04第四章 传感器.ppt

1、第四章 传感器,遥感技术的核心,主要内容：,一、传感器的定义 二、传感器的组成 三、传感器的分类 四、传感器的性能指标 五、摄影型传感器 六、扫描方式的传感器,传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。它遥感技术系统中数据获取的关键设备。 它的性能决定遥感的能力，即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。,一、传感器的定义,遥感传感器由四个基本部件组成： 收集器。如透镜组、反射镜组、天线、棱镜。 探测器。如感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件。 处理器。如摄影处理装置和电子处理装置。 输出器。如扫描晒像仪、阴极摄像管、电视显

2、像管等。胶片和磁带。,二、传感器的组成,电磁波能量,化学能或电能,传感器的记录信息的形式:,数字影像：记录在磁性介质之上的数字矩阵，能够被计算机存储、处理和使用，又称为数字量。 模拟影像：基于光学原理，利用感光胶片来曝光成像，通过光学摄影获得的物质胶片、相片；又称为模拟量（对现实的模拟）。 模拟影像和数字影像之间的转换称为数摸转换，A/D转换。 A-analog signals; D-digital signals.,三、（4.1）传感器的类型,按数据记录方式划分：非成像方式、成像方式（光学类 （摄影成像类） 、扫描类 （扫描成像类） 按波段划分：可见光、红外、微波 按工作方式划分：被动（光学

3、摄影类、光电成像类、成像光谱仪）、主动（侧视雷达、全景雷达）,四、（4.2）传感器的性能,（一）空间分辨率 指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，是像素所代表的地面范围的大小，或地面物体能分辨的最小单元，用来表征分辨目标细节能力的指标。通常用像元（像素）大小、像解率或视场角表示。 像元（pixel），单位：米，越小空间分辨率越高； 像解率，对于光学影像像片，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，单位：线/毫米，越大空间分辨率越高； 瞬时视场是指在扫描成像过程，一个光敏探测元件通过望远镜系统投影到地面上的直径或边长。,最具实用意义的指标是传感器的分辨率，包括空间、时间

4、、光谱、温度分辨率。,对于特定传感器地面分辨率是定值，但印制的遥感影像比例尺可放大或缩小，地面分辨率在不同比例尺的具体影像上的反映称为影像分辨率。例如专题制图仪TM15，7波段的一个象素（pix）代表地面28.5米28.5米，或概略地说它的空间分辨率为30米，在1：10万图像上影像分辨率为0.3mm，在1：20 万图像上则为？。,（二）光谱分辨率（波谱分辨率）,波谱分辨率是指遥感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小，波谱分辨率愈高，反之则低。一般认为，当最小波长间隔在不同量级变化时，其遥感类型命名也不同（见下表） 光谱分辨率变化幅度与遥感类型的关系 Mss: 1002000n

5、m；成像光谱仪：510nm。一般来说，传感器的波段数越多，波段宽度越窄，地物的信息越容易区分和识别，针对性越强。但也会造成信息量太大，反而不利于识别地物信息。所以，要根据实际需要，恰当地选择波段。,（三）时间分辨率,对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，称为遥感图像的时间分辨率。根据回归周期的长短，时间分辨率可分为三种类型： 超短（短）周期时间分辨率，以小时为单位，如气象卫星； 中周期时间分辨率，以天为单位； 长周期时间分辨率，以年为单位。 例如，陆地资源卫星landsat 16天一次，静止气象卫星（地球同步气象卫星）：1次/0.5小时；太阳同步气象卫星：2次/天,（四）温度分辨率

6、,指热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力。如TM6图像的温度分辨率可达到0.5K。,五、（4.3）光学成像（摄影）类型传感器,光学照相机是最早的一种遥感器，也是今天常见的一种遥感器。它的工作波段在近紫外、可见光到近红外（0.321.3微米）之间，通过光学系统采用胶片或磁带记录地物的反射光谱能量。工作平台主要是航空平台，侦察卫星和早期的回收式遥感卫星。 用于遥感的光学相机有以下几种类型： 框幅式摄影机（分幅式摄影机）； 缝隙式摄影机（又称航带摄影机） ； 全景摄影机（又称扫描摄影机 ）； 多光谱摄影机 。,分幅式摄影机,缝隙式摄影机,全景摄影机,多光谱摄影机,多光谱摄影机有三种类型：

7、多相机组合型、多镜头组合型和光束分离型。,分幅式摄影机,根据摄影的目的要求不同，相机的镜头透镜可用常角（视场角50-70）、宽角（视场角70-105）和特宽角镜头（视场角105-135）。在同样平台高度的情况下，视场角愈大，覆盖地面范围愈大。 镜头与焦平面的距离为该相机的焦距，焦距f200mm为长焦距。现在常用的航空摄影相机的焦距在150mm左右。用于航天的摄影机的焦距需要大于300mm，甚至大于1000mm的。 一般的遥感摄影机镜头中心的光学分辨率通常在70-100线对/mm。分幅式摄影机拍摄的地面一般呈长宽一致的方形。在胶片上形成缩小了的地面影像。 RMKA30/23 航天摄影机，焦距、像

8、幅、高度、比例尺（？）、范围。,六、（4.4）光电成像与扫描,光电成像：传感器将收集到的电磁波能量，通过仪器内的光敏或热敏元件（探测器），转变成电能后再来记录下来的成像方式。 优点为：扩大了探测的波段范围；便于数据的存储与传输 该类型传感器：电视摄像机、扫描仪和电荷耦合器件CCD，其中以多光谱扫描仪和CCD应用最为广泛。,扫描成像是指依靠探测元件和扫描镜对目标物以瞬间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。,扫描方式,线扫：传感器来回摆动，传感器摆动方向和传感器运动方向垂直，一次摆动获得多行数据。一般为线阵排列。 推扫：不需要摆动扫描镜，可以推扫方式

9、获取沿轨道的连续图像带。有线阵和面阵两种排列方式。例如线阵列推扫式扫描仪Spot HRV(High Resolution Visible range instrument ),推扫,（一）红外扫描仪,旋转扫描镜的作用是实现对地面横越航线方向的扫描，并将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组。反射镜组的作用是将地面辐射来的电磁波聚焦在探测器上。探测器则是将辐射能转变成电能。致冷器为了隔离周围的红外辐射直接照射探测器，一般机载传感器可使用液氧或液氮致冷。电子处理装置主要是对探测器输出的视频信号放大和进行光电变换。输出端是一个阴级射线管和胶片传动装置。电流强度（视频信号）经电光变换线路调制阴极射线管的阴极

10、，这时阴级射线管屏幕上扫描线的亮度变化相应于地面扫描现场内的辐射量变化。胶片曝光后得到扫描线的影像。,上海市中心区热红外扫描图像 F ig.7 T herm a l in frared im age of Shangha i(cen tra l area),说明：三维成像仪于2000年3月在上海市中心区飞行获取的热红外扫描图像、GPS数据和姿态数据进行了快速处理.这次飞行的高度约为650m,视场角CJFD2001,（二）MSS多光谱扫描仪 （Multispectral Scanner）,利用多个波段的敏感元件同时对地物扫描成像的遥感器。探测波段：紫外、可见光、红外波段。,扫描仪每个探测器的瞬时

11、视场为86urad，卫星高为915km，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨率为79m x 79m，每个波段由6个相同大小的探测单元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小为474m x 79m。由于扫描总视场为11.56，地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段此取6条扫描线图像，其地面范围为474m x185km。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往前正好移动474m，因此扫描线恰好衔接。,地速是指飞机相对与地面物体的速度 。,Landsat-1，2携带的多光谱扫描仪,Landsat7 TM、ETM+传感器 的波段设置和光谱效应,Land

12、Sat15米ETM全色卫星影像,.tw/astrolab/mirrors/apod/ap990514.html,舊金山市附近的自然景觀，以及周圍的丘陵地貌 (上方是北方)。三個可見光波段照片所組合出來的自然色彩影像。,QuickBrid传感器,多光谱扫描成像，包括1个全色波段，4个多光谱波段。全色地面分辨率0.6米，多光谱地面分辨率2.7米。,北京故宫0.6快鸟,北京故宫0.6快鸟,（三）CCD,CCD传感器(Charge Coupled Device)称电荷耦合器件，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。 线阵列CCD推扫式成

13、像仪用平行排列的CCD探测杆收集地面辐射信息，每根探测杆由3 000/6 000个CCD元件呈一字排列，负责收集某一波段的地面辐射信息使用线阵列的CCD元件作探测器，在瞬间能同时得到垂直航线的一条图像线，不需要用摆动的扫描镜，像缝隙摄影机那样，以“推扫”方式获取沿轨道的连续图像条带。一幅影像由若干条线影像拼结而成。 若干个CCD器件排在一个矩形中，可构成面阵列传感器，面阵一次得到一个2维数字方阵，某一瞬间获得一幅完整的影像。与框幅式摄影相似,SPOT HRV (High Resolution Visible)传感器的波段设置和光谱效应,在Spot5上增加了HRG传感器,Wetlands of

14、special state concern (yellow) and submerged aquatic vegetation (green) displayed on SPOT 10-meter panchromatic image of Chesapeake Bay area. This image of Anne Arundel County, Maryland, illustrates MERLINs mapping and data display capabilities and was taken directly from the Web site.,七、4.5成像光谱仪和高光

15、谱分辨率遥感技术（Imaging Spectrometer）,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。 成像光谱仪基本上属于多光谱扫描仪，其构造与CCD线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。,高光谱分辨率遥感技术P116,利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据。它以纳米级的超高光谱分辨率和几十或几百个波段同时对地物成像，能够获得地物的连续光谱信息。,成像光谱仪的成像特点,美国宇航局“阿卡”(取自拉丁文，意思是“水”。)卫星中分辨率成像光谱仪所拍摄到的卫星图片。反映了澳大利