1、第三章第三章 遙感傳感器及其成像原理遙感傳感器及其成像原理內內容容提提綱綱l遙感圖像特征遙感圖像特征幾何特征幾何特征物理特征物理特征時間特征時間特征l遙感傳感器遙感傳感器掃描成像類傳感器掃描成像類傳感器雷達成像類傳感器雷達成像類傳感器3.1 遙感圖像特征遙感圖像特征l 遙感圖像特征遙感圖像特征 幾何特征幾何特征 物理特征物理特征 時間特征時間特征l 這三個方面的特征表現為這三個方面的特征表現為 空間分辨率空間分辨率 光譜分辨率光譜分辨率 輻射分辨率輻射分辨率 時間分辨率時間分辨率3.1.1 空間分辨率空間分辨率空間分辨率：空間分辨率：是針對遙感器或圖像而言的，是針對遙感器或圖像而言的，指指圖像

2、上能夠圖像上能夠能夠識別的兩個相鄰地物的最小能夠識別的兩個相鄰地物的最小單單元的尺寸或大小，是用來表征元的尺寸或大小，是用來表征影像分辨地面目影像分辨地面目標細節能力的指標標細節能力的指標。地面分辨率：地面分辨率：是針對地面而言，是針對地面而言，空間分辨率數空間分辨率數值在地面上的實際尺寸稱為地面分辨率。值在地面上的實際尺寸稱為地面分辨率?？臻g分辨率的三種具體表示方法空間分辨率的三種具體表示方法u 像元分辨率（掃描影像）像元分辨率（掃描影像） 像元所對應的地面實際尺寸（米）u 線對（攝影影像）線對（攝影影像） 線對在地面的覆蓋寬度（米）u 瞬時視場（掃描影像）瞬時視場（掃描影像） 遙感器內單個

3、探測元件的受光角度或觀測視野，單位為毫弧度（mrad）空間分辨率的表現形式空間分辨率的表現形式高分辨率影像低分辨率影像（1）像元（）像元（pixel）：）：對掃描影像而言，指單個像元所對應的地面面積大小，單位為mm或kmkm。（2）線對數（）線對數（line pairs）對于攝影系統而言，影像最小單元常通過1mm間隔內包含的線對數確定，單位為線對/mm。線對指一對同等大小的明暗條紋或規則間隔的明暗條對。像元小影像分辨率高，信息量大；像元小影像分辨率高，信息量大；反之，影像分辨率低，信息量小。反之，影像分辨率低，信息量小。（3 3）瞬時視場（）瞬時視場（IFOVIFOV）指遙感器內指遙感器內單個

4、探測元件單個探測元件的的觀測視野觀測視野。 S f H IFOV S S: : 探測元件的尺寸；探測元件的尺寸；H H: : 遙感平臺的航高；遙感平臺的航高；f f : : 望望遠鏡系統的焦距遠鏡系統的焦距fSIFOVIFOV越小，最小可分辨單元越小，越小，最小可分辨單元越小， 空間分辨率越高空間分辨率越高IFOVIFOV取決于遙感器光學系統和探測器的大小取決于遙感器光學系統和探測器的大小一個瞬時視場內的信息，表示一個像元一個瞬時視場內的信息，表示一個像元 S f H IFOV fSHHIFOVS S: : 探測元件的邊長探測元件的邊長H H: : 遙感平臺的航高遙感平臺的航高f f : :

5、望遠鏡系統的焦距望遠鏡系統的焦距 IFOVIFOV也可理解成：掃描成像過程中也可理解成：掃描成像過程中一個光敏探一個光敏探測元件測元件通過望遠鏡系統通過望遠鏡系統投射到地面上的直徑或投射到地面上的直徑或者邊長。者邊長。（4 4）地面分辨率的計算（掃描影響）地面分辨率的計算（掃描影響）（4 4）地面分辨率的計算（攝影影像）地面分辨率的計算（攝影影像）RsRs：膠片的分辨率和攝影鏡頭的分辨率所構成：膠片的分辨率和攝影鏡頭的分辨率所構成 的系統分辨率，單位線對的系統分辨率，單位線對/mm/mmH H：攝影機距地面高度，單位：攝影機距地面高度，單位m mf f：攝影機焦距，單位：攝影機焦距，單位mmm

6、mR R g g: :地面分辨率，單位線對地面分辨率，單位線對/mm/mm攝影比例尺：攝影比例尺：1/ml LfHH RsRgRs mRgf空間分辨率與平臺高空間分辨率與平臺高度和傳感器焦距有關度和傳感器焦距有關1線對/ m表明：1m中只能區分1個線對，也就是2條線（一明一暗），每條線為0.5m，因此其分辨能力為0.5m，也即地面分辨率為0.5m。例：攝影機焦距152mm，航高為6000m，系統分辨率為40線對/mm。求地面分辨率。6000*/=140*152gsRRHf線對/m1m（4 4）地面分辨率的計算（攝影影像）地面分辨率的計算（攝影影像）一般來說：遙感系統的空間分辨率越高，其識別物一

7、般來說：遙感系統的空間分辨率越高，其識別物體的能力越強。但實際上每一目標在體的能力越強。但實際上每一目標在圖像上的可分圖像上的可分辨程度，不完全決定于空間分辨率的具體值，而是辨程度，不完全決定于空間分辨率的具體值，而是和它的形狀、大小，以及它與周圍物體亮度、結構和它的形狀、大小，以及它與周圍物體亮度、結構的相對差有關（反差）。的相對差有關（反差）。例如例如MSSMSS的空間分辨率為的空間分辨率為79m79m，但是寬僅，但是寬僅10-20m10-20m的鐵的鐵路，公路，當它們通過沙漠、水域、草原等路，公路，當它們通過沙漠、水域、草原等背景光背景光譜較單調或與道路光譜差異大譜較單調或與道路光譜差異

8、大的地區，往往清晰可的地區，往往清晰可辨。辨。經驗證明：遙感器空間分辨率的選擇，一般應選擇經驗證明：遙感器空間分辨率的選擇，一般應選擇小于被探測目標最小直徑的小于被探測目標最小直徑的1/21/2?？臻g分辨率舉例空間分辨率舉例QuickBirdQuickBird圖像圖像（美國，（美國，20012001，分辨率最高的一顆商業衛星），分辨率最高的一顆商業衛星） 圖像類型圖像類型波長范圍波長范圍（mm）分辨率分辨率（m m）地面帶寬地面帶寬多多光光譜譜波段波段1 10 . 40 . 4 0 . 5 2 0 . 5 2 藍藍 4 416.5km16.5km波段波段2 20 . 50 . 5 0 . 6

9、0 0 . 6 0 綠綠4 4波段波段3 30 . 60 . 6 0 . 6 9 0 . 6 9 紅紅4 4波段波段4 40.760.760.90 0.90 近紅外近紅外4 4全色全色0.550.550.900.900.610.6116.5km16.5kmu波譜分辨率：指傳感器在接收目標輻射的波譜時波譜分辨率：指傳感器在接收目標輻射的波譜時能分辨的最小波長間隔能分辨的最小波長間隔。間隔。間隔，分辨率，分辨率u波長間隔愈小，分辨率愈高。即在等長的波段寬波長間隔愈小，分辨率愈高。即在等長的波段寬度下，傳感器的度下，傳感器的波段數越多，各個波段寬度越窄，波段數越多，各個波段寬度越窄，地面物體的信息越

10、容易區分和識別，識別性越強。地面物體的信息越容易區分和識別，識別性越強。u光譜分辨率通過遙感器所選用的的光譜分辨率通過遙感器所選用的的通道數通道數（波段（波段數量的多少）、每個通道的數量的多少）、每個通道的中心波長中心波長、帶寬帶寬，這三，這三個因素共同決定光譜分辨率。個因素共同決定光譜分辨率。 3.1.2 波譜分辨率（光譜分辨率）波譜分辨率（光譜分辨率）波譜范圍？波譜范圍？波段劃分？波段劃分？3.1.2 波譜分辨率（光譜分辨率）波譜分辨率（光譜分辨率）例如：可以分辨紅外、紅橙黃綠青藍紫紫外的傳感器的光譜分辨率就比只能分辨紅綠藍的傳感器的光譜分辨率高。 一般來說，傳感器的波段數越多波段寬度越窄

11、，地面物體的信息越容易區分和識別，針對性越強?，F在的技術可以達到5-6nm（納米）量級，400多個波段。細分光譜可以提高自動區分和識別目標性質和組成成分的能力。 3.1.2 波譜分辨率（光譜分辨率）波譜分辨率（光譜分辨率）圖中紅線內為圖中紅線內為32nm光譜分辨的反射曲線，可見光譜分辨的反射曲線，可見在在1.2 m 處出現明顯的雙谷形態。處出現明顯的雙谷形態。輻射分辨率：輻射分辨率：反映了傳感器對電磁波探測的靈反映了傳感器對電磁波探測的靈敏度。輻射分辨率越高，對電磁波能量的細微敏度。輻射分辨率越高，對電磁波能量的細微差別越靈敏，因此需要較高的量化比特數（對差別越靈敏，因此需要較高的量化比特數（

12、對應于遙感圖像的灰度級數目）才能記錄電磁波應于遙感圖像的灰度級數目）才能記錄電磁波能量的細微差別。一般地，輻射分辨率越高，能量的細微差別。一般地，輻射分辨率越高，圖像的比特數越大，色調層次越豐富，圖像的比特數越大，色調層次越豐富，輻射分輻射分辨率越低，圖像的比特數越小，色調層次越少。辨率越低，圖像的比特數越小，色調層次越少。3.1.3 輻射分辨率輻射分辨率2比特圖像比特圖像 6比特圖像比特圖像3.1.3 輻射分辨率輻射分辨率輻射分辨率算法是RL =（Rmax-Rmin ）/D，Rmax為最大輻射量值，Rmin為最小輻射量值，D為量化級。RL越小，表明傳感器越靈敏。例如：Landsat5的TM3

13、最小輻射量值Rmin=-0.0083mv/(cm2srm)最大輻射量值Rmax=1.410mv/(cm2srm)量化級D為28=256級，其輻射分辨率RL=(Rmax Rmin)/D=0.0055 mv/(cm2srm) 3.1.3 輻射分辨率輻射分辨率 提高空間分辨率提高空間分辨率 瞬時視場瞬時視場IFOVIFOV要小。要小。 IFOVIFOV小小 探測元件接受到的輻射能量相探測元件接受到的輻射能量相應減少，即瞬時獲得的入射能量小應減少，即瞬時獲得的入射能量小 對微弱對微弱能量差異的檢測能力差能量差異的檢測能力差 輻射分辨率低輻射分辨率低 除除技術上改進探測元件技術上改進探測元件以外，實際工

14、作中以外，實際工作中考慮較高空間分辨率的圖像（例如考慮較高空間分辨率的圖像（例如SPOT-HRV-SPOT-HRV-PANPAN）和較高光譜分辨率的圖像）和較高光譜分辨率的圖像( (例如例如LANDSAT-LANDSAT-TM)TM)進行圖像融合，避其弱點，達到既要清晰，進行圖像融合，避其弱點，達到既要清晰，又色彩豐富。又色彩豐富。 空間分辨率和光譜分辨率的矛盾空間分辨率和光譜分辨率的矛盾時間分辨率：時間分辨率：是相鄰兩次對地面同一區域進行觀測是相鄰兩次對地面同一區域進行觀測的時間間隔。的時間間隔。對衛星遙感而言，時間分辨率與衛星和傳感器的設對衛星遙感而言，時間分辨率與衛星和傳感器的設計能力（

15、如衛星的高度、傳感器的視場角大小、傳計能力（如衛星的高度、傳感器的視場角大小、傳感器的觀測角度等）、星載傳感器的視場角所掃過感器的觀測角度等）、星載傳感器的視場角所掃過的地面的地面細長條帶的重疊度細長條帶的重疊度、觀測對象的緯度（、觀測對象的緯度（緯度緯度越高越高，星載傳感器的視場角所掃過的地面細長條帶，星載傳感器的視場角所掃過的地面細長條帶的的重疊度越大，重訪周期越短重疊度越大，重訪周期越短）等因素有關。在周）等因素有關。在周期性的對地觀測中，時間分辨率越高，對地面動態期性的對地觀測中，時間分辨率越高，對地面動態目標的監視、變化檢測、運動規律分析越有利。目標的監視、變化檢測、運動規律分析越有

16、利。3.1.3 時間（時相）分辨率時間（時相）分辨率（重訪周期（重訪周期T T： 取決于衛星和傳感器的特性、地面帶取決于衛星和傳感器的特性、地面帶寬、目標所處緯度）寬、目標所處緯度）D D時時 （D+TD+T）時）時3.1.3 時間（時相）分辨率時間（時相）分辨率Landsat-4Landsat-47 7衛星衛星: :采用軌道高度為、軌道面傾角為采用軌道高度為、軌道面傾角為度的太陽同步軌道，重訪周期為度的太陽同步軌道，重訪周期為1616天。天。SPOTSPOT衛星衛星: :采用軌道高度約為、軌道面傾角為度的太采用軌道高度約為、軌道面傾角為度的太陽同步軌道，重訪周期為陽同步軌道，重訪周期為262

17、6天。天。 IKONOSIKONOS衛星衛星: :搭載了一臺搭載了一臺EKEK數碼相機，既可以垂直觀數碼相機，既可以垂直觀測，也可以傾斜觀測，測，也可以傾斜觀測，垂直觀測垂直觀測獲取獲取1 1米分辯率全色米分辯率全色圖像的重訪周期約為圖像的重訪周期約為3 3天，傾斜觀測天，傾斜觀測獲取獲取1.51.5米分辯率米分辯率全色圖像的重訪周期為全色圖像的重訪周期為1 12 2天天。 QuickBirdQuickBird衛星衛星: :提供提供0.610.61米分辨率的全色圖像和米分辨率的全色圖像和2.442.442.882.88米分辨率的多光譜圖像，重訪周期為米分辨率的多光譜圖像，重訪周期為1 13.5

18、3.5天天( (與緯度有關與緯度有關) )。3.1.3 時間（時相）分辨率時間（時相）分辨率傳感器數據獲取技術趨向“三多和三高”多平臺：衛星、航天飛機、無人機多傳感器：全景相機、光電掃描儀、CCD線陣面陣掃描儀、激光掃描儀、合成孔徑雷達多角度：CCD陣列可同時獲取三個角度的掃描成像,Terra衛星上的MISR可同時從9個角度對地觀測成像3.1.5 傳感器技術的發展前景傳感器技術的發展前景傳感器數據獲取技術趨向傳感器數據獲取技術趨向“三多和三高三多和三高”空間分辨率：空間分辨率：IKNOSIKNOS的的1m1m到到QuirdQuird的的0.61m0.61m到到“地眼一號地眼一號” 0.641m

19、0.641m黑白分辨率黑白分辨率高光譜分辨率：高光譜分辨率：已經達到已經達到5-6nm5-6nm，500-600500-600個波段，在軌個波段，在軌的對地觀測衛星（的對地觀測衛星（EOS- TerraEOS- Terra衛星）具有衛星）具有220220個波段。個波段。時間分辨率：時間分辨率：1-31-3天的周期覆蓋率，利用天的周期覆蓋率，利用INSAR/D-INSAR/D-INSAR/INSAR/雙天線雙天線INSARINSAR進行高精度三維地形及其變化的測進行高精度三維地形及其變化的測定成為可能；定成為可能；遙感小衛星星座遙感小衛星星座3.1.5 傳感器技術的發展前景傳感器技術的發展前景3

20、.2.1 3.2.1 傳感器概述傳感器概述u定義：定義：u分類分類 根據工作方式的不同，可以分為根據工作方式的不同，可以分為2 2類類主動式：主動式：人工輻射源向目標地物發射電磁波，然后接收人工輻射源向目標地物發射電磁波，然后接收從目標地從目標地 物反射回來的能量。如：物反射回來的能量。如：側視雷達、激光雷側視雷達、激光雷達、微波散射計達、微波散射計等等被動式：被動式：接收自然界地物所輻射的能量。如：接收自然界地物所輻射的能量。如：攝影機、攝影機、多波段掃描儀、微波輻射計、紅外輻射計多波段掃描儀、微波輻射計、紅外輻射計等等 3.2 遙感傳感器遙感傳感器按傳感器工作的波段按傳感器工作的波段: :

21、 -可見光傳感器、紅外傳感器、微波傳感器 遙感器按照記錄方式分類遙感器按照記錄方式分類 1 1）非成像方式非成像方式：探測到：探測到地物輻射強度按照數字或者地物輻射強度按照數字或者曲線圖形表示曲線圖形表示。如：輻射計、雷達高度計、散射計、如：輻射計、雷達高度計、散射計、激光高度計等。激光高度計等。 2 2）成像方式：成像方式： 地物輻射（反射、發射或兩個兼有）地物輻射（反射、發射或兩個兼有）能量的強度用能量的強度用成像方式成像方式表示。表示。如：攝影機、掃描儀、如：攝影機、掃描儀、成像雷達。成像雷達。3.2.2 3.2.2 傳感器分類傳感器分類成像傳感器是目前最常見的傳感器類型成像傳感器是目前

22、最常見的傳感器類型成像傳感器成像傳感器被動式被動式主動式主動式光學攝影類型光學攝影類型光電成像類型光電成像類型成像光譜儀成像光譜儀側側 視視 雷達雷達全景雷達全景雷達框幅攝影機框幅攝影機全景攝影機全景攝影機多光譜攝影機多光譜攝影機TV攝影機攝影機掃描儀掃描儀電荷耦合器件電荷耦合器件CCD面陣成像光譜儀面陣成像光譜儀線陣成像光譜儀線陣成像光譜儀真實孔徑雷達真實孔徑雷達合成孔徑雷達合成孔徑雷達（雷達成像類型）（雷達成像類型）（攝影成像類型）（攝影成像類型）（掃描成像類型）（掃描成像類型） 收集器：收集器：收集地面目標輻射的電磁波能量。具體收集地面目標輻射的電磁波能量。具體元件：透鏡組、反射鏡組、天

23、線等。元件：透鏡組、反射鏡組、天線等。探測器：探測器：將收集到的電磁輻射能轉變為化學能或電將收集到的電磁輻射能轉變為化學能或電能。具體的元件主要有感光膠片、光電管、光敏和能。具體的元件主要有感光膠片、光電管、光敏和熱敏探測元件（熱敏探測元件（CCD、CMOS）。）。處理器：處理器：對轉換后的信號進行各種處理，如顯影、對轉換后的信號進行各種處理，如顯影、定影、信號放大、變換、校正和編碼等。定影、信號放大、變換、校正和編碼等。輸出器：輸出器：輸出信息的裝置。輸出器類型主要有、陰輸出信息的裝置。輸出器類型主要有、陰極射線管、電視顯象管、磁帶記錄儀等。極射線管、電視顯象管、磁帶記錄儀等。3.2.3 3

24、.2.3 傳感器的組成傳感器的組成 對物面掃描的成像儀對物面掃描的成像儀對地面直接掃描成像對地面直接掃描成像，采用光機掃描系統，采用光機掃描系統（紅外掃描儀、多光譜掃描儀、成像光譜儀（紅外掃描儀、多光譜掃描儀、成像光譜儀 ） 對像面掃描的成像儀對像面掃描的成像儀瞬間在像面上瞬間在像面上先形成一幅影像，然后對影像先形成一幅影像，然后對影像進行掃描成像進行掃描成像（線陣列（線陣列CCDCCD推掃式成像儀推掃式成像儀 ） 成像光譜儀成像光譜儀具有高光譜分辨率具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器方式獲取圖像信息的儀器 3.2.3 3.2.3 掃描成像類傳感器掃描成像類傳感器v 掃描成像原理：掃描成像

25、原理：依靠依靠探測元件探測元件和和掃描鏡掃描鏡對目標對目標地物地物以瞬時視場為單位進行的以瞬時視場為單位進行的逐點、逐行取樣，逐點、逐行取樣，以以得到目標得到目標地物電磁輻射特性信息地物電磁輻射特性信息，形成一定譜段的，形成一定譜段的圖像。圖像。v 探測波段：探測波段：紫外、紅外、可見光和微波波段紫外、紅外、可見光和微波波段v 成像方式：成像方式：光機掃描成像、光機掃描成像、CCDCCD固體自掃描成像、固體自掃描成像、 成像光譜儀。成像光譜儀。3.2.4 3.2.4 掃描成像類型的傳感器工作原理掃描成像類型的傳感器工作原理光機掃描儀是借助遙感平臺光機掃描儀是借助遙感平臺沿飛行方向運動沿飛行方向

26、運動與與遙感器遙感器自身的光機對目標地物逐點、逐行橫向自身的光機對目標地物逐點、逐行橫向掃描掃描，達到地面覆蓋，得到地面條帶圖像的成，達到地面覆蓋，得到地面條帶圖像的成像裝置。像裝置。u紅外掃描儀紅外掃描儀u多光譜掃描儀多光譜掃描儀光機掃描儀光機掃描儀利用光學系統的機械利用光學系統的機械轉動和飛行器向前飛轉動和飛行器向前飛行的兩個相互垂直的行的兩個相互垂直的運動方向，形成對地運動方向，形成對地物目標的二維掃描，物目標的二維掃描，逐點逐行將不同目標物的紅外輻射能匯聚到紅外探測逐點逐行將不同目標物的紅外輻射能匯聚到紅外探測器器上，紅外探測器將光能轉變成電信號，電信號通過上，紅外探測器將光能轉變成電

27、信號，電信號通過放大處理后記錄下來，經過電光能轉換器件把電信號放大處理后記錄下來，經過電光能轉換器件把電信號在普通膠片上成像。在普通膠片上成像。紅外掃描儀工作原理紅外掃描儀工作原理 當旋轉棱鏡旋轉時，第一個鏡面對地面橫越航線當旋轉棱鏡旋轉時，第一個鏡面對地面橫越航線方向掃視一次，在掃描視場內的地面輻射能，由方向掃視一次，在掃描視場內的地面輻射能，由刈幅的一邊到另一邊依次進人傳感器；刈幅的一邊到另一邊依次進人傳感器； 地面輻射能經探測器輸出視頻信號，經電子放大地面輻射能經探測器輸出視頻信號，經電子放大器放大和調制，在陰極射線管上顯示出一條相應器放大和調制，在陰極射線管上顯示出一條相應于地面掃描視

28、場內的景物的圖像線，這條圖像線于地面掃描視場內的景物的圖像線，這條圖像線經曝光后在底片上記錄下來。經曝光后在底片上記錄下來。 接著第二個掃描鏡面掃視地面，由于飛機向前運接著第二個掃描鏡面掃視地面，由于飛機向前運動，膠片也作同步旋轉，記錄的第二條圖像正好動，膠片也作同步旋轉，記錄的第二條圖像正好與第一條銜接。依次下去，就得到一條與地面范與第一條銜接。依次下去，就得到一條與地面范圍相應的二維條帶圖像。圍相應的二維條帶圖像。紅外掃描儀成像過程紅外掃描儀成像過程瞬時視場角（瞬時視場角（22）掃描鏡在旋轉的一瞬掃描鏡在旋轉的一瞬間，接收到的目標物間，接收到的目標物電磁輻射限制在一個電磁輻射限制在一個很小

29、的角度之內，這個角度就稱為瞬時視場角很小的角度之內，這個角度就稱為瞬時視場角總視場角總視場角/ /總掃描角（總掃描角（22）：從遙感平臺到地：從遙感平臺到地面掃描帶外側所構成的夾角。面掃描帶外側所構成的夾角?？傄晥隹傄晥鯨 L：掃描帶的地面寬度。：掃描帶的地面寬度。L=2Htg L=2Htg 紅外掃描儀的瞬時視場紅外掃描儀的瞬時視場fdd d：探測器尺寸（直徑或寬度）；：探測器尺寸（直徑或寬度）；f:f:掃描儀的焦距掃描儀的焦距紅外掃描儀垂直指向地面的空間分辨率紅外掃描儀垂直指向地面的空間分辨率HfdHa0H: H: 航高航高在儀器設計時已經確定，所以對于一個使用著的在儀器設計時已經確定，所以

30、對于一個使用著的傳感器，其地面分辨率的變化只與航高有關。航傳感器，其地面分辨率的變化只與航高有關。航高大，高大，a a0 0值自然就大，則地面分辨率差。值自然就大，則地面分辨率差。視場角視場角紅外掃描儀的分辨率紅外掃描儀的分辨率多光譜掃描儀是在紅外掃描儀的基礎上發展起來的，多光譜掃描儀是在紅外掃描儀的基礎上發展起來的，其探測波長包括電磁波的其探測波長包括電磁波的紫外、可見光和紅外紫外、可見光和紅外三個三個部分。部分。多光譜掃描儀主要由兩個部分組成：機械掃描裝置多光譜掃描儀主要由兩個部分組成：機械掃描裝置和分光裝置。它是由和分光裝置。它是由掃描鏡收集地面的電磁輻射掃描鏡收集地面的電磁輻射，系統把

31、收集到的電磁輻射匯系統把收集到的電磁輻射匯聚成光束聚成光束，然后通過分，然后通過分光裝置光裝置分成不同波長的電磁波分成不同波長的電磁波，它們分別被一組不，它們分別被一組不同探測器所同探測器所探測探測，經過信號放大，然后記錄在磁帶，經過信號放大，然后記錄在磁帶上，或通過上，或通過電光轉換后記錄電光轉換后記錄在膠片上。在膠片上。收集收集聚焦聚焦分光分光探測探測記錄記錄多光譜掃描儀（多光譜掃描儀（MSS）LandsatLandsat含含24+224+2個探測元，按波段個探測元，按波段排列成四列，每列由六個探測元，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每個探測元的地面觀察面積為79m

32、79m79m79m。陸地衛星陸地衛星2 2、3 3上增上增加一個熱紅外通道，分辨力為加一個熱紅外通道，分辨力為240 m240 m240 m 240 m ，僅用兩個探測，僅用兩個探測元構成。元構成。每個波段由六個相同大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小474m474m79m79m，又由于掃描總視場為，又由于掃描總視場為11.5611.56度，地面寬度為度，地面寬度為185km185km，因此掃描一次每個波段獲取六條掃描圖像，其地面，因此掃描一次每個波段獲取六條掃描圖像，其地面范圍為范圍為474m474

33、m185km185km。又因衛星速度。又因衛星速度6.5km/s6.5km/s，在掃描一次的，在掃描一次的時間里衛星正好往前移動時間里衛星正好往前移動474m474m，因此掃描現恰好銜接。，因此掃描現恰好銜接。 0.50.6 um0.607 um0.708 um0.81.1 um10.412.6 um掃描方向衛星前進方向MSS工作原理工作原理掃描鏡掃描鏡擺動擺動2.892.89西西光學纖維光學纖維n n次掃描次掃描 474m474m6 65 54 41 12 23 3n+1n+1次掃描次掃描 474m474m6 65 54 41 12 23 31 185km85km185km185km6 6線

34、線474m474m掃描視場掃描視場11.5611.56衛星軌跡衛星軌跡有效掃描有效掃描北北南南東東掃描儀掃描儀2 23 31 16 6回擺回擺有效掃描有效掃描MSS掃描過程掃描過程法國法國SPOTSPOT衛星上裝載的衛星上裝載的HRVHRV（High Resolution High Resolution Visible range instrument Visible range instrument 高分辨率可見光掃描高分辨率可見光掃描儀）是一種儀）是一種CCDCCD線陣列傳感器，又稱為線陣列傳感器，又稱為線陣列推掃線陣列推掃式掃描儀。式掃描儀。對像面掃描的成像儀對像面掃描的成像儀HRVHR

35、V線陣列推掃式掃描儀線陣列推掃式掃描儀不需要掃描鏡的不需要掃描鏡的擺動，像縫隙式擺動，像縫隙式攝影機那樣，以攝影機那樣，以“推掃推掃”方式獲方式獲取連續條帶影像。取連續條帶影像。用一種稱為電荷耦合器件用一種稱為電荷耦合器件CCDCCD（change coupled change coupled devicedevice）的探測器制成的圖像傳感器。這種傳感）的探測器制成的圖像傳感器。這種傳感器受光或電流的作用產生電荷，器受光或電流的作用產生電荷，經由外部電路的經由外部電路的控制控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容的電容（電荷移動），從而（電荷移動）

36、，從而將影像轉變成數字信將影像轉變成數字信號。號。將若干個將若干個CCDCCD元器件排成一行，稱為元器件排成一行，稱為CCDCCD線陣線陣列傳感器。列傳感器。 CCD CCD上植入的微小光敏物質稱作上植入的微小光敏物質稱作像素。像素。一塊一塊CCDCCD上包含的像素數越多，其提供的上包含的像素數越多，其提供的畫面畫面分辨分辨率也就越高。率也就越高。CCDCCD傳感器傳感器CCDCCD傳感器傳感器HRVHRV1 1）HRVHRV多光譜段的每個波段的線陣列探測器組，由多光譜段的每個波段的線陣列探測器組，由30003000個個CCDCCD元件組元件組成。每個元件形成的像元，相對地面上為成。每個元件形

37、成的像元，相對地面上為20m20m20m20m。因此一行。因此一行CCDCCD探探測器形成的圖像線，相對地面上為測器形成的圖像線，相對地面上為20m20m60km60km。 2 2）HRVHRV的全色波段的線陣列探測器組由的全色波段的線陣列探測器組由60006000個個CCDCCD元件組成一行。地元件組成一行。地面上總的市場寬度仍為面上總的市場寬度仍為60km60km，因此每個像元地面大小為，因此每個像元地面大小為10m10m10m10m。 光譜段光譜段 光譜特性光譜特性 分辨率分辨率 0.500.59 m 綠綠 20 m 0.610.68 m 紅紅 20 m 0.790.89 m 近紅外近紅

38、外 20 m 0.510.73 m 全波段全波段 10 mCCDCCD工作原理工作原理1 1） 全色波段全色波段 0.510.510.730.73微米，微米，1010米，米，60006000個個CCDCCD2 2）多光譜波段，）多光譜波段， 2020米，米，3 3* *30003000個個CCDCCD 0.500 0.5000.5900.590微米：微米： GreenGreen 0.610 0.6100.6800.680微米：微米： RedRed 0.790 0.7900.890 0.890 微米：微米： Near-InfraredNear-InfraredHRVHRV的的設計的的設計 HRV

39、的重疊為了在為了在2626天內達到全球覆蓋一遍，天內達到全球覆蓋一遍，SPOTSPOT衛星上平排安衛星上平排安裝兩臺裝兩臺HRVHRV儀器。每臺儀器視場寬都為儀器。每臺儀器視場寬都為60km60km，兩者之，兩者之間有間有3km3km的重疊，因此總的視場寬度為的重疊，因此總的視場寬度為117km117km。1 1） CCDCCD線陣上的每個點同時曝光，保證了每個線陣上的每個點同時曝光，保證了每個點上都有最大限度的曝光時間。點上都有最大限度的曝光時間。2 2）機械部件大大簡化，運行穩定，幾何精度比）機械部件大大簡化，運行穩定，幾何精度比較高。較高。3 3）靈敏度高，可以探測到地面）靈敏度高，可以

40、探測到地面0.50.5的反射變的反射變化信息?；畔?。4 4）突破了光）突破了光/ /機掃描儀要求探測元件的響應速機掃描儀要求探測元件的響應速度足夠快的要求。度足夠快的要求。CCDCCD的優點的優點舉例：在舉例：在1/20s1/20s內掃描完一幅含內掃描完一幅含512512512512個像元的圖像個像元的圖像，光，光/ /機描中，一個探測元件對一幅圖像要掃描機描中，一個探測元件對一幅圖像要掃描512512條條線，每條線線，每條線512512個像元，則探測元件在每個瞬時視場的個像元，則探測元件在每個瞬時視場的停留時間只有停留時間只有1 1（2020512512512512）=1.9=1.910-

41、7,10-7,約約 0.2s,0.2s,要求探測元件的響應時間至少要要求探測元件的響應時間至少要0.2s0.2s的的1/31/3uCCDCCD固體自掃描中固體自掃描中: :用一豎列的用一豎列的1010個探測元件同時掃，每個元件只掃個探測元件同時掃，每個元件只掃5151條條線，則在瞬時視場的停留時間為線，則在瞬時視場的停留時間為2s2s。若用一豎列的。若用一豎列的512512個探測元件同時掃，只要一次自掃描即可，像刷子個探測元件同時掃，只要一次自掃描即可，像刷子刷過一樣。刷過一樣。u 所采用的探測元件數目越多，體積愈小，分辨率接所采用的探測元件數目越多，體積愈小，分辨率接 越高。越高。 以多路、

42、連續并具有高光譜分辨率方式獲取圖以多路、連續并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器。像信息的儀器。 基本上屬于多光譜掃描儀，其構造與基本上屬于多光譜掃描儀，其構造與CCDCCD線陣列線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區別僅在推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區別僅在于通道數多，各通道的波段寬度很窄。于通道數多，各通道的波段寬度很窄。 既能成像又能獲取目標光譜曲線的既能成像又能獲取目標光譜曲線的“譜像合一譜像合一”的技術。的技術。3.2.5 3.2.5 成像光譜儀成像光譜儀用很窄（用很窄（l/100l/100）而連續的光譜通道對地物持續）而連續的光譜通道對地物持續遙感成像的技術。在可見光到短

43、波紅外波段其遙感成像的技術。在可見光到短波紅外波段其光譜分辨率高達納米光譜分辨率高達納米(nm)(nm)數量級，通常具有波數量級，通常具有波段多的特點，光譜通道數多達數十甚至數百個段多的特點，光譜通道數多達數十甚至數百個以上，而且各光譜通道間往往是連續的，每個以上，而且各光譜通道間往往是連續的，每個像元可提取一條光譜曲線；且具有空間可識別像元可提取一條光譜曲線；且具有空間可識別性。性。 成像光譜儀特點成像光譜儀特點一種是一種是面陣探測器加推掃式掃描儀面陣探測器加推掃式掃描儀的成像光譜儀：它的成像光譜儀：它利用線陣列探測器進行掃描，利用色散元件和面陣探利用線陣列探測器進行掃描，利用色散元件和面陣

44、探測器完成光譜掃描，利用線陣列探測器及其沿軌道方測器完成光譜掃描，利用線陣列探測器及其沿軌道方向的運動完成空間掃描。向的運動完成空間掃描。另一種是另一種是用線陣列探測器加光機掃描儀用線陣列探測器加光機掃描儀的成像光譜儀：的成像光譜儀：它利用點探測器收集光譜信息，經色散元件后分成不它利用點探測器收集光譜信息，經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，通過同的波段，分別在線陣列探測器的不同元件上，通過點掃描鏡在垂直于軌道方向的面內擺動以及沿軌道方點掃描鏡在垂直于軌道方向的面內擺動以及沿軌道方向的運動完成空間掃描，而利用線探測器完成光譜掃向的運動完成空間掃描，而利用線探測器完成光譜

45、掃描。描。兩類成像光譜儀兩類成像光譜儀微波遙感是指通過向目標地物微波遙感是指通過向目標地物發射微波發射微波并接收其并接收其后向回射信號以實現對地觀測的遙感。后向回射信號以實現對地觀測的遙感。微波遙感常用的波段微波遙感常用的波段波段名稱波段名稱波長波長(mm)頻率（頻率（MHZ）Ka7.5 1140000 26500K 11 16.726500 18000Ku 16.7 2418000 12500X 24 37.512500 8000C 37.5 758000 4000S 75 1504000 2000L150 3002000 1000P3000 10001000 3003.3 3.3 微波遙感

46、與成像微波遙感與成像1、主動式遙感2 2、能全天候、全天時工作、能全天候、全天時工作3 3、對某些物體具有特殊的波譜特征、對某些物體具有特殊的波譜特征4 4、對冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力、對冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力5 5、分辨率較低，但特性明顯、分辨率較低，但特性明顯3.3.1 3.3.1 微波遙感的特點微波遙感的特點u按工作波段：微波雷達，紅外雷達，激光雷達u按資料形式：非成像雷達，成像雷達u按天線結構：真實孔徑側視雷達RAR、合成孔徑側視雷達SAR微波遙感的分類微波遙感的分類3.3.13.3.1真實孔徑雷達真實孔徑雷達真實孔徑側視雷達真實孔徑側視雷達方位向：平臺行

47、進方向方位向：平臺行進方向距離向：平臺側向距離向：平臺側向距離方向距離方向CRTCRT接收機接收機天線天線方位方向方位方向波束寬度波束寬度脈沖寬度脈沖寬度時間時間反射強度反射強度成像過程成像過程收集順序：近距離先收集，遠距離后收集收集順序：近距離先收集，遠距離后收集回波強弱（色調）：回波強弱（色調）： （1）金屬）金屬硬目標強硬目標強 （2）反射面方向）反射面方向向天線強向天線強 （3）平滑鏡面反射）平滑鏡面反射回波弱回波弱 （4）反射面性質）反射面性質草地弱草地弱 （5）陰影）陰影無反射無反射天線收集天線收集側面天線側面天線發射窄脈沖發射窄脈沖地物反射地物反射成像處理成像處理形成影像形成影像

48、放放大大檢檢波波真實孔徑雷達地面分辨率真實孔徑雷達地面分辨率 距離分辨率距離分辨率 在距離方向上能分辨的最小目標的尺寸在距離方向上能分辨的最小目標的尺寸 方位分辨率方位分辨率 雷達飛行方向上，能分辨兩個目標的最小距離雷達飛行方向上，能分辨兩個目標的最小距離 距離分辨率定義：距離分辨率理論上等于脈沖寬度的一半，即sec22cRorcRrd為脈沖寬度，單位微秒（10-6秒），c為波速Rd稱為斜距分辨率，Rr稱為地距分辨率。為俯角距離分辨率距離分辨率sin2CR斜距斜距R距離分辨率斜距分辨率2CRd為脈沖寬度，為光為脈沖寬度，為光速，速，為雷達波側視角為雷達波側視角 R與距離無關，要提高R ，需要減

49、小，但是減小會使雷達的發射功率下降，從而使回波信號的信噪比（S/N）下降，造成圖像質量下降。為此，采用脈沖壓縮技術來提高R。 距離分辨率=0.1s=50,Rr=23m=35,Rr=18mAB、CD相距均為20m結論：俯角大，距離分辨率低。俯角小，距離分辨率高。 方位分辨率方位分辨率是在雷達飛行方向上，能分辨兩個目標的最小距離，即相鄰兩束脈沖之間，能夠分辨兩個目標的最小距離。方位分辨率與波瓣角及雷達至目標地物的距離R有關，即：D波瓣角與波長成正比，與天線孔徑D成反比，即：RR則：RDR表明：波長越短、孔徑越大、距離越近，則方位分辨率越高。例：波長=3cm，D=4m，衛星軌道高200Km 此時：R

50、=1.5Km若要R=3m，以能分辨汽車，不變 則：D=2000m。這樣長的天線，無論機載或星載都不現實。 基本思想：用一個小天線作為單個輻射單元，將基本思想：用一個小天線作為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動。在移動中選擇若干個此單元沿一直線不斷移動。在移動中選擇若干個位置，在每個位置上發射一個信號，接收相應發位置，在每個位置上發射一個信號，接收相應發射位置的回波信號貯存記錄下來。存貯時同時保射位置的回波信號貯存記錄下來。存貯時同時保存接收信號的幅度和相位。存接收信號的幅度和相位。 3.3.2 3.3.2 合成孔徑雷達合成孔徑雷達合成孔徑雷達的特點合成孔徑雷達的特點u距離向采用距離向采用脈

51、沖壓縮技術脈沖壓縮技術來提高分辨率來提高分辨率u 方位向通過方位向通過合成孔徑原理合成孔徑原理來改善分辨率來改善分辨率 用一系列的小天線排成一個陣列，每個小天線之間的距離為d，總長度為Nd。對于每個天線，脈沖發射是同時進行的，接收時也是同時接收信號。這就如同真實孔徑雷達一樣。成像原理成像原理NdL將所有不同時刻接收的同一將所有不同時刻接收的同一目標信號目標信號消除因時間和距離消除因時間和距離不同所引起的相位差不同所引起的相位差，修正，修正到同時接收的情況，就得到到同時接收的情況，就得到如同真實孔徑側視雷達一樣如同真實孔徑側視雷達一樣的效果。的效果。 比較比較 真實孔徑雷達天線的長度是實際長度，雷達波的發射和接收都是以其自身有效長度的效率直接反映到顯示紀錄中；合成孔徑雷達用一個小天線作為單個輻射單元 ，記錄每個反射信號。 真實孔徑天線在一個位置上接收目標的回波；合成孔徑天線是在不同位置上接收同一地物的回波信號。 真實孔徑天線接收目標回波后，好像物鏡那樣聚合成像；合成孔徑天線對同一目標的信號不是在同一時刻得到，在每一個位置上都要記錄一個回波信號。 SAR的方位分辨率RLRss合成后天線孔徑為：RDRLsSAR方位分辨率：DRs方位分辨率定義：2DRs由于合成孔徑天線雙程相移，所以方位分辨率還可提高