1、三、傳感器與遙感成像原理,中國農業(yè)大學 信息與電氣工程學院 蘇 偉 地理信息工程系,第一章 緒論(Cont),2009年2月18日 第二次課,1. 傳感器結構 2. 攝影成像 () 框幅式攝影成像 () 縫隙式攝影成像 () 全景式攝影成像 () 多光譜攝影成像 3. 掃描成像 () 光機掃描成像 () 推帚式掃描成像 4. 雷達成像 () SAR () LIDAR,主要內容,1. 傳感器結構,傳感器 (Sensor)：傳感器是記錄地物反射或者發(fā)射電磁波能量的裝置，是遙感平臺的核心部分。 組成：任何類型的傳感器都由收集器、探測器、處理器、輸出器四個基本部件組成。,收集器,探測器,處理器,輸出器

2、,傳感器組成,1）收集器：負責收集地面目標輻射的電磁波能量。具體元件多樣，如透鏡、反射鏡、天線等； 2）探測器：將收集到的電磁輻射能轉變?yōu)榛瘜W能或電能。如熱敏探測元件、光電管、感光膠片等； 3）處理器：對轉換后的信號進行各種處理，如信號放大、變換、校正、編碼、顯影、定影； 4）輸出器：輸出信息的裝置。如磁帶記錄儀、陰極射線管等。,傳感器分類,按記錄方式： 成像傳感器（攝影成像、掃描成像）、 非成像傳感器（記錄地物的一些物理參數(shù)） 按傳感器工作的波段： 可見光傳感器、紅外傳感器光學傳感器 微波傳感器 按工作方式(接收目標自身的熱輻射或反射太陽輻射)： 主動傳感器、被動傳感器,成像傳感器,攝影類型

3、傳感器：框幅式、縫隙式、全景式、多光譜 掃描成像類型的傳感器：光機掃描、推掃式掃描 雷達成像類型的傳感器,傳感器成像類型,根據(jù)傳感器的基本構造和成像原理將傳感器分為：,8,傳感器指向,天底向（Nadir）: 傳感器指向垂直地面 非天底向（Off-nadir）: 傳感器指向非垂直地面方向 可變的非天底向指向：傳感器陣列本身可旋轉 固定的非天底向指向,2. 攝影成像之() 框幅式攝影成像,地平面,像平面,光 軸,鉛 垂 線,垂 直 攝 影,鉛垂線,像平面,傾 斜 攝 影,a,地面主點,像主點/像底點,成像原理與普通照相機相同，在某個攝影瞬間，地面上視場范圍內目標的輻射一次性地通過鏡頭中心在焦平面上

4、成像。 一個攝影中心和一個像平面。,Comparison of the Optical Components of the Simple Camera with those of the Human Eye,11,Two Frame Cameras Mounted in the Fuselage of a Plane,Kodak DCS 420 Digital Camera with a Nikon camera lens and body,Analog and Digital Cameras,Hasselblad 70-mm camera,真彩色合成,彩紅外合成,框幅式攝影航空遙感影像,2.

5、 攝影成像之()縫隙式攝影成像,又稱推掃式攝影成像或航帶攝影成像。 在飛機或衛(wèi)星上，攝影瞬間所獲取的影像，是與航線方向垂直且與縫隙等寬的一條線影像。當飛機或衛(wèi)星向前飛行時，攝影機焦平面上與飛行方向成垂直的狹縫中的影像也連續(xù)變化。當攝影機內的膠片不斷卷動，且其速度與地面在縫隙中的影像移動速度相同，則能得到連續(xù)的航帶攝影像片。 膠片卷動速度V與飛行速度v和相對航高H有關，以獲得清晰的影像 V=v f/H, f為焦距,15,縫隙式攝影機,多中心投影，不同縫隙對應的投影中心不同,16,又稱掃描攝影成像或搖頭攝影成像。 在物鏡的焦面上平行于飛行方向設置一條狹縫，并隨物鏡作垂直于航線方向的擺動掃描，得到一

6、幅掃描成像的圖像。 物鏡擺動的幅面很大，能將航線兩邊的地平線內的影像都攝入底片。-（全景攝影機）,2. 攝影成像之()全景式攝影成像,17,全景式攝影機,18,成像特點,焦距長，可達600mm 幅面大，23cm(長)*128cm（寬） 掃描視場大，可達180度 全景畸變 (panoramic distortion)：像距不變，物距隨掃描角的增大而增大，出現(xiàn)兩邊比例尺逐漸縮小的現(xiàn)象，整個影像產生全景畸變；掃描時，飛機向前運動，掃描擺動的非線性因素，使畸變復雜化。,2. 攝影成像之()多光譜攝影成像,對同一地區(qū)，在同一瞬間攝取多個波段影像的攝影成像方式 可充分利用地物在不同光譜區(qū)有不同的反射特征，

7、來增多獲取目標的信息量，以提高識別地物能力。 三種基本類型： 多攝影機型多光譜攝影成像 多鏡頭型多光譜攝影成像 光束分離型多光譜攝影成像,多攝影機型多光譜攝影機,用幾架普通的航空攝影機組裝而成，對各攝影機分別配以不同的濾光片和膠片的組合，采用同時曝光控制，以進行同時攝影。,Century City, Los Angeles,Four 70-mm Hasselblad Cameras Arranged to Obtain Multiband Vertical Aerial Photography,多鏡頭型多光譜攝影機,由多個物鏡組成的攝影機，是用普通航空攝影機改制而成，在一架攝影機上配置多個鏡頭

8、，同時選配相應的濾光片與不同感光特性的膠片組合，使各鏡頭在底片上成像的光譜，限制在規(guī)定的波段區(qū)內。 要求： 快門的同步性要好，以便在同一時刻獲取地物的多光譜像片； 各物鏡光軸嚴格平行，保證多光譜像片的套合精度； 事先確定曝光時間； 由于不同波長的光聚焦后的實際焦面位置不同，應使地物成像在最清楚的位置上,光束分離型多光譜攝影機,利用單鏡頭進行多光譜攝影。攝影時，光束通過一個鏡頭后，經(jīng)分光裝置分成幾個光束，然后分別透過不同濾光片，分成不同波段，在相應的感光膠片上成像，實現(xiàn)多光譜攝影。,Sir Isaac Newton discovered that white light could be dis

9、persed into its spectral components by passing it through a prism,一束白光通過棱鏡傳播后將被散射，表現(xiàn)形式是其光譜組成,White Light Separated into its Spectral Components Using a Prism,3. 掃描成像之()光機掃描成像,利用平臺的行進和旋轉掃描鏡對與平臺行進的垂直方向的地面（物平面）進行掃描，獲得二維遙感數(shù)據(jù)。 組成：掃描系統(tǒng)（旋轉掃描鏡）、聚焦系統(tǒng)（反射鏡組）、分光系統(tǒng)（棱鏡、光柵）、檢測系統(tǒng)（探測元件光電轉換系統(tǒng)、放大器）、記錄系統(tǒng)等組成。,optical-me

10、chanical scanner, 成像原理：,3. 掃描成像之()光機掃描成像, Landsat MSS/TM/ETM+,TM數(shù)據(jù)的波譜段,TM數(shù)據(jù)是第二代多光譜段光學機械掃描儀，是在MSS基礎上改進和發(fā)展而成的一種遙感器。TM采取雙向掃描，提高了掃描效率，縮短了停頓時間，并提高了檢測器的接收靈敏度。,ETM數(shù)據(jù)的波譜段,ETM數(shù)據(jù)是在TM基礎上改進和發(fā)展而成的一種遙感器。,3. 掃描成像之()光機掃描成像, NOAA/AVHRR與“風云”氣象衛(wèi)星,數(shù)據(jù)來源：美國氣象衛(wèi)星。 近圓形太陽同步軌道。 衛(wèi)星攜帶的環(huán)境監(jiān)測遙感器主要有改進型甚高分辨率輻射計(AVHRR)和泰羅斯業(yè)務垂直觀測系統(tǒng)(TO

11、VS)。 NOAA圖像。 參考網(wǎng)站: / /,Next,NOAA AVHRR image,時間： 2003年1月18日 地點： 堪培拉 影像： NOAA AVHRR 用途： 反映火災的 發(fā)生和痕跡。,BACK,3. 掃描成像之()光機掃描成像, NOAA/AVHRR與“風云”氣象衛(wèi)星,NOAA/AVHRR有5個通道，各通道的波長范圍分別是： AVHRR1：0.580.68m，綠紅 AVHRR2：0.725l. lm， 近紅外 AVHRR3：0.480.53m，藍綠 AVHRR4：0.530.68m，綠紅

12、AVHRR5：10.512.5m，熱紅外,3. 掃描成像之()光機掃描成像, NOAA/AVHRR與“風云”氣象衛(wèi)星,FY-l-A的AVHRR數(shù)據(jù)與美國NOAA衛(wèi)星的AVHRR很相似，可互相切換工作，互為備份。 FY-1兩衛(wèi)星的實時傳輸采用與NOAA衛(wèi)星兼容的體制，有高分辨率圖像傳輸(HRPT)和4 km分辨率的自動圖像傳輸(APT)兩種。 FY圖像 參考網(wǎng)站： ,Next,FY-1D 圖像,BACK,3. 掃描成像之()推掃式成像,Push-broom scanner 把探測器按掃描方向（垂直于飛行方向）陣列式排列來感應地面響應，以代替機械的真掃描。 若探測器按線性陣列排列，則可以同時得到整

13、行數(shù)據(jù)；若面陣式排列，則同時得到的是整幅圖像。 線陣列傳感器多使用電荷耦合器件CCD（charge coupled device），每個探測器元件感應響應“掃描”行上一個唯一的地面分辨單元的能量，探測器的大小決定了每個地面分辨單元的大小。,衛(wèi)星運行方向,中巴資源衛(wèi)星、 SPOT/HRG、 IKONOS、 QuickBird、 北京1號小衛(wèi)星,推掃式成像原理,空間和輻射分辨率高：線性陣列系統(tǒng)可以為每個探測器提供較長的停留時間，以便更充分的測量每個地面分辨單元的能量。 幾何精度更高：記錄每行數(shù)據(jù)的探測元件間有固定的關系，具有更大的穩(wěn)定性。 體積小、重量輕、能耗低：CCD是固態(tài)微電子裝置。 結構上可

14、靠性高：因為沒有光機掃描儀的機械運動部分。 存在的問題：由于使用了多個感光元件把光同時轉換成電信號，因此當感光元件間存在靈敏度差時，往往會產生帶狀噪聲，需要進行校準。,線性陣列推掃式掃描儀特點,SPOT5/HRG的垂直觀測模式,HRG - 高分辨率幾何成像儀 (High Resolution Geometric Imaging Instrument),兩臺HRG的瞄準軸放在正中一檔方向上，兩臺HRG位于鉛垂線左右兩側，每臺HRG的瞬時地面視場舷向寬60km，兩臺HRG的瞬時視場左右相接，中間在天底點及其附近重疊3km，故兩臺HRG的瞬時地面視場合成一舷向寬117km、航向僅為20m寬的細長條。

15、,雷達（RADAR，Radio Detection and Ranging，無線電波探測與測距），主動發(fā)射已知的微波信號（短脈沖），再接收這些信號與地面相互作用后的回波反射信號，并對這些信號的探測頻率和極化位移等進行比較，生成地表的數(shù)字圖像或模擬圖像。 側視機載雷達(Side-Looking Airborne Radar， SLAR) 20世紀50年代，美國軍方 真實孔徑雷達（Real Aperture Radar, RAR） 合成孔徑雷達（SAR，Synthetic Aperture Radar),4. 雷達成像之() SAR,側視機載雷達(SLAR，Side-Looking Airborn

16、e Radar),SAR的特點,為什么使用雷達成像技術 全天候，穿透云霧能力（在我國西南部多雨、多云、多霧地區(qū)具有絕對優(yōu)勢） 全天時工作 穿透植被和樹葉 目標與頻率的相互關系 運動檢測,雷達波段劃分,遙感中常用的微波范圍為0.8-30cm,使用的是波長1mm-1m(即頻率300MHz-300GHz)的微波波段，比可見光-紅外(0.38-15um)波長要大的多，最長的微波波長可以是最短的光學波長的250萬倍。,微波穿透特性,微波對土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲線可用下圖表示：,0 5 10 15 20 25 濕度,30 20,60,50 40,D （m） 穿透深度,W（%）,由圖看到，波

17、長越長，目標地物越干燥，微波對其穿透性越好，基本呈線性關系。,L,S,C,x,應用領域,地形測繪與地質研究中的應用 如埃及古河道的發(fā)現(xiàn), 阿爾貝托油田的分析 農業(yè)和林業(yè)中的應用 如土地利用調查, 土壤水分測量, 作物生長與分類 海洋研究和監(jiān)測方面的應用 如海面石油污染的監(jiān)測 軍事方面的應用 如軍事目標的識別與定位 減災防災方面的應用 如森林火災,地震等災害的預報,4. 雷達成像之() LIDAR,激光雷達，或稱機載激光雷達，是英文LIght Detection And Ranging的縮寫，激光探測與測距，是一種高精密度的激光測試技術，其基本原理是由激光器發(fā)射光脈沖信號，探測器接收前方物體反射

18、的光脈沖信號，通過測定光脈沖發(fā)射和接收的時間差來確定前方物體的距離(或運行速度)。,LIDAR DATA,494254.70 5420255.16 261.12 494254.67 5420252.35 261.36 494254.64 5420249.40 261.60 494254.61 5420246.42 261.96 494254.67 5420242.15 266.68 494254.65 5420238.93 267.48 494254.65 5420235.65 269.06 494254.65 5420232.36 270.69 494254.64 5420229.01 27

19、2.13 494254.61 5420226.27 271.93 494254.55 5420223.51 270.79 494254.49 5420221.04 269.63 494254.35 5420219.49 264.44494254.32 5420216.53 264.53 494254.29 5420213.58 264.58 494254.26 5420210.73 264.80 494254.23 5420207.76 264.99 494254.20 5420204.80 265.15 494254.17 5420201.85 265.30 494254.14 542019

20、8.99 265.69 494254.11 5420195.73 266.02 494254.08 5420192.78 266.27 494254.05 5420189.82 266.58 494254.03 5420186.86 266.94 494254.00 5420183.90 267.34 494253.97 5420180.99 267.51 494253.95 5420177.87 268.06 494253.93 5420174.91 268.58,LIDAR系統(tǒng)組成： (1) 定位與導航系統(tǒng)：動態(tài)差分GPS(即DGPS)技術和慣性測量裝置(即IMU-Inertial Mea

21、surement Unit)； (2) 激光掃描儀：用來量測地物地貌的三維空間坐標信息，由激光發(fā)射器、接收器、時間間隔測量裝置、傳動裝置、計算機和軟件組成； (3) 數(shù)碼相機：獲取地面的地物地貌真彩或紅外數(shù)字影像信息 (4) 中心控制單元：實現(xiàn)三個重要設備的精確同步，采用導航、定位和管理系統(tǒng)構成同步記錄IMU的角速度和加速度的增量以及GPS的位置、激光掃描儀和數(shù)碼相機的數(shù)據(jù)。,4. 雷達成像之() LIDAR,LIDAR測距原理,激光雷達測高是通過量測光波從發(fā)射到被目標反射返回后接收所經(jīng)歷的時間 來計算目標到激光器的距離的。因此，目標到激光器的距離R可以表示為：,為光波速度,LIDAR數(shù)據(jù)的主

22、要特點,（1）數(shù)據(jù)密度高 根據(jù)不同工程需要，可以靈活調節(jié)不同地表激光點采集間隔。Leica最新型號ALS50-II設備，激光點采集間距可以達到0.15米，甚至更小，數(shù)據(jù)采集密度極大，非常有利于真實地面高程模型的模擬。 （2）數(shù)據(jù)精度高 與傳統(tǒng)航攝不同，由于采用激光回波探測原理，LIDAR數(shù)據(jù)的高程精度不受航飛高度影響，且激光具有極高的方向指向性，加上LIDAR配置的高精度姿態(tài)測量系統(tǒng)，即使在沒有地面控制點的情況下，也能達到較高的定位精度。,LIDAR數(shù)據(jù)的主要特點,（3）植被穿透能力強 由于激光探測具有多次回波的特性，激光脈沖在穿越植被空隙時，可返回樹冠、樹枝、地面等多個高程數(shù)據(jù)，有效克服植被

23、影響，更精確探測地面真實地形。,（4）不受陰影和太陽高度角影響 LIDAR技術以主動測量方式采用激光測距方法，不依賴自然光；而因受太陽高度角、植被、山嶺等影響傳統(tǒng)航測方式無能為力的陰影地區(qū)，LIDAR在這些區(qū)域獲取數(shù)據(jù)的精度完全不受影響。,LIDAR數(shù)據(jù)的主要特點,森林管理、城市建模、海岸線監(jiān)測、電力線監(jiān)測、洪水模擬、管線布設、制作真正攝影像。,LIDAR應用領域, 樹高以及樹木結構的獲取 森林蓄積量統(tǒng)計、估計收獲量和木材增量 森林資源管理與監(jiān)測 運輸基礎設施的設計與優(yōu)化 規(guī)劃排水及施肥措施 評估潛在侵蝕,1. 森林區(qū)域應用概況,2. 三維城市建模, 結合地籍數(shù)據(jù)實現(xiàn)制圖 提供建筑物的位置和高程 確定樹木輪廓和植被高度 提供表面的細節(jié) 建筑物建模、