遥感成像传感器的比较

遥感信息工程学院 包文韬
遥感成像传感器的比较
1、 传感器分类： 摄影类型的传感器、 扫描成像类型的传感器、 雷达成像类型的传感器、 非图像类型的传感器。 2、传感器的基本组成： 收集器：收集地物辐射来的能量，如透镜组、反射镜组、天线； 探测器：将收集的辐射能转变为化学能或电能，如感光胶片、光电管、光敏和热敏探测 元件、共振腔谐振器； 处理器：对收集的信号信号进行处理，如摄影处理装置、电子处理装置； 输出器：输出获取的数据，如扫描晒相仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、彩 色喷墨仪。 3、传感器的特性参数 空间分辨率：表示按地物的几何特征（几何和形状）和空间分布，即在形态学的基础上 识别目标的能力。有两种含义： ⑴遥感器的技术鉴别能力， 即能把两相邻目标作为两个清晰实体记录下来的两目标间的 最小距离； ⑵遥感器观察地面特征所需要的有效探测和分析的分辨率。 光谱分辨率：指遥感器在接受目标的辐射光谱时，能分辨的最小波长间隔，即遥感器的 工作波段数目、波长和波长间隔（波带宽度） 。光谱分辨率高，意味着： ⑴.区分具有微小波谱特征差异地物的能力强； ⑵.数据量大，传输、处理难度大； ⑶.各波段间数据的相关性大。 应服从应用目的， 结合地物特征波谱， 选择能提供最大信息量的最佳波段和多波段组合。 辐射分辨率：指遥感器探测元件在接收波谱辐射信号时，能分辨的最小辐射度差。即把 遥感器输出信号的总范围，从黑到白，分解成大量刚好能辨别的灰度等级。反映地物在波谱 辐射度或反射率上的微细差异，辐射分辨率越高，识别两同等空间分辨率目标的能力越强。 时间分辨率：为分析、识别目标所必须具有的最小时间间隔，称时间分辨率。
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2、成像过程： 每个探测器瞬时视场86 rad ，卫星高度915Km，因此每个像元地面分辨率79*79m。 每个波段在飞行方向上有6个探测单 元， 所以扫描瞬间地面分辨率 （79*6） *79m 即474m*79m。 扫描总视场11.56度，对应于地面 11.56/pi*180*915=185km， 所以扫描一次 每个波段的6条扫描线地面范围是 474m*185m. 扫描周期73.42ms， 卫星速度6.5Km/s， 所以扫描一次飞行距离6.5*73.42=477m， 扫描线恰好衔接。？ 考虑到地球同时自西向东自转， 下一 次扫描与本次扫描存在位移量 Y VE T （ VE 为纬度的函数，T为一次扫描时间） 。 3、MSS空间分辨率： 飞行方向：79m； 垂直方向：探测器采样时间为9.958 μs ，自西向东对地面有效扫描时间为33ms，扫描 的宽度为185KM，所以实际在探测器采样时间内对于的地面距离是56米，即垂直飞行方向的 空间分辨率为56米。 因此，MSS设定的地面解析度GRC=79*79，而实际的地面采样距离GSD=79*56。 4、 MSS数据率 每个采样时间里（9.958 μs） ，对每个像素进行编码（采样6BIT） ，6个单元*4个波段 =144BIT，加上信号同步的时间，相当于每BIT的时间为0.0664 μs，即BIT速率为15M/S。 5、 MSS影像特征 几何特征：存在全景畸变，空间分辨率79m。 波谱特征：Landsat1-3有五个波段：MSS4(绿)、MSS5(红)、MSS6 (红外)、MSS7 (红外) MSS8(热红外) Landsat系列影像呈倾斜 （南北向为垂直） 排列的原因： MSS沿着轨道自上而下俯视地球， 地表的自转是自西向东的。陆卫轨道相对于（经度）倾斜99°时，卫星旋动（precess）
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地面范围相应的二维条带图像。 2、 扫描线的衔接：旋转棱镜扫描一次时间t，飞机对地速度W，一个探测器地面分辨率a： a = Wt ：刚好衔接。a < Wt :出现扫描漏洞。a > Wt :有部分重叠。 由
W 知，只要速度W与行高H之比为常数，则扫描线正确衔接。 H t
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4、当前的SPOT6特点 （1）超凡获取 大幅覆盖 保留60公里大幅宽，卫星星座每日接收6百万平方公里影像； 覆盖60公里*600公里的范围，正南北定向影像，易于处理； 灵活的编程接收，集全色和多光谱影像 捆绑: 全色 (1.5米) 和多光谱(6 米) 融合产品: 具有3或4个波段的1.5米彩色影像 格式：DIMAP V2 格式 (JPEG 2000或GeoTIFF) 光谱波段：全色 (0.455 - 0.745 μm)；蓝(0.455 - 0.525 μm)；绿(0.530 μm 0.590 μm)；红(0.625 - 0.695 μm)；近红外(0.760 - 0.890 μm) 立体成像：立体或三线阵立体
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一、摄影类传感器 指经过透镜(组)，按几何光学的原理聚焦构像，用感光材料，通过光化学反应直接感测 和记录目标物反射的可见光和摄影红外波段电磁辐射能， 在胶片或像纸上形成目标物固化影 像的遥感器。 优点：空间分辨率高、成本低、易操作、信息量大 缺点： 局限性大， 0.3~1.3μm， 影像畸变较严重， 成像受气侯、 光照和大气效应的限制， 须回收胶片，影像形成周期长无法实时观测。 二、扫描类传感器 具体类型包括： （1）电子扫描遥感器 （2）光机扫描遥感器：红外扫描仪、MSS、TM、ETM+ （3）固体自扫描遥感器：SPOT卫星系列 （4）天线扫描遥感器：成像雷达 （5）成像波(光)谱仪。MODIS 优点：可对全部五个大气窗口的电磁辐射进行探测，可进行多波段、超多波段遥感-波谱分辨率高输出电信号，可用磁带记录，可实时传输所获辐射量的定量数据,便于校正和 图像处理。 缺点：空间分辨率相对较低。 三、雷达成像类型的传感器 四、非图像类型的传感器。 （一） 红外扫描仪 1、 成像过程：如图所示，旋转棱镜旋转时，第一 个镜面对地面横越航线方向扫视一次，在扫描 视场内的地面辐射能，由刈幅的一边到另一边 依次进入传感器，经探测器输出视频信号，再 经电子放大器放大和调制，在阴极射线管上显 示一条相应于地面扫描视场内的景物的图像线， 这条图像线经曝光后在底片上记录下来。接着 第二个扫描镜扫视地面，由于飞机向前运动， 胶片也作同步旋转，它记录的第二条图像正好与第一条衔接。依次下去，就得到一条与
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的角速度（angular rate）与地球绕太阳公转相同。在影像中，连续的扫描线略为向西 偏移。这些连续的偏移导致每景影像呈平行四边形（parallelgram） ，两侧是倾斜的。 这也部分解释了飞行器的轨道倾角，可以弥补自转的影响。 6、 MSS重叠度： 在赤道位置，旁向重叠度7%，越向两极旁向重叠度越大。 7、 优缺点 优点：①工作波段宽，从近紫外、可见光到热红外波段，波长范围达0.35～20微米；② 各波段的数据容易配准。这两个特点非其他遥感器所能具有，因而多光谱扫描仪是气象 卫星和“陆地卫星”的主要遥感器。 （三） 专题制图仪（TM） 1、 结构组成：搭载在Landsat4/5上，结构与MSS相似，增加了一个扫描改正器，使扫描行 垂直于飞行轨道（与MSS不同） ，另外，使往返双向都对地面扫描（MSS仅从西向东时采 集数据） 。 2、探测器特点： 共有100个， 分7个波段呈错开排列（8*2*6+4）, TM1～ 4各有16个硅（CCD）探测器， TM5和TM7的各有16个焍化铟 红外探测器,每个的瞬时视场在地面上为30×30㎡, TM6的 有4个碲镉汞探测器,每个的瞬时视场在地面上为120×120 ㎡。摄影瞬间16个探测器观测地面长度480m，扫描线长度 185m。单向扫描时间（半个周期）为71.46ms，卫星正好飞 过地面480m，下半个扫描周期获取的16条图像线正好与上半个扫描周期的图像线衔接。 3、TM特点： （1） TM中增加一个扫描改正器,使扫描行垂直于飞行轨道(MSS扫描不垂直于飞行轨道） ； （2）往返双向都对地面扫描（MSS仅单向扫描） ； （3）地面分辨率由79米到30米； （4）波段由5个增加到7个； （5）有热红外通道TM6 。 （四） 增强型专题制图仪（ETM+） 1、与TM相比所做的改进： （1）增加了PAN（全色）波段（共8个波段） ，分辨率为15米，使数据速率增加;
3、 分辨率： （瞬时视场 ，探测器尺寸d） 空间分辨率： a
H
d H f
平行航线方向： a H H sec a sec 垂直航线方向： a

a sec a sec2
4、 热红外像片的色调特征：热红外扫描仪对温度比对发射本领的敏感性更高，因为它与温 度的四次方成正比，温度的变化能产生较高的色调差别。 5、 全景畸变：由于地面分辨率随扫描角发生变化，使红外扫描影像产生畸变，这种畸变通 常称之为全景畸变，形成原因是像距保持不变，总在焦面上，而物距随扫描角发生变化 所致。 （相当于行高H的变化引起的地面分辨率a的变化） 。 （二） 多光谱扫描仪（MSS） 1、 组成结构： （1） 扫描反射镜： 椭圆形， 长轴33cm， 短轴23cm， 摆动幅度正负2.89度， 摆动频率13.62Hz， 周期73.42ms，总观测视场角11.56度，对应地面距离185km。作用：配合卫星向前飞行 获取地面二维图像。 （2）反射镜组：由主反射镜和次反射镜组成，焦距82.3cm。作用：将扫描镜反射进入 的地面景物聚焦在成像板上。 （3）成像板：成像板上排列有24+2个玻璃纤维单元，按波段排列成4列，每列有6个单 元，每个单元为扫描仪的瞬时视场的构象范围，瞬时视场角为86μrad，卫星高度为915 公里，地面距离为79米。 （4）探测器：它的数量与成像板的纤维单元的个数相同，探测器的类型与响应的波长 有关。MSS4-MSS6采用光电倍增管；MSS7采用硅光电二极管；MSS8采用碲镉汞。作用： 辐射能转化为电信号。 搭载的飞行器：Landsat1-5和各个气象卫星。
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（2） 采用双增益技术使远红外波段6 （热红外波段） 的分辨率提高到60米， 增加数据率； （3）改进后太阳定标器使卫星的辐射定标误差小于5%，精度比Landsat5提高了1倍。 搭载于Landsat7 （五） 高分辨率可见光遥感器（HRV） 属于固体自扫描遥感器，此类遥感器特点： （1）一改光机扫描的逐点扫描为逐行扫描、逐面 扫描，因此革除了机械部件,简化了 结构,避免了因振动 引起的噪声； （2）光敏元同时曝光，因此延长了信号驻留时间,提高了遥感器的灵敏度； （3）波谱响应范围宽--硅光敏元可探测0.4~1.1μm; （4）无畸变、体积小、功耗低、寿命长可靠性强。 使成像遥感器的结构发生了根本性变革。 1、成像原理： SPOT上的HRV是一种线阵列推扫式扫描仪， 使用CCD线阵列元件作为探测器， 在瞬间同时 得到垂直于航线的一条图像线，无须摆动扫描镜。以推扫方式获取沿轨道的连续图像线。其 反射镜左右倾斜27度，有立体观测能力。 2、SPOT卫星特点： SPOT卫星上装载有2台HRV， 每台视场都为60KM， 两者之间有3KM的重叠， 总视场为117KM。 相邻轨道间在赤道处约为108KM，垂直地面观测时，相邻轨道的影像约有9KM的重叠。 共观 测369圈（26天）实现对全球北纬81.3度和南纬81.3度之间的地表全覆盖。 3、HRV成像特点 （1）多光谱型的HRV： 地面上总的视场宽度为60km 三个谱段,每个波段探测器组由3000个CCD元件组成 每个元件形成的像元，相对地面上为20m×20m 波段1（0.50---0.59） 波段2（0.61---0.68） 波段3（0.79---0.89） （2）全色的HRV 波段范围0.51—0.73μm, 6000个CCD元件组成一行 每个像元地面的大小为10m×10m