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1、三、传感器与遥感成像原理,中国农业大学 信息与电气工程学院 苏 伟 地理信息工程系,第一章 绪论(Cont),2009年2月18日 第二次课,1. 传感器结构 2. 摄影成像 () 框幅式摄影成像 () 缝隙式摄影成像 () 全景式摄影成像 () 多光谱摄影成像 3. 扫描成像 () 光机扫描成像 () 推帚式扫描成像 4. 雷达成像 () SAR () LIDAR,主要内容,1. 传感器结构,传感器 (Sensor)：传感器是记录地物反射或者发射电磁波能量的装置，是遥感平台的核心部分。 组成：任何类型的传感器都由收集器、探测器、处理器、输出器四个基本部件组成。,收集器,探测器,处理器,输出器
2、,传感器组成,1）收集器：负责收集地面目标辐射的电磁波能量。具体元件多样，如透镜、反射镜、天线等； 2）探测器：将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能。如热敏探测元件、光电管、感光胶片等； 3）处理器：对转换后的信号进行各种处理，如信号放大、变换、校正、编码、显影、定影； 4）输出器：输出信息的装置。如磁带记录仪、阴极射线管等。,传感器分类,按记录方式： 成像传感器（摄影成像、扫描成像）、 非成像传感器（记录地物的一些物理参数） 按传感器工作的波段： 可见光传感器、红外传感器光学传感器 微波传感器 按工作方式(接收目标自身的热辐射或反射太阳辐射)： 主动传感器、被动传感器,成像传感器,摄影类型
3、传感器：框幅式、缝隙式、全景式、多光谱 扫描成像类型的传感器：光机扫描、推扫式扫描 雷达成像类型的传感器,传感器成像类型,根据传感器的基本构造和成像原理将传感器分为：,8,传感器指向,天底向（Nadir）: 传感器指向垂直地面 非天底向（Off-nadir）: 传感器指向非垂直地面方向 可变的非天底向指向：传感器阵列本身可旋转 固定的非天底向指向,2. 摄影成像之() 框幅式摄影成像,地平面,像平面,光 轴,铅 垂 线,垂 直 摄 影,铅垂线,像平面,倾 斜 摄 影,a,地面主点,像主点/像底点,成像原理与普通照相机相同，在某个摄影瞬间，地面上视场范围内目标的辐射一次性地通过镜头中心在焦平面上
4、成像。 一个摄影中心和一个像平面。,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,彩红外合成,框幅式摄影航空遥感影像,2.
5、 摄影成像之()缝隙式摄影成像,又称推扫式摄影成像或航带摄影成像。 在飞机或卫星上，摄影瞬间所获取的影像，是与航线方向垂直且与缝隙等宽的一条线影像。当飞机或卫星向前飞行时，摄影机焦平面上与飞行方向成垂直的狭缝中的影像也连续变化。当摄影机内的胶片不断卷动，且其速度与地面在缝隙中的影像移动速度相同，则能得到连续的航带摄影像片。 胶片卷动速度V与飞行速度v和相对航高H有关，以获得清晰的影像 V=v f/H, f为焦距,15,缝隙式摄影机,多中心投影，不同缝隙对应的投影中心不同,16,又称扫描摄影成像或摇头摄影成像。 在物镜的焦面上平行于飞行方向设置一条狭缝，并随物镜作垂直于航线方向的摆动扫描，得到一
6、幅扫描成像的图像。 物镜摆动的幅面很大，能将航线两边的地平线内的影像都摄入底片。-（全景摄影机）,2. 摄影成像之()全景式摄影成像,17,全景式摄影机,18,成像特点,焦距长，可达600mm 幅面大，23cm(长)*128cm（宽） 扫描视场大，可达180度 全景畸变 (panoramic distortion)：像距不变，物距随扫描角的增大而增大，出现两边比例尺逐渐缩小的现象，整个影像产生全景畸变；扫描时，飞机向前运动，扫描摆动的非线性因素，使畸变复杂化。,2. 摄影成像之()多光谱摄影成像,对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影成像方式 可充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征，
7、来增多获取目标的信息量，以提高识别地物能力。 三种基本类型： 多摄影机型多光谱摄影成像 多镜头型多光谱摄影成像 光束分离型多光谱摄影成像,多摄影机型多光谱摄影机,用几架普通的航空摄影机组装而成，对各摄影机分别配以不同的滤光片和胶片的组合，采用同时曝光控制，以进行同时摄影。,Century City, Los Angeles,Four 70-mm Hasselblad Cameras Arranged to Obtain Multiband Vertical Aerial Photography,多镜头型多光谱摄影机,由多个物镜组成的摄影机，是用普通航空摄影机改制而成，在一架摄影机上配置多个镜头
8、，同时选配相应的滤光片与不同感光特性的胶片组合，使各镜头在底片上成像的光谱，限制在规定的波段区内。 要求： 快门的同步性要好，以便在同一时刻获取地物的多光谱像片； 各物镜光轴严格平行，保证多光谱像片的套合精度； 事先确定曝光时间； 由于不同波长的光聚焦后的实际焦面位置不同，应使地物成像在最清楚的位置上,光束分离型多光谱摄影机,利用单镜头进行多光谱摄影。摄影时，光束通过一个镜头后，经分光装置分成几个光束，然后分别透过不同滤光片，分成不同波段，在相应的感光胶片上成像，实现多光谱摄影。,Sir Isaac Newton discovered that white light could be dis
9、persed into its spectral components by passing it through a prism,一束白光通过棱镜传播后将被散射，表现形式是其光谱组成,White Light Separated into its Spectral Components Using a Prism,3. 扫描成像之()光机扫描成像,利用平台的行进和旋转扫描镜对与平台行进的垂直方向的地面（物平面）进行扫描，获得二维遥感数据。 组成：扫描系统（旋转扫描镜）、聚焦系统（反射镜组）、分光系统（棱镜、光栅）、检测系统（探测元件光电转换系统、放大器）、记录系统等组成。,optical-me
10、chanical scanner, 成像原理：,3. 扫描成像之()光机扫描成像, Landsat MSS/TM/ETM+,TM数据的波谱段,TM数据是第二代多光谱段光学机械扫描仪，是在MSS基础上改进和发展而成的一种遥感器。TM采取双向扫描，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，并提高了检测器的接收灵敏度。,ETM数据的波谱段,ETM数据是在TM基础上改进和发展而成的一种遥感器。,3. 扫描成像之()光机扫描成像, NOAA/AVHRR与“风云”气象卫星,数据来源：美国气象卫星。 近圆形太阳同步轨道。 卫星携带的环境监测遥感器主要有改进型甚高分辨率辐射计(AVHRR)和泰罗斯业务垂直观测系统(TO
11、VS)。 NOAA图像。 参考网站: http:/www.saa.noaa.gov/ http:/www.goes.noaa.gov/,Next,NOAA AVHRR image,时间： 2003年1月18日 地点： 堪培拉 影像： NOAA AVHRR 用途： 反映火灾的 发生和痕迹。,BACK,3. 扫描成像之()光机扫描成像, NOAA/AVHRR与“风云”气象卫星,NOAA/AVHRR有5个通道，各通道的波长范围分别是： AVHRR1：0.580.68m，绿红 AVHRR2：0.725l. lm， 近红外 AVHRR3：0.480.53m，蓝绿 AVHRR4：0.530.68m，绿红
12、AVHRR5：10.512.5m，热红外,3. 扫描成像之()光机扫描成像, NOAA/AVHRR与“风云”气象卫星,FY-l-A的AVHRR数据与美国NOAA卫星的AVHRR很相似，可互相切换工作，互为备份。 FY-1两卫星的实时传输采用与NOAA卫星兼容的体制，有高分辨率图像传输(HRPT)和4 km分辨率的自动图像传输(APT)两种。 FY图像 参考网站： http:/ http:/ 图像,BACK,3. 扫描成像之()推扫式成像,Push-broom scanner 把探测器按扫描方向（垂直于飞行方向）阵列式排列来感应地面响应，以代替机械的真扫描。 若探测器按线性阵列排列，则可以同时得
13、到整行数据；若面阵式排列，则同时得到的是整幅图像。 线阵列传感器多使用电荷耦合器件CCD（charge coupled device），每个探测器元件感应响应“扫描”行上一个唯一的地面分辨单元的能量，探测器的大小决定了每个地面分辨单元的大小。,卫星运行方向,中巴资源卫星、 SPOT/HRG、 IKONOS、 QuickBird、 北京1号小卫星,推扫式成像原理,空间和辐射分辨率高：线性阵列系统可以为每个探测器提供较长的停留时间，以便更充分的测量每个地面分辨单元的能量。 几何精度更高：记录每行数据的探测元件间有固定的关系，具有更大的稳定性。 体积小、重量轻、能耗低：CCD是固态微电子装置。 结构
14、上可靠性高：因为没有光机扫描仪的机械运动部分。 存在的问题：由于使用了多个感光元件把光同时转换成电信号，因此当感光元件间存在灵敏度差时，往往会产生带状噪声，需要进行校准。,线性阵列推扫式扫描仪特点,SPOT5/HRG的垂直观测模式,HRG - 高分辨率几何成像仪 (High Resolution Geometric Imaging Instrument),两台HRG的瞄准轴放在正中一档方向上，两台HRG位于铅垂线左右两侧，每台HRG的瞬时地面视场舷向宽60km，两台HRG的瞬时视场左右相接，中间在天底点及其附近重叠3km，故两台HRG的瞬时地面视场合成一舷向宽117km、航向仅为20m宽的细长
15、条。,雷达（RADAR，Radio Detection and Ranging，无线电波探测与测距），主动发射已知的微波信号（短脉冲），再接收这些信号与地面相互作用后的回波反射信号，并对这些信号的探测频率和极化位移等进行比较，生成地表的数字图像或模拟图像。 侧视机载雷达(Side-Looking Airborne Radar， SLAR) 20世纪50年代，美国军方 真实孔径雷达（Real Aperture Radar, RAR） 合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar),4. 雷达成像之() SAR,侧视机载雷达(SLAR，Side-Looking Airbo
16、rne Radar),SAR的特点,为什么使用雷达成像技术 全天候，穿透云雾能力（在我国西南部多雨、多云、多雾地区具有绝对优势） 全天时工作 穿透植被和树叶 目标与频率的相互关系 运动检测,雷达波段划分,遥感中常用的微波范围为0.8-30cm,使用的是波长1mm-1m(即频率300MHz-300GHz)的微波波段，比可见光-红外(0.38-15um)波长要大的多，最长的微波波长可以是最短的光学波长的250万倍。,微波穿透特性,微波对土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲线可用下图表示：,0 5 10 15 20 25 湿度,30 20,60,50 40,D （m） 穿透深度,W（%）,由图看到
17、，波长越长，目标地物越干燥，微波对其穿透性越好，基本呈线性关系。,L,S,C,x,应用领域,地形测绘与地质研究中的应用 如埃及古河道的发现, 阿尔贝托油田的分析 农业和林业中的应用 如土地利用调查, 土壤水分测量, 作物生长与分类 海洋研究和监测方面的应用 如海面石油污染的监测 军事方面的应用 如军事目标的识别与定位 减灾防灾方面的应用 如森林火灾,地震等灾害的预报,4. 雷达成像之() LIDAR,激光雷达，或称机载激光雷达，是英文LIght Detection And Ranging的缩写，激光探测与测距，是一种高精密度的激光测试技术，其基本原理是由激光器发射光脉冲信号，探测器接收前方物体
18、反射的光脉冲信号，通过测定光脉冲发射和接收的时间差来确定前方物体的距离(或运行速度)。,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
19、272.13 494254.61 5420226.27 271.93 494254.55 5420223.51 270.79 494254.49 5420221.04 269.63 494254.35 5420219.49 264.44 494254.32 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 494254.14 542
20、0198.99 265.69 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系统组成： (1) 定位与导航系统：动态差分GPS(即DGPS)技术和惯性测量装置(即IMU-Inertial
21、Measurement Unit)； (2) 激光扫描仪：用来量测地物地貌的三维空间坐标信息，由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成； (3) 数码相机：获取地面的地物地貌真彩或红外数字影像信息 (4) 中心控制单元：实现三个重要设备的精确同步，采用导航、定位和管理系统构成同步记录IMU的角速度和加速度的增量以及GPS的位置、激光扫描仪和数码相机的数据。,4. 雷达成像之() LIDAR,LIDAR测距原理,激光雷达测高是通过量测光波从发射到被目标反射返回后接收所经历的时间 来计算目标到激光器的距离的。因此，目标到激光器的距离R可以表示为：,为光波速度,LIDAR数
22、据的主要特点,（1）数据密度高 根据不同工程需要，可以灵活调节不同地表激光点采集间隔。Leica最新型号ALS50-II设备，激光点采集间距可以达到0.15米，甚至更小，数据采集密度极大，非常有利于真实地面高程模型的模拟。 （2）数据精度高 与传统航摄不同，由于采用激光回波探测原理，LIDAR数据的高程精度不受航飞高度影响，且激光具有极高的方向指向性，加上LIDAR配置的高精度姿态测量系统，即使在没有地面控制点的情况下，也能达到较高的定位精度。,LIDAR数据的主要特点,（3）植被穿透能力强 由于激光探测具有多次回波的特性，激光脉冲在穿越植被空隙时，可返回树冠、树枝、地面等多个高程数据，有效克
23、服植被影响，更精确探测地面真实地形。,（4）不受阴影和太阳高度角影响 LIDAR技术以主动测量方式采用激光测距方法，不依赖自然光；而因受太阳高度角、植被、山岭等影响传统航测方式无能为力的阴影地区，LIDAR在这些区域获取数据的精度完全不受影响。,LIDAR数据的主要特点,森林管理、城市建模、海岸线监测、电力线监测、洪水模拟、管线布设、制作真正摄影像。,LIDAR应用领域, 树高以及树木结构的获取 森林蓄积量统计、估计收获量和木材增量 森林资源管理与监测 运输基础设施的设计与优化 规划排水及施肥措施 评估潜在侵蚀,1. 森林区域应用概况,2. 三维城市建模, 结合地籍数据实现制图 提供建筑物的位
24、置和高程 确定树木轮廓和植被高度 提供表面的细节 建筑物建模、城市规划 噪声模拟 无线网络规划 高程确定 洪水模拟 水流模拟 虚拟现实（如超市、旅游及信息系统等）,2. 三维城市建模,3. 海岸线保护, 能实现电力线矢量线的提取； 能确定特征点的3D坐标(如高压铁塔的位置, 电缆连接点, ) 电力线3D建模,4.电力线监测,4.电力线监测,电力线特征点和特征值的获取,5. 洪水模拟,DSM,洪涝区域,6.1 基于高分辨率DSM实现： 狭长管道的设计 电力线的设计 地下管线设计(水管，气管，油管) 高速公路及铁路规划,6. 狭长区域的规划与监测,6. 狭长区域的规划与监测,6.2 生成任意长度的
25、高精度侧面或剖面图 确定是否通视 管线（水管、气管、油管）坡度的确定 填挖体积计算 确定待清理地物或植被 结合规划和地图数据分析, 对于传统测量及航测方法难以胜任区域的监测 区域被植被覆盖 测区含有滑坡区域 地面测绘难以安全实施 基于LIDAR得到的高分辨率DSM可以看出测区的基本情况（含植被、建筑物）,7. 监测, 通过高分辨率DTM的生成，可以很容易发现关键的地形特征： 断裂线 沉陷区域及沉陷过程 可能倒塌的区域,7. 监测,汶川地震唐家山堰塞湖三维晕渲图,8. 应急响应及灾害评估,LIDAR系统能提供以下技术保障： （1）灾害区域的定位： 确定地震破坏最严重的地方； 统计、分析断裂破坏的大致方位与走向等； 分析便捷的救援路线，指导救援工作的数理实施； （2）灾情评估： 结合使用光学影像和LIDAR点云数据，进行灾害前后的变化检测； 评估灾害前后的地物受损情况，统计受损区域的面积情况； 利用灾害前后的DTM数据定量地给出地形变化的具体指标。,8. 应急响应及灾害评估,马洪超：80km2 5km2,The end of this class. Question and Answer,