04第四章 传感器

LandSat15米ETM全色卫星影像
舊金山市附近的自然景觀，以及周 圍的丘陵地貌 (上方是北方)。三個 可見光波段照片所組合出來的自然 色彩影像。
http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/mirrors/apod/ap990514.html
•QuickBrid传感器
说明：三维成 像仪于2000年 3月在上海市 中心区飞行获 取的热红外扫 描图像、GPS 数据和姿态数 据进行了快速 处理.这次飞行 的高度约为 650m,视场角 CJFD2001
（二）MSS多光谱扫描仪 （Multispectral Scanner）

利用多个波段的敏感元件同时对地物扫描成像的遥感器。探 测波段：紫外、可见光、红外波段。
在Spot5上增加了HRG传感器

Wetlands of special state concern (yellow) and submerged aquatic vegetation (green) displayed on SPOT 10-meter panchromatic image of Chesapeake Bay area. This image of Anne Arundel County, Maryland, illustrates MERLIN's mapping and data display capabilities and was taken directly from the Web site.

三、（4.1）传感器的类型
按数据记录方式划分：非成像方式、成像方式
（光学类 （摄影成像类） 、扫描类 （扫描成 像类））
按波段划分：可见光、红外、微波 按工作方式划分：被动（光学摄影类、光电成
像类、成像光谱仪）、主动（侧视雷达、全景
雷达）
四、（4.2）传感器的性能
最具实用意义的指标是传感器的分辨率，包括空 间、时间、光谱、温度分辨率。
（四）温度分辨率

指热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力。 如TM6图像的温度分辨率可达到0.5K。
五、（4.3）光学成像（摄影）类型传感器

光学照相机是最早的一种遥感器，也是今天常见的 一种遥感器。它的工作波段在近紫外、可见光到近 红外（0.32～1.3微米）之间，通过光学系统采用胶 片或磁带记录地物的反射光谱能量。工作平台主要 是航空平台，侦察卫星和早期的回收式遥感卫星。
第四章 传感器
遥感技术的核心
主要内容：
一、传感器的定义 二、传感器的组成 三、传感器的分类 四、传感器的性能指标 五、摄影型传感器 六、扫描方式的传感器
一、传感器的定义
传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息 的工具。它遥感技术系统中数据获取的关键设备。 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。
������ 数字影像：记录在磁性介质之上的数字矩阵， 能够被计算机存储、处理和使用，又称为数字量。 ������ 模拟影像：基于光学原理，利用感光胶片来曝 光成像，通过光学摄影获得的物质胶片、相片；又 称为模拟量（对现实的模拟）。 ������ 模拟影像和数字影像之间的转换称为数摸转换， A/D转换。 ������ A-analog signals; D-digital signals.
Landsat-1，2携带的多光谱扫描仪

扫描仪每个探测器的瞬时视场为86urad，卫星高为 915km，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨率为 79m x 79m，每个波段由6个相同大小的探测单元与 飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小为 474m x 79m。由于扫描总视场为11.56°，地面宽 度为185km，因此扫描一次每个波段此取6条扫描 线图像，其地面范围为474m x185km。又因扫描周 期为73.42ms，卫星速度(地速)为6.5km/s，在扫描 一次的时间里卫星往前正好移动474m，因此扫描线 恰好衔接。
用于遥感的光学相机有以下几种类型： 框幅式摄影机（分幅式摄影机）； 缝隙式摄影机（又称航带摄影机） ； 全景摄影机（又称扫描摄影机 ）； 多光谱摄影机 。

分幅式摄影机
缝隙式摄影机
全景摄影机
多光谱摄影机有三种类 型：多相机组合型、多 镜头组合型和光束分离 型。
多光谱摄影机
分幅式摄影机



（一）空间分辨率 指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，是像 素所代表的地面范围的大小，或地面物体能分辨的最小单元， 用来表征分辨目标细节能力的指标。通常用像元（像素）大 小、像解率或视场角表示。 像元（pixel），单位：米，越小空间分辨率越高； 像解率，对于光学影像像片，单位距离内能分辨的线宽或间 隔相等的平行细线的条数来表示，单位：线/毫米，越大空间 分辨率越高； 瞬时视场是指在扫描成像过程，一个光敏探测元件通过望远 镜系统投影到地面上的直径或边长。

•SPOT HRV (High Resolution Visible)传感器的 波段设置和光谱效应
波段 1 2 3 Pan 波长（μ m） 0.50—0.59 0.61—0.68 0.79—0.89 0.51—0.73 光谱段 绿黄光波段 橙红光波段 近红外波段 全色波段 同 TM 2 同 TM 3 同 TM 4 立体像对、高程量测 光谱效应

对于特定传感器地面分辨率是定值，但印制的遥感影像比例 尺可放大或缩小，地面分辨率在不同比例尺的具体影像上的 反映称为影像分辨率。例如专题制图仪TM1~5，7波段的一 个象素（pix）代表地面28.5米×28.5米，或概略地说它的 空间分辨率为30米，在1：10万图像上影像分辨率为0.3mm， 在1：20 万图像上则为？。




根据摄影的目的要求不同，相机的镜头透镜可用常角（视场 角50°-70°）、宽角（视场角70°-105°）和特宽角镜头 （视场角105°-135°）。在同样平台高度的情况下，视场 角愈大，覆盖地面范围愈大。 镜头与焦平面的距离为该相机的焦距，焦距f<100mm的为短 距，100-200mm为中焦距，>200mm为长焦距。现在常用的 航空摄影相机的焦距在150mm左右。用于航天的摄影机的焦 距需要大于300mm，甚至大于1000mm的。 一般的遥感摄影机镜头中心的光学分辨率通常在70-100线对 /mm。分幅式摄影机拍摄的地面一般呈长宽一致的方形。在 胶片上形成缩小了的地面影像。 RMKA30/23 航天摄影机，焦距、像幅、高度、比例尺 （？）、范围。
二、传感器的组成
遥感传感器由四个基本部件组成： 收集器。如透镜组、反射镜组、天线、棱镜。 探测器。如感光胶片、光电管、光敏和热敏
探测元件。 处理器。如摄影处理装置和电子处理装置。 输出器。如扫描晒像仪、阴极摄像管、电视 显像管等。胶片和磁带。
电磁波能量 化学能或电能
传感器的记录信息的形式:
地速是指飞机相对与地面物体的速度 。
•Landsat7 TM、ETM+传感器 的波段设置和光谱效应
波 段 1 2 3 4 5 6 7 8 波长 （μm） 0.45-0.52 0.52-0.60 0.63-0.69 0.78-0.90 1.55-1.75 10.4-12.6 2.09-2.35 0.52-0.90 光谱段 分辨 率 （米） 30 30 30 光谱效应
遥感数据类型
分辨率/m
应用
源自文库
IKONOS SPOT-HRV1-3
SPOT-HRV Pan ETM1-5，7
1 20
10 30
城市规划、土地管理 宏观规划、国土资源
立体量测 陆地资源调查
（二）光谱分辨率（波谱分辨率）


波谱分辨率是指遥感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最 小波长间隔。间隔愈小，波谱分辨率愈高，反之则低。一般 认为，当最小波长间隔在不同量级变化时，其遥感类型命名 也不同（见下表） 光谱分辨率变化幅度与遥感类型的关系

扫描成像是指依靠探测元件和扫描镜对目标物以 瞬间视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到 目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图 像。
扫描方式
线扫：传感器来回摆动，传感器摆动方向和
传感器运动方向垂直，一次摆动获得多行数 据。一般为线阵排列。 推扫：不需要摆动扫描镜，可以推扫方式获 取沿轨道的连续图像带。有线阵和面阵两种 排列方式。例如线阵列推扫式扫描仪Spot HRV(High Resolution Visible range instrument )
推扫
（一）红外扫描仪
旋转扫描镜的作用是实现对地面 横越航线方向的扫描，并将地面 辐射来的电磁波反射到反射镜组。 反射镜组的作用是将地面辐射来 的电磁波聚焦在探测器上。探测 器则是将辐射能转变成电能。致 冷器为了隔离周围的红外辐射直 接照射探测器，一般机载传感器 可使用液氧或液氮致冷。电子处 理装置主要是对探测器输出的视 频信号放大和进行光电变换。输 出端是一个阴级射线管和胶片传 动装置。电流强度（视频信号） 经电光变换线路调制阴极射线管 的阴极，这时阴级射线管屏幕上 扫描线的亮度变化相应于地面扫 描现场内的辐射量变化。胶片曝 光后得到扫描线的影像。
2.4-2.7
2.4-2.7 2.4-2.7
同TM2
同TM3 同TM4
5
0.45-0.90 全色波段
0.6
提高影像分辨率
北京故宫0.6快鸟 北京故宫0.6快鸟
（三）CCD
CCD传感器(Charge Coupled Device)称电荷耦合 器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式 传输信号的探测元件。 线阵列CCD推扫式成像仪用平行排列的CCD探测杆 收集地面辐射信息，每根探测杆由3 000/6 000个 CCD元件呈一字排列，负责收集某一波段的地面辐 射信息使用线阵列的CCD元件作探测器，在瞬间能 同时得到垂直航线的一条图像线，不需要用摆动的 扫描镜，像缝隙摄影机那样，以“推扫”方式获取 沿轨道的连续图像条带。一幅影像由若干条线影像 拼结而成。 若干个CCD器件排在一个矩形中，可构成面阵列传 感器，面阵一次得到一个2维数字方阵，某一瞬间 获得一幅完整的影像。与框幅式摄影相似

Mss: 100~2000nm；成像光谱仪：5~10nm。一般来说， 传感器的波段数越多，波段宽度越窄，地物的信息越容易区 分和识别，针对性越强。但也会造成信息量太大，反而不利 于识别地物信息。所以，要根据实际需要，恰当地选择波段。
（三）时间分辨率



对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，称 为遥感图像的时间分辨率。根据回归周期的长短，时间分辨 率可分为三种类型： 超短（短）周期时间分辨率，以小时为单位，如气象卫星； 中周期时间分辨率，以天为单位； 长周期时间分辨率，以年为单位。 例如，陆地资源卫星landsat 16天一次，静止气象卫星（地 球同步气象卫星）：1次/0.5小时；太阳同步气象卫星：2次/ 天
六、（4.4）光电成像与扫描
光电成像：传感器将收集到的电磁波能量，通过仪 器内的光敏或热敏元件（探测器），转变成电能后 再来记录下来的成像方式。 优点为：扩大了探测的波段范围；便于数据的存储 与传输 该类型传感器：电视摄像机、扫描仪和电荷耦合器 件CCD，其中以多光谱扫描仪和CCD应用最为广泛。
上海市中心区热 红外扫描图像 F ig.7 T herm a l in frared im age of Shangha i(cen tra l area)

http://define.cnki.net/science/WebForms/imageRes ult.aspx?q=%E7%83%AD%E7%BA%A2%E5%A4 %96&page=1
多光谱扫描成像，包括1个全色波段，4个多光谱波段。 全色地面分辨率0.6米，多光谱地面分辨率2.7米。
波 段 1 波长 （μm） 光谱段 分辨率 （米） 2.4-2.7
同TM1
光谱效应
0.45-0.52 蓝绿光波段
2
3 4
0.52-0.60 绿光波段
0.63-0.69 红光波段 0.76-0.90 近红外光波段
蓝绿光波段 绿光波段 红光波段
水体透视、叶绿素、干燥土壤、茂密植被
水体、植被（林型、树种）
植被种类、覆盖度；岩性、土壤、水中泥沙
近红外光波段 30 近红外光波段 30 热红外光波段 60 近红外光波段 30 全色波段 15
植被、生物量、作物长势监测 土壤湿度与类型、植物含水量、岩性 地表温差、水温变化、城市热岛 岩石类型、地质探矿与制图 提高影像分辨率