1、第三章第三章 遙感成像原理與遙感圖像特征遙感成像原理與遙感圖像特征 本章主要內(nèi)容 遙感平臺 攝影成像 掃描成像 遙感圖像特征n地面平臺地面平臺：三角架、遙感塔、遙感車和遙感船等與地面接觸的平臺稱為地面平臺或近地面平臺。它通過地物光譜儀或傳感器來對地面進行近距離遙感，測定各種地物的波譜特性及影像的實驗研究。三角架：0.75-2.0米；對測定各種地物的波譜特性和進行地面攝影。遙感塔：固定地面平臺；用于測定固定目標和進行動態(tài)監(jiān)測；高度在6米左右。遙感車、船：高度的變化；測定地物波譜特性、取得地面圖像；遙感船除了從空中對水面進行遙感外，可以對海底進行遙感。第一節(jié) 遙感平臺航空平臺：航空平臺：包括飛機和

2、氣球。包括飛機和氣球。飛機按高度可以分為低空平臺、中空平臺和高空平臺。低空平臺：2000米以內(nèi)，對流層下層中。中空平臺：2000-6000米 ，對流層中層。高空平臺：12000米左右的對流層以上。氣球：低空氣球：凡是發(fā)放到對流層中去的氣球稱為低空氣球；高空氣球：凡是發(fā)放到平流層中去的氣球稱為高空氣球。可上升到12-40公里的高空。填補了高空飛機升不到，低軌衛(wèi)星降不到的空中平臺的空白。航天平臺：包括衛(wèi)星、火箭、航天飛機、宇宙飛船。航天平臺：包括衛(wèi)星、火箭、航天飛機、宇宙飛船。一、氣象衛(wèi)星系列一、氣象衛(wèi)星系列1.氣象衛(wèi)星概述氣象衛(wèi)星概述A. 美國的“泰諾斯 ”(TIROS)衛(wèi)星系列：第一代實驗氣象

3、衛(wèi)星，從60年-65年共發(fā)射了10顆，極軌氣象衛(wèi)星。B. 美國的雨云（Nimbus）衛(wèi)星系列： 64-78年共發(fā)射了7顆，太陽同步軌道。C. 美國的艾薩（ESSA）衛(wèi)星系列：66-69年共發(fā)射了9顆。D. 美國的NOOA衛(wèi)星系列：70-94年共發(fā)射了16顆。太陽同步軌道。 1960年年4月月美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星泰羅斯泰羅斯-1(Tiros-1)。隨后，前蘇聯(lián)也相繼發(fā)射了自己的氣象衛(wèi)星。目前，在軌道上運行的大多數(shù)氣象衛(wèi)星是由美國和俄羅斯發(fā)射的，其中很大一部分為極地軌道衛(wèi)星，簡稱極軌衛(wèi)星。 1966年美國發(fā)射第一顆業(yè)務氣象衛(wèi)星艾薩年美國發(fā)射第一顆業(yè)務氣象衛(wèi)星艾薩(ESSA)是極軌衛(wèi)星，主要提供

4、可見光云圖。 1970年、1978年美國又相繼發(fā)射諾阿諾阿(NOAA）和泰羅斯泰羅斯N系列業(yè)務氣象衛(wèi)星。這些衛(wèi)星都屬于極軌氣象衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星的飛行高度一般在8001500公里左右。由于衛(wèi)星的飛行高度低，因此衛(wèi)星照片分辨率高，圖象清晰。 1974年，美國成功地研制了第一顆靜止業(yè)務環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星年，美國成功地研制了第一顆靜止業(yè)務環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星(GOES)。靜止業(yè)務環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星在赤道的某一經(jīng)度、約36000公里高度上，它環(huán)繞地球一周約需24小時，幾乎與地球自轉(zhuǎn)同步。從地球上看好象衛(wèi)星是相對靜止的，故又稱為地球靜止衛(wèi)星。 目前，日本GMS系列靜止氣象衛(wèi)星、俄羅斯的GOMES衛(wèi)星、歐盟 METEOSAT

5、-3 衛(wèi)星、印度的INSAT以及美國的兩顆靜止衛(wèi)星(GOES-E和GOES-W)共6顆衛(wèi)星組成地球靜止氣象衛(wèi)星監(jiān)測網(wǎng)。這些衛(wèi)星位于赤道上空約36000公里高，每半小時向地球發(fā)送一次圖片。 中國也先后成功地發(fā)射了中國也先后成功地發(fā)射了6顆氣象衛(wèi)星（顆氣象衛(wèi)星（3顆風云顆風云1和和3顆風云顆風云2）。）。依靠這些衛(wèi)星，中國建立了自己的衛(wèi)星天氣預報和監(jiān)測系統(tǒng)。風云1是一種極地軌道氣象衛(wèi)星。風云2是一種靜止氣象衛(wèi)星。 氣象衛(wèi)星分布一、氣象衛(wèi)星系列一、氣象衛(wèi)星系列2、氣象衛(wèi)星的特點、氣象衛(wèi)星的特點 軌道：低軌和高軌。 成像面積大，有利于獲得宏觀同步信息，減少數(shù)據(jù)處理容量。 短周期重復觀測：靜止氣象衛(wèi)星3

6、0分鐘一次；極軌衛(wèi)星半天一次。利于動態(tài)監(jiān)測。 資料來源連續(xù)、實時性強、成本低。Sun-synchronous orbit Sub-recurrent orbit氣象衛(wèi)星觀測的優(yōu)勢和特點空間覆蓋優(yōu)勢 極軌氣象衛(wèi)星在約900km的高空對地觀測，一條軌道的掃描寬度可達2800km。每天都可以得到覆蓋全球的資料 地球靜止衛(wèi)星在36萬公里的高空觀測地球，一顆靜止衛(wèi)星的觀測面積就可達1億7千萬平方公里，約為地球表面的13 只有通過衛(wèi)星的大范圍觀測，才使人類獲得了幾乎無常規(guī)觀測的大范圍海洋、兩極和沙漠地區(qū)的資料。 目前已經(jīng)可以通過衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，獲取全球或任何感興趣區(qū)域的空間連續(xù)的高分辨率氣象和環(huán)境資料,不受

7、國界限制 氣象衛(wèi)星觀測可以大大地改善資料的時間取樣頻次。特別是靜止氣象衛(wèi)星可以獲得每小時一次的大范圍實時資料，必要時甚至可以獲取半小時的資料。有利于對災害性天氣的動態(tài)監(jiān)測。 雙星組網(wǎng)的極軌氣象衛(wèi)星也可以每天提供4次全球覆蓋的圖象資料和垂直探測資料。而常規(guī)高空站每天只在00時12時（世界時）進行兩次觀測,且無法觀測海洋和無人地區(qū)。時間取樣優(yōu)勢 與地面和高空常規(guī)觀測相比，衛(wèi)星資料具有內(nèi)在的均一性和良好的代表性。 盡管世界氣象組織（WMO）已經(jīng)頒布了一系列規(guī)范來統(tǒng)一常規(guī)觀測儀器的性能和觀測方法，但仍不能避免不同國家和地區(qū)、使用不同儀器和方法獲得的資料的不一致性。 測站分布的不均勻等，也使資料的不確定

8、性增加。 氣象衛(wèi)星是在較長一段時期內(nèi)使用同一儀器對全球進行觀測，資料的相對可比較性強、分布均勻一致性好。衛(wèi)星資料則是對一定視場面積內(nèi)的取樣平均值，具有較好的區(qū)域代表性。資料一致性優(yōu)勢 與 其 它 觀 測 方 法 相 比 ， 氣 象 衛(wèi) 星 是 從 大 氣 層外這個新視角觀測地球大氣系統(tǒng)的，所以有些重要的氣候變量，特別是通過整個垂直方向大氣層的積分參數(shù)，如地氣系統(tǒng)的反照率、大氣頂?shù)牡貧庀到y(tǒng)的射出長波輻射，只能通過氣象衛(wèi)星觀測才能獲得。 目前已成功地從氣象衛(wèi)星觀測資料中導出了全球大氣溫度和濕度廓線、輻射平衡、海陸表面溫度及云頂溫度、風場、云參數(shù)、冰雪覆蓋、云中液態(tài)水含量和降水量、臭氧總量和廓線、陸

9、地下墊面狀態(tài)、植被狀況等諸多重要氣候和環(huán)境參數(shù),這是任何其他觀測手段所不能觀測的。綜合參數(shù)觀測優(yōu)勢一、氣象衛(wèi)星系列一、氣象衛(wèi)星系列3、氣象衛(wèi)星的應用領(lǐng)域、氣象衛(wèi)星的應用領(lǐng)域天氣分析與氣象預報氣候研究與氣候變遷的研究資源環(huán)境領(lǐng)域：海洋研究、森林火災、水污染火情監(jiān)測火情監(jiān)測在AVHRR圖象中，由于高溫目標在通道三的亮溫大大高于背景象元的亮溫，因而在通道三圖象上，含火點象元與周圍象元產(chǎn)生明顯反差。極軌氣象衛(wèi)星（FY、 NOAA）覆蓋范圍寬廣，每天觀測頻次在中高緯度達8-10次，可以多頻次的監(jiān)測火情。氣象衛(wèi)星作用 熱 帶 氣 旋沙塵暴監(jiān)測氣象衛(wèi)星作用沙塵暴沙塵暴氣象衛(wèi)星作用衛(wèi)星遙感產(chǎn)品熱島效應熱島效應

10、火山爆發(fā)海溫分布風云一號D氣象衛(wèi)星發(fā)射成功!2002.5.15二、陸地衛(wèi)星系列二、陸地衛(wèi)星系列- LandsatLandsat Characteristic Launched byDate of launchDate of terminationAltitudeSensorRecurrent periodLANDSAT-1NASA1972.7.231978.1.6 915kmRBV/MSS18 daysLANDSAT-2NASA1975.1.221982.2.25915kmRBV/MSS18 daysLANDSAT-3NASA1978.3.5 1983.3.31915kmRBV/MSS18 d

11、aysLANDSAT-4NASA1982.7.162001.6.15705kmMSS/TM16 daysLANDSAT-5NASA1984.3.1 Operating*1705kmMSS/TM16 daysLANDSAT-6NASA1993.10.51993.10.5- ETM16 daysLANDSAT-7NASA1999.4.15Operating*2705kmETM+16 days*1 : The data reception by NASDA was finished to Jun 30, 2001.*2 : The data reception by NASDA was finish

12、ed to Nov 30, 2002. Overview LANDSAT-1 is the world first earth observation satellite launched by the United States in 1972. Following LANDSAT-1, LANDSAT-2, 3, 4, 5 and 7 were launched, and currently LANDSAT-7 is operated as a main satellite. LANDSAT-5 is equipped with Multispectral Scanner (MSS) an

13、d Thematic Mapper (TM). MSS is an optical sensor to observe the reflected solar radiation from the earth surface in 4 different spectral bands by a combination of the optical system and the sensor. TM is a more advanced version of observation equipment than MSS, which observes the earths surface in

14、7 spectral bands ranging from visible to thermal infrared regions. LANDSAT-7 is equipped with Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), the successor of TM. The observation bands are basically same seven bands as TM and the newly added band 8 with a 15m of high resolution. Wavelength Visible : 2bands Ne

15、ar-infrared : 2bands Spatial Resolution 83m Swath Width 185km Wavelength Visible : 3bands Near-infrared and Middle-infrared : 3bandsThermal-infrared : 1band Spatial Resolution Visible,Near-infrared and Middle-infrared : 30m Swath Width About 180km the addition of a panchromatic band (Band 8). Satell

16、ites and obits二、陸地衛(wèi)星系列二、陸地衛(wèi)星系列- SPOT- SPOT衛(wèi)星 Observation Band Visible : 2bands Near-infrared : 1band Panchromatic-Band : 1band Spatial Resolution Multispectoral-Band : 20m Panchromatic-Band : 10m Swath Width About 60km SPOTSPOT的傾斜觀測功能的傾斜觀測功能2020600 Km maxiHRS120 Km立體成像立體成像裝置裝置HRSHRS Spot Spot 立體像對立體

17、像對 軌道旁向傾斜，像對最短時間差為0.5小時自動相關(guān)生成DEM，高程精度為7-11米 (VirtuoZo)Spot-5Spot-5基本產(chǎn)品基本產(chǎn)品10米多光譜米多光譜5米全色米全色2.5米全色米全色+Spot-5Spot-5增值產(chǎn)品增值產(chǎn)品 10米多光譜米多光譜5米米PanSpot 5 Spot 5 同軌立體像對同軌立體像對Spot 5 HRS立體像立體像對生成的對生成的10米高程精度米高程精度DEM二、陸地衛(wèi)星系列二、陸地衛(wèi)星系列- - IKONOS IKONOS: 1米全色 4米多光譜軌道軌道: 680km, 太陽同步太陽同步IKONOS光譜波段紅波段紅波段 .63-.69 micron

18、s (4m)近紅外近紅外 .76-.90 microns (4m)藍波段藍波段 .45-.52 microns (4m)綠波段綠波段 .52-.60 microns (4m)二、陸地衛(wèi)星系列二、陸地衛(wèi)星系列- - QuickBird三、海洋衛(wèi)星系列三、海洋衛(wèi)星系列1.海洋遙感的特點：1)需要高空和空間的遙感平臺，以進行大面積同步覆蓋的觀測；2)以微波遙感為主；3)電磁波與激光、聲波的結(jié)合是擴大 海洋遙感探測手段的一條新路。4)海面實測資料的校正。2 2、主要的海洋衛(wèi)星簡介、主要的海洋衛(wèi)星簡介 美國的海洋衛(wèi)星（美國的海洋衛(wèi)星（SEASAT):SEASAT):1978年發(fā)射；近極地太陽同步軌道；掃

19、描覆蓋海洋的寬度1900km；五種傳感器，以微波為主。 日本的海洋觀測衛(wèi)星系列（日本的海洋觀測衛(wèi)星系列（MOS-1)MOS-1)：獲取大陸架淺海的海洋數(shù)據(jù)。 歐洲海洋衛(wèi)星系列（歐洲海洋衛(wèi)星系列（ERSERS）：）：主要用于海洋學、海冰學、海洋污染監(jiān)測等領(lǐng)域。 加拿大的雷達衛(wèi)星（加拿大的雷達衛(wèi)星（RADARSATRADARSAT）: :加、美、德、英共同設(shè)計，1995年發(fā)射。第二節(jié) 攝影成像一 攝影機分幅式攝影機（視場角、焦距、像幅）全景攝影機多光譜攝影機數(shù)碼攝影機二 攝影像片的幾何特征三 攝影膠片的物理特性框標壓平線壓平線壓平線： 像片四邊井字形直線叫壓平線，其彎曲度說明攝影時感光膠片未壓平而

20、產(chǎn)生的影像變形情況。. 二、攝影像片的幾何特征q垂直攝影與傾斜攝影q像片的投影q像片的比例尺q像點位移（一）像片的投影（一）像片的投影、中心投影和垂直投影ABCDabcd中心投影中心投影ABCDabcd垂直（正射）垂直（正射）投影投影航片是中心投影，即攝影光線交于同一點地圖是垂直投影，即攝影光線平行且垂直投影面。（一）像片的投影（一）像片的投影、中心投影和垂直投影的區(qū)別投影距離垂直投影垂直投影:比例尺比例尺和投影距離無關(guān)和投影距離無關(guān)中心投影中心投影:焦距固定，航高改焦距固定，航高改變，其比例尺也隨之改變變，其比例尺也隨之改變H1H2f垂直投影中心投影比例尺比例尺=f/H 攝影比例尺 即航片上

21、某線段l地面相應線段的水平距離L之比，稱之為攝影比例尺1/m。平坦地區(qū)、攝影時像片處于水平狀態(tài)（垂直攝影），則像片比例尺等于像機焦距（f）與航高（H）之比。fH比例尺比例尺=f/H像平面投影中心地物（一）像片的投影（一）像片的投影、中心投影和垂直投影的區(qū)別投影面傾斜中心投影，若投影面傾斜，若投影面傾斜，航片各部分的比例尺不同航片各部分的比例尺不同傾斜ABCabcABCabc（一）像片的投影（一）像片的投影、中心投影和垂直投影的區(qū)別地形起伏地形起伏對垂直投影地形起伏對垂直投影無影響無影響對中心投影引起投影差對中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同航片各部分的比例尺不同ABCBACabcabcA

22、CCAB（一）像片的投影（一）像片的投影3、中心投影的透視規(guī)律點的像仍然是點。與像面平行的直線的像還是直線；如果直線垂直于地面，有兩種情況： 第一；當直線與像片垂直并通過投影中 心時，該直線在像片上的像為一個點； 第二；直線的延長線不通過投影中心，這時直線的投影仍為直線，但該垂直線狀目標的長度和變形情況則取決于目標在像片中的位置。平面上的曲線，在中心投影的像片上一般仍為曲線。ABCD中心投影中心投影cdab 航空像片上某一線段 長度與地面相應線段長度之比，稱為像片比例尺。 （1 1）平均比例尺）平均比例尺：以各點的平均高程為起始面，并根據(jù)這個起始面計算出來的比例尺。 （2 2）主比例尺）主比例

23、尺：由像主點航高計算出來的比例尺，它可以概略地代表該張航片的比例尺。（二）航空像片比例尺（二）航空像片比例尺 攝影比例尺 即航片上某線段l地面相應線段的水平距離L之比，稱之為攝影比例尺1/m。平坦地區(qū)、攝影時像片處于水平狀態(tài)（垂直攝影），則像片比例尺等于像機焦距（f）與航高（H）之比。fH比例尺比例尺=f/H像平面投影中心地物 地面起伏，使得一張像片不同像點的比例尺變化。fH0h1h2101hHfm201hHfm比例尺：01Hfm（三）像點位移（三）像點位移在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺變化外，還會引起平面上的點位在像片上的位置移動，這種現(xiàn)象稱為像點位移。hHRhhHrhhSn

24、NRrA0Ahha0aH-hfHAh地面點像點（三）像點位移（三）像點位移（1）位移量與地形高差成正比，即高差越大引起的像點位移量也越大。當高差為正時，像點位移為正，是背離像主點方移動；高差為負時，像點位移為負，是朝向像主點方向移動。（2）位移量與像主點的距離成正比，即距像主點越遠的像點位移量越大，像片中心部分位移量較小。像主點無位移。（3）位移量與攝影高度（航高）成反比。即攝影高度越大，因地表起伏的位移量越小。三、攝影膠片的物理特性1、感光度：指膠片的感光速度。遙感需用感光度高的膠片。2、光學密度：指膠片經(jīng)感光顯影后，影像表現(xiàn)出的深淺程度。、反差與反差系數(shù)：反差指膠片的明亮部分與陰暗部分的密

25、度差。 反差系數(shù)是指拍攝后負片影像與景物亮 度差之比。4、灰霧度：未經(jīng)感光的膠片，顯影后仍產(chǎn)生輕微的密度，呈淺灰色，故稱灰霧度5、寬容度：指表達被攝物體亮度間距的能 力。遙感攝影希望用寬容度大膠片。6、解像力（感光膠片的分辨力）：解像力的大小以每毫米范圍內(nèi)分辨出的線條數(shù)表示。單位：線對/毫米。遙感攝影膠片的類型遙感攝影膠片的類型 黑白攝影膠片黑白攝影膠片A.A.色盲片：色盲片：只能吸收短波段，對大于 0.5微米的電磁波完全不感光。B.B.正色片：正色片：感光范圍可從藍光擴大到綠光區(qū)。C.C.分色片：分色片：感光范圍擴大到0.6微米。對綠黃光可區(qū)分且較敏感。D.D.全色片：全色片：能感受全部可見

26、光。但在綠光部分感光度稍有降低。 彩色片彩色片A.A.天然彩色片：天然彩色片：能較真實地還原出被攝物體的自然色彩，又稱真彩色。B.B.紅外彩色片紅外彩色片：第三節(jié)第三節(jié) 掃描成像掃描成像一、光/機掃描成像1. 1.概念：概念：依靠機械傳動裝置使光學鏡頭擺動，形成對目標地物逐依靠機械傳動裝置使光學鏡頭擺動，形成對目標地物逐點逐行掃描。探測元件把接受到的電磁波能量能轉(zhuǎn)換成電信號，點逐行掃描。探測元件把接受到的電磁波能量能轉(zhuǎn)換成電信號，在磁介質(zhì)上記錄或再經(jīng)電在磁介質(zhì)上記錄或再經(jīng)電/ /光轉(zhuǎn)換成為光能量，在設(shè)置于焦平光轉(zhuǎn)換成為光能量，在設(shè)置于焦平面的膠片上形成影像面的膠片上形成影像瞬時視場角瞬時視場角

27、：掃描鏡在一瞬時時間可以視為靜止狀態(tài)，此時，接受到的目標物的電磁波輻射，限制在一個很小的角度之內(nèi)，這個角度稱為瞬時視場角。即掃描儀的空間分辨率?？傄晥鼋强傄晥鼋牵簰呙鑾У牡孛鎸挾确Q總視場。從遙感平臺到地面掃描帶外側(cè)所構(gòu)成的夾角，叫總視場角。 照相技術(shù)的弱點照相技術(shù)的弱點：乳膠片感光技術(shù)本身存在著致命的弱點，它所傳感的輻射波段僅限于可見光及其附近；其次，照相一次成型，圖象存儲、 傳輸和處理都不方便。2. 2.工作原理：工作原理：掃描鏡在機械驅(qū)動下，隨遙感平臺的前進運動而擺動，依次對地面進行掃描，地面物體的輻射波束經(jīng)掃描鏡反射，并經(jīng)透鏡聚焦和分光分別將不同波長的波段分開，再聚焦到感受不同波長的 探

28、測元件上。3. 3.幾種光機掃描儀幾種光機掃描儀紅外掃描儀紅外掃描儀：接受地物的紅外輻射能量，并把它傳給探測元件。多光譜掃描儀（多光譜掃描儀（MSS)MSS)：與紅外掃描儀基本類似，其不同之處是，外加一個分光系統(tǒng)，把來自地物的電磁波信號，分成若干個不同的波段，同時用多個探測器同步記錄相應波段的信息。而紅外掃描儀只在紅外波段工作。專題制圖儀專題制圖儀TMTM：專題制圖儀TM的成像原理與MSS一致，與MSS相比，空間分辨率由80米提高到30米；探測波段由4個增加到7個。二、固體自掃描成像1.固體自掃描是用固定的探測元件，通過遙感平臺的運動對目標地物進行掃描的一種成像方式。2.2.電子藕合器件電子藕

29、合器件CCDCCD：是一種用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測元件。具有感受波譜范圍寬、畸變小、體積小、重量輕、系統(tǒng)噪聲低、靈敏度高、動耗小、壽命長、可靠性高等一系列優(yōu)點。3.3.掃描方式上具有掃描方式上具有刷式掃描成像刷式掃描成像特點。特點。探測元件數(shù)目越多，體積越小，分辨率就越高。電子藕合器件CCD逐步替代光學機械掃描系統(tǒng)。三、高光譜成像光譜掃描1. 1.成像光譜儀成像光譜儀：既能成像又能獲取目標光譜曲線的“譜像合一”的技術(shù)，稱為成像光譜技術(shù)成像光譜技術(shù)。按該原理制成的掃描儀稱為成像光譜儀。2. 2.特點特點：高光譜成像儀是遙感進展的新技術(shù)，其圖象是多達數(shù)百個波段的非常窄的連續(xù)的光譜波段組成，光譜波段覆蓋了可見光、近紅外、中紅外和熱紅外區(qū)域全部光譜帶。光譜儀成像時多采用掃描式和推帚式，可以收集200或200以上波段的數(shù)據(jù)。使圖象中的每