3.2 遥感平台与遥感传感器-传感器及成像原理

此，如果要使CCD元件能探测热红外区的电磁波，只有借助其他仪器
（如多元阵列热红外探测器），将热红外区的电磁辐射转换成电能，再 由CCD元件响应和感知。 思考：为什么CDD相机相比光/机类相机空间分辨率较高？
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(3) 高光谱成像光谱仪
• 成像光谱仪：既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的
技术，称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱
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光/机扫描仪的特点
• 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。
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(2) 推扫式扫描成像
• 用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的
传感器组成
传感器一般由收集器、探测器、处理器和输出器4部分组成。
3
传感器的组成部分
传感器的四个组成部分：
收集器：收集地物辐射来的能量。具体的元件如透镜组、反射镜组、
天线等。
探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。具体的元器件如感光
胶片、光电管、光敏和热敏探测元件、共振腔谐振器等。
处理器：对收集的信号进行处理。如显影、定影、信号放大、变换、
8
9
1 摄影类-缝隙摄像机
又称航带摄像机。在摄影瞬间 获取影像，与航向垂直，且与 缝隙等宽的一条地面影像。连 续暴光，不需要快门。
f W p Wi W H
Wp:航摄软片卷绕速度
Wi:影像在航摄机焦平面内移动速度
W:飞机地速
1 摄影类-全景摄像机
镜头转动式 又称航带摄像机。在摄影瞬间 获取在物镜焦平面上平行于飞
• 微波遥感：指通过传感器获取从目标地物发射或反射
的微波辐射，经过判读处理来认识地物的技术。
• 物体的微波反射、发射与它们的可见光或热红外的反
射、发射无直接关系。一般说来，微波响应给人们一 个完全不同于光和热的视角去观察世界。
• 为什么应用微波遥感？
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• 微波波段：
波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是 分米波、厘米波、毫米和亚毫米波的统称
第三章 遥感平台与遥感传感器
一、遥感平台及运行特点 二、遥感传感器及成像原理
1
遥感传感器及成像原理
内容提要 (Outline)
一、传感器定义及组成
二、传感器类型

摄影类型的传感器 扫描成像类型的传感器 雷达成像类型的传感器
2
一、传感器的定义及组成
传感器(Sensor)
收集、量测和记录从目标反射或辐射来的电磁波的仪器， 是遥感技术系统的核心。
“推扫”方式获取沿轨道德连续图像条带。
• 扫描方式上具有推扫式扫描成像特点。探测元件数目越多，体积
越小，分辨率就越高。电子藕合器件CCD逐步替代光学机械扫描
系统。
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推扫式成像示意图
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电荷耦合器件：CCD (Charge Coupled Device) ，是一种由硅等半导 体材料制成的固体器件，受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载， 在固体内移动，达到一路时序输出信号。 CCD的缺点：光谱灵敏度的有限，只能在可见光和近红外（1.2μm 以内）区能直接响应地物辐射来的电磁波。对于热红外区没有反应。因
f
H2 H1
正射投影 中心投影
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地形起伏对正射投影 无影响
对中心投影引起投影差 航片各部分的比例尺不同
a
b
c
a
b
c
C A’ B A C’ A’ B C’
C
A
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正射投影: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 水平
倾斜 f
b
a
c
H
A
B
C
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(3) 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。
f n r a0
S
h
a
像点
H-h H
rh h H Rh h H h
R h N
A 地面点
h A0 A’
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2 扫描成像类传感器
• 摄影类传感器的弱点：乳胶片感光技术本身存在着致命的弱点，
图像斑点噪声较为严重。
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微波遥感的分类
53
在微波遥感中开展主动式遥感的必要性？
54
55
主动式微波-侧视雷达
雷达工作的原理：
由发射机通过天线在很短时间内，向目标地物发射一束很 窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接收目标地物反 射的回波信号
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摄影成像
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1 摄影类-分幅式摄像机
一次曝光得到一幅影像。
以单中心投影方式获取某一观测区
的一幅影像的成像方式。 一张像片上的所有像点共用一个摄影 中心和同一个像片面，即所谓中心投 影，就是平面上各点的投影光线均通 过一个固定点（投影中心或透视中 心），投射到一平面（投影平面）上 形成的透视关系。
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• 微波极化：
38
39
40
同一地区同一 波段不同极化 的雷达图像存 在着明显的区 别。 不同极化的图 像就象不同波 段一样可彩色 合成。
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微波遥感的特点
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微波遥感的特点 (1)
1.全天候、全天时, 能穿透云雾、雨雪，不受天气影响
地球上经常有40%-60%的地区被云层覆盖着，尤其是占地球面积五分之三的 海洋上，气候条件变化更大，经常被云层遮蔽，可见光和红外遥感无能为力 微波雷达遥感可以作为光学图像的补充，对多云多雾地区监测，发挥重要作用
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微波遥感的特点 (1)
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微波遥感的特点 (1)
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微波遥感的特点 (2)
• 旱季
• 雨季
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微波遥感的特点 (2)
2.对土壤、森林、冰雪等有一定的穿透能力
1米波长
1厘米波长
由树顶反射的微波信号
由树顶、树干、 地面反射的信号
由树顶、树干反 射的信号
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微波遥感的特点 (2)
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微波遥感的特点 (3)
3.能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的信息
• 例如，微波高度计和合成孔径雷达具有测量距离的能力
，可用于测定大地水准面。
• 利用微波探测海面风力场，可提取海面动态信息。 • 根据冰的界电常数不同，可以探测海冰的结构和分类。 • 根据含盐度对水的界电常数的影响可以探测海水的含盐
度。
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微波对海水海风等的变化敏感
仪。
• 特点：高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图像是多达数百个
波段的非常窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、
近红外、中红外和热红外区域全部光谱带，可以收集200或200以 上波段的收据数据，使图像中的每一像元均得到连续的反射率曲
线，而不像其他一般传统的传感器成像在波段之间存在间隔。
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多光谱/ 高光谱比较
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。
• 扫描成像类传感器：逐点逐行地以时序方式获取二维图像，有两
种主要的形式：
(1) 光/机扫描仪(mechanical line scanning)，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； (2) 推扫式扫描仪(push broom scanning)，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推扫式成像仪等。
•线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪。它利用点探测器收集光
谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别成像于线阵列探测器 的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿 轨道方向的运行完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。
面阵探测器加推扫式示意图
线阵列探测器加光机扫描示意图
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3 微波遥感与雷达成像
玻璃棱镜可以将白光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
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摄影像片的几何特征
(1) 像片的比例尺
(2) 像片的投影
(3) 像点位移
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(1) 像片的比例尺
• 航片上两点之间的距离与地面上相应两点实际水平距离之
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。
缝隙 摆动物镜筒
行方向设置一狭缝，随物镜作 垂直航线方向扫描。由于物镜 摆动的幅面很大，可将航线两 飞行方向 边地平线内的影像摄入底片， 扫描方向 故称全景摄影机。
航线
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1 摄影类-多光谱摄像机
- 对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机。 -可充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征，来增 多获取目标的信息量，以提高识别地物能力。
像平面 投影中心 f 比例尺 =f/H H
地物
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(2) 像片的投影
中心投影和垂直投影
c d C a B b d C D A 正射投影 c a B b
D
中心投影
A
航片是中心投影，即摄影光线交于同一点 地图是正射投影，即摄影光线平行且垂直投影面。
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中心投影和垂直投影的区别
正射投影: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
角度称为瞬时视场角。即扫描仪的空间分辨率。
- 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。
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光/机扫描成像示意图
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几种常见的光/机扫描仪
• 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。 • 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。 • 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。
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(1) 光/机扫描成像
• 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。探测元件把接收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。 - 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
摄影类型的传感器 扫描成像类型的传感器 雷达成像类型的传感器
5
摄影成像
定义： -摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。 -传统摄影：依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录 物体影像。 -数字摄影：通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换， 以数字信号来记录物体的影像。 依据探测波段 -近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影
一种成像方式
• 法国SPOT卫星上装载的HRV（High Resolution Visible range
instrument）是一种线阵列推扫式扫描仪。仪器中有一个平面反射
镜，将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组，然后聚焦在CCD线
阵列元件上。由于使用线阵列的CCD元件作为探测器，在瞬间能 同时得到垂直于航线的一条图像线，不需要用摆动的扫描镜，以
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微波遥感的特点 (4)
4.同时记录振幅和相位信息，可获取高程信息
Liu et al., 2009
5-12汶 川地震 同震地 表形变 干涉图
利用干涉测 量技术，可 以监测地形 变化，如地 震、地壳运 动等，精度 可以达到厘 米级。
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微波遥感的特点 (5)
5.微波遥感也存在缺陷：
空间分辨率相对较低(被动式)； 由于成像方式的特殊性，地物判读困难；
校正和编码等。具体的处理器类型有摄影处理装置和电子处理装置。
输出器：输出获取的数据。输出器类型有扫描晒像仪、阴极射线管、
电视显像管、磁带记录仪、彩色喷墨仪等等。
4
二、传感器类型
遥感传感器是获取遥感数据的关键设备，由于设计和获取 数据的特点不同，传感器的种类也就繁多，就其将基本结构原 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：
-有三种基本类型： •多摄影机型多光谱摄影机 •多镜头型多光谱摄影机 •光束分离型多光谱摄影机
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1 摄影类-多光谱摄像机
a、多相机组合型；b 、多镜头组合型； c 、光束分离型
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棱镜分光实验－光谱分解 The Prism Experiment (Newton, 1666)
Zhou, 2006
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成像光谱仪类型
成像光谱仪按其结构的不同，可Baidu Nhomakorabea为两种类型
•面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪。它利用线阵列探测器进
行扫描，利用色散元件将收集到的光谱信息分散成若干个波段后， 分别成像于面阵列的不同行。这种仪器利用色散元件和面阵探测器 完成光谱扫描，利用线阵列探测器及沿轨道方向的运动完成空间扫 描，它具有空间分辨率高（不低于10～30m等特点，主要用于航天 遥感。