搜索
第四章遥感成像原理与遥感图像特征本章主要内容遥感图像特征摄影成像扫描成像微波遥感与成像第一节遥感图像的特征一、图像的空间分辨率二、图像的光谱分辨率三、图像的辐射分辨率四、图像的时间分辨率一、遥感图像的空间分辨率空间分辨率的定义空间分辨率的表示方法关与空间分辨率的几个问题定义1：指像元所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。（梅安新，2002）遥感图像的空间分辨率（Spatialresolution）定义2：空间分辨率，又称地面分辨率。空间分辨率是针对遥感器或图像而言的，指图像上以能够详细区分的最小尺寸，或指遥感器区分两个目标的最小角度或线性距离的度量。地面分辨率是针对地面而言，指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小。(赵英时，2003）空间分辨率三种表示方法象元（pixel)大小线对数（linepairs)瞬时视场（IFOV)。1.象元（pixel)大小。指单个象元所对应的地面面积大小。单位：米（m）或（km）遥感图像空间分辨率的三种表示方法2.线对数（linepairs)。对摄影系统而言，影像的最小单元常通过1mm间隔内包括的线对数确定，单位为线对数/mm。线对数指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗条对。3.瞬时视场（IFOV)指遥感器内单个探测元件的受光角度或观测视野，单位为毫弧度（mrad)。扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。即扫描仪的空间分辨率。空间分辨率与地物的识别能力空间分辨率与数据量遥感应用中空间分辨率大小的选择空间分辨率与地图比例尺关于空间分辨率的几个问题遥感应用中空间分辨率大小的选择经验证明，遥感系统空间分辨率的选择，一般应小于被探测目标最小直径的1/2各种遥感目标对空间分辨率的要求如下表：一般来说，空间分辨率越高（数值越小），传感器识别地物的能力越强。梅安新，2001空间分辨率与地图比例尺比例尺是地图学领域专业术语，而空间分辨率则是遥感专业术语大比例尺影像和小比例尺影像通常指的是空间分辨率.大比例尺在遥感上通常指的是其影像上每个象元所代表的地面面积较小比例尺与空间分辨率并不总是一致的，一幅遥感图像只有一个空间分辨率，但其却可以以不同比例尺进行表达。(Simonett1983).提取遥感图像信息制作专题图，必须考虑制图比例尺与遥感图像空间分率的选取。二、图像的光谱分辨率定义1：指传感器在接受目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小，分辨率愈高。（梅安新，2002）定义2：光谱分辨率指遥感器所选用的波段数的多少、各波段的位置、及波长间隔的大小。即选择的通道数、每个通道的中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。（赵英时，2003）光谱分辨率越高，则对地物特征的识别能力越强。高光谱的研究及其传感器的开发是目前遥感的一个重要研究方向。是否光谱多段越多越细越好？波段相关，数据冗余数据传输、处理、存储等问题定义：是指传感器接受波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。在遥感图像上表现为每一象元的辐射量化级。（梅安新，2002；赵英时，2003）或遥感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力。（赵英时，2003）三、辐射分辨率例如:Lansat/MSS–最初6bitLandsat7ETM+-8bit注意以下关系高空间分辨率、高辐射分辨率与高光谱分辨率的关系，上述三者与数据量的关系。四、图像的时间分辨率定义：指对同一地点进行采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。影响因素飞行器的回归周期遥感探测器的设计等时间分辨率类型:按探测周期长短分（1）超短或短周期：气象卫星系列以“小时”为单位探测大气物理现象，突发性灾害监测（地震，火山爆发，森林火灾等），污染监测等（2）中周期：资源环境卫星以“天”为单位探测植物节律，农学参数，作物估产，农林牧等资源调查，旱涝灾害监测，气候学，在气、海洋动力学分析等（3）长周期：以“年”为单位探测湖泊消长、河道迁徙，海岸进退，城市扩展，灾情调查，资源变化等第二节摄影成像一、摄影机分幅式摄影机全景式摄影机多光谱摄影机数码摄影机二、摄影像片的几何特征一、摄影机摄影：是通过成像高备获取物体影像的技术。传统摄影：光学镜头、感光胶片数字摄影：光敏元件1、多幅式摄影机一次曝光得到目标物地一幅像片，2、全景式摄影机又称扫描摄影机，依结构和工作方式可分为：缝隙式摄影机镜头转动式摄影机全景摄影机焦距较长，可达600mm,主要用于军事侦察3、多光谱摄影机可同时直接获取可见光和近红外范围内若干分波段影像4、数码摄影机成像原理与一般摄影机相同，结构也相似。所不同的是其记录介质不是感光胶片，而是光敏电子器件。如CCD（电荷合耦器件ChargeCoupledDevice)二、摄影像片的几何特征像片的投影像片的比例尺像点位移（一）像片的投影１、中心投影和垂直投影航片是中心投影，即摄影光线交于同一点大比例尺地形图是垂直投影，即摄影光线平行且垂直投影面。（一）像片的投影２、中心投影和垂直投影的区别垂直投影:比例尺和投影距离无关中心投影:焦距固定，航高改变，其比例尺也随之改变（一）像片的投影２、中心投影和垂直投影的区别垂直投影:总是水平的，不存在倾斜问题中心投影，若投影面倾斜，航片各部分的比例尺不同２、中心投影和垂直投影的区别垂直投影:总是水平的，不存在倾斜问题中心投影，若投影面倾斜，航片各部分的比例尺不同（一）像片的投影２、中心投影和垂直投影的区别地形起伏对垂直投影无影响对中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同（一）像片的投影２、中心投影的透视规律①点的像仍然是点。②与像面平行的直线的像还是直线；如果直线垂直于地面，有两种情况：第一；当直线与像片垂直并通过投影中心时，该直线在像片上的像为一个点；第二；直线的延长线不通过投影中心，这时直线的投影仍为直线，但该垂直线状目标的长度和变形情况则取决于目标在像片中的位置。③平面上的曲线，在中心投影的像片上一般仍为曲线。航空像片上某一线段长度与地面相应线段长度之比，称为像片比例尺。（1）平均比例尺：以各点的平均高程为起始面，并根据这个起始面计算出来的比例尺。（2）主比例尺：由像主点航高计算出来的比例尺，它可以概略地代表该张航片的比例尺。（二）航空像片比例尺摄影比例尺即航片上某线段l地面相应线段的水平距离L之比，称之为摄影比例尺1/m。平坦地区、摄影时像片处于水平状态（垂直摄影），则像片比例尺等于像机焦距（f）与航高（H）之比。（三）像点位移在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺变化外，还会引起平面上的点位在像片上的位置移动，这种现象称为像点位移。（三）像点位移（1）位移量与地形高差成正比，即高差越大引起的像点位移量也越大。当高差为正时，像点位移为正，是背离像主点方移动；高差为负时，像点位移为负，是朝向像主点方向移动。（2）位移量与像点距离像主点的距离成正比，即距像主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。像主点无位移。（3）位移量与摄影高度（航高）成反比。即摄影高度越大，因地表起伏的位移量越小。第三节扫描成像照相技术的弱点：乳胶片感光技术本身存在着致命的弱点，它所传感的辐射波段仅限于可见光及其附近；其次，照相一次成型，图象存储、传输和处理都不方便。一、光/机扫描成像1.概念：依靠机械传动装置使光学镜头摆动，形成对目标地物逐点逐行扫描。探测元件把接受到的电磁波能量能转换成电信号，在磁介质上记录或再经电/光转换成为光能量，在设置于焦平面的胶片上形成影像①瞬时视场角：扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标物的电磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度称为瞬时视场角。即扫描仪的空间分辨率。②总视场角：扫描带的地面宽度称总视场。从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角。2.工作原理：扫描镜在机械驱动下，随遥感平台的前进运动而摆动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描镜反射，并经透镜聚焦和分光分别将不同波长的波段分开，再聚焦到感受不同波长的探测元件上。3.几种光机扫描一仪①红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。②多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。③专题制图仪TM：专题制图仪TM的成像原理与MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提高到30米；探测波段由4个增加到7个特点：利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法。输出的电学图象数据，存储、传输和处理方面十分方便。但装置庞杂，高速运动使其可靠性差；在成像机理上，存在着目标辐射能量利用率低的致命弱点。遥感器定义：遥感器是收集、量测和记录遥远目标的信息的仪器；是遥感技术系统的核心。遥感器的分类依基本结构原理来看，目前遥感中使用的传感器大体上可分为如下一些类型：（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。遥感器的组成收集器探测器处理器输出器收集系统检测系统(又名探测系统)信号转化系统记录系统：遥感器的组成•收集系统（收集器）：收集地物辐射来的能量。在紫外、可见光、红外波段中，收集系统的主要元件是透镜或反射镜，在微波中是微波天线。•检测系统(又名探测系统，探测器)：将收集的辐射能转变成化学能或电能。检测系统的核心是感光胶光或光电敏感元件、固体敏感元件、微波检波器等。除胶片是将电磁辐射转化为化学能外，其它检测元件大多数是将电磁辐射转化为电流、电压，这叫做光—电转化，然后再送至信号转化系统。•信号转化系统（处理器）：对收集的信号进行处理。将检测系统送来的电流、电压信号放大，再转化为可见光信号，显示在荧屏上，或用电流、电压信号控制小氖灯的明暗变化，叫电—光转化。有的遥感器把电流、电压信号转化为磁信号，记录在磁带上，这叫电—磁转化•记录系统（输出器）：输出获取的数据。两种记录方式。直接记录方式是将前一级的输出信号直接记录在胶片上或荧光屏上。间接记录方式是先将信号记录在磁带上，以便长期保存，以后要用时，先将磁带回放，产生电信号，再通过电—光转化，显示图像。ComponentsoftheLandsatMultispectralScanner(MSS)SystemonLandsat1Through51)多光谱扫描仪（MSS)扫描反射镜185km总视场11.560成像板Landsat/MSSLandsat/MSS卫星高度(km)915(1～3号)705(4～5号)轨道倾角98.2°周期(天)18(1～3号)16(4～5号)扫描宽度(km)185地面分辨率(m)79(1～3号)83(4～5号)240（10400-12600波段）光谱波段(nm)500─600600─700700─800800─110010400-12600通道代号光谱段颜色波长范围μm主要功能MSS4绿0.5-0.6对水体有一定的透射能力，可测一定水深（10～20m）的水下地形，有利于识别水体的混浊度、砂地、砂洲等。对蓝、绿、黄色景物呈浅色调，随着红色成分的增加而变暗MSS5红0.6-0.7可见光的最佳波段，可提供丰富的植被、土壤等地表信息，对水体也有一定的穿透能力（约2m）。对橙、橙色景物呈浅色调，随着绿色成分的增加而变暗MSS6深红一近红外0.7-0.8植被为浅色调，水体为深色调MSS7近红外0.8-1.1水陆界限清晰，对土壤含水量反映明显，有利于寻找地下水以及识别与水有关的地质构造、作物病虫害、军事伪装、土壤岩石类型。植被为浅色调，水体为深色调MSS8热红外10.4-12.6MSS的光谱段2)专题制图仪(TM）Landsat/TMLandsat/TM卫星高度(km)705轨道倾角98.2°周期(天)16扫描宽度(km)185地面分辨率(m)30120（for10400─12500)光谱波段(nm)450─52