第四章 傳感器成像原理及其圖像特征

第四章傳感器及其成像原理傳感器是收集、探測、記錄地物電磁波輻射信息的工具。它的性能決定遙感的能力，即傳感器對電磁波段的響應(yīng)能力、傳感器的空間分辨率及圖像的幾何特征、傳感器獲取地物信息量的大小和可靠程度。第一節(jié)遙感傳感器

傳感器分類傳感器的組成傳感器的性能指標(biāo)傳感器的分類根據(jù)分類的方法不同，傳感器大致有如下幾種類型：（1）按傳感器工作的波段:---可見光傳感器

---紅外傳感器

---微波傳感器（2）按工作方式：---主動傳感器

---被動傳感器被動式傳感器接收目標(biāo)自身的熱輻射或反射太陽輻射；

主動式傳感器向目標(biāo)發(fā)射強(qiáng)大的電磁波并接收目標(biāo)反射的回波，主要指各種形式的雷達(dá)。傳感器分類（3）按照數(shù)據(jù)記錄方式:

---成像方式傳感器---非成像方式傳感器:記錄地物的一些物理參數(shù)。傳感器的分類成像傳感器是目前最常見的傳感器類型，其分類如下圖：框幅攝影機(jī)全景攝影機(jī)多光譜攝影機(jī)成像傳感器被動式主動式光學(xué)攝影類型光電成像類型成像光譜儀側(cè)視雷達(dá)全景雷達(dá)TV攝影機(jī)掃描儀電荷耦合器件CCD面陣成像光譜儀線陣成像光譜儀真實(shí)孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)

收集器：負(fù)責(zé)收集地面目標(biāo)輻射的電磁波能量。具體元件形式多種多樣，如透鏡組、反射鏡組、天線等。探測器：主要功能是將收集到的電磁輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能或電能。具體的元件主要有感光膠片、光電管、光敏和熱敏探測元件、共振腔諧振器等。處理器：對轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行各種處理，如顯影、定影、信號放大、變換、校正和編碼等。具體的處理器類型有攝影處理裝置和電子處理裝置。輸出器：輸出信息的裝置。輸出器類型主要有掃描曬像儀、陰極射線管、電視顯象管、磁帶記錄儀等。傳感器的組成傳感器性能空間分辨率指遙感圖像上能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元的尺寸或大小，是用來表征影像分辨地面目標(biāo)細(xì)節(jié)能力的指標(biāo)。

掃描成像----像元：掃描儀瞬時視場所對應(yīng)的地面實(shí)際大小

。

攝影成像----攝影比例尺（或線對）：攝影比例尺1/m=f/HRg=Rs*f/H

傳感器性能

波譜分辨率又稱光譜分辨率是指傳感器在接收目標(biāo)輻射的波譜時能分辨的最小波長間隔。波長間隔愈小，分辨率愈高。即在等長的波段寬度下，傳感器的波段數(shù)越多，各個波段寬度越窄，地面物體的信息越容易區(qū)分和識別，識別性越強(qiáng)。傳感器性能輻射分辨率

傳感器接受波譜信號時，能分辨的最小輻射度差，即遙感圖象上每一個像元的輻射量化級。攝影成像：灰度連續(xù)掃描成像：灰度離散，分級記錄，2n級?；叶燃墑e越多，輻射分辨率就越高。遙感影像特征：空間分辨率

波譜分辨率輻射分辨率

時間分辨率時間分辨率指對同一地點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測的最小時間間隔，即重訪周期。時間分辨率能提供地物動態(tài)變化的信息，可用來對地物的變化進(jìn)行監(jiān)測，也可以為某些專題要素的精確分類提供附加信息。時間分辨率的類型：①超短（短）周期時間分辨率，可以觀測到一天之內(nèi)的變化，以小時為單位。②中周期時間分辨率，可以觀測到一年內(nèi)的變化，以天為單位。③長周期時間分辨率，一般以年為單位的變化第二節(jié)攝影成像原理一、攝影類型的傳感器二、攝影像片的幾何特征三、攝影膠片的物理特性組成：收集器、物鏡和探測器、感光膠片、暗盒、快門、光欄、機(jī)械傳動裝置等?？蚍綌z影機(jī)

成像原理：在某一攝影瞬間獲得一張完整的像片，這張像片上所有像點(diǎn)共用一個攝影中心和同一個像片面?！址Q為掃描攝影機(jī)。鏡頭轉(zhuǎn)動式：成像原理：在物鏡焦平面上平行于飛行方向設(shè)置一狹縫，并隨物鏡做垂直航線方向掃描，得到一幅掃描成的影像圖，所以稱為掃描像機(jī)。它能將航線兩邊的地平線內(nèi)的影像都攝入底片，又稱為全景攝影機(jī)。全景攝影機(jī)——又稱為航帶攝影機(jī)。成像原理：在飛機(jī)或衛(wèi)星上，攝影瞬間所獲取的影像，是與航向垂直，且與縫隙對應(yīng)的一條地面影像。當(dāng)飛機(jī)或衛(wèi)星向前飛行時，攝影機(jī)連續(xù)曝光，攝影機(jī)內(nèi)的膠片也不斷地進(jìn)行繞卷，且其速度與地面在縫隙中的影像移動速度相同，就能得到連續(xù)的條帶狀的航帶攝影負(fù)片?？p隙式攝影機(jī)

對同一地區(qū)，在同一瞬間攝取多個波段影像的攝影機(jī)稱為多光譜攝影機(jī)。分為多鏡頭型多光譜攝影機(jī)、多攝影機(jī)型和光束分離型多光譜攝影機(jī)。（1）多攝影機(jī)型多光譜攝影機(jī)

（2）多鏡頭型多光譜攝影機(jī)多光譜攝影機(jī)（3）光束分離型多光譜攝影機(jī)多架普通的航空攝影機(jī)；不同的濾光片和膠片；同時曝光。普通航空攝影機(jī)；配置多個鏡頭；鏡頭選配相應(yīng)的濾光片與膠片。單鏡頭多光譜攝影；光束經(jīng)分光裝置分成幾個光束，然后分別在相應(yīng)的感光膠片上成像。二、攝影像片的幾何特征主光軸：通過物鏡中心并與主平面（焦平面）垂直的直線；主光軸垂直于像片面像主點(diǎn)：主光軸與感光片的交點(diǎn)像片傾角（航攝傾角）：像片面與水平面的夾角

主光軸與鉛垂線的夾角

垂直攝影：

航攝傾角≤3°

獲得近水平的航空像片是航空遙感圖象的主要獲取方法傾斜攝影：

航攝傾角>3°

獲得傾斜航空像片一般用于科學(xué)研究按攝影機(jī)主光軸與鉛垂線的關(guān)系分：垂直攝影和傾斜攝影垂直攝影像片的幾何特征（一）像片投影用一組假想的直線將物體向幾何面投射稱為投影。其投射的直線稱為投射線。中心投影：投射線會聚于一點(diǎn)的投影方式。

正射投影：投射線都垂直于投射平面。正射投影中心投影—大比例尺地形圖——中心投影中心投影與正射投影的區(qū)別1）投影距離的影響正射投影比例尺和投影距離無關(guān)中心投影焦距固定，航高改變，其比例尺也隨之改變H1H2f正射投影中心投影中心投影與正射投影的區(qū)別

2）投影面傾斜的影響傾斜水平ABCabc比例尺f/HHf傾斜各點(diǎn)相對位置與形狀保持不變各點(diǎn)相對位置與形狀發(fā)生變化地形起伏對正射投影無影響對中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同BACabcA’C’ABCabcC’A’中心投影與正射投影的區(qū)別

3）地形起伏的影響（二）像片的比例尺——像片上兩點(diǎn)之間的距離（ab）與地面相應(yīng)兩點(diǎn)之間的距離（AB）之比。

1/m=f/H=ab/ABf：物鏡的焦距H：飛行器的相對航高航高、地形起伏會影響比例尺中心投影像片比例尺在中心和邊緣是不同的。（三）像點(diǎn)位移

根據(jù)中心投影的原理，略有起伏狀態(tài)的地形，或高出平面的物體，反映到航空像片上的像點(diǎn)與其平面位置相比，一般都會產(chǎn)生位置的移動，叫像點(diǎn)位移。A點(diǎn)高程為h，其在像片上的構(gòu)像為a；A在基準(zhǔn)面上的投影為A0，A0在像片上的構(gòu)像為a0；aa0為由地形引起的像點(diǎn)位移，也稱像片上的投影差h；h地面上的投影差。根據(jù)三角形相似原理，可得像點(diǎn)位移的計(jì)算公式：h=r*h/Hr:像點(diǎn)a到像主點(diǎn)的距離;H為攝影航高;h為地面高差。像點(diǎn)位移規(guī)律位移量與像主點(diǎn)的距離r成正比。r=0時,h=0,像主點(diǎn)無移位。h與h成正比,h>0,像點(diǎn)背離像主點(diǎn)方向移位；

h<0,像點(diǎn)朝向像主點(diǎn)方向移位(3)h與航高H成反比。第三節(jié)掃描成像原理

利用掃描鏡和探測元件對目標(biāo)物體以瞬時視場為單位進(jìn)行的逐點(diǎn)、逐行取樣，以得到目標(biāo)地物電磁輻射特征信息，形成一定譜段的圖像。其探測波段可包括紫外,紅外,可見光和微波波段。掃描成像類型的傳感器主要有：光機(jī)掃描儀、CCD固體自掃描儀和成像光譜儀等。掃描成像類型的傳感器工作原理：

差別：

光學(xué)攝影類型的傳感器是將收集到的地物反射光在感光膠片上直接曝光成像，而光電成像類型的傳感器是將收集到的電磁波能量通過儀器內(nèi)的光敏或熱敏元件轉(zhuǎn)變成電能后再記錄下來。優(yōu)點(diǎn)：

擴(kuò)大了探測的波段范圍；

便于數(shù)據(jù)的存儲與傳輸掃描成像類型的傳感器與光學(xué)攝影類型的傳感器的比較：光機(jī)掃描儀

光機(jī)掃描儀是借助遙感平臺沿飛行方向運(yùn)動與遙感器自身的光機(jī)對目標(biāo)地物逐點(diǎn)、逐行橫向掃描，達(dá)到地面覆蓋，得到地面條帶圖像的成像裝置。

掃描成像類型的傳感器多光譜掃描儀

多光譜掃描儀是在紅外掃描儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其探測波長包括電磁波的紫外、可見光和紅外三個部分。多光譜掃描儀主要由兩個部分組成：機(jī)械掃描裝置和分光裝置。它是由掃描鏡收集地面的電磁輻射，系統(tǒng)把收集到的電磁輻射匯聚成光束，然后通過分光裝置分成不同波長的電磁波，它們分別被一組不同探測器所探測器，經(jīng)過信號放大，然后記錄在磁帶上，或通過電光轉(zhuǎn)換后記錄在膠片上。光機(jī)掃描成像類型的傳感器收集聚焦分光探測記錄MSS數(shù)據(jù)獲取原理圖空間分辨率瞬時視場角MSS工作原理

MSS的成像板上有24+2個探測元，按波段排列成四列，每列由六個探測元，每個探測元的地面觀察面積為79m×79m。另外兩個探測元為熱紅外通道，分辨力為240m×240m。掃描儀成像時，每個波段由六個相同大小的探測元與飛行方向平行排列，這樣在瞬間看到的地面大小為6×79m×79m，又由于掃描總視場為11.56度，地面寬度為185km，因此掃描一次每個波段獲取六條掃描圖像，其地面范圍為474m×185km。又因衛(wèi)星速度為6.5km/s，在掃描一次的時間里衛(wèi)星正好往前移動474m，因此掃描現(xiàn)恰好銜接。遙感器波段波長范圍/umMSS40.5~0.650.6~0.760.7~0.870.8~1.10.5~0.6um0.6~07um0.7~08um0.8~1.1um10.4~12.6um掃描方向衛(wèi)星前進(jìn)方向CCD傳感器CCD傳感器用一種稱為電荷耦合器件CCD（changecoupleddevice）的探測器制成的傳感器。這種傳感器受光或電激作用產(chǎn)生的電荷，在外力作用下在固體內(nèi)移動，以產(chǎn)生輸出信號。將若干個CCD元器件排成一行，稱為CCD線陣列傳感器。法國SPOT衛(wèi)星上裝載的HRV（HighResolutionVisiblerangeinstrument）是一種CCD線陣列傳感器，又稱為線陣列推掃式掃描儀。固體自掃描儀推帚式掃描儀工作原理圖CCD傳感器—HRV1）HRV的多光譜段的每個波段的線陣列探測器組，由3000個CCD元件組成。每個元件形成的像元，相對地面上為20m×20m。因此一行CCD探測器形成的圖像線，相對地面上為20m×6000km。2）HRV的全色波段的線陣列探測器組由6000個CCD元件組成一行。地面上總的市場寬度仍為60km，因此每個像元地面大小為10m×10m。

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

全波段10mHRV數(shù)據(jù)采集原理HRV是推帚式掃描儀。探測元件為4根平行的CCD線列，每根探測一個波段，每線含3000（HRV1～3）或6000（PAN波段）個CCD元件。為了在26天內(nèi)達(dá)到全球覆蓋一遍，SPOT衛(wèi)星上平排安裝兩臺HRV儀器。每臺儀器視場寬都為60km，兩者之間有3km的重疊，因此總的視場寬度為117km。成像光譜儀—高光譜掃描儀

成像光譜儀的兩種類型（結(jié)構(gòu)不同）：一種是面陣探測器加推掃式掃描儀的成像光譜儀：它利用線陣列探測器進(jìn)行掃描，利用色散元件和面陣探測器完成光譜掃描，利用線陣列探測器及其沿軌道方向的運(yùn)動完成空間掃描。另一種是用線陣列探測器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀：它利用點(diǎn)探測器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測器的不同元件上，通過點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動以及沿軌道方向的運(yùn)動完成空間掃描，而利用線探測器完成光譜掃描。

特點(diǎn)：高光譜成像儀是遙感進(jìn)展的新技術(shù)，其圖像是多達(dá)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。光譜儀成像時多采用掃描式和推帚式，可以收集200或200以上波段的收據(jù)數(shù)據(jù)。使圖象中的每一像元均得到連續(xù)的反射率曲線，而不像其他一般傳統(tǒng)的成像譜光儀在波段之間存在間隔。第四節(jié)微波遙感與成像

微波遙感是指通過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)處理來識別地物的技術(shù)。微波遙感常用的波段波段名稱波長(mm)頻率（MHZ）Ka7.5~1140000~26500K11~16.726500~18000Ku16.7~2418000~12500X24~37.512500~8000C37.5~758000~4000S75~1504000~2000L150~3002000~1000P3000~10001000~300微波遙感的特點(diǎn)1、能全天候、全天時工作2、對某些物體具有特殊的波譜特征3、對冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力4、對海洋遙感具有特殊意義5、分辨率較低，但特性明顯微波成像儀微波遙感的分類

微波遙感根據(jù)其工作方式分為主動式微波遙感（有源）和被動式微波遙感（無源）。主動式遙感是指通過向目標(biāo)地物發(fā)射微波并接收其后向散射信號來實(shí)現(xiàn)對地觀測遙感方式，主要傳感器是雷達(dá)。被動微波遙感是指通過傳感器接收來自目標(biāo)地物發(fā)射的微波，而達(dá)到探測目的的遙感方式。微波傳感器