1、遙感技術與應用遙感技術與應用遙感傳感器遙感傳感器：收集、探測、處理和記錄物體電磁波輻射信息的工具。它的性能決定了遙感的能力：q電磁波波段的響應能力（探測靈敏度、波譜分辨率） q圖像的空間分辨率及其幾何特性q獲取地物電磁波信息量的大小和可靠程度q成像的方式無論哪種遙感傳感器，都是由收集器、探測器、處理器、輸出器等四部分組成的。 收集器：收集來自地物(目標)的輻射能量。 如透鏡組、反射鏡組、天線等 探測器：將收集到的輻射能轉化為化學能或電能。 如膠片、二極管等 處理器：將化學能或電能等信號進行處理。 如顯影、定影、信號放大、變換、校正、編碼等 輸出器：將獲取的數據輸出出來。 如掃描曬像儀、陰極射線

2、管、電視顯像管、磁帶記錄儀、彩色噴墨記錄儀等 遙感器的性能遙感器的性能表現在很多方面，其中最具有實用意義的指標是遙感器的分辨率。分辨率是遙感技術及其應用中的一個重要概念，也是衡量遙感數據質量特征的一個重要指標。它包括空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和輻射分辨率。1、空間分辨率空間分辨率是指遙感圖像上能夠詳細區分的最小單元的尺寸或大小，是用來表征影像分辨地面目標細節能力的指標。也稱地面分辨率。通常用像元大小、影像分辨率或視場角來表示。像元（像元（pixel）是指將地面信息離散化而形成的格網單元。像元越小空間分辨率越大。視場角（視場角（field of view,FOV）是指遙感器的張角即瞬時視

3、域，又稱為遙感器的角分辨率。影像分辨率（影像分辨率（photographic resolution）是用單位距離內能分辨的線寬或間隔相等的平行細線的條數來表示，單位為線/毫米或線對/毫米。2、光譜分辨率遙感器接收目標輻射的波譜時能分辨的最小波長間隔。一般來說，遙感器的波段數越多，波段寬度越窄，地面物體的信息越容易區分和識別，針對性越強。足夠的光譜分辨率可以區分出那些具有診斷性光譜特征的地表物質。對于特定的目標，選擇的遙感器并非波段越多，光譜分辨率越高，效果越好，而要根據目標的光譜特征和必須的地面分辨率來綜合考慮。3、時間分辨率是指對同一目標進行重復探測時，相鄰兩次探測的時間間隔。 時間分辨率包

4、括兩種情況：一種是遙感器本身設計的時間分辨率，受衛星運行規律影像，不能改變；另一種是根據應用要求，人為設計的時間分辨率，它一定等于或小于衛星遙感器本身的時間分辨率。4、輻射分辨率輻射分辨率：輻射分辨率：表征遙感器所能探測到的最小輻射功率的指標，歸結到影像上是指影像記錄灰度值的最歸結到影像上是指影像記錄灰度值的最小差值。小差值。攝影成像時，攝影膠片的靈敏度很高，一般認為攝影成像的灰度是連續的，因此輻射分辨率對像片而言是沒有意義的。在可見光到近紅外波段，掃描方式遙感器的輻射分辨率取決于它所記錄的目標輻射（主要是反射）功率的最小值。對熱紅外波段的遙感器來講，其輻射分辨率也稱溫度分辨率。傳感器分類傳感

5、器分類 攝影類型的傳感器攝影類型的傳感器 掃描成像類型的傳感器掃描成像類型的傳感器 雷達成像類型的傳感器雷達成像類型的傳感器 非圖像類型的傳感器非圖像類型的傳感器 攝影型傳感器攝影型傳感器它是較為常用的遙感成像設備器，一般由物鏡、快門、光圈、暗盒(膠片)、機械傳動裝置等組成。1 單鏡頭框幅式攝影機 Single-lens Frame Camera2 縫隙式攝影機 Slit Camera3 全景式攝影機 Panoramic Camera4 多光譜攝影機 Multispectral Camera 攝影相機膠片記錄的靈敏度和分辨率都很高 響應波段窄，0.41.1m 圖像幾何關系穩定、嚴密（中心投影）

6、。 不利于地物信息的實時傳輸和數字處理，難 以進行較長時間的連續工作 攝影型傳感器的特點掃描成像類傳感器掃描成像類傳感器 對物面掃描的成像儀對物面掃描的成像儀 對地面直接掃描成像（紅外掃描儀、多光譜掃描儀、對地面直接掃描成像（紅外掃描儀、多光譜掃描儀、成像光譜儀成像光譜儀 ） 對像面掃描的成像儀對像面掃描的成像儀 瞬間在像面上先形成一幅影像，然后對影像進行掃描瞬間在像面上先形成一幅影像，然后對影像進行掃描成像（線陣列成像（線陣列CCD推掃式成像儀推掃式成像儀 ） 成像光譜儀成像光譜儀 以多路、連續并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息以多路、連續并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器的儀器 對物

7、面掃描的成像儀對物面掃描的成像儀 紅外掃描儀紅外掃描儀 MSS多光譜掃描儀多光譜掃描儀 TM專題制圖儀專題制圖儀 ETM+增強型專題制圖儀增強型專題制圖儀 紅外掃描儀紅外掃描儀 掃描成像過程掃描成像過程 當旋轉棱鏡旋轉時，當旋轉棱鏡旋轉時，第一個鏡面對地面橫越航線第一個鏡面對地面橫越航線方向掃視一次，在掃描視場內的地面輻射能，由刈方向掃視一次，在掃描視場內的地面輻射能，由刈幅的一邊到另一邊依次進人傳感器，幅的一邊到另一邊依次進人傳感器， 經探測器輸出視頻信號，經探測器輸出視頻信號， 經電子放大器放大和調制，經電子放大器放大和調制， 在陰極射線管上顯示出一條相應于地面掃描視場在陰極射線管上顯示出

8、一條相應于地面掃描視場內的景物的圖像線，這條圖像線經曝光后在底片上內的景物的圖像線，這條圖像線經曝光后在底片上記錄下來。記錄下來。 接著第二個掃描鏡面掃視地面，由于飛機向前運接著第二個掃描鏡面掃視地面，由于飛機向前運動，膠片也作同步旋轉，記錄的第二條圖像正好與動，膠片也作同步旋轉，記錄的第二條圖像正好與第一條銜接。依次下去，就得到一條與地面范圍相第一條銜接。依次下去，就得到一條與地面范圍相應的二維條帶圖像。應的二維條帶圖像。 全景畸變全景畸變 由于地面分辨率隨掃描角發生變化，使紅外掃描影像產生畸變，這種畸變通常稱之為全景畸變，形成原因是像原因是像距保持不變，總在焦面上，而物距隨掃描角發生變化所

9、距保持不變，總在焦面上，而物距隨掃描角發生變化所致致。 紅外掃描儀的分辨率紅外掃描儀的分辨率 掃描線的銜接掃描線的銜接 熱紅外像片的色調特征熱紅外像片的色調特征熱紅外像片上的色調變化與相應的地物的輻射強度熱紅外像片上的色調變化與相應的地物的輻射強度變化成函數關系。地物發射電磁波的功率和地物的變化成函數關系。地物發射電磁波的功率和地物的發射率成正比，與地物溫度的四次方成正比，因此發射率成正比，與地物溫度的四次方成正比，因此圖像上的色調也與這兩個因素成相應關系。圖像上的色調也與這兩個因素成相應關系。 MSS多光譜掃描儀多光譜掃描儀 陸地衛星上的陸地衛星上的 MSS（Multispectral Sc

10、anner） 由掃描反射鏡、校正器、聚光系統、旋轉快門、由掃描反射鏡、校正器、聚光系統、旋轉快門、成像板、光學纖維、濾光器和探測器等組成。成像板、光學纖維、濾光器和探測器等組成。 掃描鏡掃描鏡擺動擺動2.892.89西西光學纖維光學纖維n n次掃描次掃描 474m474m6 65 54 41 12 23 3n+1n+1次掃描次掃描 474m474m6 65 54 41 12 23 31 185km85km185km185km6 6線線474m474m掃描視場掃描視場11.5611.56衛星軌跡衛星軌跡有效掃描有效掃描北北南南東東掃描儀掃描儀MSSMSS的掃描過程的掃描過程MSS的成像過程的成像

11、過程2 23 31 16 6回擺回擺有效掃描有效掃描MSS產品產品 粗加工產品，它是經過了輻射校準（系統噪聲改粗加工產品，它是經過了輻射校準（系統噪聲改正）、幾何校正（系統誤差改正）、分幅注記正）、幾何校正（系統誤差改正）、分幅注記（28.6s掃描掃描390次分一幅）次分一幅）。 精加工產品，它是在粗加工的基礎上，用地面控制精加工產品，它是在粗加工的基礎上，用地面控制點迸行了糾正（去除了系統誤差和偶然誤差點迸行了糾正（去除了系統誤差和偶然誤差) 特殊處理產品。特殊處理產品。 專題制圖儀專題制圖儀瞬時視場對應在地面為3030m2 探測波段增加到7個 TM(Thematic Mapper)ETM+

12、 (Enhanced Thematic Mapper)光光譜譜響響應應#1: B 0.45 - 0.515 / 30m#2: G0.525 - 0.605 / 30m#3: R 0.63 - 0.690 / 30m#4: IR0.75 - 0.90 / 30m#5: SWIR11.55 - 1.75 / 30m#6: TIR10.40 - 12.5 / 60m#7: SWIR22.09 - 2.35 / 30m#8: PAN0.52 - 0.90 / 15mTM各波段特征各波段特征 對像面掃描的成像儀對像面掃描的成像儀 HRV線陣列推掃式掃描儀線陣列推掃式掃描儀立體觀測立體觀測SPOT衛星衛星

13、HRV掃描儀掃描儀High Resolution Visible 不需要掃描鏡的擺動，像縫隙式攝影機那樣，以“推掃”方式獲取連續條帶影像。SPOT衛星衛星HRV掃描儀掃描儀多光譜HRV全色HRV光譜范圍：0.510.73 6000個探測元件 D=10m10m 對應地面60km兩臺平排3km重迭 117km寬6 bit編碼多光譜HRV全色HRV波段1 0.500.59 波段2 0.610.68 波段3 0.790.89 3000個探測元件D=20m20m對應地面60km 8 bit編碼立體觀測方式立體觀測方式 HRV 平面反射鏡可繞指向衛星前進方向的滾動軸平面反射鏡可繞指向衛星前進方向的滾動軸(

14、x)軸旋轉，從而在不同的軌道間實現立體觀測軸旋轉，從而在不同的軌道間實現立體觀測 HRG 通過側擺可在不同軌道上形成異軌立體通過側擺可在不同軌道上形成異軌立體 HRS 由前視后視相機組成，形成同軌立體由前視后視相機組成，形成同軌立體 成像光譜儀成像光譜儀 以多路、連續并具有高光譜分辨率方式獲取圖像以多路、連續并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器信息的儀器 基本上屬于多光譜掃描儀，其構造與基本上屬于多光譜掃描儀，其構造與CCD線陣列線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區別僅在于推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區別僅在于通道數多，各通道的波段寬度很窄。通道數多，各通道的波段寬度很窄。 雷達成

15、像儀雷達成像儀 特點特點 主動式遙感主動式遙感 雷達信號（距離、方位、相對速度、反射特雷達信號（距離、方位、相對速度、反射特性）性） 穿透特性穿透特性 分類分類 真實孔徑雷達真實孔徑雷達 合成孔徑雷達合成孔徑雷達 相干雷達相干雷達 激光雷達激光雷達 雷達接收到的回波強度是系統參數和地面目雷達接收到的回波強度是系統參數和地面目標參數的復雜函數。標參數的復雜函數。 系統參數：系統參數： 雷達波的波長雷達波的波長 發射功率發射功率 照射面積和方向照射面積和方向 極化等極化等 地面目標參數與地物的復介電常數、地面粗地面目標參數與地物的復介電常數、地面粗糙度等糙度等 v SEASAT SEASAT 衛星

16、衛星 發射時間: 1978.6.28 第一個星載 SAR 系統 運行 105 天 用于地球海洋遙感探測 以 110 Mbits/S獲取數據洛杉機地區 SEASAT 圖像, 1978 v 航天飛機成像雷達航天飛機成像雷達 SIR-A 由 SEASAT 剩余部件建成 搭載在哥倫比亞航天飛機上，1981.11 主要應用于地質探測 驗證了 L 波段對干旱沙地具有幾米的穿透能力。 在二天內獲取超過1千萬平方公里的地表SAR圖像。蘇丹西北部撒哈拉沙漠SIR-A 1981年11月影像，彩色部分為Landsat影像。由于干燥沙漠介電常數較小，SAR能穿透地表，發現沙漠地表下面有古河床。v航天飛機成像雷達航天飛

17、機成像雷達 SIR-B 由 SIR-A 改進 搭載在挑戰號航天飛機， 1984.10 檢驗 L 波段在以下方面的探測能力：- 土壤濕度- 地質結構和巖石特征- 海洋波浪譜 安裝了變側視角的可移動天線v SIR-C, 1994.4 飛行飛行 全新的SAR系統，工作在 L、 C和 X 波段 從1994.4.9 工作 11 天- 獲得了65小時數據- 探測了6,600萬平方公里- 數據量為：47 TB 重點對19個不同類型地區進行成像 第一次獲取了同波段不同極化的圖像- HH, VV, HV, VHv SIR-C, 1994.9 飛行飛行 第一次進行了SAR重復飛行 目的是進行重復軌道的SAR干涉測

18、量 檢驗 SCANSAR 的寬刈幅從1994. 9.30 工作 11 天- 獲得了80小時數據，23小時INSAR數據- 探測了8，300萬平方公里- 數據量為：60 TB 為了獲取INSAR數據，本次飛行嚴格重復4月的飛行軌道。用SIR-C 3種極化方式圖像合成的俄羅斯西伯利亞一火山圖像 發射時間：1991.7.17 軌道傾角：98.5 軌道高度：785 km 側 視 角：23 刈 幅 寬：100 km 波 長：5.7 cm 工作波段：C 極化方式：VV 分 辨 率：30 mERS - 11993年圣.路易斯安那州洪水期間 ERS-1 圖像v ERS-2l1995.4.21發射l25 m 分

19、辨率lC 波段，波長5.6 ml極化方式：VVl側視角：23亞利桑那州盆地 ERS-2 圖像1997.6.11997.1.121997.3.23上圖較清楚地反映了三條河流洪水泛濫的情況 發射時間：1992.2.11 軌道傾角：98.5 軌道高度：568 km 側 視 角：35 刈 幅 寬：75 km 波 長：23 cm 工作波段：L 極化方式：HH 分 辨 率：18 m 國 家：日本JERS - 1冰川上的火山口v RADARSATl分辨率10-100ml工作波段：Cl極化方式： HHl側視角：20-50 l工作時間：1995-現在紐約世貿中心被進攻前RADARSAT-1圖像（1999.6.8

20、）紐約世貿中心被進攻后RADARSAT-1圖像（2001.9.13）高分辨率國外高分辨率國外機載機載SARSAR圖像圖像1 1高分辨率國外機載高分辨率國外機載SARSAR圖像圖像2 2DC3和直升機TerraSAR-X衛星雷達衛星TerraSAR-X于2007年6月15日在俄羅斯拜克努爾發射場成功發射。TerraSAR-X（TSX）是由德國政府機構德國航空空間中心（DLR）和歐洲航空防務及航天公司（EADS）下屬的Astrium公司及Infoterra公司根據PPP模式(Public Private Partnership:公私合營)共同開發、運用的X波段SAR衛星。作為民用衛星，TerraS

21、AR-X將提供最高1m分辨率的雷達觀測數據。 側視雷達的一般結構側視雷達的一般結構側視雷達一般由脈沖發射機、接收機、發射接收轉換開關、天線和顯示記錄器組成。脈沖發射機產生脈沖信號，由轉換開關控制，經天線向觀測地區發射。地物反射或者散射的電磁波也由轉換開關控制進入接收機。接收的信號在顯示器上顯示或記錄在磁帶上。天線發射器轉換開關接收機顯示器目目標標R噪噪 聲聲信號信號 處理機處理機發射的電磁波發射的電磁波接收的電磁波接收的電磁波接收機的回波信息接收機的回波信息(Echo Information)接收機接收的雷達回波含有多種信息：目標與接收機接收的雷達回波含有多種信息：目標與雷達的方位、距離，雷達

22、與目標的相對速度，雷達的方位、距離，雷達與目標的相對速度，目標的反射特性。目標的反射特性。側視雷達成像側視雷達成像n 真實孔徑雷達真實孔徑雷達(RAR)n 合成孔徑雷達合成孔徑雷達(SAR) 真實孔徑側視雷達真實孔徑側視雷達Real Aperture Side-looking Radar方位向：平臺行進方向方位向：平臺行進方向距離向：平臺側向距離向：平臺側向距離方向距離方向CRTCRT接收機接收機天線天線方位方向方位方向波束寬度波束寬度脈沖寬度脈沖寬度時間時間反射強度反射強度成像過程成像過程(Imaging Processes)收集順序：近距離先收集，遠距離后收集收集順序：近距離先收集，遠距離

23、后收集回波強弱（色調）：回波強弱（色調）： （1）金屬）金屬硬目標強硬目標強 （2）反射面方向）反射面方向向天線強向天線強 （3）平滑鏡面反射）平滑鏡面反射回波弱回波弱 （4）反射面性質）反射面性質草地弱草地弱 （5）陰影）陰影無反射無反射天線收集天線收集側面天線側面天線發射窄脈沖發射窄脈沖地物反射地物反射成像處理成像處理形成影像形成影像放放大大檢檢波波地面分辨率地面分辨率 (Ground Resolution) 距離分辨率距離分辨率 在距離方向上能分辨的最小目標的尺寸在距離方向上能分辨的最小目標的尺寸 方位分辨率方位分辨率 雷達飛行方向上，能分辨兩個目標的最小距離雷達飛行方向上，能分辨兩個目

24、標的最小距離 距離分辨率距離分辨率sin2CR斜距斜距R距離分辨率斜距分辨率2CRd為脈沖寬度，為光為脈沖寬度，為光速，速，為雷達波側視角為雷達波側視角 R與距離無關，要提高R ，需要減小，但是減小會使雷達的發射功率下降，從而使回波信號的信噪比（S/N）下降，造成圖像質量下降。為此，采用脈沖壓縮技術來提高R。方位分辨率方位分辨率(Azimuth Resolution) 定義：相鄰的兩脈沖之間，能分辨兩個目標的定義：相鄰的兩脈沖之間，能分辨兩個目標的最小距離。最小距離。azimuth or along-track resolutionLRRL式中式中為雷達的為雷達的波束寬度，波束寬度，L為為雷達

25、天線的雷達天線的孔徑，孔徑，R為為雷達天線到地面目標的距離雷達天線到地面目標的距離 天線LLR要提高方位分辨率，需采要提高方位分辨率，需采用較短波長的電磁波，或用較短波長的電磁波，或加大天線孔徑，或縮短觀加大天線孔徑，或縮短觀測距離。測距離。如要求方位向分如要求方位向分辨率為辨率為25m25m，采用波長為，采用波長為5.7cm5.7cm的微波，衛星高度的微波，衛星高度為為600km600km，側視角，側視角4040度，度，則天線尺寸應為則天線尺寸應為1790m1790m ，這顯然難以實現。這顯然難以實現。合成孔徑雷達合成孔徑雷達特點特點：u 距離向采用距離向采用脈沖壓縮技術脈沖壓縮技術來提高分

26、辨率來提高分辨率u 方位向通過方位向通過合成孔徑原理合成孔徑原理來改善分辨率來改善分辨率 Synthetic Aperture Radar 用一系列的小天線排成一個陣列，每個小天線之間的距離為d，總長度為Nd。對于每個天線，脈沖發射是同時進行的，接收時也是同時接收信號。這就如同真實孔徑雷達一樣。成像原理成像原理(Imaging Principle)NdL將所有不同時刻接收的同一將所有不同時刻接收的同一目標信號目標信號消除因時間和距離消除因時間和距離不同所引起的相位差不同所引起的相位差，修正，修正到同時接收的情況，就得到到同時接收的情況，就得到如同真實孔徑側視雷達一樣如同真實孔徑側視雷達一樣的效

27、果。的效果。 不同時刻和位置接收的同一目標的頻率不同（多普勒平移效應），隨著時間增加，接收信號的頻率降低，頻率偏移對時間而言是線性的，反射脈沖可以認為是經過線性調制處理的。將不同位置接收的同一目標信號，通過與頻率偏移具有逆特性的匹配濾波器濾波調制，就得到目標的唯一像點。通過調制處理后，方位向上的分辨率得以提高，這種處理也叫做方位向壓縮。側視雷達圖像的幾何特征側視雷達圖像的幾何特征 斜距投影斜距投影 側視雷達圖像在垂直飛行方向（側視雷達圖像在垂直飛行方向（y）的像點位置）的像點位置是以飛機的目標的斜距來確定，稱之為斜距投影。是以飛機的目標的斜距來確定，稱之為斜距投影。圖像點的斜距算至地面距離為：圖像點的斜距算至地面距離為： 幾何特點幾何