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1、第三章 遙感成像原理與遙感圖像特征 王學(xué)平 數(shù)學(xué)地質(zhì)遙感地質(zhì)研究所 2011年2月,本章主要內(nèi)容： 遙感成像原理、遙感圖像特征，包括攝影成像、掃描成像、微波成像等機(jī)理及圖像特征。 3.1 遙感平臺 3.2 攝影成像 3.3 掃描成像 3.4 微波遙感與成像* 3.5 遙感圖像的特征,3.1 遙感平臺 3.1.1 遙感平臺的種類 3.1.2 衛(wèi)星的軌道參數(shù) 3.1.3 陸地衛(wèi)星軌道特點(diǎn) 3.1.4 遙感衛(wèi)星系列,遙感平臺（platform）是搭載傳感器的工具。 根據(jù)運(yùn)載工具的類型劃分： 航天平臺 150km以上， 衛(wèi)星、宇宙飛船。 航空平臺 百米至十余千米，低、中、高空飛機(jī)以及飛船、氣球等。 地

2、面平臺 050m， 車、船、塔等。,3.1.1 遙感平臺,衛(wèi)星在空間運(yùn)行，遵循天體運(yùn)動(dòng)的開普勒三定律。 一、開普勒第一定律 星體繞地球（或者太陽）運(yùn)動(dòng)的軌道是一個(gè)橢圓，地球（太陽）位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。 軌道離地最近的點(diǎn)稱近地點(diǎn)，反之為遠(yuǎn)地點(diǎn)。,3.1.2 衛(wèi)星的軌道參數(shù),二、開普勒第二定律 從地心或者太陽中心到星體的連線（星體向徑），在單位時(shí)間掃過的面積相等（面積速度守恒）。 衛(wèi)星在離地近的地方經(jīng)過時(shí)的速度要快些，在離地遠(yuǎn)的地方運(yùn)行的速度要慢些。,三、開普勒第三定律 行星的公轉(zhuǎn)周期的平方與它的軌道平均半徑的立方成正比。 衛(wèi)星繞地球的運(yùn)行周期的平方與它的軌道平均半徑的立方成正比。 T2/（R+

3、H）3=C T：運(yùn)行周期；R：地球半徑；H：離地高度；C：開普勒常數(shù),四、衛(wèi)星的軌道參數(shù),赤道坐標(biāo)系 赤道坐標(biāo)系是取赤道面為基準(zhǔn)面，以地球自轉(zhuǎn)軸、以及從地心指向春分點(diǎn)的直線為坐標(biāo)軸所構(gòu)成的坐標(biāo)系。雖然由于地軸的運(yùn)動(dòng)，該坐標(biāo)系相對于恒星其位置是變動(dòng)的，但是，對于軌道壽命有限的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)來說，影響很小。,開普勒的軌道參數(shù),五、開普勒的6個(gè)參數(shù),（1）軌道傾角 軌道平面與地球赤道平面的夾角。具體計(jì)算是在衛(wèi)星軌道升高時(shí)由赤道平面反時(shí)針旋轉(zhuǎn)到軌道平面的夾角。 當(dāng)0i90時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致，因此叫“正方向衛(wèi)星”； 當(dāng)90i180時(shí)，叫“反方向衛(wèi)星”，即衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)方向相反； 當(dāng)i=90

4、時(shí)，衛(wèi)星繞過兩極運(yùn)行，叫“極軌”或“兩極”衛(wèi)星； 當(dāng)i=0或180時(shí)，衛(wèi)星繞赤道上空運(yùn)行，叫“赤道衛(wèi)星”。,（2）升交點(diǎn)赤經(jīng)（h） 衛(wèi)星由南向北運(yùn)行時(shí)經(jīng)過赤道平面的那一點(diǎn)，叫“升交點(diǎn)” ；該點(diǎn)離春分點(diǎn)的經(jīng)度值就是升交點(diǎn)赤經(jīng)。 軌道傾角和升交點(diǎn)赤經(jīng)共同決定衛(wèi)星軌道平面的空間位置。 （3）近地點(diǎn)幅角（g） 地心與升交點(diǎn)連線和地心與近地點(diǎn)連線之間的夾角。由于入軌后其升交點(diǎn)和近地點(diǎn)是相對穩(wěn)定的，所以近地點(diǎn)幅角通常是不變的，它可以決定軌道在軌道平面內(nèi)的方位。,（4）橢圓半長軸（A） 近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)連線的一半，它標(biāo)志衛(wèi)星軌道的大小。 它確定了衛(wèi)星距地面的高度，按照衛(wèi)星高度的不同又將衛(wèi)星分為低軌衛(wèi)星（150

5、300公里）、中軌衛(wèi)星（約1000公里左右）和高軌衛(wèi)星（36000公里處）。 （5）橢圓偏心率（e） 橢圓軌道兩個(gè)焦點(diǎn)間距離之半與半長軸的比值，用以表示軌道的形狀。 （6）衛(wèi)星過近地點(diǎn)時(shí)刻（T） 以近地點(diǎn)為基準(zhǔn)表示軌道面內(nèi)衛(wèi)星位置的量。,六、其它常用遙感衛(wèi)星參數(shù),衛(wèi)星高度：衛(wèi)星距離地面的高程。 運(yùn)行周期：衛(wèi)星繞地球一圈所需的時(shí)間。 重復(fù)周期：衛(wèi)星從某地上空開始運(yùn)行，經(jīng)過若干時(shí)間的運(yùn)行后，回到該地上空時(shí)所需的天數(shù)。 降交點(diǎn)時(shí)刻：衛(wèi)星經(jīng)過降交點(diǎn)時(shí)的地方太陽時(shí)的平均值。 掃描寬度：傳感器所觀測的地面帶的橫向?qū)挾取?近圓形軌道 近極地軌道 太陽同步軌道 可重復(fù)軌道,3.1.3 衛(wèi)星軌道及特點(diǎn),人造衛(wèi)星

6、的運(yùn)動(dòng)軌道取決于衛(wèi)星的任務(wù)要求，區(qū)分為低軌道、中高軌道、地球同步軌道、地球靜止軌道、太陽同步軌道，大橢圓軌道和極軌道。人造衛(wèi)星繞地球飛行的速度快，低軌道和中高軌道衛(wèi)星一天可繞地球飛行幾圈到十幾圈，不受領(lǐng)土、領(lǐng)空和地理?xiàng)l件限制，視野廣闊。能迅速與地面進(jìn)行信息交換、包括地面信息的轉(zhuǎn)發(fā)，也可獲取地球的大量遙感信息，一張地球資源衛(wèi)星圖片所遙感的面積可達(dá)幾萬平方千米。,衛(wèi)星的軌道平面與赤道平面的夾角一般是不會(huì)變的, 但會(huì)繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。 軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向與地球公轉(zhuǎn)的方向相同，旋轉(zhuǎn)的角速度等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度, 即0.9856度/日或360度/年, 這樣的軌道稱為太陽同步軌道。 衛(wèi)星軌

7、道傾角很大，繞過極地地區(qū)，也稱極軌衛(wèi)星。 在太陽同步軌道上，衛(wèi)星于同一緯度的地點(diǎn)，每天在同一地方時(shí)同一方向通過。,一、太陽同步軌道 （ sun-synchronous satellite orbit ） 衛(wèi)星的軌道面以與地球的公轉(zhuǎn)方向相同方向而同時(shí)旋轉(zhuǎn)的近圓形軌道。,太陽同步衛(wèi)星，軌道近似穿越極地，通過地球上同一點(diǎn)上空的時(shí)間一致。,赤道,在無數(shù)條同步軌道中,有一條圓形軌道,它的軌道平面與地球赤道平面重合,在這個(gè)軌道上的所有衛(wèi)星,從地面上看都像是懸在赤道上空靜止不動(dòng),這樣的衛(wèi)星稱為地球靜止軌道衛(wèi)星,簡稱靜止衛(wèi)星, 這條軌道就稱為地球靜止衛(wèi)星軌道, 簡稱靜止衛(wèi)星軌道, 高度大約是35800公里。

8、人們通常簡稱的同步軌道衛(wèi)星一般指的是靜止衛(wèi)星。 能夠長時(shí)間觀測特定地區(qū)，衛(wèi)星高度高，能將大范圍的區(qū)域同時(shí)收入視野，應(yīng)用于氣象和通訊領(lǐng)域。,二、地球靜止衛(wèi)星軌道 （Geosynchronous satellite orbit ） 衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期(23小時(shí)56分4秒)相同的軌道稱為地球同步衛(wèi)星軌道（簡稱同步軌道）。,地球同步衛(wèi)星，相對靜止在赤道某一點(diǎn)上空。,氣象衛(wèi)星是作為聯(lián)合國世界氣象組織的全球氣象監(jiān)測（WWW）計(jì)劃的內(nèi)容而發(fā)射的衛(wèi)星。是用5個(gè)地球靜止軌道衛(wèi)星和2個(gè)太陽同步極地軌道衛(wèi)星對全球的氣象同時(shí)進(jìn)行觀測，它們是GMS(日本)、GOES一E（美國）GOES一W（美國）、METEOS

9、AT（歐空局）、COMS（俄羅斯）及衛(wèi)星NOAA（美國）、Meteop（俄羅斯），前5個(gè)以約70度的間隔配置在赤道上空，后兩個(gè)在不同的極地軌道上。 氣象衛(wèi)星不僅進(jìn)行氣象觀測，還具有數(shù)據(jù)收集平臺DCP 功能。它可以收集來自地面或海上觀測站的信息，在觀測的同時(shí)，向地面轉(zhuǎn)送S一VISSR信號，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理的直方圖、云量、海水表面、風(fēng)分布等的數(shù)據(jù)組也被保存下來。,一、 氣象衛(wèi)星,3.1.4 遙感衛(wèi)星系列,美國NOAA極軌衛(wèi)星從1970年12月第一顆發(fā)射以來，近40年連續(xù)發(fā)射了18顆，最新的NOAA-19也將在2009年上半年發(fā)射升空。NOAA衛(wèi)星共經(jīng)歷了5代，目前使用較多的為第五代NOAA衛(wèi)星，包括N

10、OAA-15NOAA-18。 NOAA-18衛(wèi)星：發(fā)射時(shí)間2005年5月11號，正式運(yùn)行日期2005年6月26日，軌道高度：854公里，軌道傾角：未知，軌道周期：102分。,風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星是中國研制的第一代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星。風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星共4顆，是中國的極軌氣象衛(wèi)星系列，共發(fā)射了3顆，即FY-1A，1B，1C。風(fēng)云一號A和風(fēng)云一號B衛(wèi)星分別在1988年9月7日和1990年9月3日發(fā)射升空。風(fēng)云一號C衛(wèi)星在性能上作的較大改進(jìn)，被列入世界氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用衛(wèi)星的序列，風(fēng)云一號D衛(wèi)星于2005年5月15日發(fā)射升空。 風(fēng)云二號系列靜止氣象衛(wèi)星是我國第一代靜止氣象衛(wèi)星，計(jì)劃發(fā)射5顆，即風(fēng)云二號A/B/

11、C/D/E，兩顆試驗(yàn)星（風(fēng)云二號A/B），三顆業(yè)務(wù)星（風(fēng)云二號C/D/E）。其中風(fēng)云二號A星于1997年6月10日發(fā)射成功，風(fēng)云二號B星于2000年6月25日發(fā)射成功，風(fēng)云二號C星和D星已分別于2004年10月19日和2006年12月8日年發(fā)射。E-風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星于2009年發(fā)射。,風(fēng)云一號C衛(wèi)星軌道參數(shù) 軌道特征：太陽同步軌道 軌道高度：863km 道傾角：98.79 軌道偏心率：0.00188 軌道回歸周期：10.61天 軌道降交點(diǎn)地方時(shí)：834（19990704）,Landsat是美國于1972年在世界上第1次發(fā)射的真正的地球觀測衛(wèi)星，由于它的出色的觀測能力推動(dòng)了衛(wèi)星遙感的飛躍發(fā)展。是

12、太陽同步軌道衛(wèi)星 。 星上搭載多光譜掃描儀（MSS）和專題掃描儀（TM）兩種遙感器。 Landsat -1用于國內(nèi)和國外的大范圍研究，驗(yàn)證研究數(shù)據(jù)對探測、繪制、測量和評定地球資源和環(huán)境條件的實(shí)際應(yīng)用。Landsat -2具有更大的能力，能白天和夜晚測量來自陸地和水面的輻射。有效載荷基本上與Landsat -1相同。Landsat -3用于繼續(xù)研究和發(fā)展中分辨力多光譜遙感系統(tǒng)。 TM是4號星以后搭載的。6號星以后僅搭載ETM，并予定追加IFOV為15的全色波段。 Landsat-7是Landsat計(jì)劃中的最后一顆衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星的發(fā)射，標(biāo)志著一個(gè)時(shí)代即大型、昂貴的Landsat系列地球觀測衛(wèi)星時(shí)代

13、行將結(jié)束。,1、Landsat衛(wèi)星,二、陸地衛(wèi)星,LANDSAT主要軌道參數(shù)：,LANDSAT系列衛(wèi)星成像儀器特征,軌道參數(shù),LANDSAT-7,2、SPOT衛(wèi)星,86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10,SPOT 5,SPOT 4,衛(wèi)星運(yùn)行,服務(wù)中斷,發(fā)射日或重新開始服務(wù)日,SPOT 1,SPOT 2,SPOT 3,86.2 90.1 93.9 97.11 98.3 02.5.4,SPOT對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)是由法國空間研究中心研制開發(fā)，比利時(shí)、瑞典等國參與. 它搭載兩臺高分辨率遙感器

14、HRV，具有通過斜視進(jìn)行立體觀測等優(yōu)點(diǎn)。,軌道參數(shù)： 采用高度為830km，軌道傾角98.7度的太陽同步準(zhǔn)回歸軌道，通過赤道時(shí)刻為地方時(shí)上午10:30。回歸天數(shù)為26天，但由于采用傾斜觀測，所以實(shí)質(zhì)上可以對同一地區(qū)用45天的間隔進(jìn)行觀測。,Spot 5,3、中巴資源衛(wèi)星,中巴地球資源衛(wèi)星于1999年10月14日由長征四號乙火箭送上太空。并于2000年3月2日在軌交付使用。 衛(wèi)星運(yùn)行距地面778千米的近極地太陽同步軌道上，每天繞地143圈，26天可將全球觀測一遍。星上載有分辯率為20米的5波段CCD相機(jī)、分辯率為78米的4波段紅外多光譜掃描儀和分辯率為256米的2波段廣角成像儀以及空間環(huán)境監(jiān)測儀

15、和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 CBERS 1衛(wèi)星用于監(jiān)測國土資源的變化；評估森林儲(chǔ)量、農(nóng)作物長勢和產(chǎn)量；監(jiān)測災(zāi)害及評估災(zāi)害損失；勘探地下資源，監(jiān)督資源的合理開發(fā)；監(jiān)測空間環(huán)境，為空間科研提供資源等。為新一輪國土資源大調(diào)查提供長期穩(wěn)定的空間信息資源。我國已經(jīng)啟動(dòng)的1999-2010年的新一輪國土資源大調(diào)查工作，這是一項(xiàng)跨世紀(jì)的宏偉工程，將為國家加強(qiáng)土地資源、礦產(chǎn)資源和海洋資源的規(guī)劃、管理、保護(hù)和合理利用，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)全面進(jìn)步提供決策依據(jù)。,CBERS-1 參數(shù),4、IKONOS(伊科諾斯)衛(wèi)星 IKONOS(伊科諾斯)衛(wèi)星于1999年9月24日發(fā)射成功，是世界上第一顆提供高分辨率衛(wèi)星影像的商

16、業(yè)遙感衛(wèi)星。IKONOS衛(wèi)星的成功發(fā)射不僅實(shí)現(xiàn)了提供高清晰度且分辨率達(dá)1米的衛(wèi)星影像，而且開拓了一個(gè)新的更快捷,更經(jīng)濟(jì)獲得最新基礎(chǔ)地理信息的途徑，更是創(chuàng)立了嶄新的商業(yè)化衛(wèi)星影像的標(biāo)準(zhǔn)。,5、QuickBird衛(wèi)星 QuickBird指的是美國的快鳥遙感衛(wèi)星。 QuickBird衛(wèi)星于2001年10月由美國DigitalGlobe公司發(fā)射，是目前世界上最先提供亞米級分辨率的商業(yè)衛(wèi)星，具有引領(lǐng)行業(yè)的地理定位精度，海量星上存儲(chǔ)，單景影像比同時(shí)期其他的商業(yè)高分辨率衛(wèi)星高出210倍。而且QuickBird衛(wèi)星系統(tǒng)每年能采集七千五百萬平方公里的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，存檔數(shù)據(jù)以很高的速度遞增。在中國境內(nèi)每天至少有2

17、至3個(gè)過境軌道，有存檔數(shù)據(jù)約500萬平方公里。 QuickBird衛(wèi)星參數(shù) 軌道高度：450km 傾角：98度（太陽同步） 重訪周期：16天,6、EO衛(wèi)星 地球觀測衛(wèi)星-1（EO-1）是NASA新千年計(jì)劃（NMP）的第一顆對地觀測衛(wèi)星，也是面向21 世紀(jì)為接替Landsat7 而研制的新型地球觀測衛(wèi)星，目的是為了對衛(wèi)星本體和新遙感器的技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。該衛(wèi)星于2000年11月21日成功發(fā)射。EO-1 上搭載了3 種傳感器，即高光譜成像光譜儀Hyperion，高級陸地成像儀ALI（Advanced Land Imager）和大氣校正儀AC（Atmosp heric Corrector）。,三、海洋衛(wèi)

18、星,“海洋衛(wèi)星”的主要任務(wù)是鑒定利用微波遙感器從空間觀測海洋及其有關(guān)海洋動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的有效性。 1、Seasat衛(wèi)星 1978年6月美國發(fā)射的“海洋衛(wèi)星”1號，工作105天后，由于衛(wèi)星上電源系統(tǒng)發(fā)生短路而失靈。衛(wèi)星在軌道(高度776800公里，傾角 108，周期100.63分鐘)上與運(yùn)載火箭末級“阿金納”號連在一起，重約 2.3噸。衛(wèi)星上有5種主要的科學(xué)儀器。一臺L波段合成孔徑雷達(dá)(SAR）雷達(dá)高度計(jì) (ALT) 微波散射計(jì)系統(tǒng)(SASS) 掃描式多信道微波輻射計(jì)(SMMR) 可見光和紅外掃描輻射計(jì) (VIR)。,2、Radarsat 衛(wèi)星 RADARSAT-2是一顆搭載C波段傳感器的高分辨率商

19、用雷達(dá)衛(wèi)星，由加拿大太空署與MDA公司合作，于2007年12月14日在哈薩克斯坦拜科努爾基地發(fā)射升空。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命7年而預(yù)計(jì)使用壽命可達(dá)12年。,3.2 攝影成像 攝影是通過成像設(shè)備獲取物體影像的技術(shù)。傳統(tǒng)攝影是依靠光學(xué)鏡頭及放置在焦平面的感光膠片來記錄物體影像。數(shù)字?jǐn)z影是通過放置在焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號來記錄物體的影像。依據(jù)探測波段，有近紫外攝影、可見光攝影、紅外攝影和多光譜攝影等。 3.2.1 攝影機(jī) 3.2.2 攝影像片的幾何特性 3.2.3 攝影膠片的物理特性,攝影機(jī)是成像遙感最常用的傳感器，可裝載在地面平臺、航空平臺及航天平臺上，有分幅式和全景式攝影機(jī)之分。,3.

20、2.1 攝影機(jī),攝影機(jī),分幅式攝影機(jī) 全景攝影機(jī)(掃描攝影機(jī)) 多光譜攝影機(jī) 數(shù)碼攝影機(jī),縫隙式攝影機(jī)(航帶攝影機(jī)) 鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī),多相機(jī)組合型 多鏡頭組合型 光束分離型,1、分幅式攝影機(jī),這種傳感器的成像原理是在某一個(gè)攝影瞬間獲得一張完整的像片（18厘米18厘米或23厘米23厘米幅面），一張像片上的所有像點(diǎn)共用一個(gè)攝影中心和同一個(gè)像片面，即所謂中心投影，就是平面上各點(diǎn)的投影光線均通過一個(gè)固定點(diǎn)（投影中心或透視中心），投射到一平面（投影平面）上形成的透視關(guān)系。,（1）縫隙式攝影機(jī),又稱推掃式攝影機(jī)或航帶攝影機(jī)。 在飛機(jī)或衛(wèi)星上，攝影瞬間所獲取的影象，是與航線方向垂直且與縫隙等寬的一條線影象

21、。當(dāng)飛機(jī)或衛(wèi)星向前飛行時(shí)，攝影機(jī)焦平面上與飛行方向成垂直的狹縫中的影象也連續(xù)變化。當(dāng)攝影機(jī)內(nèi)的膠片不斷卷動(dòng)，且其速度與地面在縫隙中的影象移動(dòng)速度相同，則能得到連續(xù)的航帶攝影像片。膠片卷動(dòng)速度V與飛行速度v和相對航高H有關(guān)，以獲得清晰的影象 V=v*f/H，f為焦距。,2、全景式攝影機(jī),（2）鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī),在物鏡的焦面上平行于飛行方向設(shè)置一條狹縫，并隨物鏡作垂直于航線方向掃描，得到一幅掃描成像的圖象。物鏡擺動(dòng)的幅面很大，能將航線兩邊的地平線內(nèi)的影象都攝入底片。 但由于相機(jī)的像距保持不變，而物距隨掃描角的增大而增大，因此出現(xiàn)兩邊比例尺逐漸縮小的現(xiàn)象，整個(gè)影像產(chǎn)生所謂全景畸變。再加上掃描的同時(shí)，

22、飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，以及掃描擺動(dòng)的非線性等因素，使影像的畸變更為復(fù)雜。,3、多光譜攝影機(jī),對同一地區(qū)，在同一瞬間攝取多個(gè)波段影象的攝影機(jī)。 可充分利用地物在不同光譜區(qū)有不同的反射特征，來增多獲取目標(biāo)的信息量，以提高識別地物能力。 有三種基本類型： 多攝影機(jī)型多光譜攝影機(jī) 多鏡頭型多光譜攝影機(jī) 光束分離型多光譜攝影機(jī),a、多相機(jī)組合型；b 、多鏡頭組合型； c 、光束分離型,多光譜攝影機(jī),4、數(shù)碼攝影機(jī),成像原理與一般攝影機(jī)同，結(jié)構(gòu)也類似。所不同的是其記錄介質(zhì)不是感光膠片，而是光敏電子器件，如CCD（電荷耦合器件Charge Coupled Device的縮寫）,攝影機(jī)從飛行器上對地?cái)z影時(shí)，根據(jù)攝影機(jī)

23、主光軸與地面的關(guān)系，可以分為垂直攝影和傾斜攝影。,3.2.2 攝影像片的幾何特征,1、垂直攝影,攝影機(jī)主光軸垂直于地面或偏離垂線在3以內(nèi)。 取得的像片稱水平像片或垂直像片。 航空攝影測量和制圖大都是這類像片。,垂直攝影,2、傾斜攝影,攝影機(jī)主光軸偏離垂線大于3。 全景攝影成像時(shí)，鏡頭垂直飛行器下方航帶中心線時(shí)為垂直攝影，其余狀態(tài)下均為傾斜攝影。傾斜攝影時(shí)，主光軸偏離垂線角度越大，影像畸變也越大，給圖像糾正帶來困難，不利于制圖。但有時(shí)為了獲取較好的立體效果且對制圖要求不高，也采用傾斜攝影。,傾斜攝影,3、像片的幾何特征,（1）像片的投影 中心投影與垂直投影的區(qū)別 中心投影的透視規(guī)律 （2）像片的

24、比例尺 （3）像點(diǎn)位移,（1）像片的投影,垂直投影：物體影像是通過互相平行的光線投影到與光線垂直平面上的。 相片比較尺處處一致 投影距離無關(guān) 中心投影：物體通過物鏡中心投射到承影面上 常用的大比例尺地形圖屬于垂直投影或近垂直投影，而攝影像片屬于中心投影。,正像和負(fù)像,中心投影與垂直投影的區(qū)別,中心投影：投影距離不同或焦距不同則像片的比例尺也不同。 垂直投影：投影距離不同與像片比例尺無關(guān)。（不存在焦距）,中心投影：投影面的傾斜造成同一個(gè)像片不同部位比例尺的差異。 垂直投影：只表現(xiàn)為比例尺有所放大。,中心投影：地形起伏造成像點(diǎn)位移。 垂直投影：不存在像點(diǎn)位移。,若地形高于基準(zhǔn)面,像點(diǎn)向離開像主點(diǎn)方

25、向位移;若地形低于基準(zhǔn)面,像點(diǎn)向像主點(diǎn)方向位移,中心投影的透視規(guī)律,地面物體上一點(diǎn)，在中心投影上還是一個(gè)點(diǎn)，同一投影線上的點(diǎn)重合。 與像面平行的直線，在中心投影上仍然是直線，兩條相交直線的交角投影后不變。 與像面垂直的直線，投影的后的形狀，取決于其中像片中的位置。 平面上的曲線，在中心投影的像片上仍為曲線。 面狀物體，中心投影影像也隨位置而變化。,（2） 像片的比例尺,即 像片上兩點(diǎn)之間距離與地面上兩點(diǎn)實(shí)際距離之比。,H為攝影平臺的高度（航高） f為攝影機(jī)的焦距 通常f在像片的邊緣或相應(yīng)的影像資料（遙感攝影的報(bào)告、設(shè)計(jì)書）中找到，H由攝影部門提供。,計(jì)算比例尺方法,知道f和H H未知： 通過求

26、某個(gè)地物的長與其影像長之比 利用地形圖，求兩點(diǎn)實(shí)際距離與影像距離之比,已知某河流的寬度為20M，在像片上量得的寬度為0.5cm，則該像片的比例尺為：,已知的地形圖比例尺為1：50000，在地形圖上量得AB兩點(diǎn)的長度為3.5cm，像片上量得相應(yīng)ab兩點(diǎn)的長度為7cm，則像片的比例尺為：,（3） 像點(diǎn)位移,在中心投影上，地形的起伏除引起像片比例尺變化外，還會(huì)引起平面上的點(diǎn)位在像片位置上的移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為像點(diǎn)位移 其位移量就是中心投影與垂直在同一水平面上的投影誤差。,位移量公式推導(dǎo),由式可以看出： 位移量與地形高度差h成正比，即高差越大，引起的的像點(diǎn)位移量也越大 位移量與像點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離r成正比

27、，即距主點(diǎn)越遠(yuǎn)的像點(diǎn)，位移量越大，像片中心部分位移量較小 位移量與攝影高度(H)成反比,感光特征曲線：橫坐標(biāo)為曝光量的對數(shù)值，縱坐標(biāo)為膠片的光學(xué)密度。 光學(xué)密度：膠片的變黑程度，以阻光率的對數(shù)值表示。 感光度：是指感光材料對光的敏感程度，即感光的快慢。 反差：膠片的明亮部分與陰暗部分的密度差。 反差系數(shù)：拍攝后的影像明暗對比與對應(yīng)的景物明暗對比的比值。 灰霧度：未經(jīng)感光的膠片，顯影后仍產(chǎn)生輕微的密度，呈淺灰色。 寬容度：指膠片表達(dá)被攝物體亮度間距的能力。 解像力：感光膠片的分辨率。以每毫米范圍內(nèi)分辨出的線對數(shù)來表達(dá)。 感色性：指感光膠片對各種色光的敏感程度。,3.2.3 攝影膠片的物理特征,3

28、.3 掃描成像 掃描成像是依靠探測元件和掃描鏡對目標(biāo)地物以瞬時(shí)視場為單位進(jìn)行的逐點(diǎn)、逐行取樣，以得到目標(biāo)地物電磁輻射特性信息，形成一定譜段的圖像。 3.3.1 光/機(jī)掃描成像 3.3.2 固體自掃描成像 3.3.3 高光譜成像光譜掃描,光學(xué)-機(jī)械掃描（又稱撣掃式掃描儀）成像系統(tǒng)，一般在掃描儀的前方安裝可轉(zhuǎn)動(dòng)的光學(xué)鏡頭，并依靠機(jī)械傳動(dòng)裝置使鏡頭擺動(dòng)，形成對地面目標(biāo)的逐點(diǎn)逐行掃描。 遙感器光譜分辨率依賴于不同分光器和探測元件，其輻射分辨率取決于探測元件的靈敏度。 在光機(jī)掃描所獲得的影像中，每條掃描帶上影像寬度與圖像地面分辨率分別受到總視場和瞬時(shí)視場的影響。 總視場是遙感器能夠受光的范圍，決定成像寬

29、度。 瞬時(shí)視場角決定了每個(gè)像元的視場。,3.3.1 光/機(jī)掃描成像,光/機(jī)掃描成像,A：掃描鏡 B：探測元件 C：IFOV瞬時(shí)視場角 D：地面分辨率 E：總視場角（10-200航天） F：掃描帶寬,光/機(jī)掃描成像的探測元件,光/機(jī)掃描成像實(shí)例（MSS）,Multi-Spectral Scanner,掃描反射鏡是一個(gè)表面鍍銀的橢圓性鈹發(fā)射鏡，它與地面和聚光鏡的光軸均成45度角，掃描鏡圍繞正常位置擺動(dòng)的幅度大約為正負(fù)2.89度，掃描頻率為13.62Hz，對垂直與衛(wèi)星軌跡方向的地面進(jìn)行掃描（橫向掃描），星下點(diǎn)視廠場角為11.56度，被掃描地面條帶寬度約為185km，沿衛(wèi)星軌跡方向的掃描（縱向掃描）由

30、衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。,MSS有4個(gè)光譜通道。Landsat1-5均用了MSS，其中除Landsat3采用5個(gè)波段外，其余均用可見光-近紅外4個(gè)波段。 MSS4:0.5=0.6微米,藍(lán)綠波段； MSS5:0.6=0.7微米,橙紅波段； MSS6:0.7=0.8微米,紅、近紅外波段； MSS7:0.8=1.1微米,近紅外波段。,MSS-4,MSS-5,MSS-6,MSS-7,MSS Band 4 = Blue MSS Band 5 = Green MSS Band 7 = Red,使用線性陣列傳感器的掃描儀叫推帚式掃描儀。要用推帚式掃描儀獲取圖像，就要將探測器搭載于飛行平臺上，通過和探測器成正交方向

31、的移動(dòng)而得到目標(biāo)物的二維信息。光機(jī)掃描儀是利用旋轉(zhuǎn)鏡掃描，是一個(gè)像元一個(gè)像元地進(jìn)行采光，而推帚式掃描儀是通過光學(xué)系統(tǒng)一次獲得一條線的圖像，然后由多個(gè)固體光電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行電掃描。 衛(wèi)星搭載的推帚式掃描儀由于沒有光機(jī)掃描儀那樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，所以結(jié)構(gòu)上可靠性高，但是由于使用了多個(gè)感光元件把光同時(shí)轉(zhuǎn)換成電信號，所以當(dāng)感光元件之間存在靈敏度差時(shí)，往往產(chǎn)生帶狀噪聲。 推帚式掃描成像常用遙感數(shù)據(jù)有SPOT/HRV、HRVIR、HRG 、HRS，IKONOS，QuickBird，Orbview。,3.3.2 推帚式掃描成像,成像光譜儀是遙感領(lǐng)域中的新型遙感器，它把可見光、紅外波譜分割成幾十個(gè)到幾百個(gè)波段，每

32、個(gè)波段都可以取得目標(biāo)圖像，同時(shí)對多個(gè)目標(biāo)圖像進(jìn)行同名地物點(diǎn)取樣，取樣點(diǎn)的波譜特征值隨著波段數(shù)愈多愈接近于連續(xù)波譜曲線。 這種既能成像又能獲取目標(biāo)光譜曲線的“譜像合一”的技術(shù)稱為成像光譜技術(shù)，按該原理制成的遙感器稱為成像光譜儀，主要應(yīng)用于高光譜航空遙感，在航天遙感領(lǐng)域高光譜也開始應(yīng)用。,3.3.3 高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）,1、面陣探測器加推掃式掃描儀的成像光譜儀,利用線陣列探測器進(jìn)行掃描，利用色散元件和面陣探測器完成光譜掃描，利用線陣列探測器及其沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描。,特點(diǎn)： 空間掃描由固體掃描完成（可見光-近紅外，用CCD；短波紅外用汞-鎘-碲/CCD混合器件）； 像元攝影時(shí)

33、間長；系統(tǒng)靈敏度和空間分辨率均得到提高； 在可見光波段，分辨率可提高到1-2nm量級，短波紅外靈敏度低，熱紅外暫時(shí)不能感應(yīng)； 總視場角受限制。,典型實(shí)例： 加拿大CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager),2、線陣列探測器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀,推掃式（whiskbroom）線陣列成像光譜儀，基本屬于光-機(jī)掃描裝置。利用點(diǎn)探測器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測器的不同元件上；通過點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動(dòng)以及沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描，而利用線探測器完成光譜掃描。 特點(diǎn)： 空間掃描通過掃描鏡擺動(dòng)完成，總視場角

34、大（可達(dá)90）； 像元配準(zhǔn)好，不同波段在任何時(shí)候都同時(shí)凝視同一像元； 光譜覆蓋范圍寬（從可見光直到熱紅外波段）； 適用于航空遙感，因?yàn)轱w行時(shí)間足夠慢，讀出的時(shí)間僅是聚積輻射能量時(shí)間的一小部分； 像元攝像時(shí)間短，進(jìn)一步提高光譜分辨率和輻射靈敏度較難。,典型實(shí)例：美國的AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer),主要高光譜儀器,AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer) (0.4-2.5) (美國NASA JPL)(224個(gè)波段) CASI(Compact Air

35、borne Spectrographic Imager) (288個(gè)波段)（加拿大） EO-1 （Hyperion）（衛(wèi)星） HYDICE(Hyperspectral Digital Image Collection Experiment) (206波段) HYMAP (128波段) (澳大利亞) MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) （衛(wèi)星）(36波段),比較,3.5 遙感圖像的特征 遙感圖像的特征體現(xiàn)在三個(gè)方面：幾何特征、物理特征、時(shí)間特征。主要參數(shù)為：空間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率、時(shí)間分辨辨。 3.5.1 遙感圖

36、像的空間分辨率 3.5.2 遙感圖像的波譜分辨率 3.5.3 遙感圖像的輻射分辨率 3.5.4 遙感圖像的時(shí)間分辨率,圖像的空間分辨率是指：像素所代表的地面范圍的大小，即掃描儀的瞬時(shí)視場或地面物體能分辨的最小單元。 對于攝影成像的圖像，地面分辨率(Rg)取決于膠片的分辨率和攝像鏡頭的分辨率所構(gòu)成的系統(tǒng)分辨率Rs，以及攝影機(jī)焦距f和航高H。即：,Rg為地面分辨率，單位為線對/mm H為攝影機(jī)距地面高度，單位m Rs為系統(tǒng)分辨率，單位線對/mm f 為攝影機(jī)焦距，單位mm。,3.5.1 遙感圖像的空間分辨率,波譜分辨率是指傳感器在接收目標(biāo)輻射的波譜時(shí)能分辨的最小波長間隔。間隔越小，分辨率越高。 成

37、像光譜儀在可見光到紅外波段范圍內(nèi)，被分割成幾百個(gè)窄波段，具有很高的光譜分辨率，從其近似連續(xù)的光譜曲線上，可以分辨出不同物體光譜特征的微小差異，有利于識別更多的目標(biāo)。,3.5.2 遙感圖像的波譜分辨率,輻射分辨率是指傳感器接收波譜信號時(shí)，能分辨的最小輻射度差。 在遙感圖像上表現(xiàn)為每一像片的輻射量化級。 某個(gè)波段遙感圖像的總信息量Im由空間分辨率（以像元數(shù)n表示）與輻射分辨率（以灰度量化級D表示）有關(guān)，以bit為單位，可表達(dá)為 Im = n log2D 多分波段遙感中，遙感圖像總信息量還取決于波段數(shù)k，k個(gè)波段的遙感圖像的總信息量Is為 Is = k *Im = k* n*log2D = k* A/P2 *log2D,3.5.3 遙感圖像的輻射分辨率,時(shí)間分辨率是對同一地點(diǎn)進(jìn)行遙感采樣的時(shí)間間隔，即采樣的時(shí)間頻率，也稱為重訪周期。 遙感的時(shí)間分辨率范圍較大。 根據(jù)不同的遙感目的，采用不同的時(shí)間分辨率： 天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害監(jiān)測等需要短周期的時(shí)間分辨率。常以“小時(shí)”為單位。 植物、作物的長勢監(jiān)測、估產(chǎn)等需要用“旬”或“日”為單位。 而城市擴(kuò)展、河道變遷、土地利用變化等多以“年”為單位。,3.5.4 遙感圖像的時(shí)間分辨率,