器的分辨率是指传感器区分自然特征相似或光谱特征相似的相邻地物的能力。高分辨率意味着区分能力强，能够区分小的相邻地物。低分辨率意味着能够获取大范围的平均辐照度，地物的边界较难辨认。§2传感器的分辨率空间分辨率：遥感图像上能够区分最小单元的尺寸，即传感器能够把2个目标作为清晰的实体记录下来的2个目标之间的最小距离。是表征图像分辨地物目标细节能力的指标。§2传感器的分辨率如美国QuikBird商业卫星一个像元相当地面面积0.61m×0.61m，其空间分辨率为0.61mLandsat/TM一个像元相当地面面积28.5m×28.5m，简称空间分辨率30m；NOAA/AVHRR一个像元约相当地面面积1100m×1100m，简称空间分辨率1.1km(或1km)。像元是扫描影像的基本单元，是成像过程中或用计算机处理时的基本采样点，由亮度值表示。空间分辨率也可以用地面分辨率来表示。地面分辨率定义为像素所代表的地面实际尺寸。按照0.1mm/像素打印计算，不同空间分辨率传感器图像如表，像素大小与比例尺。根据传感器的分辨率的不同，遥感图像分为高分辨率图像、中高分辨率图像和低高分辨率图像。§2传感器的分辨率像素：是将地面信息离散化而形成的格网单位，在遥感图像中，单位是米或公里(km)。像素为正方形，大小与遥感图像的空间分辨率密切相关，空间分辨率越高，像素越小。美国的IKONOS卫星

毛主席纪念堂

IKONOS是美国空间成像公司于1999年9月24日发射升空的世界第一颗高分辨率商用卫星，是由美国洛克希德马丁(LockheedMartin)公司设计制造的。全色分辨率为1米，多光谱分辨率4米（B1蓝，B2绿，B3红和B4近红外波段）。

Spot4卫星Spot三维卫星影像

Spot对地观测卫星系统是由法国空间研究中心发展的，参与的国家还有比利时和瑞典。全色波段分辨率为10米，多光谱为20米，利用SPOT立体像对，也可以生成

DEM。

陆地卫星7号

陆地卫星7号图像

陆地卫星7号（原称为地球资源技术卫星）于1999年4月15日由美国航空航天局发射，携带了增强型主题成像传感器（ETM+）。地面分辨率为30m，热红外波段分辨率为60m。QuickBird卫星北京公主坟立交桥

QuickBird卫星是2001年10月18日在美国发射成功的目前世界上商业卫星中分辨率最高、性能较优的一颗卫星。它在空间分辨率（0.61米），多光谱成像（1个全色通道、4个多光谱通道）。

IRS+TM影像（彩色）大兴农田不同地面分辨率影像1米几何分辨率（IKONOS)影像显示（彩色）同一地区不同地面分辨率影像北京故宫_SPOT_2.5m北京故宫_QuickBird_0.6m北京地区4米遥感影象图（美国SPACEIMAGE公司的IKONOS卫星）北京地区1米遥感影象图不同分辨率的IKONOS影像BAC高分辨率图像：空间分辨率小于10m。常用传感器有Spot，Quikbird，IKONOS等。这些传感器具重返周期为数天，能反映地物明确的集合信息，适用于对特定地区进行点监测，主要用于数字城市。中分辨率图像：空间分辨率小于10-100m。如ASTER、TM等。重访周期为数天。具有较多的光谱信息，便于进行土地利用和土地覆盖，资源、表景观等方面的研究。低分辨率图像：空间分辨率大于100m。如NOAA、MODIS等。重返周期数小时，适用于进行大范围的遥感监测，如洪水、火灾、云和沙尘暴。环境监测的空间尺度不同，需要采用不同空间分辨率的遥感影像。例如全球性的酸雨，温室效应、海面升降等，主要用静止气象卫星；大流域范围的水土流失、沙化、绿化、洪水、林火等，可以兼用气象卫星和陆地卫星；局部地区，如熊猫保护区，工厂污染、赤潮等，可以兼用卫星和航空遥感图像。光谱分辨率：

是传感器记录的电磁光谱中特定波长的范围和数量。波长范围越窄，光谱分辨率越高；波段数越多，光谱分辨率越高。遥感信息的多波段特性，多用光谱分辨率来描述。光谱分辨率指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。通常用数字和字母来表示波段，例如在Landsat7中，B1的波段为450-520nm。如SPOT的B1和Landsat7的B1是不同的。Landsat／TM有7个波段，能较好的区分同一物体或不同物体在7个不同波段的光谱响应特性的差异，其中以TM3为例，遥感器用一个较窄的波段(0.63-0.69μm波段间隔为0.06μm)已录下红光区内的一个特定范围的反射辐射；航空可见、红外成像光谱仪AVIRIS，有224个波段(0.4-2.45μm，波段间隔近10nm)，可以捕捉到各种物质特征波长的微小差异。

光谱分辨率越高，专题研究的针对性越强，对物体的识别精度越高，遥感应用分析的效果也就越好。但是，面对大量多波段信息以及它所提供的这些微小的差异，人们要直接地将它们与地物特征联系起来，综合解译是比较困准的，而多波段的数据分析，可以改善识别和提取信息特征的概率和精度。

LANDSAT传感器波段和波长范围§3采样与量化通过成像方式获取的图像是连续的，无法直接用计算机进行处理，此外，有些遥感图像时通过摄影保存在胶片上的。只有对这些图像进行数字化处理，才可以产生数字图像。数字化过程包括：采样和量化。采样和量化，是把连续的图像转换为数字图像的两个步骤。也可以叫数字化一副连续图像吧。数字化，是把连续的信号转换为离散的数据，以便可以用数字来进行度量好表示，也可以粗略的理解为离散化。采样是将空间上的连续图像变换成离散点，即像素。采样时，连续的图像空间被划分为网格，并对各个网格内的辐射值进行测量。通过采样把连续的图像转化为离散的图像，是计算机进行数字图像处理。采样间隔：采样间隔影响着图像表示地物的真实性。间隔越小，越真实。但采样成本和处理成本高，图像存储空间大。采样在X轴和Y轴2个方向进行，间隔相同。

量化采样后的图像被分割为离散的像素，但其灰度值没有变。量化是将灰度值转化为整数灰度值的过程。一般数字图像灰度级取2的整数幂。量化级数越大，量化后的图像越真实，但存储空间大。若一幅图像是8位量化，则量化灰度级位2^8=256，量化后的灰度级范围是0-255的整数。大于或者等于8位量化的灰度图像可以满足一般的视觉效果要求。量化后原有的灰度值转化为灰度级。通常我们得到的是量化后的遥感图像。几种遥感卫星简介航天遥感平台气象卫星系列海洋卫星系列陆地卫星系列

§4地球资源卫星数据(…)

一、Landsat数据二、SPOT数据三、IKONOS数据四、QUICKBIRD数据

一、Landsat数据陆地卫星Landsat，1972年发射第一颗，已连续31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。陆地卫星的运行特点：（1）近极地、近圆形的轨道；（2）轨道高度为700～900km；（3）运行周期为99～103min/圈；（4）轨道与太阳同步。Landsat轨道参数Tobecontinued…Landsat卫星的传感器(1)MSS：多光谱扫描仪，5个波段。(2)TM

：主题绘图仪，7个波段。(3)ETM+：增强主题绘图仪，8个波段。Tobecontinued…Landsat数据系列LANDSAT传感器波段和波长范围MSS的波谱段Tobecontinued…TM数据是第二代多光谱段光学——机械扫描仪，是在MSS基础上改进和发展而成的一种遥感器。TM采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收灵敏度TM数据(…)的波谱段TM10.45~0.52μm蓝绿波段TM20.52~0.60μm绿红波段TM30.63~0.69μm红波段TM40.76~0.90μm近红外波段TM51.55~1.75μm近红外波段TM610.4~12.5μm热红外波段TM72.08~2.35μm近红外波段

Tobecontinued…ETM数据(…)的波谱段ETM10.45~0.52μm蓝绿波段ETM20.52~0.60μm绿红波段ETM30.63~0.69μm红波段ETM40.76~0.90μm近红外波段ETM51.55~1.75μm近红外波段ETM610.4~12.5μm热红外波段ETM72.08~2.35μm近红外波段ETM8（PAN）0.52~0.90μm可见光—近红外

ETM数据是第三代推帚式扫描仪，是在TM基础上改进和发展而成的一种遥感器。Tobecontinued…

Landsat7TM、ETM+传感器的波段设置和光谱效应波段波长（μm）光谱段分辨率（米）光谱效应10.45-0.52蓝绿光波段30水体透视、叶绿素、干燥土壤、茂密植被20.52-0.60绿光波段30水体、植被（林型、树种）30.63-0.69红光波段30植被种类、覆盖度；岩性、土壤、水中泥沙40.78-0.90近红外光波段30植被、生物量、作物长势监测51.55-1.75近红外光波段30土壤湿度与类型、植物含水量、岩性610.4-12.6热红外光波段60地表温差、水温变化、城市热岛72.09-2.35近红外光波段30岩石类型、地质探矿与制图80.52-0.90全色波段15提高影像分辨率MSS数据获取原理图MSS数据是一种多光谱段光学—机械扫描仪所获得的遥感数据。BACKTM数据获取的传感器BACKTobecontinued…§5地球资源卫星数据二、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。SPOT卫星的轨道参数标称轨道高度832km轨道倾角98.7°运行一圈的周期101.46min日绕总圈数14.19圈重复周期26dHRV地面扫描宽度60km舷向每行像元数3000/6000个Tobecontinued…SPOT卫星的运行Tobecontinued…轨道HRV装备SPOT卫星群的组合Tobecontinued…SPOT的HRV波谱段

光谱段

光谱特性

分辨率0.50~0.59μm

绿20m0.61~0.68μm

红20m0.79~0.89μm

近红外20m0.51~0.73μm

绿—红全波段10mSPOT1~3号卫星上携带两台HRV传感器。SPOT的HRG、HRS波谱段

光谱段/μm

光谱特性

分辨率/m0.50~0.58

绿200.61~0.67

红200.78~0.89

近红外200.49~0.715绿~红全波段5SPOT5卫星上HRG（高分辨率几何装置）

HRS是SPOT5特有的一个高分辨率立体成像装置，工作波段0.48～0.71μm

。Tobecontinued…SPOT传感器BACK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10~1m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。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。

§4地球资源卫星数据具有太阳同步轨道，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l～3d。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。

IKONOS数据IKONOS可采集1米分辨率全色和4米分辨率多光谱卫星影像，同时可将全色和多光谱影像可融合成1米分辨率的彩色影像。至今IKONOS已采集超过2.5亿平方公里涉及每个大洲的影像，许多影像被中央和地方政府广泛用于国家防御，军队制图，海空运输等领域。从681千米高度的轨道上，IKONOS的重访周期为3天，并且可从卫星直接向全球12个地面站传输数据。

IKONOS光谱段全色光谱响应范围：

0.15～0.90μm而多光谱则相应于Landsat-TM的波段：

MSI-10.45～0.52μm蓝绿波段

MSI-20.52～0.60μm绿红波段

MSI-30.63～0.69μm红波段

MSI-40.76～0.90μm近红外波段IKONOS数据特点数据来源：美国IKONOS卫星。太阳同步轨道，重复周期1~3d。传感器(…)。IKONOS影像获取模式(…)。MTF补偿(…)。星历与姿态量测(…)。IKONOS图像产品。IKONOS的传感器包括一个全色1m分辨率传感器和一个四波段4m分辨率的多光谱传感器。IKONOS传感器是三线阵CCD推帚式成像，因此在正常模式下，它可取得正视、后视和前视推扫成像。IKONOS图像可以实现模量传递函数(MTF)的补偿，为此卫星的传感器设计了进行MTF的测量。有了这些测量值，可以对因光学和检测器等引起的像质模糊进行补偿。

IKONOS卫星内设有GPS天线，接收的信号被记录下来，经过处理可以提供每个图像的星历参数；传感器系统设计有三轴稳定装置和量测装置，以获得相应姿态数据。

Tobecontinued…IKONOS卫星的外形Tobecontinued…IKONOS卫星图像Tobecontinued…IKONOS图像地区：上海浦东分辨率：

1m采集时间：

2000年

3月26日Tobecontinued…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1～6d（与纬度有关）。QuickBird图像，目前是世界上分辨率最高的遥感数据，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。QuickBird数据的光谱段数据类型

波段范围/μm分辨率/m多波段蓝：0.45~0.522.44绿：0.52~0.602.44红：0.63~0.692.44近红外：0.76~0.902.44全波段0.45~0.900.61Quickbird传感器为推扫式成像扫描仪Tobecontinued…QuickBird传感器结构图QuickBird影像图多光谱影像分辨率2.8mQuickBird影像图华盛顿纪念碑§6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)、气象卫星系列我国的高轨气象卫星：FY-2风云二号气象卫星信息采集时间周期：120分钟主要功能：获取对地观测的可见光、红外与水气云图气象卫星发展阶段第一阶段：20世纪60年代发展了第一代气象卫星。主要代表有：①太诺斯（TIROS），即电视和红外辐射观测卫星。1960-1965年共收射了10颗。②艾萨（ESSA），即环境科学服务业务卫星，相当于第二代TIROS卫星，1966年2月发射的ESSA1是第一颗业务应用气象卫星。③“雨云”（Nimus）实验性气象卫星。专用于进行新的观测仪器的试验。④ATS，即应用技术实验卫星，静止气象卫星。第二阶段：1970-1977年。①ITOS—1是TIROS业务气象卫星的改进型，相当于TIROS第三代，后进一步发展成NOAA业务卫星。②“雨云”气象卫星发展成SMS，即地球同步气象卫星和GOES，即静止同步环境应用卫星等静止卫星系列。③前苏联的“流星”Ⅱ型气象卫星（MeteorⅡ）和日本的对地静止气象卫星（GMS），以及欧洲空间局的Meteosat等也发展起来，构成全球气象卫星系统。第三阶段：1978年以后，气象卫星进入第三个发展阶段。主要以NOAA系列卫星为代表。

我国的气象卫星发展较晚。主要是1988年9月7日“风云一号”（FY-1）气象卫星，我国发射的第一颗环境遥感卫星，主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感实验。1990年9月3日FY-1-B发射成功（风云一号第二颗），所携带的传感器分辨率高，可用于天气预报，提供植被指数，区分云和雪，进行海洋水色观察。

风云二号（FY-2）于1997年6月发射成功，是地球同步轨道静止气象卫星。主要是对地观测，每小时获取一次对地观测的可见光、红外与水汽云图。（二）气象卫星特点⑴轨道:太阳同步轨道⑵短周期重复观测⑶成像面积大，有利于获取宏观同步信息，减少数据处理容量⑷资料来源连续、实时性强、成本低

日本静止卫星

全球圆盘图空间分辨率为：可见光公里、红外5公里1.25风云二号-B星的彩色云图美国NOAA卫星系列双星运行,上下午各获取一次信息。扫描宽度：2800公里分辨率：星下点1.1公里，边缘部分4公里轨道高度:分别是870Km和833Km，周期101.4min

NOAA(NationalOceanicAtmosphericAdministration)是美国国家海洋与大气管理局的英文缩写。1960年4月1日，美国发射了世界上第一颗极轨气象卫星（TIROS-1），奠定了气象卫星业务系统的技术基础。现在，极轨气象卫星已经发展到第四代。第三代极轨气象卫星TIROS-N于1978年10月13日发射成功并开始运行。这个系列共有11颗卫星：TIROS-N/NOAA-A到J。NOAA极轨气象卫星系列发射前以字母标号，入轨运行后以数字标号代替，如1984年12月12日发射的NOAA-F运行后更名为NOAA-9。NOAA极轨气象卫星采用双星运行模式，单号星从南向北飞，经过赤道时间为地方时14：30；双号星从北向南飞，经过赤道时间为地方时07：30。目前，在轨运行的是NOAA-13、NOAA-14和NOAA-15（据悉，未能正常工作）。NOAA相关资料沙尘暴受偏西大风影响，甘肃中部、内蒙古西部、宁夏北部和陕西北部出现了扬沙天气。这是下午14时44分NOAA-16气象卫星所监测