第三章遥感成像原理与遥感图像特征.

第三章遥感成像原理与遥感图像特征讲授教师：张彦丽内容提要•遥感平台•摄影成像•扫描成像•微波遥感与成像•遥感图像的特征§1遥感平台根据运载工具高度分为：地面遥感平台，高度在100米以下；航空平台，高度在100米以上，100km以下；航天平台：高度在240km以上的航天飞机和卫星等根据服务内容航天遥感分为：气象卫星系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列。附录：1开普勒行星运动三定律人造地球卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动三定律。（1）卫星轨道为一椭圆，地球（地心）在椭圆的一个焦点上。其长轴的两个端点是卫星离地球最近和最远的点，分别叫做远地点和近地点。（2）人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行时，其运行速度是变化的，在远地点时最低，在近地点时最高。速度的变化服从面积守恒规律，即卫星的向径（卫星至地球的连线）在相同的时间内扫过的面积相等。（3）人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行，其运行周期取决于轨道的半长轴（与半长轴的二分之三次方成正比）。不管轨道形状如何，只要半长轴相同，它们就有相同的运行周期。附录：2轨道倾角倾角i决定了轨道面与赤道面，或与地轴之间的关系。􀂙i=0时轨道面与赤道面重合。i=90°时轨道面与地轴重合。i≈90°时轨道面接近地轴，这时的轨道称近极地轨道。轨道近极地有利于增大卫星对地球的观测范围。附录：3卫星轨道及其运行特点1.近圆形轨道不同地区获取的图像比例尺一致。解决了固定扫描频率对地面扫描成像时，扫描行之间衔接问题。2.近极地轨道有利于增大卫星对地面总的观测范围。3.与太阳同步轨道指的就是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向。使得卫星每天在固定的时间（地方时）经过每个地点的上空，使资料获得时具有相同的照明条件。如，landsat5，在张掖市获取数据时间为上午11:30左右。附录：3卫星轨道及其运行特点4、地球同步轨道：卫星在顺行轨道（轨道倾角小于90度）上绕地球运行时，其运行周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同。这种卫星轨道叫地球同步轨道。24小时5、地球静止卫星轨道：如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看去它好像是静止的，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。附录：3卫星轨道及其运行特点在地球静止卫星轨道运行的卫星的覆盖范围很广，利用均布在地球赤道上的3颗这样的卫星就可以实现除南北极很小一部分地区外的全球通信。§1遥感平台一、气象卫星系列二、陆地卫星系列三、海洋卫星系列§２摄影成像一、摄影机二、摄影像片的几何特征三、摄影胶片的物理特性遥感影像免费下载网站地址：=MAINSRCH&JS=1§２摄影成像遥感传感器是获取遥感数据的关键设备（1）摄影类型的传感器；（2）扫描成像类型的传感器；（3）雷达成像类型的传感器；（4）非图像类型的传感器。§２摄影成像－摄影机1、分幅式摄影机一次曝光得到目标物的一幅像片。常角（50-70），宽角（70-105），特宽角（105-135）焦距：相机的镜头是一组透镜，当平行光线穿过透镜时，会聚到一个点上，这个点叫做焦点。焦点到透镜中心的距离，就称为焦距。短焦距（100mm），中焦距（100~200mm），长焦距（200mm）。航空在150左右，航天大于300。分辨力：70~100线对/MM像幅大小：230mm*230mm,180*180等。摄影机外壳材料：不同波段选用不同材料镜头：根据所摄取的波段选择。§２摄影成像－摄影机2、全景摄影机-扫描摄影机缝隙式（或航带摄影机）和镜头转动式摄影机。不是一幅一幅地曝光，而是连续曝光，不需快门。为了得到清晰的影像必须满足：缺点？Hf§２摄影成像－摄影机３、多光谱摄影机（目的和意义？）同一地区，同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机。（1）多相机(如何获取某个波段的影像？)（2）多镜头型多物镜+相应滤光片+不同光谱感光特性的胶片（3）单镜头分光束分光装置+相应滤光片+不同光谱感光特性的胶片利用相应不同波段的多感光层胶片得到一合成的多光谱影像，如彩色摄影和红外彩色摄影。4、数码摄影机怎样实现？（两个关键点）§２摄影成像－摄影像片的几何特征主光轴：通过物镜中心并与主平面（或焦平面)垂直的直线称为主光轴。像主点：主光轴与感光片的交点称为像主点。主光轴与铅垂线的夹角a。两种摄影方式：１、垂直摄影２、倾斜摄影SabBASoOOo垂直摄影倾斜摄影3、垂直摄影像片的几何特征（1）像片的投影（分两类？）中心投影定义：凡空间任意点A（物点）与一固定点S（投影中心）连成的直线或延长线（即中心光线）被一个平面（像平面）所截，则此直线与平面的交点a（像点）称为A点的中心投影。航摄像片为中心投影，地形图为正射投影SBbAaCc中心投影AaBbCc正射投影从投影上而言，航空像片（正片）的位置，等于以投影中心为圆心，以焦距f为半径，将P旋转至P’（下图），P’即为正像的位置。（1）中心投影与垂直投影的区别第一，投影距离与焦距f的影响：垂直投影图像的缩小和放大与投影距离无关，无f的概念，并有统一的比例尺。第二，投影面倾斜的影响：第三，地形起伏的影响：投影距离的影响中心投影：投影距离不同或焦距不同则像片的比例尺也不同。垂直投影：投影距离不同与像片比例尺无关。（不存在焦距）投影倾斜面的影响中心投影：投影面的倾斜造成各点的相对位置和形状的变化。垂直投影：仅表现为比例尺有所放大。地形起伏的影响中心投影：地形起伏造成像点位移。垂直投影：不存在像点位移。（2）中心投影的透视规律在中心投影的像片上，各种物体的形状不同及其所处的位置不同，其变形的情况也各不相同。点--------点线--------若与像片平行的直线，仍为直线，且与地面目标的形状基本一致；若直线垂直于地面，其中心投影有两种情况。曲线--------曲线面---------线的组合。水平面、垂直面及其他。（2）像片的比例尺(一）定义：像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比。HfM1式中：f为焦距，H为飞行器相对航高。（二）不知航高的情况下，像片比例尺的求得航高未知时•第一，已知某一地面目标的大小，可以通过量测其在像片上的影像而算出该像片的比例尺。•第二，若具有摄影地区的地形图，先在像片上和地形图上找到两个地物的对应点，然后分别在像片上和地形图上量得其长度。•已知某河流的宽度为20M，在像片上量得的宽度为0.5cm，则该像片的比例尺为：计算比例尺实例1•已知的地形图比例尺为1：50000，在地形图上量得AB两点的长度为3.5cm，像片上量得相应ab两点的长度为7cm，则像片的比例尺为：计算比例尺实例21.与焦距和航高的关系：航空像片的比例尺与物镜焦距成正比，与相对航空成反比。若焦距固定不变，相对航高越高，比例尺就越小。2.受地形因素的影响（1）平坦地区：摄像时像片处于水平位置，则像片的比例尺可以近似看成处处一致。例如：f=70mm,H=3500mm,则像片比例尺为1：50000一般在航空摄影时，焦距是固定的，比例尺主要随着航高而变化。（三）影响航空像片比例尺的因素（2）地形复杂地区由于地形起伏使得每一地物点的航高不同，实际比例尺与不一样。举例说明：在用RC-5拍摄的像片,已知航高2600m，焦距210mm,红松K36号样地的海拔高为500m，红松K40号样地海拔高为290m，则K36的比例尺分母为：1000021050026003603636KKKKKfhHfHm1100210290260040040KKKfhHm（3）像点位移（1）、定义当像片倾斜、地面起伏时，地面点在航摄像片上构像相对于理想情况下的构像所产生的位置差异称像点位移地形起伏引起的像点位移spacbABCB0BbAA0sEpb0aa0像片倾斜引起的像点位移投影差：由于地面起伏变化，投影在像片上的像点产生的直线移位。其与地形起伏和像片倾斜都有关系。（2）、地形起伏引起的像点位移航空光学影像ADS40数字航空影像正射影像图三峡正射影象图：三条航带、175张航空影像根据相似三角形原理，可得投影差的公式：Hhrh其中：r为像点a到像主点的距离；H为摄影航高；h为地面离差；投影差分布规律（1）对相对高差相等的点，h也相等；r=0时，h=0；像主点无像点移动；（2）h与h成正比，h0，像点背离像主点方向移位，h0；h0，像点朝向像主点方向移位，h0。（3）h与航高H成反比。Hhrh感光材料是胶片(…)和印像纸的通称。由感光乳剂层和片基组成。黑白片有单层感光乳剂，彩色片有三层感光乳剂。感光材料的性能指标：（1）感光度：感光的快慢程度。（2）反差(…)：最大光学密度与最小光学密度之差。（3）分辨率：对景物细微部分的表现能力，用线对数(mm)表示。航摄选用感光度高、反差适中、有较高分辨率的感光材料。感光材料的乳剂层上使影像表达出所摄物体各部分在光量方面差别的能力，称为乳剂的反差，即黑白差。感光材料特性曲线的直线段斜率为反差系数。遥感中常用的胶片是全色片、天然彩色片、彩色红外片等。它们的感光范围各不相同。感光特性曲线§２摄影成像－摄影胶片的物理特性思考：绿色植被在彩红外像片中呈什么颜色？由地物反射的光线进入摄影机镜头，使彩色红外感光底片产生光化学反应，由该底片印出的像片称为彩红外像片。彩色红外感光片没有感蓝层和黄滤色层，有感绿、感红和感红外层。因此不受大气散射蓝光的影响，像片清晰度很高，适合城市航空摄影。在彩红外航片上(…)：植被在彩红外像片上表现为不同程度的品红到红色。因为近红外段的光谱反射率远远高于它在可见光波段的光谱反射率。水在彩红外像片上表现为蓝到青色(清水呈蓝色，浊水呈青色)。城市呈现内部有纵横纹理的青色。公园、绿化带呈品红到红色。湿地呈青色。干旱裸地和沙漠都呈黄色。雪和云都呈白色。Tobecontinued…彩色红外像片黑白像片上某一部分的黑白深浅的程度称为色调，它能反映物体反射率的大小。影响航空像片色调的因素：地物表面亮度（取决于摄影时的照度和地物自身的亮度系数）；感光材料（摄影时应选取感光度高、反差系数适中、分辨率较高的感光片）；摄影技术（包括曝光量的选择、感光片的冲洗以及印像、放大技术）。黑白像片的色调是衡量胶片分辨地物细部能力的一种指标。用单位距离内能分辨的线宽与间隔相等的平行细线的数目来表示。主要取决于航摄相机的镜头分辨率和感光乳剂的分辨率。但景物的反差、大气的光学条件、飞机的震动也影响航片的分辨率。航空像片的分辨率§３扫描成像１、光机扫描成像２、固体自扫描成像３、高光谱成像光谱扫描§３扫描成像§３扫描成像§３扫描成像•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:•一是对物面扫描的成像仪，它的特点是对地面直接扫描成像，这类仪器如红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪、自旋和步进式成像仪及多频段频谱仪等；•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推扫式成像仪，电视摄像机等。§３扫描成像-红外扫描仪1.具体结构元件：一个旋转扫描镜，一个反射镜系统，一个探测器，一个制冷设备，一个电子处理装置和一个输出装置。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，由幅的一边到另一边依次进入传感器，经探测器输出视频信号，再经电子放大器放大和调制，在阴极射线管上显示出一条相应于地面扫描视场内的景物的图像线，这条图像线经曝光后在底片上记录下来。接着第二个扫描镜面扫视地面，由于飞机向前运动，胶片也作同步旋转，记录的第二条图像正好与第一条衔接。依次下去，就得到一条与地面范围相应的二维条带图像。§３扫描成像-红外扫描仪由于地面分辨力随扫描角发生变化，而使红外扫描影像产生畸变，这种畸变通常