第三章--遥感技术系统

第一节遥感平台第二节传感器第三节、遥感信息的传输第五节遥感资料的种类第三章遥感技术系统目标物反射发射回射大气窗口被动主动摄影扫描雷达回收视频辐射校正几何校正影象胶卷模拟数据带高密度数字磁带象片磁带目视解译光学处理计算机图象识别专业图件统计数字收集传输校正转换处理专业图件与统计数字物体发射、反射电磁波遥感的基本过程第一节遥感平台遥感平台指安置传感器的运载工具不同高的平台上进行遥感，可获得不同覆盖面积，不同比例尺，不同分辨力的遥感图像一、近地面平台二、航空平台三、航天平台一、近地面平台高度小于300m，常用的有：三角架，0.75—2m遥感车和遥感船，1—10m遥感塔（6—100m）又称地面遥感，用于测量地物波谱特征，和用于试验研究的地物细节图像。三角架——测试单一地物波谱遥感塔、车、船——测试地物综合波谱二、航空平台指在大气层内飞行的飞行器，高度100m—30Km，主要有飞机、直升机、飞艇、气球等.１低空平台：航高2000m，直升机、侦察飞机.２中空平台：航高2000—6000m，飞机.３高空平台：航高12000m，飞机、汽球.三、航天平台指在大气层外飞行的飞行器，高度几百、几千至几万公里,主要有高空探测火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机.（一）人造卫星（二）其它航天平台（一）人造卫星卫星是航天遥感的主要平台，卫星运行在大气层有效阻力之外（约150KM），而又在重力场之内，进入轨道，便周期性地绕地球运转，可在规定时间内覆盖全球，或任何指定地域。１、卫星轨道参数２、轨道类型３、几种主要航天平台的运行特征１、卫星轨道参数轨道周期——卫星在轨道上绕地球一周所需的时间轨道倾角——卫星轨道而与地球赤道平面的夹角，用i表示.i=0，轨道平面与赤道面重合，称赤道轨道。i=90，轨道平面与赤道面垂直，称极地轨道。其它称倾斜轨道顺行转道：卫星运行方向与地球自转方向一致，0i90称顺行转道逆行转道：卫星运行方向与地球自转方向相反，90i180称逆行转道１、卫星轨道参数(2)星下点：卫星质心与地心连线同地面交点称星下点星下点轨迹或地面轨迹：星下点在卫星飞行过程中在地面移动的轨迹升交点和降交点：当i不等于0时，轨道与赤道面有两个交点，即卫星由南向北飞时的升交点，由北向南飞时的降交点。由于地球自转，若i90，上升时星下点西退，下降时东进，若i90。上升时，星下点东进，下降时下点而退。轨道形状：绕地球运行的卫星，一般具有圆形和椭圆形两种轨道。以何种轨道运行、或者其轨道形状如何，这主要取决于卫星运动的速度和方向１、卫星轨道参数(３)卫星高度椭圆形轨道，其高度是变化的，通常用近地点高度（HN）、远地点高度（HA）、以及瞬时高度（H）来表示。近地点地球地心近地点高度HN椭圆轨道半长轴a1远地点高度HA轨道寿命:它主要取决于卫星近地点高度。因为近地点越远，空间的真空度愈高，卫星与空气分子的摩擦愈小，所以卫星寿命愈长。一般300公里以上空气密度已经足够小了，因而卫星多采用300公里以上的轨道高度。军事侦察卫星由于需获得高分辨率图象，常采用200以下的轨道，所以通常只能工作一、二周，或一、二月。１、卫星轨道参数(３)轨道覆盖地域:卫星轨道覆盖地域的大小由轨道倾角决定。对于正方向卫星而言，轨道覆盖的最高纬度与轨道倾角完全一致;对于反方向卫星，轨道所能覆盖的最高纬度等于180度减去轨道倾角轨道进动:卫星轨道面每天围绕地轴发生的转动。重复覆盖周期：卫星星下点在地表面上的航迹重复一次所需要的时间。２、轨道类型１）太阳同步轨道：近极地轨道.卫星轨道与太阳光的夹角始终保持一致，一年进动360，亦每天自西向东偏转0.986。等于地球公转角速度.特点:卫星过每一点的地方时相同２)地球静止轨道:为赤道轨道。卫星运行方向与地球自转方向一致，且运行周期与地球自转周期相等。特点：卫星与地球表面的相对运动为0。太阳同步卫星轨道２、轨道类型(２)按轨道高度可分1）低高度卫星：高150—200KM。寿命短，几到几十天，用军事侦察。2）中高度卫星：高350—1500KM。寿命1—5年，寿命较长，对地面又有一定分辨力，如陆地卫星高918KM3)高轨道卫星：高1500KM，卫星寿命长，分辨力不高，如GMS，35000KM。3、几种主要航天平台的运行特征1)陆地卫星系列Landsat卫星轨道中高度(705KM)，近圆形、近极地(i=98.22);太阳同步。太阳入射光线与降交点之间角距始终为37。30’，过降交点时刻为地方时的上午9时42分，太阳高度角适中，利于获得高质量的图像。2)地球观测试验卫星（SPOT）采用与Landsat相似的近圆形，近极地太阳同步轨道。只是具体参数有所不同。轨道高度830km左右，卫星覆盖周期26天，重复感测能力一般3-5天，部分地区达到1天3、几种主要航天平台的运行特征3)气象卫星（NOAA）系列近极地圆形轨道，近与太阳同步、双星系统，轨道高度分别为833KM和870KM。倾角分别为98.7和98.9，周期分别为101.6分和102分。4）GMS：与地球同步，轨道高度36000KM。（二）其它航天平台载人飞船：载人地球卫星（载人飞船）、空间轨道站、航天飞机。空间探测器：运行在地球范围之外的无人驾驶飞船，叫“空间探测器”。可以分为飞往内太阳系（即金星、水星、火星）飞船；飞往外太阳系（土星、木星、天王星、海王星）飞船；以及飞出太阳系的宇宙飞船三种类型第二节传感器传感器：就是用以获取目标电磁辐射信息的探测仪器。它是收集、检测和记录电磁波信息的工具,是遥感工作系统的主要部分.一、传感器的基本组成及工作原理二、传感器的特性参数三、传感器的分类四、传感器的主要类型及工作原理简介五、遥感数据的辐射定标一、传感器的基本组成及工作原理传感器主要由以下四个系统组成:收集系统地物电磁波探测系统分光系统记录系统信号转换遥感器的基本组成１、收集系统功能是接收电磁波并将其聚焦成像，然后送往分光系统。最基本的收集原件扫描反射镜（或微波天线）和透镜。扫描系统向地面进行扫描，在垂直飞行方向上逐点、逐行收集地面光谱聚焦系统（透镜）将收集到的地面光谱进行聚焦。瞬时视场β仪器孔径Ap进入传感器的反射辐射功率取决于仪器孔径和瞬时视场，而与距离（航高）H无关2)(HA2HAp/222pgpggALHAHLALE/)(２、分光系统多波段传感器的收集系统收集地面光谱信号后经分光系统进行分光，将入射光分解成所需探测波段光谱。分光原件包括各种色散原件或分光原件：滤色镜、三棱镜、光栅、分光镜等。3.检（探）测系统功能：将光信号转化为电信号光子探测器热探测器电荷偶合器件（CCD）CCD电荷偶合器件（chargecoupledevice)电荷耦合器件（CCD）的工作原理CCD是一种用电荷量表示信号强弱，用耦合方式传递信号的全固体化半导体器件主要原理是根据光生伏特现象CCD推帚式成像框架结构CCD感光器件结构电信号的输出CCD阵面结构CCD灵敏度响应率与响应函数每瓦入射辐射所产生的电响应量即为响应率响应率随波长变化的函数称响应函数４、记录系统其功能是将探测系统或信号转换系统输出的电磁波信息（光信号）记录、存储到遥感信息载体上，再以影像或数字形式输出。遥感信息载体指记录、存储成像遥感器输出信号的介质，如感光材料，和磁带等。1)感光材料2)磁带1)感光材料形象直观,便于目视解译指经爆光后发生光化学反应，经一定化学、物理方法处理产生固定影像的材料的总称，分为黑色和彩色感光材料。由感光剂和支持体构成。以透明片基为支持体的称感光胶片，以纸基为支持体称为像纸:(1)色盲片、仅能感λ0.5的紫、蓝光；(2）正色片（分色片），感光范围扩大至0.6，能感绿、黄光，对绿光的敏感程度大于金色片。(3)全色片：感光范围扩大至0.72,可感全部可见光;(4)红外片：感光范围扩大至1.3，可感摄影红外波，但不感绿、黄光。(5)彩色片：天然彩色片：由对蓝、绿、红感光的三层乳胶组成，影像（正片）记录的影物和肉眼看到的颜色基本相同。(6)彩色红外片：由对绿、红和近红外感光的三层乳胶组成影物色彩彩红外正片绿兰兰绿红外红分辨力与清晰度:以1mm距离内能分辨的线条数来表示。一般航摄胶片分辨能力内40—150线/mm.2)磁带便于通过无线快速传输、贮存、和图像处理。(1)数字磁带：探测系统输出的电压信号，经过模拟数转换器（A/D），对电压曲线分段读数（取样与量化），记录这种数据的磁带称为数字磁带(2)模拟信号记录：传感器探测器上输出的连续变化的视频信号模拟记录在磁带上，每条成像扫描线对应一条电压曲线。回放时，模拟磁带复原为电压曲线。经电光转换成光信号。以扫描方式记录在感光胶片上。二、传感器的特性参数１、空间分辨率２、波谱分辨率3、辐射分辨率（辐射灵敏度）１、空间分辨率能把两个相邻目标作为两个清晰实体记录下来的两目标间的最小距离。取决于：（1）象元大小（pixelsize)：每个象元对应地面的范围。（3）瞬时视场角（IFOV—InstantaneousFieldOfView）：电子传感器的瞬时视域，用毫弧度表示。瞬时视场角小，空间分辨率高；反之，空间分辨率低。(4)视场角（FOV—fieldofview）：整个传感器能够受光的角度。相当于视场角的地面距离叫观测宽度或叫扫描宽度。2、波谱分辨率波谱分辨率: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.取决于：（１）传感器的工作波段数目、（２）工作波段波长（３）波长间隔（谱带宽度）。3、辐射分辨率辐射分辨率:指传感器探测原件在接收波谱辐射信号时，能分辨的最小辐射差。（１）取决于传感器辐射灵敏度（２）数据的位数。信噪比：指有效信号功率与噪声功率之比像面扫描方式微波辐射计地磁测量仪重力测量仪傅立叶光谱仪其它黑白天然彩色红外彩色红外其它TV摄像机固体扫描仪光机扫描仪微波辐射计微波散射计微波高度计激光光谱仪激光高度计激光水深计激光测距仪微波散射计真实孔径雷达合成孔径雷达被动型相控阵雷达非图像方式图像方式照相机遥感器被动方式非扫描方式扫描方式像面扫描方式物面扫描方式图像方式主动方式非扫描方式非图像方式扫描方式图像方式物面扫描方式三、传感器的分类四、传感器的主要类型及工作原理简介（一）摄影方式传感器（二）扫描方式传感器（三）侧视雷达（一）摄影方式传感器指经过透镜（组），按几何光学的成像原理聚焦成像，用感光材料通过光化学反应直接感测和记录目标反射的可见光和摄影红外波段电磁辐射能，在胶片或像纸上形成目标物固化影像的传感器。优点：空间分辨率高、成本低、操作易，信息容量大缺点：①局限在0.3—1.3波谱段，②影像几何畸变严重，③成像受气候、光照条件和大气效应的限制。④不便于数字处理摄影方式传感器的种类１帧幅式（像幅式）摄影机可用于全色、近红外、彩色、彩红外摄影，有单镜头和多镜关方式，多镜头方式是在一架相机中同时装有3、5或9个镜头和暗盒，多镜头的光轴交叉成一固定角度。可同时曝光同时摄取几张像片.２全景摄影机具有120视角的超广角镜头，并在镜头前装有旋转棱镜，或通过镜头自身旋转，在与飞行方向垂直的方向上进行广角摄影。胶片压成圆弧状。这种摄影机能在一飞行中拍摄大面积景物.摄影方式传感器的种类３条幅式摄影机在飞机飞行时，采用微小宽度的狭缝获取地面影像，它的胶片卷动速度与飞行速度相匹配，显然，其影像是由一条条狭缝影像连接而成。4多光谱摄影机使用不同光谱段的滤光片和不同感光特性的胶片相配合，同步拍摄同一地区不同波段的黑白相片，一般是分绿、红、近红外三个波段摄影。三个波段可合成彩色图像（二）扫描方式传感器特点1、多波段扫描仪——MSS2、主题扫描仪——TM3、红外扫描仪4、固体扫描仪特点：(１)能探测0.3—14，从紫外到热红外的波段，可以同时获取数个乃至数百个窄波