38遥感平台与遥感传感器-遥感平台及运行特点

一、遥感平台及运行特点二、遥感传感器及成像原理1第三章遥感平台与遥感传感器2一、遥感平台及运行特点内容提要•遥感平台的分类•卫星轨道及其运行特点•遥感卫星轨道类型•主要卫星遥感系统3一、遥感平台的分类•遥感平台(platform)：是用于安置各种遥感仪器，使其从一定高度或距离对地面目标进行探测，并为其提供技术保障和工作条件的运载工具。•按平台距离地面的高度大体上可以分为三类：地面平台航空平台航天平台地面平台•地面平台：高度在0~50m范围内，包括车、船、塔三脚架、遥感塔、遥感车等。•主要目的：对地物进行波谱测量。4地面平台航空平台•航空平台：高度在百米~10多公里，包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等。a)飞机：高空：喷气式飞机低空：无人小飞机，大比例尺航片b)气球：高空气球•航空平台历史悠久，主要是飞机摄影。飞艇无人飞机飞机平台气球平台航空平台俯仰滚动偏航飞机姿态角航空遥感及其特点•优点(1)空间分辨率高、信息容量大。(2)灵活，适用于一些专题遥感研究。(3)作为实验性技术系统，是各种星载遥感器的先行检验者。(4)信息获取方便。•不足(1)受天气等条件限制大；(2)观测范围受限；(3)数据的周期性和连续性差。航天平台•航天平台：高度在150km以上（36000km静止卫星，700~900km陆地观测卫星）a)航天飞机：240~350km高度；b)卫星：低轨：150~300km，大比例尺、高分辨率遥感中轨：700~1000km，资源与环境遥感高轨：35860km，地球静止卫星，通信、气象•卫星航天平台目前发展最快、应用最广：气象卫星系列、海洋卫星系列、陆地卫星系列。航天飞机(Shuttle)航天平台空间站人造卫星13二、卫星轨道及其运行特点（一）卫星在空间运行，遵循天体运动的开普勒三定律。1、开普勒第一定律星体绕地球（或者太阳）运动的轨道是一个椭圆，地球（太阳）位于椭圆的一个焦点上。142、开普勒第二定律从地心或者太阳中心到星体的连线（星体向径），在单位时间扫过的面积相等。卫星在离地近的地方经过时的速度要快些，在离地远的地方运行的速度要慢些。153、开普勒第三定律指绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星，其椭圆轨道长半轴的立方与周期的平方之比是一个常量。T：运行周期；a：长半径；K：开普勒常数。161、轨道参数-用来描述卫星椭圆轨道的形状、大小及其在空间的指向，及确定任一时刻t0卫星在轨道上的位置的一组-通常采用的是所谓的6个开普勒轨道参数。即：①长半径a②偏心率e③升交点赤经Ω④轨道倾角i⑤近地点角距ω⑥卫星过近地点的时刻t0参数172、轨道平面上的特殊点1）近地点与远地点2）升交点与降交点当卫星从赤道平面以下（南半球）穿过赤道平面进入北半球的交点，称为升交点。反之，则称为降交点。183、6个开普勒轨道参数1）决定轨道形状的参数长半径a偏心率e193、6个开普勒轨道参数2）决定轨道方向的参数升交点赤经Ω近地点角距ω轨道倾角I3）决定卫星位置的参数：卫星过近地点的时刻t0204、其它参数（更为常见）轨道高度-轨道高度是卫星离地面的平均距离。-根据轨道高度，卫星可分为：•低轨卫星：150—200km，寿命短，约1～3周，多数是军事卫星；•中轨卫星：300～1500km，寿命1年以上。主要有陆地卫星、气象卫星、海洋卫星；•高轨卫星：36000km,寿命很长，为静止卫星。通信卫星;GPS卫星21卫星运行周期T-指卫星绕地一圈所需要时间，即从升交点开始运行到下次过升交点时的时间间隔。卫星覆盖周期（卫星重复周期）：-指卫星覆盖全球一次的天数。对遥感动态监测更重要。如Landsat-5重复周期为16天（233圈）。222324三、遥感卫星轨道类型EarthSatellite地球同步轨道与地球静止轨道•地球同步轨道：又称24小时轨道，卫星的轨道周期等于地球的自转周期，且方向亦与之一致，卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同。•地球静止轨道：当地球同步轨道是倾角为零（轨道与赤道平面重合）的圆形轨道时，称为地球静止轨道。在这样的轨道上运行的卫星将始终位于赤道某地的上空，相对于地球表面是静止的。25太阳同步轨道•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，轨道的倾角（轨道平面与赤道平面的夹角）接近90度，卫星要在两极附近通过，因此又称之为近极地太阳同步轨道。•为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向，因此轨道平面每天平均向地球公转方向（自西向东）转动0.9856度（即360度／年）。卫星轨道面永远与当时的“地心—日心连线”保持恒定角度26(1)相对于地球西向逆行；(2)多数卫星高度约700km~800km；(3)轨道周期90~100min；(4)每天绕地球旋转14~16圈。太阳同步轨道特点27不同轨道下陆地卫星遥感特点•近圆形轨道：不同地区获取的影像比例尺一致。固定扫描频率对地面扫描成像，扫描行之间无缝衔接。•近极地轨道：有利于增大卫星对地面的总体观测范围。•太阳同步轨道：太阳光的入射角几乎是固定的，在不同时相对同一地区遥感时，太阳高度角大致相等；有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测（但是由于季节和地理位置的变化，太阳高度角并不是任何时间都一致的）。有利于卫星在固定的时间飞越地面接收站上空，并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度。•可重复轨道：有利于对地面地物或自然现象的变化作动态监测。2829四、主要卫星遥感系统一、中等分辨率陆地卫星二、高分辨率陆地卫星三、高光谱卫星四、气象卫星五、小卫星传感器的几个分辨率空间分辨率光谱分辨率辐射分辨率时间分辨率30传感器的几个分辨率1.空间分辨率31323334传感器的几个分辨率2.光谱分辨率35传感器的几个分辨率2.光谱分辨率3637光谱响应曲线传感器的几个分辨率3.辐射分辨率38-辐射分辨率表征遥感器的辐射灵敏程度，是指遥感器的探测器件在接受电磁波辐射信号时能够分辨的最小辐射度差。一般用灰度的分级数表示。3940传感器的几个分辨率4.时间分辨率41空间/光谱/时间分辨率的关系对于一定的电磁辐射能量E0-空间分辨率越高，反射电磁辐射的地面面积越小，传感器得到的能量越小；-光谱分辨率越高，电磁波的波长范围越窄，传感器得到的能量越小；-时间分辨率越高，卫星覆盖周期越短，卫星运行速度越快，反射太阳辐射时间越少，传感器获得的能量越小42一、中等分辨率陆地卫星类1、Landsat卫星系列；2、SPOT卫星系列；3、中巴资源卫星CBERS；4、IRS卫星系列；5、台湾福卫2号；6、日本陆地观测卫星ALOS………431、Landsat卫星系列1972年7月23日，美国发射了第一颗地球资源卫星，后改名为Landsat-1，1972~1999年，美国共发射了7颗Landsat系列卫星。卫星发射日期终止日期携带传感器Landsat-11972.7.231978.1.6RBV,MSSLandsat-21975.1.221982.2.5RBV,MSSLandsat-31978.3.51983.3.31RBV,MSSLandsat-41982.7.161993MSS,TMLandsat-51985.3.12012TMLandsat-61993.10.5（发射失败）ETMLandsat-71999.4.15（运行）ETMPlus44Landsat-5简介•Landsat-5设计寿命为3年，但却成功在轨运行27年，是目前在轨运行时间最长的光学遥感卫星，成为全球应用最为广泛、成效最为显著的地球资源卫星遥感信息源。•2011年11月18日，美国地质调查局（USGS）发布消息称由于卫星上的放大器迅速老化，目前已停止获取Landsat-5的卫星遥感影像，意味着Landsat-5极有可能结束其使命。目前，Landsat-5已进入90天的卫星初始状态，USGS工程师们试图采取各种办法恢复卫星与地面间的影像传输能力。45Landsat-5卫星主要轨道参数轨道类型近极地太阳同步轨道高度705km轨道倾角98.22°运行周期98.9min轨道长半轴7083.465km降交点时间(过赤道平均太阳时)9:45am+/-15min重复周期16天(233圈)在赤道上两相邻轨迹间距离172km图像幅宽185km相邻轨道间赤道处重叠度13km(7%)46SpacingBetweenAdjacentLandsat5OrbitTracksattheEquator47由于地球自转，同一天相邻轨道在赤道上向西偏移的距离为2752km.第二天轨道整体向西偏移10.8度，约1204km。TimingofAdjacentLandsat5CoverageTracksAdjacentswathsareimaged7daysapart4849LandsatscenesLandsat的轨道特征50（一）近圆形轨道•轨道趋于圆形的主要目的是使在不同地区获取的影象比例尺接近一致。此外，近圆形轨道使得卫星的速度也近匀速，便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。（二）近极地轨道•轨道近极地有利于增大卫星对地面总的观测范围。•fullcoveragebetween81°Nand81°S.Landsat的轨道特征51（三）与太阳同步•为陆地卫星设计的光照角是37°30′，通过轨道的进动(由西向东，每天0.9856度)，弥补地球公转的影响，实现太阳同步。•卫星与太阳同步，使卫星以同一地方时通过地面一点，有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测，此外使卫星在固定的时间飞临接收站上空，并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度。Landsat的轨道特征52南北纬70度之间，陆地卫星由北往南运行中，地方时大约在上午9时多至11时多。这样就保证了卫星传感器能在较为一致的光照条件下对地面进行探测，以获得质量较高的图象。Landsat-5的TM传感器•Landsat-5搭载专题绘图仪(ThematicMapper,TM)传感器，共分为7个波段，各波段的参数如表所示Blue10.45-0.52µm30mGreen20.52-0.60µm30mRed30.63-0.69µm30mNearIR40.76-0.90µm30mSWIR51.55-1.75µm30mLWIR(ThermalIR)610.40-12.50µm120mSWIR72.08-2.35µm30m•为什么LWIR波段空间分辨率相对较低？颜色波段波长范围空间分辨率53Landsat-7简介•Landsat-7于1999年4月15日发射升空后，由于其优越的数据质量，以及与以前的Landsat系列卫星保持了在数据上的延续性，现在已成为中国遥感卫星地面站的主要产品之一。•2003年5月31日，Landsat-7ETM+机载扫描行校正器(SLC)故障，导致此后获取的图像出现了数据条带丢失，严重影响了LandsatETM遥感影像的使用。此后Landsat7ETMSLC-on是指2003.5.31日Landsat7SLC故障之前的数据产品，Landsat7ETMSLC-OFF则是故障之后的数据产品。部分学者开展了受损修复研究，使用插值方法修补缺失的条带部分。54Landsat-7卫星主要轨道参数•Landsat-5与Landsat-7卫星主要轨道参数基本相同。但降交点时间(过赤道平均太阳时)约为10am。55Landsat-7的ETM传感器•搭载增强型专题绘图仪(EnhancedThematicMapperPlus,ETM+)传感器，同Landsat-5的最主要差别有：增加了分辨率为15米的全色波段（PAN波段）；波段6的数据分低增益和高增益数据，分辨率从120米提高到60米。Blue10.45-0.52µm30mGreen20.52-0.60µm30mRed30.63-0.69µm30mNearIR40.76-0.90µm30mSWIR51.55-1.75µm30mLWIR(ThermalIR)610.40-12.50µm60mSWIR72.08-2.35µm30mPan