遙感概論第四章課件

第四章遙感傳感器傳感器概述攝影機掃描儀第一節(jié)傳感器概述概念組成分類一、概念：傳感器(sensor)：記錄地物反射或發(fā)射電磁波能量的裝置，是遙感技術系統(tǒng)的核心部分。二、組成：收集系統(tǒng)探測系統(tǒng)信號轉化系統(tǒng)輸出系統(tǒng)攝影機透鏡感光膠片放大器膠片掃描儀反射鏡光電管電光轉換器磁帶雷達天線微波檢測器多波段分光鏡棱鏡光柵濾光片第二節(jié)攝影成像種類工作原理特點攝影機的技術參數(shù)感光膠片、濾光片一、種類傳統(tǒng)攝影：依靠光學鏡頭及放置在焦平面的感光膠片來記錄物體影像。分幅式攝影機全景攝影機多鏡頭型多光譜攝影機多相機型光束分離型數(shù)字攝影：通過放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉換，以數(shù)字信號來記錄物體的影像。探測波段的不同：近紫外攝影、可見光攝影、紅外攝影、多光譜攝影二、各類攝影機工作原理：１分幅式攝影機：一次曝光得到目標物一幅像片

———遙感探測和制圖多采用按鏡頭分：常角（50o-70o）寬角（70o-105o）特寬（105o-135o）按焦距分：短焦距<100mm

中焦距100-200mm

長焦距>200mm

按像幅分230mm×230mm180mm×180mm60mm×60mm230mm×460mm

外殼：可見光——不透光材料：金屬、人造革、塑料等紅外——只能用金屬材料鏡頭：書P55單鏡頭分幅式攝影機構造示意圖２全景攝影機（掃描攝影機）

——主要用于軍事偵察分縫隙式攝影機（航帶攝影機）——橫向狹帶影像鏡頭轉動式攝影機轉動鏡頭的物鏡棱鏡鏡頭轉動焦距：較長（超過600mm)

膠片：長23cm（航向）寬128cm（橫向）３多光譜攝影機（多波段攝影機）采用不同的濾光片與膠片組合，同時對一個地區(qū)進行攝影，可獲得同一地區(qū)不同波段的相片。這種相片稱多光譜相片。分多相機組合型多鏡頭組合型光束分離型４數(shù)碼攝影機——記錄介質是光敏電子器件如CCD縫隙式攝影機多光譜攝影成像示意圖數(shù)碼攝影機成像原理與一般攝影機同，結構也類似。所不同的是其記錄介質不是感光膠片，而是光敏電子器件，如CCD（電荷耦合器件ChargeCoupledDevice的縮寫）攝影像片的幾何特征攝影機從飛行器上對地攝影時，根據(jù)攝影機主光軸與地面的關系，可分為：①垂直攝影②傾斜攝影1、垂直攝影攝影機主光軸垂直于地面或偏離垂線在3o以內。取得的像片稱水平像片或垂直像片。航空攝影測量和制圖大都是這類像片。垂直攝影傾斜攝影3、垂直攝影像片的幾何特征（1）像片的投影（2）像片的比例尺（3）像點位移垂直投影和中心投影正像和負像中心投影與垂直投影的區(qū)別第一，投影距離的影響。第二，投影面傾斜的影響。第三，地形起伏的影響。投影距離的影響中心投影：投影距離不同或焦距不同則像片的比例尺也不同。垂直投影：投影距離不同與像片比例尺無關。（不存在焦距）投影傾斜面的影響中心投影：投影面的傾斜造成同一個像片不同部位比例尺的差異。垂直投影：不存在投影面的傾斜。像點位移像點位移量與地面高差h和像點到像主點的距離r成正比關系，與航高H成反比關系。像片的比例尺像片上兩點之間的距離與地面上相應兩點實際距離之比。H為攝影平臺的高度（航高）F為攝影機的焦距通常f在像片的邊緣或相應的影像資料（遙感攝影的報告、設計書）中找到，H由攝影部門提供。航高未知時第一，已知某一地面目標的大小，可以通過量測其在像片上的影像而算出該像片的比例尺。第二，若具有攝影地區(qū)的地形圖，先在像片上和地形圖上找到兩個地物的對應點，然后分別在像片上和地形圖上量得其長度。已知某河流的寬度為20M，在像片上量得的寬度為0.5cm，則該像片的比例尺為：計算比例尺實例1已知的地形圖比例尺為1：50000，在地形圖上量得AB兩點的長度為3.5cm，像片上量得相應ab兩點的長度為7cm，則像片的比例尺為：計算比例尺實例2三、攝影機特點：——是使用歷史最久、較為完善的一種傳感器像片信息量大、分辨率高使用波段窄，0.3-0.9m,只能在白天工作四、攝影機的技術參數(shù)：焦距（f）—決定著物像比例尺物鏡孔徑(d)—相對孔徑，即物鏡孔徑與焦距的比。決定著像面的照度和空間成像景深視場角(2ω)—決定著成像的空間范圍物鏡的地面分辨力—與波長、航高成反比，與物鏡的孔徑成正比五、感光膠片、濾光片：１感光膠片：是傳感器的探測元件，用來記錄地物反射電磁波的性質和強度

攝影膠片的感光物理性質：光學密度：膠片經(jīng)感光顯影后，影像表現(xiàn)出的深淺程度。感光度：指膠片的感光速度。感光度低的膠片，適合強光下拍攝靜物；高的膠片，適合弱光下拍攝或運動物體的拍攝。一般GB21°,適合于一般攝影。反差（△D）：膠片的明亮部分與陰暗部分的密度差。反差系數(shù)（γ）：拍攝后負片影像與景物亮度差之比。灰霧度：未經(jīng)感光的膠片，顯影后仍產(chǎn)生輕微的密度，呈淺灰色，故稱灰霧。寬容度：膠片表達被拍攝物體亮度間距的能力。解像力：也稱感光膠片的分辨力。根據(jù)感光材料對光譜的感受能力，可分為：黑白膠片：用灰度表現(xiàn)分色盲片、正色片、分色片、全色片、紅外黑白片等彩色膠片：用顏色表現(xiàn)分天然彩色片、紅外彩色片色盲片：未加增感劑，只能吸收近紫外、紫光、及藍光。

——反差大，適于翻拍文件、印刷黑白幻燈片等正色片：加增感劑，感光范圍擴大到綠黃光區(qū)0.58m，在0.50-0.52m感光性能降低

——適于制版、復制、林區(qū)黑白航空攝影等分色片：加增感劑，感光范圍擴大到0.6m，在0.50-0.52m感光性能降低不大

——對綠黃光可區(qū)分并較敏感全色片：感光范圍擴大到0.6—0.72m能感受全部可見光在0.50-0.52m感光性能降低紅外黑白片：加紅外增感劑，（乙炔基、甲炔基），感光范圍擴大到近紅外波段（<1.35m)。保存時間短8-30天最佳感光性能在0.76-0.90m.天然彩色片：（真彩色片）還原出自然色彩假彩色片：（彩色紅外片）不能還原出自然色彩在假彩色的正片上，地物色彩與天然色彩不同紅外———紅紅———綠綠———藍向短波方向移動

天然彩色片假彩色片２濾光片一種能改變透過光線光譜成分的透光片。

——用來減少大氣煙霧散射作用產(chǎn)生的影響。紅外攝影時，可阻擋可見光通過多波段攝影時，用它來分光組成：有特殊有色玻璃制成或用玻璃、膠片鍍膜制成種類：黃濾光片：用于全色攝影，某些紅外攝影。吸收藍光，可消除大氣煙霧引起藍光散射的作用，提高影像清晰度．紅濾光片：吸收藍、綠波段，只透過橙、紅、紅外光紅外濾光片：深黑紅色，用于紅外攝影、只在紅外感光彩色攝影用濾光片：可減少紫外、少量藍光及大氣煙霧的影響。第三節(jié)掃描成像概述光/機掃描成像固體自掃描成像高光譜成像光譜掃描方式

一、概述概念與攝影方式的異同種類

１掃描方式傳感器：是依靠探測元件和掃描鏡對地物以瞬時視場為單位進行的逐點、逐行取樣，得到目標地物電磁輻射特性信息，形成一定譜段的圖像。

——即將由光學系統(tǒng)所探測到的地物輻射能量轉換為電信號，這種電信號可用發(fā)射器傳送、顯示、存儲，并可以經(jīng)過處理轉換成影像或磁帶。２與攝影機的異同：相同：都屬于成像方式的傳感器不同：工作波段、成像方式掃描方式的探測波段寬，包括紫外、可見光、紅外和微波波段采用光柵和棱鏡等作為光譜分解元件，以光、電轉換原理掃描成像，不像攝影系統(tǒng)那樣受本身結構和感光膠片響應范圍等限制，而是用磁帶記錄信息，經(jīng)過處理變成圖像３成像方式分三種：紅外掃描儀光學—機械掃描方式多光譜掃描儀專題制圖儀固體自掃描方式高光譜成像光譜掃描方式

二、光機掃描成像（optial-mechanicalscanning)光學機械掃描成像儀是借助于遙感平臺沿航向運動和儀器本身光學機械舷向掃描來獲取地面航向條帶圖像的一種儀器，簡稱光機掃描儀。組成：棱鏡、反射鏡和探測元件探測元件：常溫下，其響應波長8-14m;

高溫下，3-5m。光機掃描圖像的物理特性取決于所采用的探測元件的波段響應。光機掃描圖像的幾何特性取決于它的瞬時視場角和總視場角瞬時視場角（２θ）—空間分辨率總視場角—掃描帶的地面寬度稱總視場。（２ф

）從遙感平臺到掃描帶外側所構成的夾角，叫總視場角。

L=2Htanф(L為掃描帶對應的地面寬度；H為平臺高度）總視場角一般不宜過大，一般取70°-120°

光機掃描儀法單波段與多波段兩種。瞬時視場角與總掃描角（一）紅外掃描儀：１類型：按平臺分為：機載紅外掃描儀、星載紅外掃描儀２用途：取得地物的熱紅外圖像，供地球資源探測與軍事偵察３機載紅外掃描儀：組成：掃描系統(tǒng)、紅外探測器、記錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理成像過程：光

制冷電光

地物紅外輻射地物光學掃描系統(tǒng)探測器氖燈成像光學掃描系統(tǒng)膠卷

同步控制系統(tǒng)原理：由于加在電、光轉換器上的控制信號隨地物紅外輻射能量變化，膠片上的圖像就間接地反映出目標物的熱紅外圖像。二、光/機掃描成像機載紅外掃描儀結構原理圖（二）多光譜掃描儀（MSS)–MultiSpectralScanner

１概念：是把來自目標物的輻射（發(fā)射或反射）分成幾個不同的光譜段，使用探測器同時掃描成像的一種傳感器。２工作過程：與紅外掃描儀基本一樣，只不過增加了一個分光系統(tǒng)，采用組合的探測器，同時記錄多波段的輻射信息。３組成：掃描反射鏡、光學系統(tǒng)、探測器、電子線路和記錄裝置掃描鏡在機械驅動下，隨遙感平臺的前進運動而擺動，依次對地面進行掃描，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的波段分開，再聚焦到感受不同波長的探測元件上。４類型：機載MSS

星載MSS５應用：可利用不同波段的差別來區(qū)分地物MSS工作波段在0.3-15m通道號光譜段顏色波段范圍/m空間分辨率MSS-4綠0.5-0.679mMSS-5紅0.6-0.7MSS-6紅—近紅外0.7-0.8MSS-7近紅外0.8-1.1MSS-8遠紅外10.4-12.6240m多光譜掃描儀的原理與工作過程（三）專題制圖儀：TM—ThematicMapperTM是第二代多光譜段光學——機械掃描儀，是在MSS基礎上改進和發(fā)展而成的一種遙感器。TM采取雙向掃描，提高了掃描效率，縮短了停頓時間，并提高了檢測器的接收靈敏度。不同之處在于：１波段增多了，變窄了，但單色性好，探測地物特性好

２變單向掃描為雙向掃描，使分辨率提高通道號光譜段顏色波段范圍/m空間分辨率TM-1藍綠0.45-0.5230mTM-2綠紅0.52-0.60TM-3紅0.63-0.69TM-4近紅外0.76-0.90TM-5近紅外1.55-1.75TM-6遠紅外10.4-12.6120mTM-7近紅外2.08-2.3530mETM數(shù)據(jù)是第三代推帚式掃描儀，是在TM基礎上改進和發(fā)展而成的一種遙感器?？臻g分辨率為15m。

ETM10.45~0.52μm藍綠波段ETM20.52~0.60μm綠紅波段ETM30.63~0.69μm紅波段ETM40.76~0.90μm近紅外波段ETM51.55~1.75μm近紅外波段ETM610.4~12.5μm熱紅外波段ETM72.08~2.35μm近紅外波段ETM8（PAN）0.52~0.90μm可見光—近紅外三、固體自掃描成像概念：是用固定的探測元件，通過遙感平臺的運動對目標物進行掃描的一種成像方式。探測元件—電荷藕合器件CCD。

CCD：是用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測元件。其優(yōu)點：自掃描、感受波譜范圍寬、畸變小、體積小、重量輕、系統(tǒng)噪聲低、動耗小、壽命長、可靠性高等。成像特點：由于每個CCD探測元件與地面上的像元（瞬時視場）相對應，靠遙感平臺前進運動就可以直接以刷式掃描成像。

——分辨率取決于探測元件數(shù)目多少類型：單波段掃描多波段掃描——分光器件推帚式掃描儀工作原理圖SPOT的HRV波譜段

光譜段

光譜特性

分辨率0.50~0.59μm

綠20m0.61~0.68μm

紅20m0.79~0.89μm

近紅外20m0.51~0.73μm

綠—紅全波段10m四、高光譜成像光譜掃描成像光譜技術：既能成像又能獲取目標光譜曲線的“譜像合一”技術。按該原理制成的掃描儀稱為成像光譜儀。高光譜成像光譜儀：是有多達數(shù)百個波段的非常窄的連續(xù)的光譜波段組成，光譜波段覆蓋了可見光、近紅外、中紅外和熱紅外區(qū)域全部光譜帶。

——圖像中每一像元均得到連續(xù)的反射率曲線，波段之間無間隔。成像方式：掃描式推帚式成像光譜的概念第四節(jié)微波遙感

☆

微波遙感：是通過微波傳感器獲取從目標物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過判讀處理來識別地物的技術。☆微波遙感的特點：

(1)全天候、全天時的信息獲取能力

(2)對某些地物的特殊識別能力,如水和冰(微波波段發(fā)率的差異)(3)對冰、雪、森林、土壤（尤其對干燥、松散物質）有一定的穿透能力

(4)適宜對海面動態(tài)情況(海面風、海浪）進行監(jiān)測

(５)分辨率較低，但特性明顯☆微波遙感方式和傳感器：方式：主動：雷達、微波高度計等被動：微波輻射計等雷達雷達（Radar）意為無線電測距和定位。其工作波段都在微波范圍,少數(shù)也利用其他波段。按照雷達的工作方式可分為：成像雷達真實孔徑側視雷達合成孔徑側視雷達非成像雷達雷達是由發(fā)射機通過天線在很短的時間內，向目標地物發(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地物反射的回波信號而進行顯示的一種傳感器。脈沖式雷達的一般結構轉換開關發(fā)射機顯示器接收機天線☆雷達遙感的信息特征

(1)雷達影像的色調差異主要取決于回波的強弱

(2)一般來說,距離近的物體回波強,距離遠的物體回波較弱

(3)金屬物體往往都有較強的回波

(4)平行于航向的物體回波較強

(5)受地形起伏的影響,雷達波不能到達之處,形成雷達陰影

(6)受天線角度影響,地面鏡面目標無回波

(7)在雷達影像上,線狀地物一般比較清晰

(8)雷達影像的立體感較強側視雷達（SideLookingRadar)側視雷達的天線與遙感平臺的運動方向形成角度，朝向一側或兩側傾斜安裝，向側下發(fā)射微波，接收回波信號。側視雷達工作原理（參考《遙感導論》教材P.75圖3.21)。側視雷達的分辨率可分為：１距離分辨率（垂直于飛行的方向）

Pg=c/2ω

?secф=c?

τ/2cosф(式中：c—波速；ω—頻帶寬度；τ—脈沖寬度；ф—俯角）

——Pg與脈沖寬度有關，=τ/２。與俯角有關，俯角越大，越低。２方位分辨率（平行于飛行的方向）

Pa=(λ/D)R(式中：λ—微波波長；D—雷達的天線孔徑；R—距目標地物的距離）

——發(fā)射波長越短，天線孔徑越大，距離目標地物越近，

Pa越高。機載側視雷達工作原理側視雷達的距離分辨力雷達波束方向圖真實孔徑側視雷達；以實際孔徑天線進行工作的側視雷達。提高其方位分辨力途徑——加大天線孔徑、縮短探測距離和工作波長。實際上，采用脈沖壓縮技術，縮短發(fā)射波長；用合成孔徑代替真實孔徑天線。合成孔徑側視雷達合成孔徑側視雷達是利用遙感平臺的前進運動，將一個小孔徑的天線安裝在平臺的側方，以代替大孔徑的天線，提高方位分辨率的雷達。遙感平臺在勻速前進運動中，以一定的時間間隔發(fā)射一個脈沖信號，天線在不同的位置上接收回波信號，并記錄和儲存下來。

Ps=（λ/Ls)R=λ/(λ/D)R?R=D

式中，Ls為合成天線的孔徑，=Pa。則其方位分辨力Ps與距離無關，只與天線的孔徑D有關?？讖皆叫?，