遥感原理与应用-第3章

两类成像光谱仪
面阵探测器加推扫式扫描仪
线阵列探测器加光机扫描仪
§3.3 雷达成像仪 本节内容
微波遥感发展历程 雷达一般结构 真实孔径雷达（RAR,Real aperture radar） 合成孔径雷达（SAR,synthetic aperture radar） 干涉雷达（INSAR,intervene SAR）
W a t
W为飞机的地速
Wt a ：将出现扫描漏洞 Wt a ：将出现扫描重叠
Wt a H
W H t
瞬时视场和扫描周期都为常数， 所以只要速度w与航高H之比为 一常数，就能使扫描线正确衔 接，不出现条纹图像.
红外扫描仪
热红外像片的色调特征:热红外像片上的色调变化与相应的 地物的辐射强度变化成函数关系。地物发射电磁波的功率 和地物的发射率成正比，与地物温度的四次方成正比，因 4 此图像上的色调也与这两个因素成相应关系。
雷达的基本知识
组成：发射器、接收器、转换开关、天线、记录器 原理：发射机产生脉冲信号，由转换开关控制，经天线 向观测地区发射。地物反射脉冲信号，也由转换开关 控制进入接收机。接收的信号在显示器上显示或记录 在磁带上。（雷达系统又是测距系统）
§3.1 传感器结构及分类—传感器的构成
3. 处理器：对收集的信号进行处理。如显影、 定影、信号放大、变换、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。 4. 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。
§3.2 扫描成像类传感器
微波遥感发展历程
SRTM 作用：美国国家测绘局（ NIMA ）联合美国国 家宇航局（ NASA ）利用“奋进”号航天飞机历时 222小时23分钟，获得了北纬60度到南纬56度之间的 全部地球表面高精度三维地形地图，其精度是现有地 图的 30 倍。 SRTM 仅用 9 天多的时间完成了人类在 20 世纪用100年时间才完成的全球 70％地区的地形图测 绘，这在科学技术史上是一大飞跃。 SRTM目的：建造全球性的、高精度的、统一基准的 数字地面高程数据库（DEM）。
W T
热红外像片中飞机巳发动的发动机温 度较高，色调很浅，显得亮。尾喷温 度更高，色调显得更亮。未发动的飞 机发动机，温度较低，显得很暗。水 泥跑道发射率较高，出现灰色调。飞 机的金属蒙皮，发射率很低，显得很 黑。从像片上可看出，热红外扫描仪 对温度比对发射本领的敏感性更高， 因为它与温度的四次方成正比，温度 的变化能产生较高的色调差别。
HRV线阵列推扫式扫描仪
2、全色的HRV 波段范围0.51—0.73μm。 特点：一个像元大小为10m×10m； 6000个CCD元件组成一行； 一行图像，相对地面上为10m×60km；
HRV线阵列推扫式扫描仪
为了在 26 天内达到全球覆盖一遍， SPOT 卫 星上平排安装二台HPV仪器。每台仪器视场宽都 为60km，两者之间有3km重叠，因此总的视场宽 度为 117km 。相邻轨道间的间隔约为 108km （赤 道处），垂直地面观测时，相邻轨道间的影像 约有 9km重叠。这样共观测 369圈，全球在北纬 81.3°和南纬 81.3°之间的地表面全部覆盖一 遍。
成像板：将成像面上接收的能量传递到探测器上去。
探测器：将辐射能量转变成电信号输出。
MSS多光谱扫描仪
成像过程：扫描仪每个探测器的瞬时视场为86μrad， 卫星高为 915km ，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨 力为 79m×79m ，每个波段由六个相同大小的探测元与 飞行方向平行排列， 这样在瞬间看到的地面大小为 474m×79m。又由于扫描总视场为 11.56°,地面宽度为 185km，因此扫描一次每个波段获取六条扫描线图像， 其地面范围为 474m×185km 。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。
产品价格(LANDSAT-7 2003年7月1日执行)
3.2.2 对像面扫描的成像仪
• HRV——线阵列推扫式扫描仪
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。 平面反射镜，将地面辐射 来的电磁波反射到反射镜 组，然后聚集在 CCD 线阵 列元件上， CCD 的输出端 以一路时序视频信号输出。
红外扫描仪
红外扫描仪的分辨率：
红外扫描仪的瞬时视场： d f
d：探测器尺寸（直径或宽度）；f:扫描仪的焦距
红外扫描仪垂直指向地面的空间分辨率 a0
a0 H d H f
H: 航高
在仪器设计时已经确定，所以对于一个使用着
的传感器，其地面分辨率的变化只与航高有关。航 高大，a0值自然就大，则地面分辨率差。
HRV线阵列推扫式扫描仪
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。
分解为三个过程：瞬间/1个扫描周期/一景
MSS多光谱扫描仪
MSS产品有以下几种类别： 粗加工产品：经过了辐射校准（系统噪声改 正）、几何校正（系统误差改正）、分幅注记 （28.6秒390次扫描分一幅）。 加工产品 : 在粗加工的基础上，用地面控制点 进行了纠正（去除了系统误差和偶然误差）。 特殊处理产品。
HRV线阵列推扫式扫描仪
SPOT-4卫星上的HRV分成两种形式： 1、多光谱型的HRV，共分三个谱段： 绿波段0.50－0.59μm；红波段0.61－ 0.68μm； 近红外0.79－0.89μm； 特点：每个像元的大小相对地面上为20m×20m。 每个波段有3000个探测元件。一行图像，相对 地面上为20m×60km。
3.2.1 对物面扫描的成像仪
• • • • 红外扫描仪 MSS多光谱扫描仪 TM专题制图仪 ETM+增强型专题制图仪
一、红外扫描仪
信号放大与调制
具体结构： 旋转扫描镜 反射镜 探测器 制冷设备 电子处理装置 输出装置。
反射镜
制 探 冷 测 器 器
旋转扫描镜
红外扫描仪
扫描成像过程： 当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线 方向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射能，由幅的 一边到另一边依次进入传感器，经探测器输出视频信 号，再经电子放大器放大和调制，在阴极射线管上显 示出一条相应于地面扫描视场内的景物的图像线，这 条图像线经曝光后在底片上记录下来。接着第二个扫 描镜面扫视地面，依次下去，就得到一条与地面范围 相应的二维条带图像。
扫描成像类型的传感器是逐点逐行以时序方式获 取二维图像，有两种主要的形式: 一是对物面扫描的成像仪,对特点是对地面直接扫 描成像，这类仪器有红外扫描仪、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。 二是对像面扫描的成像仪,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，电视摄 像机。
一、微波遥感发展历程
上世纪50年代，美军方侧视机载雷达（SLAR） 1978年，美国Seaset海洋卫星 1981年，美国航天飞机成像雷达（SIR） 1991年，欧洲空间局欧洲遥感卫星（ERS1） 1995年，ERS2发射。 1995年，加拿大Radarset 2000年2月11日，美国干涉雷达地形测图计划 （SRTM:Shuttle Radar Topography Mission） 2006年，日本ALOS-SAR
成像过程 瞬间（30m*16m） 一个周期 （480m*185km）
TM 各 波 段 特 征
ETM+增强型专题制图仪
波段号 类型 1 2 3 4 5 6 7 8 Blue-Green Green Red Near IR SWIR LWIR SWIR Pan 波谱范围 /um 0.450-0.515 0.525-0.605 0.630-0.69 0.775-0.90 1.550-1.75 10.40-12.5 2.090-2.35 0.520-0.90 地面分辨率 30m 30m 30m 30m 30m 60m 30m 15m
红外扫描仪
：扫描角 H0 ：航高
H H0 cos H0 sec
0 ：地面分辨率 a0 0 ：平行于航行方向地面分辨率 a H a0 sec
2 a a sec a sec ：垂直于航行方向地面分辨率 0
红外扫描仪
• 全景畸变:由于地面分辨率随扫描角发生变化，使 红外扫描影像产生畸变，这种畸变通常称之为全 景畸变，形成原因是像距保持不变，总在焦面上
§3.1 传感器结构及分类—传感器的构成
传感器的四个组成部分：
§3.1 传感器结构及分类—传感器的构成
1. 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。 2. 探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电 能具体的无器件如感光胶片、光电管、光敏
和热敏探测元件、共振腔谐振器等。
HRV线阵列推扫式扫描仪
立体观测方式 • HRV
–平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴 (x)轴旋转，从而在不同的轨道间实现立体观测
• HRG
–通过侧摆可在不同轨道上形成异轨立体
• HRSபைடு நூலகம்
–由前视后视相机组成，形成同轨立体
3.2.3 成像光谱仪
• 以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获 取图像信息的仪器 • 基本上属于多光谱扫描仪，其构造与CCD线 阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同， 区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度 很窄。
(二）MSS多光谱扫描仪
• 陆地卫星上的 MSS（Multispectral Scanner）多 光谱扫描仪由扫描反射镜、校正器、聚光系统、 旋转快门、成像板、光学纤维、滤光器和探测器 等组成。
MSS多光谱扫描仪
扫描仪的结构
扫描反射镜：获取垂直飞行方向两边共 185km 范围内
的来自景物的辐射能量，配合飞行器的往前运行获得 地表的二维图像。 反射镜组：将扫描镜反射进入的地面景物聚集在成像 面上。
三、TM专题制图仪
Landsat-4/5 上的 TM （ Thematic Mapper ）是一个高级 的多波段扫描型的地球资源敏感仪器，与多波段扫描 仪MSS性能相比，它具有更高的空间分辨力，更好的频 谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度和 分辨力。 特点： 1、TM中增加一个扫描改正器。2个作用 使扫描行垂直于飞行轨道 使往返双向扫描 2、TM的探测器共有100个，分七个波段。 3、探测器每组16个，呈错开排列。 TM6是4个
，而物距随扫描角发生变化所致。
航空像片
红外扫描像片
红外扫描仪
扫描线的衔接:当扫描镜的某一个反射镜面扫完一次后，第二 个反射镜面接着重复扫描，飞机的飞行使得两次扫描衔接。如 何让每相邻两条带很好地衔接，可由以下的关系式来确定。假 定旋转棱镜扫描一次的时间为t，一个探测器地面分辨率为a， 若要使两条扫描带的重叠度为零，但又不能有空隙，则必须
二、雷达的基本知识
雷达（Radar）意为无线电测距和定位。其工作波段都 在微波范围,少数也利用其他波段。 按照雷达的工作方式可分为：成像雷达和非成像雷达。 成像雷达中又可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视 雷达。 雷达是由发射机通过天线在很短的时间内，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而进行显示的一种传感器。
第三章 遥感传感器及其成像原理
本章主要内容
扫描成像类传感器 红外/MSS/TM/ETM+/HRV 雷达成像类传感器
真实孔径/合成孔径/侧视/相干雷达
§3.1 传感器结构及分类—传感器的分类
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传感器是获取遥感数据的关键设备 （1）摄影类型的传感器； （2）扫描成像类型的传感器； （3）雷达成像类型的传感器； （4）非图像类型的传感器。 可具体按下面分类