遥感原理与应用PPT课件

第四章遥感器及成像本章主要内容扫描成像类遥感器MSS/TM/ETM+/HRV雷达成像类遥感器真实孔径/合成孔径/侧视/相干雷达§4.1遥感器二、传感器的组成一、遥感器的定义也称传感器或探测器，是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。收集器探测器处理器输出器2/251.收集器：收集地物辐射来的能量。具体的元件如透镜组、反射镜组、天线等。2.探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能具体的无器件如感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件等。§4.1遥感器3.处理器：对收集的信号进行处理，即数字信号的放大、增强或调制。如显影、定影、信号放大、变换、校正和编码等。4.输出器：将获取的信息输出。输出器类型有扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、彩色喷墨仪等等。§4.1遥感器§4.1遥感器三、遥感器的分类1、按遥感器的成像原理分类摄影机（框幅式、缝隙式、全景式）扫描仪（光机扫描仪、推帚式扫描仪）雷达（真实孔径雷达和合成孔径雷达）。2、按电磁波辐射来源分类主动式遥感器和被动式遥感器3、按遥感器是否获取图像分类图像方式遥感器和非图像方式遥感器§4.1遥感器1、空间分辨率也称地面分辨率，是指遥感影像上能够详细区分的地面最小单元的尺寸或大小，是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。 像元大小：对应的地面尺寸大小（不变的） 影像分辨率：图上尺寸（随比例尺的变化而变化） 视场：瞬时视场四、遥感器的性能空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率空间分辨率的大小并不等于判读像片时能绝对地观察到像元尺寸的地物，这与传感器瞬时视场跟地物的相对位置有关。§4.1遥感器假定像元的宽度为a，则地物宽度在3a或至少在    时，能被分辨出来，这个大小称为图像的几何分辨率。§4.1遥感器2、光谱分辨率是指遥感器所能记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值。 波长范围值越宽，光谱分辨率越低 高光谱遥感光谱分辨率高 光谱分辨率是否越高越好分辨率太高，接收的信息量太大，反而会掩盖地物辐射特性，不利于快速探测和识别地物，同时加大处理工作量。§4.1遥感器3、辐射分辨率是表征遥感器所能探测到的最小辐射功率的指标。或指影像记录灰度值的最小差值。 对摄影成像来说辐射分辨率无意义。 对热红外遥感器来说辐射分辨率也称温度分辨率。 影像灰度是分级的，一般分2n级，灰度级别越多，其辐射分辨率越高。目前有256级、128级、64级 辐射分辨率和空间分辨率是一对矛盾体。§4.1遥感器4、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。 它主要提供地物动态变化的信息。用于动态监测和预报 分类超短（短）周期时间分辨率，以小时为单位。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。扫描成像类型的传感器是逐点逐行以时序方式获取二维图像，有两种主要的形式:§4.2扫描方式的遥感器 一是对物面扫描的成像仪，特点是对地面直接扫描成像，这类仪器有光机扫描仪、成像光谱仪、多频段频谱仪。 二是瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，这类仪器有线阵列CCD推帚式扫描仪，电视摄像机。一、光机扫描仪 收集器、分光器、探测器、处理器、输出器1、光机扫描仪的结构2、扫描成像过程：当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线方向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射能，经反射、聚焦到分光器上，分光后照射到相应的探测器上。一、光机扫描仪 经探测器转变为视频信号，再经电子放大器放大和调整，在阴极射线管上显示瞬时视场内的地面影像，经曝光后在底片上记录下来。或者视频信号经模/数转换器转换，变成数字的电信号记录下来或实时发送地面。 接着第二个扫描镜面扫视地面，依次下去。 MSS（MultispectralScanner）多光谱扫描仪。由扫描反射镜、校正器、聚光系统、旋转快门、成像板、光学纤维、滤光器和检波器等组成。3、MSS多光谱扫描仪 扫描仪的结构扫描反射镜：获取垂直飞行方向两边共185km范围内的来自景物的辐射能量，配合飞行器的往前运行获得地表的二维图像。反射镜组：将扫描镜反射进入的地面景物聚集在成像面上。成像板：将成像面上接收的能量传递到探测器上去。探测器：将辐射能量转变成电信号输出。3、MSS多光谱扫描仪3、MSS多光谱扫描仪 扫描过程 成像过程扫描仪每个探测器的瞬时视场为86μrad，卫星高为915km，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨力为79m×79m，每个波段由六个相同大小的探测元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小为474m×79m。又由于扫描总视场为11.56°,地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段获取六条扫描线图像，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往前正好移动474m，因此扫描线恰好衔。3、MSS多光谱扫描仪4、TM专题制图仪 Landsat-4/5上的TM（ThematicMapper）是一个高级的多波段扫描型的地球资源敏感仪器，与多波段扫描仪MSS性能相比，它具有更高的空间分辨力，更好的频谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度和分辨力。 特点：1、TM中增加一个扫描改正器。2个作用 使扫描行垂直于飞行轨道 使往返双向扫描2、TM的探测器共有100个，分七个波段。3、探测器每组16个，呈错开排列。TM6是4个 成像过程瞬间（30m*16）一个周期（480m*185km）4、TM专题制图仪1、推帚式扫描仪组成：收集器、分光器、探测器、处理器、输出器。二、推帚式扫描仪 CCD（电荷耦合器件）(ChargeCoupledDevice)，是一种由硅等半导体材料制成的固体器件，受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达到一路时序输出信号线阵列扫描仪和面阵列扫描仪。二、推帚式扫描仪 与光机扫描仪相比，没有机械装置，探测器原理不同。 CCD的优点:1、环境适应性强。2、集成度高、体积小、抗电磁干扰能力强，寿命长。3、灵敏度高4、具有较高的影像分辨率，影像畸变小5、容易实现数字化输出 CCD的缺点:光谱灵敏度有限，只能在可见光和近红外（1.2μm以内）区能直接响应地物辐射来的电磁波。对于热（远）红外区没有反应。2、推帚式扫描仪成像过程：二、推帚式扫描仪地面上扫描线对应的辐射信息经光学系统收集，聚焦在CCD线阵列元件上，CCD输出端以时序视频信号输出，在瞬间得到垂直于航线的一条影像线3、推帚式扫描仪可获取立体影像：二、推帚式扫描仪同轨立体观测方式异轨立体观测方式1、HRV传感器（HighResolutionVisible）二、推帚式扫描仪SPOT-4卫星上的HRV分成两种形式：（1）多光谱型的HRV，共分三个谱段：绿波段0.50－0.59μm；红波段0.61－0.68μm近红外0.79－0.89μm；特点：每个像元的大小相对地面上为20m×20m。每个波段有3000个探测元件。一行图像，相对地面上为20m×60km。二、推帚式扫描仪（2）全色的HRV波段范围0.51—0.73μm。特点：一个像元大小为10m×10m；6000个CCD元件组成一行；一行图像，相对地面上为10m×60km；25/25二、推帚式扫描仪 为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平排安装二台HPV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两者之间有3km重叠，因此总的视场宽度为117km。二、推帚式扫描仪本节内容微波遥感发展历程雷达一般结构真实孔径雷达（RAR,Realapertureradar）合成孔径雷达（SAR,syntheticapertureradar）干涉合成孔径雷达（INSAR,interveneSAR）三、雷达及其成像三、雷达及其成像 上世纪50年代，美军方侧视机载雷达（SLAR） 1978年，美国Seaset海洋卫星 1981年，美国航天飞机成像雷达（SIR） 1991年，欧洲空间局欧洲遥感卫星（ERS1）1995年，ERS2发射。 1995年，加拿大Radarset 2000年2月11日，美国干涉雷达地形测图 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 （SRTM:ShuttleRadarTopographyMission） 2006年，日本ALOS-SAR3.1微波遥感发展历程三、雷达及其成像3.2微波 1mm-1m的电磁波三、雷达及其成像1、微波波段的划分 波段名称 波长/cm KαKKuXCSLP 0.75~1.131.13~1.671.67~2.422.42~3.753.75~7.57.5~1515~3030~100三、雷达及其成像2、微波遥感的优缺点（1）优点 全天时工作 有一定的穿透能力 可以探测地物的微波特性 可以采用多种频率、多个视角 记录目标的距离信息，同时还记录了目标的相位信息三、雷达及其成像（1）缺点（1）缺点 不能记录与颜色有关的信息，影像解译困难 遥感器系统设备复杂，价格昂贵，影像获取困难 影像变形情况复杂，几何校正复杂，技术难度高三、雷达及其成像3.3雷达的基本知识 按照雷达的工作方式可分为：成像雷达和非成像雷达。成像雷达中又可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达。 雷达是由发射机通过天线在很短的时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用(同一)天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。3.4雷达结构 组成：发射机、接收机、转换开关、天线、记录器 原理：发射机产生脉冲信号，由转换开关控制，经天线向观测地区发射。地物反射脉冲信号，也由转换开关控制进入接收机。接收的信号在显示器上显示或记录在磁带上。（雷达系统又是测距系统）8/183.5真实孔径雷达1、成像过程3.5真实孔径雷达2、距离分辨率：在距离方向上，能分辨的最小目标的尺寸。它与脉冲宽度有关。要分辨同一方向上距离不同的两个目标，理论上回波的时间间隔要等于或大于脉冲宽度。3.5真实孔径雷达距离分辨率是变化的 3.5真实孔径雷达 距离分辨力与距离无关。若要提高距离分辨力，从式中看来，需减小脉冲宽度，但这样将使作用距离减小。为了保持一定的作用距离，这时需加大发射功率，造成设备庞大，费用昂贵。目前一般是采用脉冲压缩技术来提高距离分辨力。3.5真实孔径雷达 方位分辨率是指在方位方向上能分辨的最小目标的尺寸。它与波瓣角β有关： β－波瓣角；R－斜距；D－天线孔径；λ－波长 要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离。这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制。目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨率。3.5真实孔径雷达3、方位分辨率3.6合成孔径雷达1、基本原理：通过合成孔径原理改善方位分辨率，即通过对在位置不断变化的同时所接收的信号进行记录、处理，获得比实际天线更长的天线长度进行观察的同样效果。3.6合成孔径雷达2、方位分辨率结论：合成孔径雷达的方位分辨率为雷达天线实际孔径长度的一半，孔径越小，分辨能力越强，这与真实孔径雷达情况正好相反，而且与距离无关。3.7INSAR 原理：利用具有一定视角差的两部天线来接收地面目标回波信号，经成像处理后得到同一观测区域两幅具有相关性的SAR单视复数图像，经干涉处理后检测出相位差，按照一定的几何关系进行计算，得到观测区域的地面三维信息。 干涉合成孔径雷达、合成孔径雷达干涉测量。 分类：横迹干涉（双天线、基线与飞行方向垂直）顺迹干涉（双天线、基线与飞行方向平行） INSAR测高原理:假设飞行平台上同时架设了两部天线A1、A2，若由A1发射电磁波，A1、A2同时接收从目标返回的信号，天线相对位置如图所示。B为基线长度，θ为入射角，α为水平角,H为平台高度。3.7INSAR三、雷达及其成像 SRTM作用：美国国家测绘局（NIMA）联合美国国家宇航局（NASA）利用“奋进”号航天飞机历时222小时23分钟，获得了北纬60度到南纬56度之间的全部地球表面高精度三维地形地图，其精度是现有地图的30倍。SRTM仅用9天多的时间完成了人类在20世纪用100年时间才完成的全球70％地区的地形图测绘，这在科学技术史上是一大飞跃。 SRTM目的：建造全球性的、高精度的、统一基准的数字地面高程数据库（DEM）。返回