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1、第三章 遥感成像原理与遥感图像特征,本章主要涉及的是信息的获取和信息的传输与记录等第二、第三部分。,第三章 遥感成像原理与遥感图像特征,3.1 遥感平台 3.2 传感器 3.3 摄影成像 3.4 扫描成像 3.5 微波遥感与成像 3.6 遥感图像的特征,3.1 遥感平台,遥感平台（platform）是指搭载传感器的工具。根据工作平台相对于地面的高度，可分为地面平台、航空平台和航天平台。,遥感平台,地面平台：一般是在野外近地面安放传感器 的平台。常用的有梯架、塔、高架和车、船等。高度均在050米左右。航空平台：主要包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等，高度在百米到十几公里不等。航天平台:高度在
2、150公里以上，主要有火箭、人造地球卫星、航天飞机和宇宙飞船及运行于太空的飞行器等。,遥感平台,航天遥感平台,航天遥感平台是目前发展最快，应用最广的，其中主要是人造卫星。根据轨道高度 人造卫星可分为：低轨卫星（150200km）分辨率较高 寿命较短 中轨卫星（3501500km）高轨卫星（36000km以上）观测范围大 分辨率较低 寿命较长,人造卫星轨道,圆形轨道：卫星所获图像具有相同的比例尺和面积，而且星下点在地球表面为等速运动，便于图像定位和轨道预报，且不需要进行高度订正 椭圆形轨道：卫星可以从不同高度进行观测按轨道倾角（人造卫星的轨道平面和地球赤道平面之间的夹角）的不同，又可分为：极地轨
3、道（倾角=90）倾斜轨道地球同步轨道（倾角=0）,环境卫星,以研究地球环境和调查资源为目的的人造地球卫星通常称之为环境卫星。环境卫星常常采用两种类型的轨道。,1.近极地太阳同步圆形轨道。,2.地球同步圆形轨道,这种轨道靠近极地，可以覆盖全球决大部分地区（南北纬60以上地区除外）；太阳同步轨道即在轨道上每一个点上的地方时将保持固定不变，卫星可以在同一地方时经过同一观测点的上空，保证传感器能在大致相同的光照条件下对地面进行探测，从而获得质量较高的图像。如陆地卫星。,卫星在地球赤道平面内沿圆形轨道运行，高度约为36000km，卫星相对于地球赤道上空某一点是静止的，它便于对地球上较大范围的环境进行连续
4、性观测，如同步气象卫星。,环境卫星,根据环境卫星的主要研究对象的不同，又可以将其分为：气象卫星系列（以探测大气和地表环境为重点）陆地卫星系列（以勘察陆地环境和资源为重点）海洋卫星系列（以勘察海洋环境与资源为重点）,遥感平台气象卫星系列,气象卫星概述最早发展起来的环境卫星。3个发展阶段第一代：20世纪60年代 TIROS、ESSA、Nimbus、ATS第二代：1970-1977年 ITOS-1、SMS、GOES、GMS、Meteosat第三代：1978年以后 NOAA系列,遥感平台气象卫星系列,我国情况 FY-1（1988年9月7日，太阳同步轨道）：我国第一颗环境遥感卫星，主要任务是获取全球的昼
5、夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验。FY-1B（1990年9月3日）：用于天气预报、提供植被指数、区分云雪、进行海洋水色观测。FY-2（1997年6月10日，地球同步轨道）：主要功能是对地观测，每小时获取1次可见光、红外与水汽云图。FY-1C（1999年？,太阳同步轨道）：获取全球的昼夜云图资料。,遥感平台气象卫星系列,气象卫星特点轨道低轨：800km 1600km 太阳同步（极轨）高轨：3600km 地球同步（静止）,遥感平台气象卫星系列,气象卫星特点短周期重复观测 静止气象卫星具有较高的重复周期（05小时1次）；极轨卫星如NOAA等中等重复覆盖周期，约 051天次。总的来说，气象卫星时间
6、分辨率较高，有助于对地面快速变化的动态监测。,遥感平台气象卫星系列,气象卫星特点成像面积大，有利于获得宏观同步信息，减少数据处理容量 气象卫星扫描宽度约2 800 km，只需23条轨道就可以覆盖我国。相对于其他卫星资料（如陆地卫星）更加容易获得完全同步、低云量或无云的影像。,遥感平台气象卫星系列,气象卫星特点资料来源连续、实时性强、成本低 气象卫星获得的遥感资料包括：可见光和红外云图等图像资料；云量、云分布。大气垂直温度、大气水汽含量浪氧含量、云顶温度、海面温度等数据资料；太阳质子、Y射线和X射线的高空大气物理参数等空间环境监测资料；以及对于图像资料和数据资料等加工处理后的派生资料。另外，由于
7、气象卫星兼有通讯卫星的作用，利用气象卫星上的数据收集系统（DCS）可以同时收集来自气球、飞机、船舶、海上飘浮站、无人气象站等的各种资料，并转发给地面专门的资料收集和处理中心。,遥感平台气象卫星系列,气象卫星资料的应用领域天气分析和气象预报：气象卫星云图可以根据云的大小、亮度、边界形状、水平结构、纹理等识别各种云系的分布，推断出锋面、气旋（水平范围达数千千米）、台风（水平范围达数百到数千千米）、冰雹等的存在和位置，从而对这种大尺度和中尺度的天气现象进行成功地定位、跟踪及预报。,遥感平台气象卫星系列,气象卫星资料的应用领域气候研究和气候变迁的研究：根据近年研究表明，控制长期天气过程和气候变动的因素
8、有太阳活动、下垫面变化，如二氧化碳增加，地表固体水的分布特别是两极冰雪覆盖量的变化，以及海洋与大气的耦合环流中大气与海洋的能量交换等。这些方面研究的资料通过气象卫星可以获得。气象卫星可以直接获得二氧化碳的含量数据，通过云图的辐射信息的分析可以获得冰雪覆盖的信息。,遥感平台气象卫星系列,气象卫星资料的应用领域资源环境其他领域：气象卫星上携带的传感器不仅对大气圈而且对地球表面进行探测，有时也对口地空间进行探测，因此气象卫星的用途是多方面的。在海洋学方面运用气象卫星有宽广的领域。连续的气象卫星红外云图和可见光云图，可以从波谱和温度中区分出不同波谱、不同温度的水团、水流位置、范围、界线、运移情况并推算
9、出其运移速度，从而了解水团、涡旋的分布、洋流的变动等。为确保航海安全提供保障。,气象卫星资料的应用领域 气象卫星云图观测海流十分有效，通过研究海面温度分布状况，利用NOAA卫星的传感器获得的红外云图，经水汽订正，可测量海面温度，绘制大范围的海面温虔图，精度可达1。根据海面温度分布图以及云图，还可辨别海洋暖流和寒流交接处的“锋面”位置和摆动情况，为确定渔场和可能出现的鱼种提供信息，并实时发出鱼情、海况预报。另外，气象卫星资料在环境监测方面也发挥作用，如森林火灾、尘暴、水污染等的监测。通过气象卫星资料了解林火位置、范围，估计损失的材积量，并根据火灾区的风向、温度、降水等条件来预报火势的发展，以及对
10、林火的烟尘扩散污染范围进行预测。,相关资料：NOAA(National Oceanic Atmospheric Administration)是美国国家海洋与大气管理局的英文缩写。1960年4月1日，美国发射了世界上第一颗极轨气象卫星（TIROS-1），奠定了气象卫星业务系统的技术基础。现在，极轨气象卫星已经发展到第四代。第三代极轨气象卫星 TIROS-N 于1978年10月13日发射成功并开始运行。这个系列共有11颗卫星：TIROS-N/NOAA-A 到J。NOAA极轨气象卫星系列发射前以字母标号，入轨运行后以数字标号代替，如 1984年12月12日发射的NOAA-F 运行后更名为NOAA-
11、9。NOAA 极轨气象卫星采用双星运行模式，单号星从南向北飞，经过赤道时间为地方时14：30；双号星从北向南飞，经过赤道时间为地方时07：30。目前，在轨运行的是NOAA-13、NOAA-14和 NOAA-15（据悉，未能正常工作）。,常用的气象卫星数据：NOAA AVHRR,常用的气象卫星数据：NOAA AVHRR,AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）即改进型甚高分辩率辐射仪。探测器扫描角度为55.4o，扫描带宽2800公里 星下点空间分辨率1.1km重复观测周期为半天,常用的气象卫星数据：NOAA AVHRR,常用的气象卫星数据:N
12、OAA AVHRR,AVHRR具有较高的辐射分辨率，其数据量化等级为1024（10比特数据结构）温度分辨率达1oC 要想获取较高质量的数据，应尽可能选择30o扫描角(对应地面扫描宽度为870公里)以内的数据。,常用的气象卫星数据:NOAA AVHRR,遥感平台陆地卫星系列,是指地球资源卫星，继美国成功发射第一颗陆地卫星之后，俄罗斯、法国、印度、中国等都发射了陆地卫星。陆地卫星在重复成像的基础上，产生世界范围的图像，对地球科学的发展具有很大的推动，同时由于提供了数字化的多波段图像数据，促进了数字化图像处理技术的发展，扩大了陆地卫星的应用广度和深度。,遥感平台陆地卫星系列,LandsatSPOTC
13、BERSEOS Modis其它陆地卫星,Landsat,1972年7月 23日发射了第一颗，已经发射了6颗，目前Landsa5和Landsat7仍在运转工作。Landsat7是1999年4月发射的，设计寿命是6年，也是NASA 1972年开始实施的 Lansat计划中的最后一颗卫星。它标志着大型、昂贵的Lansat系列地球观测卫星时代即将结束，下一步将发展较小、较便宜、研制周期较短的地球观测卫星。,Landsat,Lantat的轨道为太阳同步的近极地圆形轨道，保证北半球中纬度地区获得中等太阳高度角的上午影像，且卫星通过某一地点的地方时相同。每16至18天覆盖地球一次（重复覆盖周期），图像的覆盖
14、范围为185*185 km（Landsat7为 185*170 km）。Landsat上携带的传感器所具有的空间分辨率在不断提高，由 80 m提高到 30 m，Landsa7的 ETM又提高到 15 m。,Landsat TM,TM（Thematic Mapper）即专题制图仪，是一种改进型的多光谱扫描仪,有7个较窄的、更适宜的光谱段:TM1：微米，蓝波段。对水体穿透力强，对叶绿素与叶色素浓度反映敏感，有助于判别水深、水中叶绿素分布、沿岸水和进行近海水域制图等。,Landsat TM,TM2：微米，绿波段。对健康茂盛植物绿反射敏感，对水的穿透力较强。用于探测健康植物绿色反射率，按“绿峰”反射评
15、价植物生活力，区分林型、树种和反映水下特征等。TM3：微米，红波段，为叶绿素的主要吸收波段。反映不同植物的叶绿素吸收、植物健康状况，用于区分植物种类与植物覆盖度。其信息量大，为可见光最佳波段。广泛应用于地貌、岩性、土壤、植被、水中泥沙流等方面的观测。,Landsat TM,TM4：微米，近红外波段。对绿色植物类别差异最敏感（受植物细胞结构控制），为植物通用波段。用于生物量调查、作物长势测定、水域判别等。TM5：微米，中红外波段。处于水的吸收带（微米）内，反映含水量敏感，用于土壤湿度、植物含水量调查、水分状况的研究，作物长势分析等，从而提高了区分不同作物类型的能力。易于区分云与雪。,Landsa
16、t TM,TM6：微米，热红外波段。可以根据辐射响应的差别，区分农、林覆盖类型，辨别地面湿度、水体、岩石，以及监测与人类活动有关的热特征，进行热制图。TM7：微米，中红外波段。此为地质学家增加的波段。处于水的强吸收带，水体呈黑色。可用于区分主要岩石类型、岩石的水热蚀变，探测与岩石有关的粘土矿物等。,Landsat TM,TM信息的空间分辨率在可见光、近红外、中红外波段为30米，在热红外波段为120米。一景覆盖地面范围185km*185km，总数据量230兆。,Landsat ETM(8),SPOT,是地球观察卫星系统。是由瑞典、比利时等国家参加，由法国国家空间研究中心（CNES）设计制造的。1
17、986年发射第一颗，到1998年已经发射了四颗。SPOT的轨道是太阳同步圆形近极地轨道，高度830 km左右，卫星的覆盖周期是26天，重复感测能力一般35天，部分地区达到1天。,SPOT,传感器为2台高分辩率可见光扫描仪（High Resolution Visible sensorHRV）它能满足资源调查、环境管理与监测、农作物估产、地质与矿产勘探、土地利用、测制地图及地图更新等多方面的需求。,SPOT HRV,优点：图像空间分辨率高，可达10-20米。地面扫描宽度117公里（每台60公里，两台间重叠3公里）。灵敏度高。在良好的光照条件下可探测出低于0.5%的地面反射变化。带有可定向的反射镜，
18、使仪器具有偏离天顶点（倾斜）观察的能力（倾角27o），可获得垂直与倾斜图像，使重复周期从26天缩短到4-5天。具有立体观测能力。,SPOT 4 HRV,CBERS,1999年10月14日，我国第一颗地球资源遥感卫星（又称资源一号卫星）在太原卫星发射中心成功发射。早在1985年，我国就研制了中国国土普查卫星，这是一种短寿命、低轨道的返回式航天遥感卫星，在当时，各用户部门取得了不小的成果。但普查卫星受气候条件限制，长江以南地区因长期阴雨绝大部分相片不能使用，致使全国国土资源与环境普查工作未能达到预期目的。,CBERS,资源一号卫星是继国土普查卫星之后，我国发射的第一颗地球资源卫星。太阳同步近极地轨
19、道，轨道高度778 km卫星的重访周期是26天，设计寿命2年其携带的传感器的最高空间分辨率是 19.5 m,中巴地球资源卫星,CBERS,与TM波长相同或相近,热红外分辨率为156米,CBERS图像,Terra EOS MODIS,极地轨道环境遥感卫星Terra(EOS-AMI)是1999年12月18日美国发射的地球观测系统（Earth Observation System，EOS）的第一颗先进的极地轨道环境遥感卫星.用于获取有关海洋、陆地、冰雪圈和太阳动力系统等信息。MODIS是EOS AMI系列卫星的主要探测仪器，也是EOS Terra平台上唯一进行直接广播的的对地观测仪器。扫描宽度为23
20、30 km。在对地观测过程中，每秒可获得6.1MB的来自大气、海洋和陆地表面信息，每日可获取一至两次全球观测数据。空间分辨率250m1000m,Terra 卫星上载有下列五种对地观测仪器：空间热辐射反射辐射计（ASTER）云和地球辐射能量系统（CERES）-两个相 同的扫描仪多角度成像光谱辐射计（MISR）中分辨率成像光谱仪（MODIS）对流层污染探测装置（MOPITT）,Terra MODIS,其他陆地卫星,在过去的发展过程中，许多航天器都具有进行地球资源监测的目的，属于陆地卫星系列。如美国1973年发射的天空实验室（Skylab）、1978年发射的热容量制图卫星（HCMM）、印度发射的地球
21、资源卫星和欧空局的空间实验室等。,高空间分辨率陆地卫星,1999年9月美国 IKONOS-2（IKONO-1于 1999年4月发射失败）的成功发射使陆地卫星系列中又增加了高空间分辨率的数据源。IKONOS使用线性阵列技术获得4个波段的4m分辨率多光谱数据和一个波段的1m分辨率的全色数据。其波段分配为：多光谱波段1（蓝色）0.450.53 m，波段2（绿色）0.520.61 m，波段3（红色）0.640.72 m，波段4（近红外）0.770.88 m。全色波段为 0.45 0.90 m。,高空间分辨率陆地卫星,数据的收集可达 2048灰度级，记录为 11 bit。由于卫星设计为易于调整和操纵，几
22、秒钟内就可以调整到指向新位置。这样很容易根据用户的需要取得新的数据。全景图像可达11*11 km2，实际图像的大小可以根据用户的要求拼接和调整。IKONOS的多光谱波段就是TM的前四个波段，IKONOS去掉了TM的后三个波段。显然就光谱性质而言，不如TM了。但从空间分辨率来说，相比TM的30 m，IKONOS大大提高了数据的空间分辨特性。4 m彩色和 1m全色可以和航空像片比美。,不同空间分辨率遥感影像比较,TM 30米,IKONOS 4米,正射全色航空0.6米,树、草,房屋,待播种农田（白色为高地）,刚埋过地下排水管的低洼地,高空间分辨率陆地卫星,几乎与IKONOS发射同时，也出现了载有高分
23、辨率传感器的快鸟（Quickbird）和轨道观察3号（OrbView3）等卫星。其传感器的光谱波段都与IKONOS相同，只是在图像覆盖尺度和传感器倾斜角度上有些差别。,遥感平台海洋卫星系列,海洋卫星可提供海面温度、海流运动、海水混浊度等信息。1978年6月26日美国发射了世界上第一颗海洋卫星Seasat 1。但因电源部分发生故障仅工作了 105天（故又称百日卫星）。这颗实验性卫星寿命虽然很短，但是在遥感方面却是成功的，开创了海洋遥感和微波遥感的新阶段，为观察海况，研究海面形态、海面温度、风场、海冰、大气含水量等开辟了新途径。,遥感平台海洋卫星系列,海洋遥感的特点需要高空和空间的遥感平台，以进行
24、大面积同步覆盖的观测：由于海洋具有范围广、幅度大、变化快的特点，只有从高空和空间平台上才能获得大面积同步覆盖的信息，进行海洋的研究。以微波为主：微波可以在各种天气条件下，透过云层获取全天候、全天时的世界海洋信息，并且微波还可以较好地获得海水温度、盐度和海面粗糙度等信息。,遥感平台海洋卫星系列,海洋遥感的特点电磁波与激光、声波的结合是扩大海洋遥感探测手段的一条新路：海洋遥感从可见光到红外到微波虽都被利用，但仍局限在以海水表面为深度的薄层，而利用声波可突破深度上的局限性，将遥感技术的应用范围延伸到深海甚至海底。海面实测资料的校正：海洋遥感要有其他海洋手段和海面实测资料作参考方能有效发挥作用。,遥感
25、平台海洋卫星系列,海洋卫星简介Seasat 1 发射于 1978年，为近极地太阳同步近圆形轨道。卫星能覆盖全球 95的地区，即南北纬72o之间地区，一次扫描覆盖海面宽度1900 km。卫星是装载5种传感器，其中4种是微波传感器。“雨云”7号卫星（Nimbus-7）1978年10月24日发射，为太阳同步极地轨道。虽为气象卫星，但在监测大气的同时带有专测海洋信息的传感器,遥感平台海洋卫星系列,海洋卫星简介日本海洋观测卫星（MOS1）1978年2月发射，为太阳同步轨道。其目的是获取大陆架浅海的海洋数据，为生物资源开发、海洋环境保护提供海洋学方面的资料。ERS（欧空局）1991年发射ERS1，1995
26、年发射ERS2成功。它们均使用全天候测量和成像的微波技术，提供全球重复性观测数据。为太阳同步的极地轨道卫星系统，观测领域包括海况、洋面风。海洋循环及海洋冰层等。加拿大雷达卫星（RADARSAT）于1995年11月发射成功，它所携带的合成孔径雷达是一台功率很强的微波传感器。主要用于资源管理、冰、海洋和环境监测等。,3.2 传感器,传感器是指收集和记录地物电磁辐射（反射或发射）能量信息的装置，如航空摄影机、多光谱扫描仪等。它是信息获取的核心部件，是遥感技术系统的重要组成部分,遥感平台气象卫星系列,我国情况 FY-1（1988年9月7日，太阳同步轨道）：我国第一颗环境遥感卫星，主要任务是获取全球的昼
27、夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验。FY-1B（1990年9月3日）：用于天气预报、提供植被指数、区分云雪、进行海洋水色观测。FY-2（1997年6月10日，地球同步轨道）：主要功能是对地观测，每小时获取1次可见光、红外与水汽云图。FY-1C（1999年？,太阳同步轨道）：获取全球的昼夜云图资料。,传感器的工作原理,收集器,探测器,信号处理器,输出器,能量来源,3.3 摄影成像,摄影是通过成像设备获取物体影像的技术。,3.3.1 摄影机,3.3.2 摄影胶片,3.3.3 摄影的种类,分幅式摄影机 全景摄影机 多光谱摄影机 数码摄影机,感光特征曲线、光学密度、感光度、反差与反差系数、灰雾度、宽容度、解像力,3.3.4 垂直摄影像片的几何特征,3.3.3 摄影的种类,（一）按像片倾斜角分类,（二）按摄影的实施方式分类,（三）按感光材料分类,全色黑白摄影黑白红外摄影彩色摄影 彩色红外摄影多光谱摄影,单片摄影航线摄影面积摄影,垂直摄影倾斜摄影,航向重叠,航线摄影,面积摄影,旁向重叠,遥感摄影胶片,黑白片 色盲片 正色片 分色片 全色片 红外黑白片彩色胶片 天然彩色片 红外彩色片,感光胶片结构层次,天然彩色胶片的结构,假彩色红外胶片的结构,
