遥感成像原理与图像特性学习教案

1、会计学1第一页，共76页。（1）开创了卫星微波遥感的新阶段；）开创了卫星微波遥感的新阶段；（2）为研究海洋开创了新途径：）为研究海洋开创了新途径：a.美国美国NASA（国家宇航局）认为其有利于探讨全球环境（国家宇航局）认为其有利于探讨全球环境的新认知。的新认知。b.NOAA（美国海洋大气局）认为其对渔业管理（美国海洋大气局）认为其对渔业管理 海岸带海岸带的管理的管理 海图的测绘和气侯预报四大任务海图的测绘和气侯预报四大任务(rn wu)有重大有重大意义。意义。c.美国海军认为美国海军认为 其可以满足海军水上舰艇其可以满足海军水上舰艇 飞机飞机 和水下潜和水下潜艇等军事活动对全球准确的海洋探测和

2、海洋预报的需要艇等军事活动对全球准确的海洋探测和海洋预报的需要。 因此，它在军事，科研，经济，政治等方面都具有因此，它在军事，科研，经济，政治等方面都具有极其重要的作用。极其重要的作用。第1页/共76页第二页，共76页。（除遥感的共性外） a 以微波为主：全天候全天时；海洋微波信息中包含大量海面温度海水含盐度及海面形态结构等。 b 电磁波与激光声纳相结合：因为不仅探测海洋表面，还要探测水下(shu xi)及海底。 c 海洋遥感往往需要与其他海洋调查手段和海面实测资料（如海洋调查船，浮标，潜水器等探测资料）相结合才能更有效发挥作用。第2页/共76页第三页，共76页。（1）雷达高度计：不成像，测量

3、星下点高度，海面）雷达高度计：不成像，测量星下点高度，海面(himin)波高，波高，海面海面(himin)起伏，浮冰高度海面起伏，浮冰高度海面(himin)风速。风速。（2）雷达散射计）雷达散射计SASS ：不成像，测海面：不成像，测海面(himin)风应力的大风应力的大小和方向。小和方向。（3）合成孔径雷达：成像，测）合成孔径雷达：成像，测 船位，航向，航速。船位，航向，航速。（4）多通道扫描辐射计：成像，测）多通道扫描辐射计：成像，测 海面海面(himin)温度温度 冰况，泡末区冰况，泡末区范围范围 大气水气量。大气水气量。（5）可见光）可见光红外辐射计：成像，识别云红外辐射计：成像，识别

4、云 主要水团及陆上特征海主要水团及陆上特征海面面(himin)海水温度等以及温度梯度。海水温度等以及温度梯度。第3页/共76页第四页，共76页。（现阶段海洋卫星所获得的资料大多未公开）（现阶段海洋卫星所获得的资料大多未公开）1、 海面温度和水色的研究海面温度和水色的研究(ynji)：（温度精确达：（温度精确达1度，水色主要取决度，水色主要取决于营养值。水色与鱼群活动密切相关（黄质浓度）浮游生物，沉积物于营养值。水色与鱼群活动密切相关（黄质浓度）浮游生物，沉积物含量，污染物，水藻）。含量，污染物，水藻）。2 、海洋形态及大地水准面的测量。、海洋形态及大地水准面的测量。3、洋流、寻找锋面渔场、航海

5、等提供可靠信息。、洋流、寻找锋面渔场、航海等提供可靠信息。4 、海底地形的测量：近海大陆架浅海重力波的折射现象来测量水上地、海底地形的测量：近海大陆架浅海重力波的折射现象来测量水上地形。形。5、海冰的结构、分布、冰龄的判断。、海冰的结构、分布、冰龄的判断。6 、海面风场：全球海面风场图。、海面风场：全球海面风场图。第4页/共76页第五页，共76页。1.传感器：是收集，探测，记录地物(dw)电磁波辐射信息的工具。 （是收集，探测，记录目标物的某一信息的工具） 例：常见 声音探测器（声控灯，蜂鸣器）红外监视仪 摄影镜头等第5页/共76页第六页，共76页。 1）按电磁波的来源分： 主动(zhdng)

6、遥感传感器， 被动遥感传感器 2）按成像原理和所获取图象性质分： 摄影机 扫描仪 雷达 3）按是否成像分： 图象方式传感器 非图象方式传感器第6页/共76页第七页，共76页。1）收集器：收集来地物（目标）的辐射能量，常见有透镜组、反射镜组、天线等。2）探测器： 将收集的辐射转变成化学能或电能如感光胶化，光电二极管，光敏和热敏探测元件等。3）处理器：将探测后的化学能和电能进行处理。如：显影及定影，信号放大，变换甚至校正和编码(bin m)等。4）输出器：将获取的数据输出来。如：扫描晒象仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪等。第7页/共76页第八页，共76页。第8页/共76页第九页，共76页。框

7、标压平(y pn)线压平线：压平线： 像片像片(xin pin)四边井四边井字形直线叫压平线，其字形直线叫压平线，其弯曲度说明摄影时感光弯曲度说明摄影时感光胶片未压平而产胶片未压平而产生的影像变形情况。生的影像变形情况。. 第9页/共76页第十页，共76页。第10页/共76页第十一页，共76页。第11页/共76页第十二页，共76页。ABCDabcd中心投影ABCDabcd正射投影航片是中心投影，即摄影光线(gungxin)交于同一点地图是正射投影，即摄影光线(gungxin)平行且垂直投影面。第12页/共76页第十三页，共76页。正射投影(tuyng):比例尺和投影(tuyng)距离无关中心投

8、影中心投影:焦距固定焦距固定(gdng)，航高改，航高改变，其比例尺也随之改变变，其比例尺也随之改变H1H2f正射投影中心投影第13页/共76页第十四页，共76页。正射投影:总是(zn sh)水平的，不存在倾斜问题中心(zhngxn)投影，若投影面倾斜，航片各部分的比例尺不同倾斜水平ABCabcHf比例尺比例尺f/H第14页/共76页第十五页，共76页。地形起伏对正射地形起伏对正射投影投影(tuyng)无影响无影响对中心投影对中心投影(tuyng)引起投影引起投影(tuyng)差差航片各部分的比例尺不同航片各部分的比例尺不同BACabcACABCabcCA第15页/共76页第十六页，共76页。

9、点的像仍然是点。与像面平行的直线的像还是直线；如果直线垂直于地面，有两种情况： 第一；当直线与像片(xin pin)垂直并通过投影中 心时，该直线在像片(xin pin)上的像为一个点； 第二；直线的延长线不通过投影中心，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则取决于目标在像片(xin pin)中的位置。平面上的曲线，在中心投影的像片(xin pin)上一般仍为曲线。第16页/共76页第十七页，共76页。（二）航空（二）航空(hngkng)像片比例尺像片比例尺第17页/共76页第十八页，共76页。fH比例尺比例尺=f/H像平面投影中心地物 摄影比例尺摄影比例尺 即航片上某线段

10、即航片上某线段l地面相应线段的水平地面相应线段的水平(shupng)距离距离L之比，称之为摄影比例尺之比，称之为摄影比例尺1/m。平坦地区、摄影时像片处于水平。平坦地区、摄影时像片处于水平(shupng)状态（垂直摄影），则像片比例尺等于像机焦距（状态（垂直摄影），则像片比例尺等于像机焦距（f）与航高（）与航高（H）之比。）之比。第18页/共76页第十九页，共76页。fH0h1h2101hHfm201hHfm比例尺：01Hfm第19页/共76页第二十页，共76页。fH起始面地形重叠部分hx1x2x3x4第20页/共76页第二十一页，共76页。hHRhhHrhhSnNRrA0Ahha0aH-hf

11、HAh地面点像点第21页/共76页第二十二页，共76页。（三）像点位移（三）像点位移(wiy)（1）位移量与地形高差成正比，即高差越大引起的像点位移量也越大。当高差为正时，像点位移为正，是背离像主点方移动；高差为负时，像点位移为负，是朝向像主点方向移动。（2）位移量与像点距离像主点的距离成正比，即距像主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。像主点无位移。（3）位移量与摄影高度(god)（航高）成反比。即摄影高度(god)越大，因地表起伏的位移量越小。第22页/共76页第二十三页，共76页。第23页/共76页第二十四页，共76页。第24页/共76页第二十五页，共76页。 照相技术照相技

12、术(jsh)的弱点：乳胶片感光技术的弱点：乳胶片感光技术(jsh)本身存在着致命的弱点，它所传感的辐射波段仅限于可见光及其附近；其次，照相一次成型，图象存储、本身存在着致命的弱点，它所传感的辐射波段仅限于可见光及其附近；其次，照相一次成型，图象存储、 传输和处理都不方便。传输和处理都不方便。第25页/共76页第二十六页，共76页。特点：利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法特点：利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法(fngf)。输出的电。输出的电学图象数据，存储、传输和处理方面十分方便。但装置庞杂，高速运动使学图象数据，存储、传输和处理方面十分方便。但装置庞杂，高速运动使其可靠性差；

13、在成像机理上，存在着目标辐射能量利用率低的致命弱点。其可靠性差；在成像机理上，存在着目标辐射能量利用率低的致命弱点。第26页/共76页第二十七页，共76页。第27页/共76页第二十八页，共76页。扫描扫描(somio)(somio)成像过程成像过程 123456123456473m473mN次扫描旋转镜瞬时视场角地面扫描轨迹0.50.6m0.60.7m0.70.8m0.81.1m第28页/共76页第二十九页，共76页。第29页/共76页第三十页，共76页。1、高光谱遥感：即高光谱分辨率遥感（、高光谱遥感：即高光谱分辨率遥感（Hyperpectral Remote Sensing）的简称的简称,

14、是利用很多很窄的电磁波段从感兴趣的物体获取有关数据是利用很多很窄的电磁波段从感兴趣的物体获取有关数据的探测技术。的探测技术。2、成像光谱仪：既能成像又能获取目标光谱曲线的、成像光谱仪：既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一谱像合一”的技术的技术，称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。，称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。3、特点：高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图象是多达数百个波、特点：高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图象是多达数百个波段的非常窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、近段的非常窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、近红外、中

15、红外和热红外区域全部光谱带。光谱仪成像时多采用扫红外、中红外和热红外区域全部光谱带。光谱仪成像时多采用扫描式和推帚式，可以收集描式和推帚式，可以收集200或或200以上波段的收据以上波段的收据(shuj)数据。数据。使图象中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般使图象中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般传统的成像谱光仪在波段之间存在间隔。传统的成像谱光仪在波段之间存在间隔。第30页/共76页第三十一页，共76页。第31页/共76页第三十二页，共76页。第32页/共76页第三十三页，共76页。棱镜(lngjng)衍射(ynsh)栅栏光栅设计为相临光栅的衍射的相位差为某波长

16、的整数倍，则光栅在某个方向的衍射光场为该波段的光。 第33页/共76页第三十四页，共76页。本节要求掌握：本节要求掌握：微波的特点、微波的特点、微波遥感的分类微波遥感的分类(fn li)、方式及其特征。方式及其特征。第34页/共76页第三十五页，共76页。 1 微波遥感主要是侧视雷达，它属于主动遥感器。其微波遥感主要是侧视雷达，它属于主动遥感器。其波长范围大都在微波（波长范围大都在微波（0.1100cm)范围内。所成的范围内。所成的图象称雷达图象。雷达是微波传感器的主要传感器。图象称雷达图象。雷达是微波传感器的主要传感器。 2原理是：在成像时，雷达本身发射一定波长和功率原理是：在成像时，雷达本

17、身发射一定波长和功率的高频电磁波波束，然后接受该波束被目标散射返回的的高频电磁波波束，然后接受该波束被目标散射返回的信号。返回信号的强度信号。返回信号的强度(qingd)取决于目标的特性，取决于目标的特性，从而达到探测目标的目的。从而达到探测目标的目的。第35页/共76页第三十六页，共76页。第36页/共76页第三十七页，共76页。1）全天候，全天时成像）全天候，全天时成像;2）对某些地物有特殊的波谱特征如在微波在水中的比辐射）对某些地物有特殊的波谱特征如在微波在水中的比辐射率为率为0.4，而在冰中的比辐射率为，而在冰中的比辐射率为0.99；3）对冰，雪，森林，土壤等具有一定的穿透能力，所以对

18、）对冰，雪，森林，土壤等具有一定的穿透能力，所以对探测隐藏于林下的地形，地质构造，军事目标，以及埋藏探测隐藏于林下的地形，地质构造，军事目标，以及埋藏于地下的工程，矿藏，地下水等有重要意义于地下的工程，矿藏，地下水等有重要意义;4）对海洋）对海洋(hiyng)遥感有特殊意义。因海上云雾较多所以遥感有特殊意义。因海上云雾较多所以微波探测限制不少，此外还可以探测海洋微波探测限制不少，此外还可以探测海洋(hiyng)，洋流，洋流。 第37页/共76页第三十八页，共76页。第38页/共76页第三十九页，共76页。按工作方式分按工作方式分非成像雷达非成像雷达成像雷达成像雷达真实孔径侧视雷达真实孔径侧视雷

19、达合成孔径侧视雷达合成孔径侧视雷达4、雷达的用途：、雷达的用途： 用于测定目标的位置、方向用于测定目标的位置、方向(fngxing)、距离和运动目标的速度、距离和运动目标的速度。第39页/共76页第四十页，共76页。 天线装在飞机或卫星的侧面，发射天线向平台运动方向的天线装在飞机或卫星的侧面，发射天线向平台运动方向的侧面发射一束宽度很窄的脉冲电磁波，然后接收从目标地物反侧面发射一束宽度很窄的脉冲电磁波，然后接收从目标地物反射回来的后向散射波，进而射回来的后向散射波，进而 从接收的信号中获取地表从接收的信号中获取地表(dbio)(dbio)的图象，由于地面各点到平台的距离不同，地物后向的图象，由

20、于地面各点到平台的距离不同，地物后向反射信号被天线接收的时间也不同，依它们到达天线的先后顺反射信号被天线接收的时间也不同，依它们到达天线的先后顺序记录，即距离近者先记录，距离远者后记录，这样根据后向序记录，即距离近者先记录，距离远者后记录，这样根据后向反射回电磁波的返回时间排列就可以实现距离方向的扫描。通反射回电磁波的返回时间排列就可以实现距离方向的扫描。通过平台的前进，扫描面在地面上移动，进而实现方位方向的扫过平台的前进，扫描面在地面上移动，进而实现方位方向的扫描。描。 第40页/共76页第四十一页，共76页。R=ct/2=R=ct/2=（t-t0t-t0）c/2 c/2 t0 t t0 t

21、为发射，接收时刻为发射，接收时刻(shk)(shk)时间时间第41页/共76页第四十二页，共76页。侧视雷达的分变率侧视雷达的分变率(bin l)(bin l)分为：分为：距离分辨率距离分辨率RrRr（垂直于飞行的方向）（垂直于飞行的方向）方位分辨率方位分辨率RR（平行于飞行方向）（平行于飞行方向）RrR第42页/共76页第四十三页，共76页。第43页/共76页第四十四页，共76页。 是在脉冲发射的方向上，能分辨是在脉冲发射的方向上，能分辨(fnbin)两个目标的最小距两个目标的最小距离。离。sec2rcR题：题： 脉冲宽度脉冲宽度0.1m时时计算计算(j sun)俯角俯角60和和30时的距离

22、分辨率时的距离分辨率第44页/共76页第四十五页，共76页。第45页/共76页第四十六页，共76页。第46页/共76页第四十七页，共76页。 俯角俯角 脉冲脉冲(michng)宽度宽度 c 光速光速30m 17.32m/2/2第47页/共76页第四十八页，共76页。可以看出可以看出（1）俯角越小，分辨率越高，这也是为什么雷达成像必须）俯角越小，分辨率越高，这也是为什么雷达成像必须侧视的原因；侧视的原因；（2）减小脉冲宽度可以提高距离分辨率，但这样会使微波）减小脉冲宽度可以提高距离分辨率，但这样会使微波作用距离减小，为了使其有一定的作用距离，就必须加大作用距离减小，为了使其有一定的作用距离，就必

23、须加大发射功率，从而又造成设备的庞大，费用的昂贵。（目前发射功率，从而又造成设备的庞大，费用的昂贵。（目前(mqin)解决的方法是脉冲后缩技术提高距离分辨率）解决的方法是脉冲后缩技术提高距离分辨率）第48页/共76页第四十九页，共76页。方位分辨方位分辨(fnbin)率是指相邻的两束脉冲之间，能分辨率是指相邻的两束脉冲之间，能分辨(fnbin)两个目标的最小距离两个目标的最小距离 但这几点无论是在飞机还是卫星上都受到限制但这几点无论是在飞机还是卫星上都受到限制 如：雷达的波长如：雷达的波长=3cm 航高航高200km，若要，若要R=3 m则天线则天线=2000mRRRD可以看出要提高方位分辨率

24、，可以采取以下措施：可以看出要提高方位分辨率，可以采取以下措施：（1 1）采用波长较短的电磁波；）采用波长较短的电磁波；（2 2）加大天线）加大天线(tinxin)(tinxin)孔径；孔径； （3 3）缩短观测距离；）缩短观测距离； 波瓣角波瓣角 波长波长 D 天线的孔径天线的孔径 R 斜距斜距 第49页/共76页第五十页，共76页。基本思想：用一小天线沿一直线方向不断运动，在运动中每一位置上基本思想：用一小天线沿一直线方向不断运动，在运动中每一位置上发射一个信号，收接相应发射一个信号，收接相应(xingyng)(xingyng)位置的回波信号，并储存接收位置的回波信号，并储存接收信号的振幅

25、和相位。信号的振幅和相位。DLs合成孔径天线对同一目标信号是在（1）不同时刻得到（2)不同位置得到既目标物与飞行器的距离不同，所以其相位和强度不同，但这种变化是有规律的经处理后才能恢复(huf)成地面的实际图象第50页/共76页第五十一页，共76页。据方位分辨率的公式据方位分辨率的公式D D 为合成孔径的长为合成孔径的长 R R 合成孔径方位分辨率合成孔径方位分辨率 由于天线最大的合成孔径为由于天线最大的合成孔径为lslsRR（/D/D）R R即真实孔径时的即真实孔径时的方位分辨率。方位分辨率。所以，所以， D D为每一小段的长为每一小段的长即合成孔径雷达的方位分辨率只与实际即合成孔径雷达的方

26、位分辨率只与实际(shj)(shj)使用的天线孔径有使用的天线孔径有关。关。RRRDls(/)RRDDR第51页/共76页第五十二页，共76页。遥感图像特征与地物遥感图像特征与地物(dw)特征特征遥感数据的三个特征的表征参数遥感数据的三个特征的表征参数三个表征参数意义三个表征参数意义第52页/共76页第五十三页，共76页。 通过遥感图象需解译通过遥感图象需解译出三个方面的信息：出三个方面的信息：1目标物的属性特点目标物的属性特点2目标物的大小，形状目标物的大小，形状和空间分布和空间分布3目标物的变化目标物的变化(binhu)动态特点动态特点 3.6.1 3.6.1 遥感遥感(yogn)(yog

27、n)图象特征图象特征和地物特征和地物特征第53页/共76页第五十四页，共76页。第54页/共76页第五十五页，共76页。第55页/共76页第五十六页，共76页。是什么？在哪里？会怎样？解译信息属性特性空间位置与形态特性动态变化特性地物特征物理特征几何特征时间特征图像表征参数光谱分辨率辐射分辨率空间分辨率时间分辨率第56页/共76页第五十七页，共76页。1.定义：定义：A. 波谱分辨率指传感器所用的波段数目波谱分辨率指传感器所用的波段数目，波段波长以及波段宽度（也就是选择，波段波长以及波段宽度（也就是选择的通道数，每个通道的波长，带宽这三的通道数，每个通道的波长，带宽这三个因素决定波谱分辨率）个

28、因素决定波谱分辨率）B. 指传感器在接收指传感器在接收(jishu)目标辐射的目标辐射的波谱是能分辨的最小波长间隔。（高光波谱是能分辨的最小波长间隔。（高光谱）谱）第57页/共76页第五十八页，共76页。第58页/共76页第五十九页，共76页。第59页/共76页第六十页，共76页。1）提高(t go)了对地物的识别程度2）在图象处理中多光谱信息的利用可以提高(t go)分析判断效果第60页/共76页第六十一页，共76页。第61页/共76页第六十二页，共76页。1.定义：定义： 指传感器接收波谱信号时能分辨的最小辐射指传感器接收波谱信号时能分辨的最小辐射(fsh)度差度差 2.辐射辐射(fsh)

29、分辨率的表示分辨率的表示Rlm a xm inlRRRDRmax、Rmin分别分别(fnbi)为最大最小辐射为最大最小辐射量量 D 为灰度级为灰度级第62页/共76页第六十三页，共76页。1.1.空间分辨率又称地面分辨率（空间分辨率又称地面分辨率（ground resolutionground resolution） 既指在一个影象上能够区分的最小单元或大小。既指在一个影象上能够区分的最小单元或大小。2.2.空间分辨率的表示形式空间分辨率的表示形式 1 1）象元（）象元（pixel sizepixel size）：既每个象元的大小在地面上对）：既每个象元的大小在地面上对应的范围，用应的范围，用

30、m m表示。表示。 如如TMTM图象一个象元代表地面图象一个象元代表地面28.528.5* *28.5 m228.5 m2，也就是平时，也就是平时(pngsh)(pngsh)所说的所说的30 m30 m分辨率分辨率第63页/共76页第六十四页，共76页。2 2）象解率（）象解率（photographic resolutionphotographic resolution）：）： 指胶片指胶片(jiopin)(jiopin)上上1mm1mm间隔内包含的线对数，用线对间隔内包含的线对数，用线对/mm/mm表示（一条白线和一条黑线构成一个线对）与象元的转换公式为：表示（一条白线和一条黑线构成一个线对

31、）与象元的转换公式为： 象元大小象元大小 = = 每线对大小每线对大小/2.8/2.83 3）视场角（）视场角（IFOV IFOV ） 指电子传感器的瞬时视域，用弧度表示指电子传感器的瞬时视域，用弧度表示 实际上每一地物在图象上可分辨程度，不完全决定于空间分实际上每一地物在图象上可分辨程度，不完全决定于空间分辨率的绝对值。而于它的背景值有关。即于它的形状，大小以及与辨率的绝对值。而于它的背景值有关。即于它的形状，大小以及与周围物体的相对亮度及结构的差异如：铁路，护城河，导弹发射基周围物体的相对亮度及结构的差异如：铁路，护城河，导弹发射基地地 第64页/共76页第六十五页，共76页。Graphi

32、c representation showing differences in spatial resolution among some well known sensors 第65页/共76页第六十六页，共76页。第66页/共76页第六十七页，共76页。第67页/共76页第六十八页，共76页。第68页/共76页第六十九页，共76页。1.1.定义：定义： 指对同一地点进行遥感采样的时指对同一地点进行遥感采样的时间间隔间间隔(jin g)(jin g)，即采样的时间频率。，即采样的时间频率。 例：静止气象卫星半小时例：静止气象卫星半小时/ /次次 陆地观测卫星几天或几周陆地观测卫星几天或几周/ /次次 航空摄影几个月或几年航空摄影几个月或几年/ /次次第69页/共76页第七十页，共76页。 1）超短、短周期时间分辩率）超短、短周期时间分辩率 指一天的变化，以小时计。主要指气象卫星所获得的信息，用来探测指一天的变化，以小时计。主要指气象卫星所获得的信息，用来探测大气，海洋物理现象，火山爆发，植物病虫害，森林火灾，污染源监控大气，海洋物理现象，火山爆发，植物病虫害，森林火灾，污染源