遙感成像原理

1、l攝影成像l掃描成像l微波遙感 攝影是通過(guò)成像設(shè)備獲取物體影像的技術(shù)。傳統(tǒng)攝影依靠光學(xué)鏡頭及放置在焦平面的感光膠片來(lái)記錄物體影像。數(shù)字?jǐn)z影則通過(guò)放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)來(lái)記錄物體的影像。 l攝影機(jī) 攝影機(jī)是成像遙感最常用的傳感器，可裝載在地面平臺(tái)、航空平臺(tái)以及航天平臺(tái)上，有分幅式分幅式和全景式全景式攝影機(jī)之分。 l攝影機(jī)分幅式攝影機(jī) 一次曝光得到目標(biāo)物一幅像片，鏡頭分常角（視場(chǎng)角50o70o）、寬角（視場(chǎng)角70o105o）和特寬角（視場(chǎng)角105o135o），同平臺(tái)高度下，視場(chǎng)角愈大，地面覆蓋范圍愈大。焦距 f小于 100 mm為短焦距， 100200 mm為中焦距，大于

2、 200 mm為長(zhǎng)焦距。航空攝影相機(jī)的焦距在 150 mm左右。航天攝影機(jī)的焦距需要大于300 mm，甚至大于 1000mm。 分幅式攝影機(jī)成像示意圖l攝影機(jī)分幅式攝影機(jī) 對(duì)可見(jiàn)光遙感，攝影機(jī)外殼外殼只需是不透光材料，如金屬、人造革、塑料等。對(duì)紅外攝影，則只能用金屬材料。鏡頭則需根據(jù)攝取的波段選擇材料，不同材料透過(guò)波長(zhǎng)的上限不同。l攝影機(jī)全景攝影機(jī) -又稱(chēng)掃描攝影機(jī)。依結(jié)構(gòu)和工作方式可分為縫隙式攝影機(jī)和鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī)。l縫隙式攝影機(jī)又稱(chēng)航帶攝影機(jī)，通過(guò)焦平面前方設(shè)置的與飛行方向垂直的狹縫快門(mén)獲取橫向的狹帶影像。鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式全景攝影機(jī)有兩種工作方式，一種是轉(zhuǎn)動(dòng)鏡頭的物鏡，狹縫設(shè)在物鏡筒的后端，隨

3、著物鏡筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，在后方向弧形膠片上聚焦成像。鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式全景攝影機(jī)的另一種是用棱鏡鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)、連續(xù)卷片成像。 全景攝影機(jī)焦距較長(zhǎng)（可超過(guò) 600 mm），可在長(zhǎng)23 cm（航向），寬 l28 cm（橫向）的膠片上成像，主要用于軍事偵察。通常的遙感探測(cè)和制圖則大都采用分幅式攝影。 l攝影機(jī)多光譜攝影機(jī) 可同時(shí)直接獲取可見(jiàn)光和近紅外范圍內(nèi)若干個(gè)分波段影像。有三種類(lèi)型：多相機(jī)組合型、 多鏡頭組合型和光束分離型。 多相機(jī)組合型:是將幾架相機(jī)同時(shí)組裝在一個(gè)外殼上，每架相機(jī)配置不同的濾光片和膠片，以獲取同一地物不同波段的影像l攝影機(jī)多光譜攝影機(jī) 多鏡頭組合型:是在同一架相機(jī)上裝置多個(gè)鏡頭，配以不同波長(zhǎng)的濾光片

4、，在一張大膠片上拍攝同一地物不同波長(zhǎng)的影像。光束分離型:是用一個(gè)鏡頭，通過(guò)二向反射鏡或光柵分光，將不同波段在各焦平面上記錄影像。l攝影機(jī)數(shù)碼攝影機(jī) 成像原理與一般攝影機(jī)同，結(jié)構(gòu)也類(lèi)似。所不同的是其記錄介質(zhì)不是感光膠片，而是光敏電子器件。 攝影機(jī)從飛行器上對(duì)地?cái)z影時(shí)，根據(jù)攝影機(jī)主光軸與地面的關(guān)系，可分為垂直攝影和傾斜攝影。 l垂直攝影 攝影機(jī)主光軸垂直于地面或偏離垂線在3o以?xún)?nèi)。取得的像片稱(chēng)水平像片或垂直像片。航空攝影測(cè)量和制圖大都是這類(lèi)像片。l傾斜攝影 攝影機(jī)主光軸偏離垂線大于3o，取得的像片稱(chēng)傾斜像片。全景攝影成像時(shí)，鏡頭垂直飛行器下方航帶中心線時(shí)為垂直垂直攝影攝影，其余狀態(tài)下均為傾斜攝影。

5、傾斜攝影時(shí)，主光軸偏離垂線角度愈大，影像畸變也愈大，給圖像糾正帶來(lái)困難，不利于制圖。但有時(shí)為了獲取較好的立體效果且對(duì)制圖要求不高，也采用傾斜攝影。 l垂直攝影像片的幾何特征 像片的投影：常用的大比例尺地形圖屬于垂直投影或近垂直投影，而攝影像片卻屬于中心投影。 中心投影與垂直投影的區(qū)別 表現(xiàn)為三個(gè)方面：（1）投影距離的影響（2）投影面傾斜的影響（3）地形起伏的影響垂直投影 中心投影（1）投影距離的影響：垂直投影圖像的縮小和放大與投影距離無(wú)關(guān)，并有統(tǒng)一的比例尺。中心投影則受投影距離（遙感平臺(tái)高度）影響，像片比例尺與平臺(tái)高度H和焦距f有關(guān)。（2）投影面傾斜的影響：當(dāng)投影面傾斜時(shí)，垂直投影的影像僅表現(xiàn)

6、為比例尺有所放大，像點(diǎn)相對(duì)位置保持不變。在中心投影的像片上比例關(guān)系有顯著的變化，各點(diǎn)的相對(duì)位置和形狀不再保持原來(lái)的樣子。 （3）地形起伏的影響 垂直投影時(shí)，隨地面起伏變化，投影點(diǎn)之間的距離 與地面實(shí)際水平距離成比例縮小，相對(duì)位置不變。中心投影時(shí)，地面起伏越大，像片上投影點(diǎn)水平位置的位移量就越大，產(chǎn)生投影誤差。這種誤差有一定的規(guī)律規(guī)律。 中心投影的透視規(guī)律中心投影的透視規(guī)律： 在中心投影的像片上，各種物體的形狀不同及其所處的位置不同，其變形的情況也各不相同。了解不同形狀物體在中心投影影像上的變形規(guī)律，對(duì)解譯和制圖是必要的。（1）地面物體是一個(gè)點(diǎn)，在中心投影上仍然是一個(gè)點(diǎn)。如果有幾個(gè)點(diǎn)同在一投影線

7、上，它的影像便重疊成一個(gè)點(diǎn)。（2）與像面平行的直線，在中心投影上仍然是直線，與地面目標(biāo)的形狀基本一致。例如地面上有兩條道路以某種角度相交，反映在中心投影像片上也以相應(yīng)的角度相交。如果直線垂直于地面（如電線桿），其中心投影有兩種情況：一是當(dāng)直線與像片垂直并通過(guò)投影中心（主光軸）時(shí)，該直線在像片上是一個(gè)點(diǎn)；二是直線的延長(zhǎng)線不通過(guò)投影中心，這時(shí)直線的投影仍然是直線，但其長(zhǎng)度和變形情況則取決于目標(biāo)在像片中的位置。近像片中心，直線的長(zhǎng)度被縮短，在像片邊緣，直線的長(zhǎng)度被夸大。中心投影的透視規(guī)律中心投影的透視規(guī)律（3）平面上的曲線，在中心投影的像片上仍為曲線。（4）面狀物體的中心投影相當(dāng)于各種線的投影的組合

8、。水平面的投影仍為一平面。垂直面的投影依其所處的位置而變化，當(dāng)位于投影中心時(shí)，投影所反映的是其頂部的形狀，呈一直線；在其他位置時(shí)，除其頂部投影為一直線外，其側(cè)面投影成不規(guī)則的梯形。像片的比例尺 即像片上兩點(diǎn)之間的距離與地面上相應(yīng)兩點(diǎn)實(shí)際距離之比。圖中像片上的a、b兩點(diǎn)是地面上A、B兩點(diǎn)的投影。ab:AB即為像片的比例尺。H為攝影平臺(tái)的高度；f為攝影機(jī)的焦距。 通常f可以在像片的邊緣或相應(yīng)的影像資料中找到，H由攝影部門(mén)提供。 比例尺=ab:AB=f:H像點(diǎn)位移 在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺變化外，還會(huì)引起平面上的點(diǎn)位在像片位置上的移動(dòng)。其位移量就是中心投影與垂直投影在同一水平面

9、上的“投影誤差”。Hhrr：像點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離r由 可以看出：l位移量與地形高差h成正比 l位移量與像主點(diǎn)的距離r成正比l位移量與攝影高度（航高）H成反比Hhr 掃描成像是依靠探測(cè)元件和掃描鏡對(duì)目標(biāo)地物以瞬時(shí)視場(chǎng)為單位進(jìn)行的逐點(diǎn)、逐行取樣，以得到目標(biāo)地物電磁輻射特性信息，形成一定譜段的圖像。其探測(cè)波段可包括紫外、紅外、可見(jiàn)光和微波波段。成像方式有三種：光/機(jī)掃描成像固體自掃描成像高光譜成像l光學(xué)機(jī)械掃描成像系統(tǒng)，一般在掃描儀的前方安裝光學(xué)鏡頭，依靠機(jī)械傳動(dòng)裝置使鏡頭擺動(dòng)，形成對(duì)目標(biāo)地物的逐點(diǎn)逐行掃描。掃描儀是由一個(gè)四方棱鏡、若干反射鏡和探測(cè)元件所組成。四方棱鏡旋轉(zhuǎn)一次，完成四次光學(xué)掃描。入射的

10、平行波束經(jīng)四方棱鏡的兩個(gè)反射面反射后，被分成兩束，每束光經(jīng)平面反射后，又匯成一束平行光投射到聚焦反射鏡，使能量匯聚到探測(cè)器的探測(cè)元件上。探測(cè)元件把接收到的電磁波能量能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在磁介質(zhì)上記錄或再經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換成為光能量，在設(shè)置于焦平面的膠片上形成影像。l探測(cè)元件需要根據(jù)目標(biāo)地物和大氣透過(guò)程度來(lái)確定。進(jìn)行不同的波段的探測(cè)，需采用不同的掃描探測(cè)元件。如紅外敏感元件，可探測(cè)人眼不可見(jiàn)的目標(biāo)地物的紅外輻射。 多光譜掃描儀光學(xué)系統(tǒng)原理圖l光機(jī)掃描的幾何特征取決于它的瞬時(shí)視場(chǎng)角和總視場(chǎng)角。瞬時(shí)機(jī)場(chǎng)角：掃描鏡在一瞬時(shí)時(shí)間可以視為靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，接收到的目標(biāo)地物的電磁波輻射，限制在一個(gè)很小的角度之內(nèi)，這個(gè)角

11、度稱(chēng)為瞬時(shí)視場(chǎng)角，即掃描儀的空間分辨率。 總視場(chǎng)角：掃描帶的地面寬度稱(chēng)總現(xiàn)場(chǎng)。從遙感平臺(tái)到地面掃描帶外側(cè)所構(gòu)成的夾角，叫總視場(chǎng)角，也叫總掃描角。 進(jìn)行掃描成像時(shí)，總視場(chǎng)角不宜過(guò)大，否則圖像邊緣的畸變太大。通常在航空遙感中，總視場(chǎng)角取70o120o。由于掃描儀的掃描角是固定的，因此遙感平臺(tái)的高度越大，所對(duì)應(yīng)的地面總視場(chǎng)也就愈大。 l光機(jī)掃描儀可分為單波段和多波段兩種。多波段掃描儀的工作波段范圍很寬，從近紫外、可見(jiàn)光至遠(yuǎn)紅外都有。l掃描鏡在機(jī)械驅(qū)動(dòng)下，隨遙感平臺(tái)（飛機(jī)、衛(wèi)星）的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)，依次對(duì)地面進(jìn)行掃描，地面物體的輻射波束經(jīng)掃描反射鏡反射，并經(jīng)透鏡聚焦和分光分別將不同波長(zhǎng)的波段分開(kāi)，再聚焦

12、到感受不同波長(zhǎng)的探測(cè)元件上。 在電磁波譜中，波長(zhǎng)在1mm1m的波段范圍稱(chēng)微波。該范圍內(nèi)又可再分為毫米波、厘米波和分米波。在微波技術(shù)上，還可將厘米波分成更窄的波段范圍，并用特定的字母表示 微波遙感是指通過(guò)微波傳感器獲取從目標(biāo)地物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過(guò)判讀處理來(lái)識(shí)別地物的技術(shù)。 譜帶名稱(chēng)波長(zhǎng)范圍/cmKa0.751.13K1.131.67Ku1.672.42X2.423.75C3.757.5S7.515L1530P30100l微波遙感的特點(diǎn)能全天候、全天時(shí)工作 可見(jiàn)光遙感只能在白天工作，紅外遙感雖可克服夜障，但不能穿透云霧。因此，當(dāng)?shù)乇肀辉茖诱谏w時(shí)，無(wú)論是可見(jiàn)光遙感還是紅外遙感均無(wú)能為力。地球

13、表面有4060的地區(qū)常年被云層覆蓋，平均日照時(shí)間不足一半，尤其是海洋上更是如此。 按瑞利散射原理，散射的強(qiáng)度與-4成正比。由于微波的波長(zhǎng)比紅外波要長(zhǎng)得多，因而散射要小得多，所以與紅外波相比，在大氣中衰減較少，對(duì)云層、雨區(qū)的穿透能力較強(qiáng)，基本上不受煙、云、雨、霧的限制。 對(duì)某些地物具有特殊的波譜特征 許多地物間，微波輻射能力差別較大，因而可以較容易地分辨出可見(jiàn)光和紅外遙感所不能區(qū)別的某些目標(biāo)物的特性。例如，在微波波段中，水的比輻射率為0.4，而冰的比輻射率為0.99，在常溫下兩者的亮度溫度相差 100 K，很容易區(qū)別，而在紅外波段，水的比輻射率為0.96，冰的比輻射率為0.92，兩者相差甚微，不

14、易區(qū)別。 比輻射率：亮度溫度與絕對(duì)溫度之比對(duì)冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力 該特性可用來(lái)探測(cè)隱藏在林下的地形、地質(zhì)構(gòu)造、軍事目標(biāo)，以及埋藏于地下的工程、礦藏、地下水等。對(duì)海洋遙感具有特殊意義 微波對(duì)海水特別敏感，其波長(zhǎng)很適合于海面動(dòng)態(tài)情況（海面風(fēng)、海浪等）的觀測(cè)。分辨率較低，但特性明顯 微波傳感器的分辨率一般都比較低，這是因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象顯著的緣故。要提高分辨率必須加大天線尺寸。其次，觀測(cè)精度和取樣速度往往不能協(xié)調(diào)。欲保證精度就需要有較長(zhǎng)的積分時(shí)間，取樣速度就要降低，通常是以犧牲精度來(lái)提高取樣速度的。此外，地球表面的地物溫度大多在200300K，峰值波長(zhǎng)都落在紅外波段，因此紅外波

15、段的輻射量要比微波大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，由于微波的特殊物理性質(zhì)，使紅外測(cè)量精度遠(yuǎn)不及微波，也要差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，總的說(shuō)來(lái)，紅外和微波遙感各有優(yōu)缺點(diǎn)。 微波遙感分有源（主動(dòng)）和無(wú)源（被動(dòng)）兩大類(lèi)。l主動(dòng)微波遙感:是指通過(guò)向目標(biāo)地物發(fā)射微波并接收其后向散射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)的遙感方式。主要傳感器是雷達(dá)。此外，還有微波高度計(jì)和微波散射計(jì)。雷達(dá)（Radar，Radio Direction And Range） 意為無(wú)線電測(cè)距和定位。其工作波段大都在微波范圍，少數(shù)也利用其他波段，例如利用紅外波段工作的紅外雷達(dá)，還有利用激光器作發(fā)射波源的激光雷達(dá)。按照雷達(dá)的工作方式可分為成像雷達(dá)和非成像雷達(dá)。成像雷達(dá)中又

16、可分為真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)和合成孔徑側(cè)視雷達(dá)。 l雷達(dá)是由發(fā)射機(jī)通過(guò)天線在很短時(shí)間內(nèi)，向目標(biāo)地物發(fā)射一束很窄的大功率電磁波脈沖，然后用同一天線接收目標(biāo)地物反射的回波信號(hào)而進(jìn)行顯示的一種傳感器。不同物體，回波信號(hào)的振幅、位相不同，故接收處理后，可測(cè)出目標(biāo)地物的方向、距離等數(shù)據(jù)。l根據(jù)“多普勒效應(yīng)”雷達(dá)還可以用來(lái)測(cè)定運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)物體。目標(biāo)反射回波由于受到運(yùn)動(dòng)的影響，頻率會(huì)發(fā)生改變，該頻率變化與目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)的速度成正比。l地物對(duì)微波的反射能力取決于本身的性質(zhì)和形狀。金屬和各種良導(dǎo)體的反射能力強(qiáng)。這是由于導(dǎo)體中具有自由電子，微波可迫使這些自由電子做強(qiáng)烈的振動(dòng)，使導(dǎo)電物體表面產(chǎn)生與探測(cè)波同頻率的交流電波，從而

17、使地物獲得了向周?chē)臻g再輻射的能力。因此，微波在大氣中很少散射而能很好地透過(guò)。 l由于微波具有極化特性，在垂直方向和水平方向的反射強(qiáng)度是不同的。微波反射還與地物的形狀、大小有很大關(guān)系。所發(fā)射的波長(zhǎng)越短，反射能力越強(qiáng)。發(fā)射波長(zhǎng)大于物體的長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生繞射。表面光滑的地物產(chǎn)生鏡面反射，表面粗糙的則產(chǎn)生漫反射。微波反射的這些特性，是利用雷達(dá)成像和判別不同地物的基礎(chǔ)。側(cè)視雷達(dá)（Side Looking Radar） 其天線不是安裝在遙感平臺(tái)的正下方，而是與遙感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向形成角度，朝向一側(cè)或兩側(cè)傾斜安裝，向側(cè)下方發(fā)射微波，接收回波信號(hào)。波束向側(cè)下方發(fā)射可使不同地形顯示出更大的差別，使雷達(dá)圖像更具有立

18、體感。 機(jī)載側(cè)視雷達(dá)的工作原理l側(cè)視雷達(dá)的分辨力可分為距離分辨力和方位分辨力。距離分辨力cos2cPgA、B距離及C、D距離均為20米為脈沖寬度C為波速俯角越大，距離分辨力低。方位分辨力Pa ： 雷達(dá)發(fā)射的微波向四面八方輻射，呈花瓣?duì)睿Q(chēng)波瓣，但以一個(gè)方向?yàn)橹鳎Q(chēng)為主瓣，其他方向輻射能小，形成副瓣，其中角稱(chēng)波瓣角。要使雷達(dá)的方向性精確，就要盡量增大主瓣功率和減少波瓣角。波瓣角與雷達(dá)發(fā)射的微波波長(zhǎng)成正比與雷達(dá)的天線孔徑D成反比：=/DPa=(/D)R R為距目標(biāo)地物的距離。 可見(jiàn)，發(fā)射波長(zhǎng)越短、天線孔徑越大、距離目標(biāo)地物越近，則方位分辨力越高 這種以實(shí)際孔徑天線進(jìn)行工作的側(cè)視雷達(dá)，稱(chēng)真實(shí)孔徑側(cè)視

19、雷達(dá)。要提高這種雷達(dá)的方位分辨力，只有加大天線孔徑、縮短探測(cè)距離和工作波長(zhǎng)。但實(shí)現(xiàn)這些要求在技術(shù)上有一定困難。例如，波長(zhǎng)為3cm的雷達(dá)，其天線孔徑 4 m，在200 km高的衛(wèi)星軌道上對(duì)地面進(jìn)行探測(cè)，方位分辨力為 1.5 km。若要求方位分辨力達(dá)到3 m，以便分辨出公路上的汽車(chē)，天線孔徑就要求2000m。這樣長(zhǎng)的天線，無(wú)論對(duì)機(jī)載和星載都是不可能采用的。 要解決上述問(wèn)題，有兩個(gè)途徑：一是采用脈沖壓縮技術(shù)，以縮短發(fā)射波長(zhǎng)；二是用合成孔徑天線代替真實(shí)孔徑天線以縮短天線孔徑 。合成孔徑側(cè)視雷達(dá)：合成孔徑側(cè)視雷達(dá)：利用遙感平臺(tái)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，將一個(gè)小孔徑的天線安裝在平臺(tái)的側(cè)方，以代替大孔徑的天線，提高方位分

20、辨力的雷達(dá)。 要用小孔徑雷達(dá)天線代替大孔徑雷達(dá)天線，通常采用若干小孔徑天線組成陣列，即把一系列彼此相連、性能相同的天線，等距離地布設(shè)在一條直線上，利用它們接收窄脈沖信號(hào)，以獲得較高的方位分辨力。天線陣列的基線愈長(zhǎng)，方向性愈好。 遙感平臺(tái)在勻速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)中，以一定的時(shí)間間隔發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)，天線在不同位置上接收回波信號(hào)，并記錄和貯存下來(lái)。將這些在不同位置上接收的信號(hào)合成處理，得到與真實(shí)天線接收同一目標(biāo)回波信號(hào)相同的結(jié)果。這樣，就使一個(gè)小孔徑天線，起到了大孔徑天線的同樣作用。l被動(dòng)微波遙感 通過(guò)傳感器，接收來(lái)自目標(biāo)地物發(fā)射的微波，而達(dá)到探測(cè)目的的遙感方式，稱(chēng)被動(dòng)微波遙感。被動(dòng)接收目標(biāo)地物微波輻射的傳感器為微波輻射計(jì)。被動(dòng)探測(cè)目標(biāo)地物微波散射特性的傳感器為微波散射計(jì)。這兩種傳感器均不成像。 目標(biāo)地物傳感器遙感圖像遙感圖像處理目標(biāo)地物的大小、形狀及空間分布目標(biāo)地物的屬性特點(diǎn)目標(biāo)地物的變化動(dòng)態(tài)特點(diǎn)幾何特征物理特征時(shí)間特征空間分辨率光譜分辨率輻射分辨率時(shí)間分辨率l圖像的空間分辨率指像素所代表的地面范圍的大小，即掃描儀的瞬時(shí)視場(chǎng)，或地面物體能分辨的最小單元。 l是指?jìng)鞲衅髟诮邮漳繕?biāo)輻射的波譜時(shí)能分辨的最小波長(zhǎng)間