第四章传感器成像原理与其图像特征
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第四章 传感器及其成像原理
❖传感器是收集、探测、记录地物电磁波
辐射信息的工具。
❖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。
第一节 遥感传感器
➢ 传感器分类 ➢ 传感器的组成 ➢ 传感器的性能指标
传感器的分类
传感器性能
辐射分辨率
传感器接受波谱信号时，能分辨的最小辐射度 差，即遥感图象上每一个像元的辐射量化级。
摄影成像：灰度连续 扫描成像：灰度离散，分级记录，2n级。灰度 级别越多，辐射分辨率就越高。
遥感影像特征： 空间分辨率 波谱分辨率 辐射分辨率 时间分辨率
时间分辨率指对同一地点进行重复观测的最小时间间隔，
对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机 称为多光谱摄影机 。分为多镜头型多光谱摄影机、多摄影 机型和光束分离型多光谱摄影机。
（1）多摄影机型多光谱摄影机 （2）多镜头型多光谱摄影机 （3）光束分离型多光谱摄影机
多架普通的航空摄影机； 普通航空摄影机；
不同的滤光片和胶片； 配置多个镜头；
同时曝光。
扫描成像----像元： 扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小 。
摄影成像----摄影比例尺（或线对）： 摄影比例尺1/m = f/ H Rg=Rs* f/ H
传感器性能
• 波谱分辨率又称光谱分辨率是指传感器在接收目标
辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。
•波长间隔愈小，分辨率愈高。即在等长的波段宽 度下，传感器的波段数越多，各个波段宽度越窄， 地面物体的信息越容易区分和识别，识别性越强 。
A BC
中心投影与正射投影的区别
3）地形起伏的影响
地形起伏对正射投影 无影响
a
b
c
C
A’
B
C’
A
对中心投影引起投影差 航片各部分的比例尺不同
ac b
C
A’
B
C’
A
（二）像片的比例尺
——像片上两点之间的距离（ ab ） 与地面相应两点之间的距离（AB） 之比。
1/m = f/H = ab/AB f：物镜的焦距 H：飞行器的相对航高
第二节 摄影成像原理
一、摄影类型的传感器 二、摄影像片的几何特征 三、摄影胶片的物理特性
框幅式摄影机
组成：收集器、物镜和探测器、感光胶片、 暗盒、快门、光栏、机械传动装置等。
成像原理：在某一摄影瞬间获得一张完整的像片，
这张像片上所有像点共用一个摄影中心和同一个像片 面。
全景摄影机
——又称为扫描摄影机。 镜头转动式： 成像原理：在物镜焦平面上平行于飞行 方向设置一狭缝，并随物镜做垂直航线 方向扫描，得到一幅扫描成的影像图， 所以称为扫描像机。它能将航线两边的 地平线内的影像都摄入底片，又称为全 景摄影机。
根据分类的方法不同，传感器大致有如下几种类型：
（1）按传感器工作的波段: ---可见光传感器 ---红外传感器 ---微波传感器
（2）按工作方式： ---主动传感器 ---被动传感器
被动式传感器接收目标自身的热辐射或反射太阳辐射； 主动式传感器向目标发射强大的电磁波并接收目标反射的 回波，主要指各种形式的雷达。
处理器：对转换后的信号进行各种处理，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。
输出器：输出信息的装置。输出器类型主要有扫描晒像仪、 阴极射线管、电视显象管、磁带记录仪等。
传感器性能
•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，是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。
缝隙式摄影机
——又称为航带摄影机。
成像原理：在飞机或卫星上，摄影瞬间 所获取的影像，是与航向垂直，且与缝 隙对应的一条地面影像。当飞机或卫星 向前飞行时，摄影机连续曝光，摄影机 内的胶片也不断地进行绕卷，且其速度 与地面在缝隙中的影像移动速度相同， 就能得到连续的条带状的航带摄影负片。
多光谱摄影机
镜头选配相应的
滤光片与胶片。
单镜头多光谱摄影； 光束经分光装置分 成几个光束，然后 分别在相应的感光 胶片上成像。
二、摄影像片的几何特征
主光轴：通过物镜中心并与主平面（焦平面）垂直的直线； 主光轴垂直于像片面
像主点：主光轴与感光片的交点 像片倾角（航摄倾角）：像片面与水平面的夹角
主光轴与铅垂线的夹角
面阵成像光谱仪 成像光谱仪
线阵成像光谱仪
真实孔径雷达 合成孔径雷达
传感器的组成
收集器：负责收集地面目标辐射的电磁波能量。具体元件 形式多种多样，如透镜组、反射镜组、天线等。
探测器：主要功能是将收集到的电磁辐射能转变为化学能 或电能。具体的元件主要有感光胶片、光电管、光敏和热敏 探测元件、共振腔谐振器等。
即重访周期。
时间分辨率能提供地物动态变化的信息，可用来对地物的变化 进行监测，也可以为某些专题要素的精确分类提供附加信息。
时间分辨率的类型：
①超短（短）周期时间分辨率，可以观测到一天之内的变化， 以小时为单位。 ②中周期时间分辨率，可以观测到一年内的变化，以天为单位。 ③长周期时间分辨率，一般以年为单位的变化
按摄影机主光轴与铅垂线的关系分：垂直摄影和倾斜摄影
垂直摄影：
航摄倾角≤3° 获得近水平的航空像片 是航空遥感图象的主要获取方法
倾斜摄影：
航摄倾角>3° 获得倾斜航空像片 一般用于科学研究
垂直摄影像片的几何特征
（一）像片投影 ——中心投影
用一组假想的直线将物体向几何面投射称为投影。 其投射的直线称为投射线。 中心投影：投射线会聚于一点的投影方式。 正射投影：投射线都垂直于投射平面。 —大比例尺地形图
传感器分类
（3）按照数据记录方式: ---成像方式传感器 ---非成像方式传感器:记录地物的一些物 理参数。
传感器的分类
成像传感器是目前最常见的传感器类型，其分类如下图：
成像传感器
被动式 主动式
光学摄影类型
光电成像类型 全景雷达 侧 视 雷达
框幅摄影机 全景摄影机 多光谱摄影机 TV摄影机 扫描仪 电荷耦合器件CCD
正射投影
中心投影
中心投影与正射投影的区别
1）投影距离的影响
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
正射投影
f
H2 H1
中心投影
中心投影与正射投影的区别
2）投影面倾斜的影响
各点相对位置与
倾斜
形状保持不变
各点相对位置与 形状发生变化
f
倾斜
水平
a
bc
比例尺
H
f/H
❖传感器是收集、探测、记录地物电磁波
辐射信息的工具。
❖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。
第一节 遥感传感器
➢ 传感器分类 ➢ 传感器的组成 ➢ 传感器的性能指标
传感器的分类
传感器性能
辐射分辨率
传感器接受波谱信号时，能分辨的最小辐射度 差，即遥感图象上每一个像元的辐射量化级。
摄影成像：灰度连续 扫描成像：灰度离散，分级记录，2n级。灰度 级别越多，辐射分辨率就越高。
遥感影像特征： 空间分辨率 波谱分辨率 辐射分辨率 时间分辨率
时间分辨率指对同一地点进行重复观测的最小时间间隔，
对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机 称为多光谱摄影机 。分为多镜头型多光谱摄影机、多摄影 机型和光束分离型多光谱摄影机。
（1）多摄影机型多光谱摄影机 （2）多镜头型多光谱摄影机 （3）光束分离型多光谱摄影机
多架普通的航空摄影机； 普通航空摄影机；
不同的滤光片和胶片； 配置多个镜头；
同时曝光。
扫描成像----像元： 扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小 。
摄影成像----摄影比例尺（或线对）： 摄影比例尺1/m = f/ H Rg=Rs* f/ H
传感器性能
• 波谱分辨率又称光谱分辨率是指传感器在接收目标
辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。
•波长间隔愈小，分辨率愈高。即在等长的波段宽 度下，传感器的波段数越多，各个波段宽度越窄， 地面物体的信息越容易区分和识别，识别性越强 。
A BC
中心投影与正射投影的区别
3）地形起伏的影响
地形起伏对正射投影 无影响
a
b
c
C
A’
B
C’
A
对中心投影引起投影差 航片各部分的比例尺不同
ac b
C
A’
B
C’
A
（二）像片的比例尺
——像片上两点之间的距离（ ab ） 与地面相应两点之间的距离（AB） 之比。
1/m = f/H = ab/AB f：物镜的焦距 H：飞行器的相对航高
第二节 摄影成像原理
一、摄影类型的传感器 二、摄影像片的几何特征 三、摄影胶片的物理特性
框幅式摄影机
组成：收集器、物镜和探测器、感光胶片、 暗盒、快门、光栏、机械传动装置等。
成像原理：在某一摄影瞬间获得一张完整的像片，
这张像片上所有像点共用一个摄影中心和同一个像片 面。
全景摄影机
——又称为扫描摄影机。 镜头转动式： 成像原理：在物镜焦平面上平行于飞行 方向设置一狭缝，并随物镜做垂直航线 方向扫描，得到一幅扫描成的影像图， 所以称为扫描像机。它能将航线两边的 地平线内的影像都摄入底片，又称为全 景摄影机。
根据分类的方法不同，传感器大致有如下几种类型：
（1）按传感器工作的波段: ---可见光传感器 ---红外传感器 ---微波传感器
（2）按工作方式： ---主动传感器 ---被动传感器
被动式传感器接收目标自身的热辐射或反射太阳辐射； 主动式传感器向目标发射强大的电磁波并接收目标反射的 回波，主要指各种形式的雷达。
处理器：对转换后的信号进行各种处理，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。
输出器：输出信息的装置。输出器类型主要有扫描晒像仪、 阴极射线管、电视显象管、磁带记录仪等。
传感器性能
•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，是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。
缝隙式摄影机
——又称为航带摄影机。
成像原理：在飞机或卫星上，摄影瞬间 所获取的影像，是与航向垂直，且与缝 隙对应的一条地面影像。当飞机或卫星 向前飞行时，摄影机连续曝光，摄影机 内的胶片也不断地进行绕卷，且其速度 与地面在缝隙中的影像移动速度相同， 就能得到连续的条带状的航带摄影负片。
多光谱摄影机
镜头选配相应的
滤光片与胶片。
单镜头多光谱摄影； 光束经分光装置分 成几个光束，然后 分别在相应的感光 胶片上成像。
二、摄影像片的几何特征
主光轴：通过物镜中心并与主平面（焦平面）垂直的直线； 主光轴垂直于像片面
像主点：主光轴与感光片的交点 像片倾角（航摄倾角）：像片面与水平面的夹角
主光轴与铅垂线的夹角
面阵成像光谱仪 成像光谱仪
线阵成像光谱仪
真实孔径雷达 合成孔径雷达
传感器的组成
收集器：负责收集地面目标辐射的电磁波能量。具体元件 形式多种多样，如透镜组、反射镜组、天线等。
探测器：主要功能是将收集到的电磁辐射能转变为化学能 或电能。具体的元件主要有感光胶片、光电管、光敏和热敏 探测元件、共振腔谐振器等。
即重访周期。
时间分辨率能提供地物动态变化的信息，可用来对地物的变化 进行监测，也可以为某些专题要素的精确分类提供附加信息。
时间分辨率的类型：
①超短（短）周期时间分辨率，可以观测到一天之内的变化， 以小时为单位。 ②中周期时间分辨率，可以观测到一年内的变化，以天为单位。 ③长周期时间分辨率，一般以年为单位的变化
按摄影机主光轴与铅垂线的关系分：垂直摄影和倾斜摄影
垂直摄影：
航摄倾角≤3° 获得近水平的航空像片 是航空遥感图象的主要获取方法
倾斜摄影：
航摄倾角>3° 获得倾斜航空像片 一般用于科学研究
垂直摄影像片的几何特征
（一）像片投影 ——中心投影
用一组假想的直线将物体向几何面投射称为投影。 其投射的直线称为投射线。 中心投影：投射线会聚于一点的投影方式。 正射投影：投射线都垂直于投射平面。 —大比例尺地形图
传感器分类
（3）按照数据记录方式: ---成像方式传感器 ---非成像方式传感器:记录地物的一些物 理参数。
传感器的分类
成像传感器是目前最常见的传感器类型，其分类如下图：
成像传感器
被动式 主动式
光学摄影类型
光电成像类型 全景雷达 侧 视 雷达
框幅摄影机 全景摄影机 多光谱摄影机 TV摄影机 扫描仪 电荷耦合器件CCD
正射投影
中心投影
中心投影与正射投影的区别
1）投影距离的影响
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
正射投影
f
H2 H1
中心投影
中心投影与正射投影的区别
2）投影面倾斜的影响
各点相对位置与
倾斜
形状保持不变
各点相对位置与 形状发生变化
f
倾斜
水平
a
bc
比例尺
H
f/H