第3章-遥感传感器和它的成像方式

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立体观察仪器
常见的有：透镜式立体镜，反光式立体镜，扫描式立
体观察仪，主体显微镜 等
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根据胶片结构，可将航空摄影像片分为：
黑白全色片
黑白红外片
航
空
摄 影
天然彩色片
像
片
彩色红外片
多光谱摄影像片
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3.3 扫描成像
扫描成像概念（…)
扫描成像：利用扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行逐点逐行 收集电磁波能量，再通过探测元件（光敏/热敏）把接收到的电磁 波能量转换成电信号，在磁介质上记录或再经过电/光装置转换为 光能，在设置于焦平面的胶片上形成影像。
传
• 感光胶片、光电敏感元件、固体敏感元件和波导
感 探测器
器
的
• 进行信号的放大、增强与调制
组
• 光电转化器
处理器
成
输出器
• 直接方式：摄影分幅胶片、扫描航带胶片、合成孔径雷达的波带片、显像 管荧光屏
• 间接方式：模拟磁带和数字磁带
• 输出器的类型：扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、彩 色喷墨记录仪等。
单 镜 头 框 幅 式 摄 影 机 构 造 示 意 图
镜头分为常角、宽角和特宽角；航空摄影机的焦距一般在150mm左右，航天摄影 机的焦距需要大于300mm甚至1000mm。像幅通常为230mm×230mm和180mm×180mm 。
摄影机类型
2. 缝隙式摄影机
缝 隙 式 摄 影 机
缝隙式摄影机： 又称为是航带 摄影机，通过 焦平面前方设 置的与飞行垂 直的狭缝快门 获取横向的狭 带影像。多中 心投影。某一 瞬间获取的影 像仍为中心投 影。
返回 地形平坦、垂直摄影时：像片的平均比例尺1/m＝ｆ/H＝ab/AB,通 常ｆ可以在像片的边缘或相应的影像资料（遥感摄影报告、设计书） 中找到，H由摄影部门提供。在不知道航高时。也可以根据一定条 件求出。
像点位移：在中心投影的像片上，由于地形的起伏（除引起像片 比例尺变化外，）引起平面上的点位在像片位置上的移动，其位移 量就是中心投影与垂直投影在同一水平面上的“投影误差”。
第3章 传感器及其成像方式
3.1 传感器概述 3.2 摄影成像系统 3.3 扫描成像系统
3.1 传感器概述
1 传感器的分类 2 传感器的组成 3 传感器的性能
传感器是收集、探 测、记录地物电磁波 辐射信息的装置。
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。
固体自扫描成像
与框幅式摄影机相似，某 一瞬间获得一幅完整影像， 一个中心投影。
在某一瞬间得到的是一条线影像，一幅 影像是由若干条线影像拼接而成，因此 又称为推帚式扫描成像。成像方式在几 何关系上同缝隙式摄影机情况相同。
和光学机械扫描相比，推扫式扫描的主要特点：
（1）探测器有了相对较长的信息采集时间，可以更充分地测量每个地面 分辨单元的能量，获取更强的记录信号和更大的感应范围，增加了相对信噪 比，从而能得到具有更高空间分辨率和辐射分辨率的遥感图像。
投影面倾斜对构像的影响
中心投影与垂直投影的区别
3.地形起伏的影响：垂 直投影起伏变化大， 投影点之间的距离与 地面实际水平距离成 比例缩小，相对位置 不变。中心投影时， 地面起伏越大，像上 投影点水平位置的位 移量就越大。这种误 差为有一定的规律。
地形起伏对构像的影响
中心投影的构像规律
地面物体是一点，在中心投影上仍然是一个点。如果有几个点同 在一投影线上，它的影像便重叠成一个点。
与像面平行的直线在中心投影上仍为直线，与地面目标形状基本 一致。例如：地面上有两条道路以某种角度相交，反映在中心投影 像片上也仍然以相应的角度相交。如果直线垂直于地面（如电线杆） 其中心投影有两种情况：其一,当直线与像片垂直并通过投影中心 （主光轴）时，该直线在像片上是个点。其二，直线的延长线不通 过投影中心（主光轴）时，这时直线的投影仍为直线，但该垂直线 状目标的长度和变形情况取决于目标在像片中的位置。近像片中心， 直线的长度被缩短，在像片的边缘，直线的长度被夸大。
根据成像过程中所使用的波段数；光学遥感系统分为： （1）全色成像系统 （2）多光谱成像系统 （3）超光谱成像系统： （4）高光谱成像系统
3.辐射分辨率：指传感器区分地物辐射能量细微变化 的能力，即传感器的灵敏度。传感器的辐射分辨率越 高，其对地物反射或发射能量的微小变化的探测能力 越强，所获取图像的层次就越丰富。
摄影机类型
3.全景摄影机：全景摄影机的焦距较长，主要用于军事侦察。
镜 头 转 动 式 全 景 摄 影 机
摄影机类型
4.多光谱摄影机：对同一地区在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机。
单镜头光束分离型
多镜头组合型
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3.2.2 航空摄影像片的几何特性
航空摄影的类型 航空摄影像片的投影及其构像特点 航空摄影像片的像点位移 航空摄影像片的立体观察
平面上的曲线，在中心投影上的像片仍为曲线。
面状物体的中心投影相对于各种线投影的组合。水平面的投影仍
为一平面。垂直面的投影依其所处的位置而变化，当位于投影中心
时，投影所反映的是其顶部形状，呈一直线；在其他位置时，除其
顶部为一直线外，其侧面投影成不规则梯形。
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像片比例尺
像片比例尺：像片上两点之间的距离与地面上相应两点的实际距 离之比。
探测波段：可包括紫外、红外、可见光和微波波段。
优点（相对于光学摄影遥感）：一是扩大了探测的波段范围；二是 便于数据的存储与传输，目前遥感多用这类遥感器。
扫描成像类型
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扫描成像类型
多光谱扫描成像（Multispectral Scanning）
光/机扫描成像 推扫式扫描成像
热扫描成像 成像光谱技术
图3.13 航空摄影过程与像片的重叠
立体观察
立体观察的原理 立体观察满足的条件 立体观察的仪器
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眼睛的立体视觉原理
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f1 b1－f2 b2或f1 a1－ f2 a2叫生理视差，是产生立体视觉和判 断景物远近的原因。人们的立体感觉是有限度的，当交汇角小于 30"时，两眼就会产生同样的感觉，即无法感觉出物体的远近和立 体感觉，例如：远处的山。
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光/机扫描成像
光/机扫描仪的成像概念
是通过传感器的旋转 扫描镜沿着垂直于遥感平 台飞行方向的逐点逐行的 横向扫描，获取地面二维 遥感图像的光-机扫描也 称物面扫描 。
图3.18 光-机扫描方式示意图
瞬时视场角（IFOV）：扫描镜 在一瞬时时间可以视为静止状 态，接收到的目标地物的电磁 波辐射，限制在一个很小的角 度内，这个角度称为瞬时视场 角，即扫描仪的空间分辨率。
时间分辨率和卫星的回归周期（重访周期），是既有联 系又有区别的两个概念。
遥感卫星以一定的时间分辨率，在不同时间获取的同一
地 区 的 一 组 遥 感 图 像 称 之 为 多 时 相 图 像 （ Multi-Temporal
Image）。多时相遥感图像对地表事物的动态监测具有重要
意义。
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3.2 摄影成像系统
立体观察满足的条件
1.由两个不同摄站点摄取同一景物的一个立体像对。 2.两眼分视，即左眼看左片，右眼看右片。 3.两眼各自观察同一景物的左、右影像点的连线应与眼基线平行， 且两像片间的距离要适中。 4.两像片的比例尺尽可能一致，最大差值不宜超过16%。
注意：（1）正立体效应； （2）反立体效应； （3）零立体； （4）双影。
推扫式扫描成像
推扫式扫描（Push-Broom Scanning），又称 “像面”扫 描是利用由半导体材料制成的电荷藕合器件（Charge Coupled Device，CCD），组成线阵列或面阵列传感器，采用广角光学系 统，在整个视场内借助遥感平台自身的移动，象刷子扫地一样扫 出一条带状轨迹，获取沿着飞行方向的地面二维图像。
辐射分辨率一般用灰度的分级数来表示，即最暗— 最亮灰度值（亮度值）间分级的数目（量化级数）也 称为灰度分辨率。灰度一般按2n来分级。
4.时间分辨率：指卫星对同一地点重复成像的时间间隔，
即采样的时间频率。显然，时间分辨率主要是针对遥感卫星 系统来说的，是衡量卫星系统成像能力和成像特点的一个重 要指标。
总视场（FOV）：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，也叫总扫描 角。扫描带对应的地面宽度L, L=2H0tanΦ 式中H为遥感平 台高度，2Φ为总的视场角。 航空遥感中总的视场角取 70°～120°。
图3.19 机载多光谱扫描仪的成像过程[30]
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（2）探测器元件之间有固定的关系，消除了因扫描过程中扫描镜速度变 化所引起的几何误差，具有更大的稳定性。因此，线性阵列系统的几何完整 性更好、几何精度更高。
（3）探测器是CCD固态微电子器件，具有小而轻、能耗低、稳定性好等 优点。
（4）由于成像系统没有了机械运动，因此系统的使用寿命更长。 推扫式扫描系统也有它固有的问题，如大量探测器之间灵敏度的差异， 往往会产生带状噪声，需要进行校准；目前长于近红外波段的CCD探测器 的光谱灵敏度尚受到限制；推扫式扫描仪的总视场一般不如光机扫描仪。
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3.1.3 传感器的性能
空间分辨率 光谱分辨率 辐射分辨率 时间分辨率
传感器的性能
1.空间分辨率 ：指的传感器所能识别的最小地面目标的大小。
（1）瞬时视场：指传感器的瞬时张角所对应的地面范围。取决 于瞬时视场角和传感器距离地面的高度。
1.空间分辨率 ：指的传感器所能识别的最小地面目标的大小。
中心投影受平台高度和焦距的影响
2.投影面倾斜的影响：当投影面倾斜时，垂直投影的影像仅比例尺 有所放大。在中心投影的像片上（见下图）像点ao，bo的相对位置 保持不变。在中心投影像片上（见下图），ao，bo的比例关系有显 著的变化，各点的相对位置和形状不再保持原来的样子，地面上 AO=BO而像片上的ao>bo。
投影误差用公式可表示为：
hr
H
（3.1）
式中：δ为位移量，h为地面高差，
r 为像点到像主点的距离，H为摄影高度。
由式（3.1）可以看出： 位移量与地形高差成正比 ； 位移量与像主点的距离r成正比； 位移量与摄影高度（航高）成反比
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航空摄影像片的立体观测
像片的重叠是航空像片立体观察和航空摄影测量的基础。
（2）像元：像元是遥感成像的基本采样点，是构成遥感图像的 最小单元。正常情况下，像元对应于传感器的最小分辨单元， 呈正方形，并在图像上占据一定的面积。像元的大小是遥感图 像分辨率能力的最重要的指标，
2.光谱分辨率：指传感器所使用的波段数、波长及波段宽度，也就 是选择的通道数、每个通道的波长和带宽，这三个要素共同决定了 光谱分辨率。传感器的波段数量越多、带宽越窄，其光谱分辨率就 越高。
摄影成像：是利用
概述
光学镜头和放置在 焦平面上的感光胶
摄影机的类型
片等组成的成像系 统记录地物影像的
航空摄影像片的几何特性
一种技术，是遥感 最基础的成像方式
之一，是航空遥感
航空摄影像片的类型和特点 最重要的成像方式。
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3.2.1 摄影机类型
1.单镜头框幅式摄影机：一次曝光得到目标物一幅像片 。
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3.1.1 传感器的分类
按电磁波的 辐射来源
• 主动式传感器 • 被动式传感器
按成ห้องสมุดไป่ตู้原理 与图像性质
• 摄影机 • 扫描仪 • 雷达
按记录电磁 波信息方式
• 成像方式的传感器 • 非成像方式传感器
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3.1.2 传感器的组成
收集器
• 摄影机：凸透镜 • 扫描仪：反射镜 • 雷达： 天线 • 多波段遥感：还包含滤色镜、棱镜、光栅、分光镜等。
航摄像片上地物的像点位置相对于其在地形图上的位置产生的变化。 返回
1.根据实施的方式分类： （1）单片摄影
（2）单航线摄影
航
（3）多航线摄影（面积摄影）
空
摄
影
的
类
型
2.根据摄影机主光轴与地面的关系，可分为垂直摄影和倾斜摄影。 返回
航
空
摄
影
像
片
的
投
影
及
其
构
像 特
垂直投影
中心投影
点
中心投影与垂直投影的区别 1.投影距离的影响：垂直投影的缩小和放大与投影距离无关，并有 统一的比例尺。中心投影则受投影距离（遥感平台的高度）的影响， 像片比例尺与平台的高度H和焦距f有关。
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热扫描成像
热量传感器直接检测 来自地面的热量，探测器 每次采集信息都需要把自 身的温度控制在绝对零度 ，即控制自身不辐射热量 。因此，热量传感器本质 上是采集地物的表面温度 和热量特性的。