第三章遥感成像原理与遥感图像特征

一、遥感平台

遥感平台是搭载传感器的工具，按照位置可以分为地面、航空航天航宇，按照作用可分为气象、陆地、海洋等。这里我们主要按照作用领域进行讨论

1.1 气象卫星

气象卫星发展的三个阶段：

20世纪60年代第一代气象卫星，如TIROS，ESSA，ATS
1970~1977第二代气象卫星，如ITOS-1，GOES
1978~Now第三代卫星，如NOAA

我国气象卫星：风云一号、风云二号

气象卫星的特点：

有低轨和高轨轨道，低轨是指近极地太阳同步轨道，高轨是指地球同步轨道
短周期重复观测，时间分辨率较高
成像面积大
资料来源连续、实时性强、成本低

应用领域

天气分析和气象预报
气候研究和气候变迁研究
资源环境其他领域

1.2 陆地卫星

主要的陆地卫星：

Landsat系列
SPOT系列
中把资源卫星（CBERS）
高分辨率卫星如IKONOS-2，Quickbird，OrbView-3

1.3 海洋卫星

海洋遥感的特点

需要高空和空间的遥感平台，用以大面积同步覆盖的观测
以微波为主
电磁波与激光、声波的结合

主要的海洋卫星：

Seasat-1
雨云7号卫星(Nimbus-7)
MOSI
ERS
FY系列，HY系列

二、摄影成像

2.1 摄影机

1️⃣ 分幅式摄像机

一次曝光得到目标的一幅影像，视场角越大，地面覆盖范围越大。

2️⃣ 全景摄影机

缝隙式摄影机
镜头转动式全景摄影机

3️⃣ 多光谱摄影机

🅰️ 特点

可以直接获取可见光和近红外范围内若干个波段影像。

🅱️ 类型

多相机组合型
- 同时将几架相机组装在一个外壳上，每架相机配置不同的滤光片和胶片，以获取同一地物不同波段的影像.
多镜头组合型
- 在同一架相机上装置多个镜头，配以不同波长的滤光片。
光束分离型
- 光束分离型是用一个镜头，通过二向反射镜或光栅分光，将不同波段在各焦平面上记录影像

4️⃣ 数码摄影机

数码摄影机的成像原理与一般摄影机相同，结构也类似，只不过数码摄影机的记录介质不是感光胶片，而是光敏电子器件，如CCD(电荷荷藕器件)。

2.2 摄影像片的几何特征

1️⃣ 垂直摄影

摄影机主光轴垂直于地面或偏离垂线在3°以内。

2️⃣ 倾斜摄影

摄影机主光轴偏离垂线的角度大于3°。

3️⃣ 垂直摄影像片的几何特征

🅰️ 像片的投影

中心投影与垂直投影的区别
1. 垂直距离的影响
  
  垂直投影图像的缩小和放大与投影距离无关，没有统一的比例尺。中心投影则受到投影距离的影响，像片比例尺与平台高度和焦距有关。
2. 投影面倾斜的影响
  
  当投影面倾斜时，垂直投影的影响表现为仅比例尺有所放大，而在中心投影的相片上，则会发生几何形变。
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缩小，相对位置不变。中心投影时，地面起伏越像上投影点水平位置的位移量就越大，并产生一定规律的投影误差。
中心投影的透视规律
1. 地面物体是一个点，在中心投影上仍是一个点。如果有几个点在同一投影线上，它的影像重叠成一个点
2. 与像面平行的直线，在中心投影面上仍是直线
3. 如果直线垂直于地面，其中心投影有两种情况：其一、当直线与像片垂直并通过投影中心（主光轴）时，该直线在像片上是一个点；其二，直线的延长线不通过投影中心，此时直线的投影仍是直线，但该垂直线状目标的长度和变形情况则取决于目标在像片中的位置
4. 平面上的曲线，在中心投影的像片上仍为曲线
5. 面状物体的中心投影相当于各种线投影的组合

🅱️ 像片的比例尺

像片的比例尺即像片上两点之间的距离与地面上相应两点实际距离之比。 $H$ 为航高， $f$ 为摄影机的焦距。像片的比例尺为：
$\frac{1}{m}=\frac{f}{H}=\frac{ab}{AB}$
☑️像点位移

像点位移是在中心投影的像片上地形起伏引起的平面上的点在像片位置上的移动。

特点：

高差越大，引起的像点位移量越大
距离像主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小
摄影高度越大，因地表起伏引起的位移量越小

2.3 摄影胶片的物理特性

感光特征曲线
- 横坐标为曝光量的对数值，纵坐标为胶片的光学密度
光学密度
- 光学密度是指胶片经过感光显影后，影像表现出的深浅程度
感光度
- 胶片的感光速度
反差
- 胶片的明亮部分与阴暗部分的密度差
反差系数
- 拍摄后负片影像与景物亮度差之比，即特征曲线上的斜率。
灰雾度
- 未经感光的胶片，显影后仍产生轻微的密度，呈现浅灰色
宽容度
- 宽容度是指胶片表达被摄影物体亮度间距的能力
解像力
- 通常称为感光胶片的分辨率

三、扫描成像

3.1 扫描成像的概念

扫描成像是依靠探测原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波辐射特性信息，形成一定谱段的图像。根据工作原理，可分为推扫式和摆扫式。

摆扫式有时被称为聚焦模式（Spotlight）或者跨轨扫描仪（across track scanners）。使用“镜子”来反射光线到一个探测器，利用一个“镜子”来回移动，收集从一个像素上测量的值。这种移动部件非常昂贵，而且容易损坏。

在这里插入图片描述

摆扫式的扫描方向垂直于飞行路径，一次收集一个像素。

推扫式有时也称为沿着轨道扫描仪（along track scanners）, 使用的探测器安置在垂直于航天器的飞行方向，飞行器向前飞行时候，一次可以收集一行的图像（如下图所示）。推扫式接受的信号要强于摆扫式，因为摆扫式在一个像素内的时间很长。推扫式有一个确定是探测器可能存在不同的敏感性，如果没有校准好会导致图像条纹噪声。

在这里插入图片描述

目前主流的传感器一般都采用的推扫式。

3.2 扫描成像的方式

1️⃣ 光/机扫描成像

一般在扫描仪的前方安装光学镜头，依靠机械转动装置使镜头摆动。

2️⃣ 固体自扫描成像

用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描成像。

3️⃣ 高光谱成像光谱扫描

高光谱成像图像是由多达数百个波段的非常窄的连续光谱波段组成。它既能成像，又能获取目标光谱曲线。

四、微波遥感与成像方式

4.1 微波传感器的概念

微波传感器是指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。

4.2 微波遥感的特点

1️⃣ 全天时、全天候

微波波长较长，一般受到瑞利散射，且强度与波长的四次方成反比，因而微波受到的散射较小，在各种天气都能很好的工作。

2️⃣ 特殊的波谱指纹

有些地物在微波波段有独特的波谱曲线，可以作区分。

3️⃣ 穿透能力

微波对冰、雪、森林、土壤都具有一定的穿透能力。

4️⃣ 对海洋遥感的特殊意义

海洋遥感里面一般都是用微波来做的，微波可以穿透云层，其波长也很适合于海面动态情况(海风、海浪)的观测。

5️⃣ 分辨率低，但测量精度高

4.3 微波传感方式和传感器

按照传感器的工作方式，可以分为主动遥感和被动遥感。

⭐️ 主动微波遥感

概念：主动微波遥感是指通过向目标地物发射微波并接收其向后散射信号来实现对地观测的遥感方式，其主要传感器是雷达。

传感器：

1️⃣ 雷达

雷达(Lidar)意为无线电测距和定位，其工作波段大都在微波范围。雷达可以分为成像雷达和非成像雷达，而成像雷达又可以分为真实孔径雷达和合成孔径雷达。

雷达

成像雷达
- 合成孔径雷达
- 真实孔径雷达
非成像雷达

工作原理

雷达是由发射机通过天线在很短时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。不同物体的回波信号的振幅、相位都不同，在接受处理后，可以测出目标地物的方向、距离等数据。

2️⃣ 侧视雷达

侧视雷达的天线与传感平台的运动方向形成角度，朝着一侧或两侧倾斜安装，侧视雷达的图像更具立体感。

侧视雷达具有距离分辨力和方向分辨力两种独特的属性。

3️⃣ 合成孔径雷达

合成孔径雷达( SAR) 是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达，也称综合孔径雷达。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。所得到的高方位分辨力相当于一个大孔径天线所能提供的方位分辨力。

🌟 被动微波传感器

概念：通过传感器，接收来自目标地物发射的微波，而达到探测目的的遥感方式。

传感器：

1️⃣ 微波辐射计

被动接收目标地物微波辐射的传感器

2️⃣ 微波散射计

被动探测目标地物微波散射特性的传感器

这两种传感器均不成像。