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1、第二章 遥感图像的 获取与特征,可见光-反射红外遥感热红外遥感,第一节 可见光-反射红外遥感,记录的是地球表面对太阳辐射能的反射辐射能。关键变量包括大气纯洁度、地物波谱特性、太阳辐射强度、太阳高度角等。按采集数据方式，分为摄影系统和扫描系统。,一、传感器组成,二、摄影系统,摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。摄影系统选用了光学摄影波段，即紫外-近红外（0.3-0.9 m）波段的电磁辐射能量。摄影机是成像遥感最常用的传感器，可装载在地面平台、航空平台以及航天平台上，有分幅式和全景式摄影机之分。,航摄仪结构,1、摄影像片的几何性质,中心投影,空间任意直线（投影光线）均通过一固定点（投影中心）投射
2、到一平面（投影平面）上而形成的透视关系。,二、摄影系统,中心投影的表现形式,二、摄影系统,9,航空摄影方式,主光轴：通过物镜中心并与像平面垂直的直线像主点：主光轴与感光片的交点像片倾角（航摄倾角）：主光轴与铅垂线的夹角，或像片面与水平面的夹角。,地平面,像平面,主光轴,铅垂线,铅垂线,像平面,a,二、摄影系统,2、摄影像片的几何特征,像片的投影：常用的大比例尺地形图属于垂直投影或近垂直投影，而摄影像片却属于中心投影。中心投影与垂直投影的区别（1）投影距离的影响（2）投影面倾斜的影响（3）地形起伏的影响,垂直投影 中心投影,二、摄影系统,（1）投影距离的影响：垂直投影图像的缩小和放大与投影距离无
3、关，并有统一的比例尺。中心投影则受投影距离（遥感平台高度）影响，像片比例尺与平台高度H和焦距f有关。（2）投影面倾斜的影响：当投影面倾斜时，垂直投影的影像仅表现为比例尺有所放大，像点相对位置保持不变。在中心投影的像片上比例关系有显著的变化，各点的相对位置和形状不再保持原来的样子。,2、摄影像片的几何特征,二、摄影系统,（3）地形起伏的影响：垂直投影时，随地面起伏变化，投影点之间的距离与地面实际水平距离成比例变化，相对位置不变。中心投影时，地面起伏越大，像片上投影点水平位置的位移量就越大，产生投影误差。这种误差有一定的规律。,二、摄影系统,2、摄影像片的几何特征,像点位移,当像片倾斜、地面起伏时
4、，地面点在航摄像片上构像相对于理想情况下的构像所产生的位置差异称像点位移。,地形起伏引起的像点位移,像片倾斜引起的像点位移,二、摄影系统,投影误差,指在中心投影的相片上，由于地形的起伏等的影响而引起的平面上像点位置的移动，其位移量称为“投影误差”。,投影误差的计算,二、摄影系统,其中，为投影误差，指实地距离，h为地面高差，r为像点到像主点的距离，H为摄影高度。,3、航空立体成像,立体像对：由不同摄站获取的，具有一定影像重叠的两张像片。,二、摄影系统,二、摄影系统,3、航空立体成像,当用双眼观测自然界(如点A、B)，在左、右眼睛的视网膜上分别产生两个影像，在左眼的影像为a1b1，右眼的影像为a2
5、b2，由于景物的深度不同，使得a1b1 a2b2 它们之差就称为左右视差较(pparallax):,左右视差较是产生立体的关键！,立体产生原理,二、摄影系统,立体镜,二、摄影系统,数字摄影测量,二、摄影系统,三、扫描成像,扫描成像是依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。其探测波段可包括紫外、红外、可见光和微波波段。成像方式有三种：光学/机械扫描成像固体自扫描成像高光谱成像,2023/3/19,21,1、光机扫描仪,是对 地表的辐射分光后进行观测的机械扫描型辐射计。它是把搭载扫描仪的飞行平台的移动与利用旋转镜或摆动
6、镜在平台移动的垂直方向进行扫描结合起来，从而得到二维信息的遥感器。,三、扫描成像,Landsat(MSS、TM)NOAA(AVHRR)风云气象卫星,1、光机扫描仪,三、扫描成像,2023/3/19,23,2、推帚式扫描仪,通过光学系统一次获得一条线的图像，然后由多个固体光电转换元件进行电扫描。将探测器搭载于飞行平台上，通过和探测器成正交方向的移动而得到目标物的二维信息。,三、扫描成像,SPOT（HRV，高分辨率可见光扫描仪）中巴资源一号卫星CBERS-1,2、推帚式扫描仪,三、扫描成像,3、高光谱成像光谱扫描,通常的多波段扫描仪将可见光和红外波段分割成几个到十几个波段。对遥感而言，在一定波长范
7、围内，被分割的波段数愈多，即波谱取样点愈多，愈接近于连续波谱曲线，因此可以使得扫描仪在取得目标地物图像的同时也能获取该地物的光谱组成。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”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。,三、扫描成像,高光谱成像光谱仪是遥感进展中的新技术，其图像是由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或推帚式，可以收集200或200以上波段的数据。使得图像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光谱仪在波段之间存在间隔。,3、高光谱成像光谱扫描
8、,三、扫描成像,中国航空成像光谱仪（OMIS）,四、地球资源卫星数据,以探测陆地资源为目的的卫星叫陆地资源卫星。目前，主要的陆地资源卫星有：（1）美国陆地卫星(Landsat)；（2）法国陆地观测卫星(SPOT)；（3）欧空局地球资源卫星(ERS)；（4）俄罗斯钻石卫星(ALMAZ)；（5）日本地球资源卫星(JERS)；（6）印度遥感卫星(IRS)；（7）中-巴地球资源卫星（CBERS）（8）EOS,1、Landsat数据,陆地卫星Landsat，1972年发射第一颗，已连续31年为人类提供陆地卫星图像，共发射了7颗，产品主要有MSS，TM，ETM+，属于中高度、长寿命的卫星。陆地卫星的运行特
9、点：（1）近极地、近圆形的轨道；（2）轨道高度为700900 km；（3）运行周期为99103 min/圈；（4）轨道与太阳同步。,四、地球资源卫星数据,Landsat轨道参数,Landsat卫星的传感器,(1)MSS：多光谱扫描仪，5个波段。(2)TM：主题绘图仪，7个波段。(3)ETM+：增强主题绘图仪，8个波段。,1、Landsat数据,太阳同步轨道,太阳同步轨道的理论定义是：轨道平面进动方向与地球公转方向大致相同，进动角速率等于地球公转平均角速率（0.9856度/日或360度/年）的人造地球卫星轨道。选择太阳同步轨道，能保证卫星每天在特定的时刻经过指定地区，这当然便于我们获得最好的太阳
10、光条件，从而得到高质量的地面目标图像，这就是气象卫星、资源卫星通常选择太阳同步轨道的原因。,太阳同步轨道,Landsat数据系列,ETM数据()的波谱段,Landsat-5影像数据,Landsat-7影像数据,2、SPOT数据,1978年起，以法国为主，联合比利时、瑞典等欧共体某些国家，设计、研制了一颗名为“地球观测实验系统”(SPOT)的卫星，也叫做“地球观测实验卫星”。SPOT5,2002年5月4日凌晨当地时间1时31分，在法属圭亚那卫星发射中心由阿里亚娜4号火箭运载成功发射。中等高度（832 km)圆形近极地太阳同步轨道。主要成像系统:高分辨率可见光扫描仪（HRV，HRG）、VEGETA
11、TION、HRS。,四、地球资源卫星数据,SPOT卫星的轨道参数,SPOT的HRV波谱段,SPOT的HRG、HRS波谱段,3、CBERS卫星数据,中巴地球资源卫星是1988年中国和巴西两国政府联合议定书批准，由中、巴两国共同投资，联合研制的卫星（代号CBERS）1999年10月14日，中巴地球资源卫星01星（CBERS-01）成功发射，在轨运行3年10个月；02星（CBERS-02）于2003年10月21日发射升空，目前仍在轨运行 中国资源卫星应用中心,四、地球资源卫星数据,资源一号卫星传感器的基本参数,资源02B卫星,2007年9月19日，中国太原卫星发射中心发射，并成功入轨，9月22日首次
12、获取了对地观测图像,资源一号02C,2011年12月22日成功发射,北京国际机场-ZY02C（2.36米融合）,印度珊瑚海-ZY02C(10米多光谱)-假彩色,资源三号,2012年1月9日成功发射 资源三号卫星是我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测图卫星，卫星集测绘和资源调查功能于一体。资源三号上搭载的前、后、正视相机可以获取同一地区三个不同观测角度立体像对，能够提供丰富的三维几何信息，填补了我国立体测图这一领域的空白，具有里程碑意义。,上海东方明珠-ZY3（三线阵）,迪拜棕榈群岛-ZY3（2.1米融合）,大连港口-ZY3（2.1米融合）,NASA于1999年发射了EOS的第一颗先进的极地轨道
13、环境遥感卫星Terra，这颗卫星在地方时早晨10:30从由北向南穿越赤道线，因此又称为EOS AM-1，此时陆地上云层覆盖最少，主要对地球的生态系统进行观测。EOS的第二颗卫星Aqua于2002年5月4日发射升空，在地方时下午1:30由南向北穿越赤道线，因此又称为EOS PM-1，此时云最多，主要对地球的水循环系统进行观测。,4、EOS-MODIS,四、地球资源卫星数据,MODIS 是TERRA/AQUA卫星上的主要传感器，是NASA研制的对地观测系统计划中最主要的传感器之一，具有36个光谱通道，分布在0.414m的电磁波谱范围内。MODIS的空间分辨率分别为250m、500m和1000m，扫
14、描宽度为2330km，在对地观测过程中，每秒可同时获得6.1兆比特的来自大气、海洋和陆地表面信息。8-16波段主要用来进行海洋水色研究。,4、EOS-MODIS,四、地球资源卫星数据,4、EOS-MODIS,5、IKONOS数据,自从l994年3月10日美国克林顿政府颁布关于商业遥感数据销售新政策以来，解禁了过去不准101 m级分辨率图像商业销售，使得高分辨率卫星遥感成像系统迅速发展起来。美国空间成像公司(Space-Imaging)的IKONOS卫星是最早获得许可之一。经过5年的努力，于1999年9月24日空间成像公司率先将IKONOS-2高分辨率(全色1m，多光谱4m)卫星，由加州瓦登伯格
15、空军基地发射升空。,四、地球资源卫星数据,具有太阳同步轨道，倾角为98.1。设计高度681km(赤道上)，轨道周期为98.3 min，下降角在上午10:30，重复周期l3 d。携带一个全色1m分辨率传感器和一个四波段4m分辨率的多光谱传感器。传感器由三个CCD阵列构成三线阵推扫成像系统。,5、IKONOS数据,四、地球资源卫星数据,IKONOS的光谱段,全色光谱响应范围：0.150.90m而多光谱则相应于Landsat-TM的波段：MSI-1 0.450.52m 蓝绿波段 MSI-2 0.520.60m 绿红波段 MSI-3 0.630.69m 红波段 MSI-4 0.760.90m 近红外波
16、段,四、地球资源卫星数据,IKONOS卫星的外形,IKONOS卫星图像,IKONOS 卫星图像,地区：上海浦东,分辨率：1 m,采集时间：2000年 3月26日,6、QuickBird数据,美国DigitalGlobe公司的高分辨率商业卫星，于2001年10月18日在美国发射成功。卫星轨道高度450 km,倾角98,卫星重访周期16 d（与纬度有关）。QuickBird图像，目前是世界上分辨率最高的遥感数据，为0.61 m，幅宽16.5 km。可应用于制图、城市详细规划、环境管理、农业评估。,四、地球资源卫星数据,QuickBird数据的光谱段,Quickbird传感器为推扫式成像扫描仪,Qu
17、ickBird 传感器结构图,QuickBird 影像图,多光谱影像分辨率2.8 m,QuickBird 影像图,华盛顿纪念碑,quikbird,7.、IRS数据,数据来源：印度遥感卫星1号。太阳同步极地轨道。该卫星载有三种传感器：全色像机（PAN）；线性成像自扫描仪（LISS）；广域传感器（WiFS）。,四、地球资源卫星数据,PAN数据运用CCD推扫描方式成像，地面分辨率高达5.8m，带宽70km，光谱范围0.50.75m，具有立体成像能力和可在5天内重复拍摄同一地区。运用其资料可以建立详细的数字化制图数据和数字高程模型（DEM）。,LISS数据在可见光和近红外谱段的地面分辨率为23.5m，
18、在短波红外谱段的分辨率为70m，带宽141km，有利于研究农作物含水成分和估算叶冠指数，并能在更小的面积上更精确地区分植被，也能提高专题数据的测绘精度。,WiFS数据是双谱段像机，用于动态监测与自然资源管理。两个波谱段是可见光与近红外，地面分辨率为188.3m，带宽810km。它特别有利于自然资源监测和动态现象（洪水、干旱、森林火灾等）监测，也可用于农作物长势、种植分类、轮种、收割等方面的观察。,IRS 图像,8、GeoEye-1数据,GeoEye-1是美国的一颗商业卫星，于2008年9月6日 从美国加州范登堡空军基地发射；GeoEye-1轨道高度为684km，太阳同步 GeoEye-1为当今
19、世界上能力最强、分辨率和精度最高的商业成像卫星。,四、地球资源卫星数据,GeoEye-1基本参数,GeoEye-1影像,宾西法尼亚的 Kutztown 大学,谷歌总部,9、WorldView卫星,该卫星运行在高度450公里、倾角98度、周期93.4min的太阳同步轨道上，平均重访周期为1.7天，星载大容量全色成像系统每天能够拍摄多达50万平方公里的0.5米分辨率图像。卫星还将具备现代化的地理定位精度能力和极佳的响应能力，能够快速瞄准要拍摄的目标和有效地进行同轨立体成像。,四、地球资源卫星数据,WorldView-1卫星技术参数,WorldView-2卫星简介,WorldView-2卫星于200
20、9年10月发射,运行在 770km高的太阳同步轨道上，能够提供0.5米全色图像和1.8米分辨率的多光谱图像。星载多光谱遥感器不仅具有4个业内标准谱段（红、绿、蓝、近红外），还包括四个额外波段（海岸、黄、红边和近红外 2）。,四、地球资源卫星数据,WorldView-2卫星技术参数,WorldView-2卫星波段参数,塞内加尔首都达喀尔海岸边,泰国南部城市沙没巴干的Mega大桥,10、日本地球观测卫星ALOS简介,ALOS卫星载有三个传感器：全色遥感立体测绘仪PRISM，主要用于数字高程测绘；先进可见光与近红外辐射计2 AVNIR2，用于精确陆地观测；相控阵型L波段合成孔径雷达PALSAR，用于
21、全天时全天候陆地观测。,四、地球资源卫星数据,ALOS卫星技术参数,ALOS卫星影像参数,ALOS卫星影像参数（PALSAR传感器）,日本ALOS卫星2.5米和10米多光谱融合道路,第二节 热红外遥感,所有的物质，只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量。常温的地表物体发射的红外能量主要在3m的中红外区，是热辐射。热红外辐射不仅与物质表面状态有关，而且是物质内部组成和温度的函数。在大气传输过程中，它能通过3-5m和8-14m两个窗口。热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集，记录地物的各种热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数和温度、湿度和热惯量等。,第二节 热红外遥感,一
22、、热红外遥感复杂性,热红外遥感的大气影响更为复杂：大气自身的热辐射，叠加于地面物体的热辐射信号之上，使问题复杂化。热红外信息，除受大气干扰外，还受地表层热状况的影响，比如风速、风向、空气温度、湿度等微气象参数，土壤水分、组成、结构等土壤参数，植物覆盖状况、地表粗糙度、地形地貌等多种因素影响。,第二节 热红外遥感,地物本身的热过程是复杂的：地物从热辐射的能量吸收(增温)到能量发射(降温)，存在着一个热储存和热释放的过程。这个过程不仅与地物本身的热学性质(热传导率、热容量、热惯量等)有关，还与环境条件等多因素有关。整个热过程存在着“滞后”效应，要定量表达这一过程，是相当复杂的。热能的传递有多种方式
23、(传导、对流、辐射)。改变地物温度的因素，除了热吸收与热辐射外，还有显热交换与潜热交换。所谓显热交换是指地表内部热量与大气的交换(加热空气)，而潜热交换指地表水分蒸发的能量交换(降低地表温度)它们都与天气、气候有关。这几种热交换过程交织在一起，人们很难加以分解，并建立它们与温度改变的定量关系。,一、热红外遥感复杂性,热探测器所获得的物体发射辐射信息包含了两个重要的信息，即物体的温度以及表示物体辐射能力的比辐射率。温度与比辐射率的分离是热红外遥感的一个难点。热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可见光-近红外遥感图像，因此“混合像元”(非同温像元)的问题，显得相当突出。,一、热红外遥感复杂性,二、热
24、红外遥感波段的选择,3-5m短波红外：对火灾、活火山等高温目标识别敏感。8-14m：主要用于调查地表一般物体的热辐射特性，探测常温下的温度分布、目标的温度场、进行热制图等。,热红外传感器,热探测器：红外探测器将辐射能转化成与红外辐射强度成正比的电信号。探测器由一些对特定波长有能量响应的物质组成。热辐射计：热辐射计是一种定量测定辐射温度的非成像装置。它用红外光敏探测器和滤色镜来测量特定波长的辐射，通常采用8-14m波段。热扫描仪：热红外扫描仪是在热红外遥感中应用最多的成像仪器。它沿飞行线路获得景物辐射特征差异的数字或模拟图像。,二、热红外遥感波段的选择,三、热红外遥感图像的特点,热图像可以简单地
25、被认为是地物辐射温度分布的记录图像，它用黑-白色调的变化来描述地面景物的热反差，图像色调深浅与温度分布是对应的。一般说来，热图像(正片)上的浅色调代表强辐射体，表明其表面温度高或辐射率高；深色调代表弱辐射体，表明其表面温度低。由于热扩散作用的影响，热红外图像中反映目标的信息往往偏大且边界不十分清晰。热红外图像中水的信息与其他陆地景物有明显不同，因此热图像对环境中水分含量等信息反映敏感。,热红外扫描图像具有不规则性，这种不规则性可以是由多种因素引起的。比如：天气条件的干扰，云将降低热反差，雨将产生平行纹理，风将产生污迹或条纹图示，冷气流将引起不同形状的冷异常等；电子噪声的影响，无线电干扰将产生电
26、子噪声带和波状云纹的干扰因式；后处理的影响，包括曝光，显影将产牛显影剂条纹，胶片质量、受潮等将引起不规则污迹。这一切均可以使图像出现一些“热”假象。在图像解译中，必须注意识别图像上的各种假异常、排除它的干扰。,三、热红外遥感图像的特点,热红外遥感图像的特点,warmer slopes,可见光图像,热红外图像,热红外遥感图像的特点,TM1,TM7,TM6,white sandstone,Waterpocket Fold,热红外遥感图像的特点,不同时间热红外图像的差别,热红外图像成像时段的选择,热图像的获取时段是很重要的，有许多因素影响到热数据获取时段的选择。对于不同的应用研究目的，最佳成像时段也
27、是有变化的，这里首先必须考虑的是周日温度变化效应。,黎明前(约在午夜2-3时)多反映一天中的最低温度，而午间2点左右，多反映一天中的最高温度。因而多采用这两个时段热红外成像的温度数据，构成日温差最大值，可以估算物体的热惯量，进行热制图。白天阳光直接加热物体，物体温度的差异主要取决于物体的热特征和它对阳光(主要是可见光、近红外波段部分)的吸收，或者说物体对太阳热不同的响应。,热红外图像成像时段的选择,热红外遥感主要选用3-5m和8-14m两个谱段。在3-5m谱区，遥感器可以同时记录反射及发射的热辐射；在8-14m谱区的热图像虽然没有直接的日光反射效应，但白天的图像上均可以记录由于“阴影”造成的热
28、模式，即由于太阳直射光的方向性。不同方向的物体如树、建筑物、地形等接受不同的热量而形成热”阴影”。尤其在图像中温度较凉的区域内，这种热阴影更加明显。虽然这种热阴影在图像解译中有时是有用的，它有助于目标识别和地形感的加强，但是它更可能使热图像分析复杂化。,热红外图像成像时段的选择,为了避免白天图像所引起的一系列问题，许多地质学家更偏爱用黎明前的热图像。它可以提供长时间适宜而稳定的温度，且“阴影”和坡向效应最小，便于地层、构造的识别。但是，黎明前虽物体温度较稳定，但不同物体间的热反差较低，又有解译不利的一面。何况夜间作业，飞机导航，寻找地面参照物等也是问题。因而，热红外成像时段的选择，还得根据研究
29、目的、区域特点、周日温度效应及其他因素等全面考虑而定。,热红外图像成像时段的选择,热红外图像随时间变化明显，以亚特兰大中心白天和黎明前的航空热红外图像为例。,白天的图像类似于常规的航空相片（光照、阴影）；黎明前温差明显减小（无阴影），可以看到局部热岛效应，以及由沥青铺设的路面。,白天,黎明前,四、热红外遥感的应用,军事 地热油气调查 地质填图 热制图、热惯量估算 灾害监测 环境污染,我国MODIS地表温度产品,the heat distribution within this pipe fitting,the appearance of a tank and a supply truck,火灾监测,花岗岩波谱曲线,新疆哈密地区发射率制图参考通道法：11、12、13波段合成,地物红外波谱特性测量,（1）测量仪器系统,热红外辐射计测量方向辐射,五、热红外遥感地面试验,中红外波段,热红外波段,热像仪观测地表组分温度分布,地表组分温度观测,红外辐射计,点温计,作业,1、可见光-反射红外遥感图像获取方法与特征2、热红外遥感图像特征,
