第三章 遥感传感器

本章提要(…)第一节传感器第二节遥感数据的分辨率第三节航空遥感数据第四节地球资源卫星数据第五节海洋卫星数据第六节气象卫星数据第三章遥感传感器与成像原理本章主要介绍获得遥感数据的传感器的类型与获取数据的工作原理，介绍常用的遥感数据，如航空数据、陆地卫星数据、海洋卫星数据、气象卫星数据的特点。返回下一章§1传感器本节主要内容：一、传感器的定义和功能二、传感器的分类三、传感器的组成四、传感器的工作原理五、摄影型传感器六、扫描方式的传感器七、微波遥感的传感器Tobecontinued…一、传感器的定义和功能传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。它的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。Tobecontinued…§1传感器二、传感器的分类按工作方式分为：主动方式传感器：侧视雷达、激光雷达、微波辐射计。被动方式传感器：航空摄影机、多光谱扫描仪（MSS）、TM、ETM(1,2)、HRV、红外扫描仪等。Tobecontinued…§1传感器三、传感器的组成收集器：收集来自地物目标镜、天线。探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。处理器：将探测后的化学能或电能等信号进行处理。输出：将获取的数据输出。Tobecontinued…§1传感器四、传感器的工作原理是收集、量测和记录来自地面目标地物的电磁波信息的仪器，是遥感技术的核心部分。根据传感器的工作方式分为：主动式和被动式两种。主动式：人工辐射源向目标物发射辐射能量，然后接收目标物反射回来的能量，如雷达。被动式：接收地物反射的太阳辐射或地物本身的热辐射能量，如摄影机、多光谱扫描仪（MSS、TM、ETM、HRV）。Tobecontinued…§1传感器五、摄影型传感器航空摄影机：是空中对地面拍摄像片的仪器，它通过光学系统采用胶片或磁带记录地物的反射光谱能量。记录的波长范围以可见光~近红外为主。Tobecontinued…§1传感器六、扫描方式的传感器光机扫描仪用光学系统接收来自目标地物的辐射，并分成几个不同的光谱段，使用探测仪器把光信号转变为电信号，同时发射信号回地面，如MSS、TM等。分为红外扫描仪和多光谱扫描仪。推帚式扫描仪用平行排列的CCD探测杆收集地面辐射信息，每根探测杆由3000/6000个CCD元件呈一字排列，负责收集某一波段的地面辐射信息，是推帚式扫描成像。（工作原理图）Tobecontinued…§1传感器七、微波遥感的传感器主动微波遥感(…)雷达侧视雷达合成孔径侧视雷达被动微波遥感（…)是指通过向目标地物发射微波并接受其后向辐射信号来实现对地观测的遥感方式。主要传感器为雷达，此外还有微波高度计和微波散射计。是指通过传感器，接受来自目标地物发射的微波，而达到探测目的的遥感方式。被动接受目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计，被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微波散射计。本节结束返回下一节§1传感器§2遥感数据的分辨率图像的空间分辨率：指像素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。波谱分辨率：传感器能分辨的最小波长间隔。间隔越小，波谱分辨率越高。遥感数据类型分辨率/m应用IKONOS1城市规划、土地管理SPOT-HRV1-320宏观规划、国土资源SPOT-HRVPan10立体量测ETM1-5，730陆地资源调查Tobecontinued…遥感数据类型分辨率/m应用ETM660地面热性质调查ETMPan15规划、管理Landsat-MSS4-780陆地资源调查Radarsat-SAR1Seasat-VIR20海洋调查Seasat-SAR10海洋调查JERS-VNR30JERS-SWIR60NOAA-AVHRR15本节结束返回下一节§3航空遥感数据本节主要内容：一、航空摄影的分类二、航空像片的感光片性能三、航空像片的特性四、航空像片的分辨率五、彩色红外像片六、黑白像片的色调七、航空像片的比例尺八、光机扫描航空图像Tobecontinued…一、航空摄影的分类按照航摄倾角分类(…)按摄影实施方式分类(…)按感光片和所用波段分类(…)按比例尺分类(…)垂直航空摄影倾斜航空摄影单片摄影单航线摄影面积摄影(多航线摄影)普通黑白摄影黑白红外摄影天然彩色摄影彩色红外摄影大比例尺航空摄影：所获像片比例尺大于1／l0000中比例尺航空摄影：像片比例尺为1／10000～1／30000小比例尺航空摄影：像片比例尺为1／30000～1／l00000超小比例尺航空摄影：比例尺为1／100000～1／250000Tobecontinued…§3航空遥感数据二、航空像片的感光片性能感光材料是胶片(…)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Tobecontinued…§3航空遥感数据三、航空像片的特性什么是航片(…)？航片属于中心投影。中心投影上，点的像还是点，线的像还是线，面的像还是面。航片的比例尺随航高而改变。地形的起伏和投影面的倾斜会引起航片上像点的位置的变化，叫像点位移。航空像片用亮度系数来表示地物的反射率。由地物反射的光线进入摄影机镜头，使感光材料产生光化学反应而形成。因此，像片的特性取决于：地物反射率、相机性能和感光材料的性能。Tobecontinued…§3航空遥感数据四、航空像片的分辨率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。Tobecontinued…§3航空遥感数据五、彩色红外像片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…§3航空遥感数据六、黑白像片的色调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）。Tobecontinued…§3航空遥感数据七、航空像片的比例尺航摄相机的焦距f与航高H的比。航片的比例尺：1／M=f/H。比例尺随着图像处理而变化。大比例尺航片：1:5000～1:10000。中比例尺航片：1:10000～1:30000。小比例尺航片：1:30000～1:100000。地形起伏也会影响比例尺。Tobecontinued…§3航空遥感数据八、光机扫描航空图像光学机械扫描成像仪是借助于遥感平台沿航向运动和仪器本身光学机械舷向扫描来获取地面航向条带图像的一种仪器，简称光机扫描仪。目前常用的有红外扫描仪和多光谱段扫描仪。光机扫描仪的工作波长范围比摄影机宽得多，可达0.3～14μm(包括近紫外、可见光、近红外、中红外和远红外)。高光谱航空遥感成为航空遥感的全新技术。本节结束返回下一节§3航空遥感数据亮度系数亮度系数（P）：在相同照度条件下，某物体的亮度与绝对白体理想表面的亮度之比。亮度系数的特点：（1）亮度系数的范围0≤P≤1；（2）相同地物，由于干湿程度不同，亮度系数也不同；（3）亮度系数与物体表面的颜色有关；（4）表面光滑的物体比粗糙的物体亮度系数大；（5）许多性质完全不同的物体具有相同的亮度系数。BACK感光特性曲线BACK曝光量（H）的对数底片的密度（D）§4地球资源卫星数据(…)一、Landsat数据二、SPOT数据三、IKONOS数据四、QUICKBIRD数据五、CBERS数据六、JERS数据七、IRS数据•以探测陆地资源为目的的卫星叫陆地资源卫星。•目前，主要的陆地资源卫星有：（1）美国陆地卫星(Landsat)；（2）法国陆地观测卫星(SPOT)；（3）欧空局地球资源卫星(ERS)；（4）俄罗斯钻石卫星(ALMAZ)；（5）日本地球资源卫星(JERS)；（6）印度遥感卫星(IRS)；（7）中-巴地球资源卫星（CBERS）。Tobecontinued…一、Landsat数据陆地卫星Landsat，1972年发射第一颗，已连续31年为人类提供陆地卫星图像，共发射了7颗，产品主要有MSS,TM,ETM，属于中高度、长寿命的卫星。陆地卫星的运行特点：（1）近极地、近圆形的轨道；（2）轨道高度为700～900km；（3）运行周期为99～103min/圈；（4）轨道与太阳同步。Tobecontinued…Landsat轨道参数卫星编号项目1,2,34,5,7轨道高度轨道倾角运行周期扫描宽度重复周期918km99.125°103min/圈185km18d705km98.2º98.9min/圈185km16dTobecontinued…Landsat卫星的传感器(1)MSS：多光谱扫描仪，5个波段。(2)TM：主题绘图仪，7个波段。(3)ETM+：增强主题绘图仪，8个波段。Tobecontinued…Landsat数据系列卫星名称发射日期遥感数据Landsat-11972.7.23MSS4,MSS5,MSS6,MSS7Landsat-21975.1.22RBV1,RBV2,RBV3Landsat-31978.3.5MSS4,MSS5,MSS6,MSS7Landsat-41982.7.16RBV1,RBV2,RBV3Landsat-51984.3.1MSS4,MSS5,MSS6,MSS7,MSS8Landsat-61993.10.5RBV全色波段Landsat-71999.4.15MSS1,MSS2,MSS3,MSS4(与MSS4-MSS7相同)Landsat-8TM1-TM7七个波段Tobecontinued…MSS的波谱段通道号光谱段颜色波长范围/μmMSS4绿0.5～0.6MSS5红0.6～0.7MSS6红～近红外0.7～0.8MSS7近红外0.8～1.1MSS8远红外10.4～12.6Tobecontinued…TM数据(…)的波谱段TM10.45~0.52μm蓝绿波段TM20.52~0.60μm绿红波段TM30.63~0.69μm红波段TM40.76~0.90μm近红外波段TM51.55~1.75μm近红外波段TM610.4~12.5μm热红外波段TM72.08~2.35μm近红外波段TM数据是第二代多光谱段光学——机械扫描仪，是在MSS基础上改进和发展而成的一种遥感器。TM采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收灵敏度。Tobecontinued…ETM数据(…)的波谱段ETM10.45~0.52μm蓝绿波段ETM20.52~0.60μm绿红波段ETM30.63~0.69μm红波段ETM40.76~0.90μm近红外波段ETM51.55~1.75μm近红外波段ETM610.4~12.5μm热红外波段ETM72.08~2.35μm近红外波段ETM8（