第一节遥感平台与传感器
3.1.1 遥感平台
遥感平台指放置遥感传感器的运载工具,是遥感中“遥”字的体现者。遥感平台按高度及载体的不同可分为地面平台、航空平台、航天平台三种。
(1)近地平台指遥感器搭载的遥感平台距离地面高度在800m以下,包括系留气球(500-800m)、50m至500m的牵引滑翔机和无线遥控飞机遥感、遥感铁塔(30m-400m)、遥感吊车(5-50m)、地面遥感测量车等遥感平台。
(2)航空平台指遥感器搭载的遥感平台为航空器。它包括距离地面高度小于1000米的航空摄影测量,2000~20000米中空飞机遥感、20000米以上的高空飞机遥感。
(3)航天平台,其遥感器搭载的遥感平台为航天器。其中:航天飞机和天空实验室轨道高度在240-350千米,军事侦察卫星在150~300km,陆地卫星或地球观测卫星轨道高度在700-900千米,其获取的地面图像的地面分辨率为1-80米不等,地球静止卫星的轨道高度在36000千米左右,其获取的卫星影象的地面分辨率偏低。
选择遥感平台的主要依据是遥感图像空间分辨率。一般说来,近地遥感地面分辨率高,但观测范围小;航空遥感地面分辨率中等,其观测范围较广。航天遥感地面分辨率低,但覆盖范围广。
3.1.2 卫星轨道
随着遥感技术的发展,各种地球资源卫星提供了越来越多的卫星遥感图像(简称卫星图象)。卫星图像有几个优点:宏观性好,成本低,周期性好。卫星运行轨道对卫星图象具有多种影响,有必要加以了解。根据开普勒定律,人造地球卫星在空间的位置可以用几个特定数据来确定,这些数据称为轨道参数。对地观测卫星轨道一般为椭圆形,轨道有6个参数:①
半长轴a,即卫星离地面的最大高度,它用来确定卫星轨道的大小;② 偏心率e,决定卫星轨道的形状;③ 轨道面倾角i,地球赤道平面与卫星轨道平面间的夹角;④
升交点赤经W,卫星轨道与地球赤道面有两个交点,卫星由南向北飞行时与地球赤道面的交点称为升交点,卫星由北向南飞行时与地球赤道面的交点称为降交点;⑤近地点角距w,升交点向径与轨道近地点向径之间的夹角;⑥卫星过近地点的时刻T,对于卫星的跟踪和预报来说,上述参数中最重要的轨道参数是轨道倾角ī和升交点赤径Ω,它们确定了卫星的轨道相对于地球的方位,但还必须知道椭圆轨道半长轴的方向。
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3.1.3 遥感平台与遥感影像的关系
1.遥感平台与遥感影像的关系主要表现在以下方面:
(1)平台的运行高度影响着遥感影像的空间分辨率。
(2) 获取同一地区影像的周期称为遥感影像的时间分辨率。平台的运行周期决定着遥感影像的时间分辨率。
(3)平台的运行时刻(或卫星星下点的地方时)决定着探测区域的太阳高度,从而间接决定着遥感影像的色调及阴影。
(4)平台运行稳定状况决定着所获取遥感影像的质量。
(5)特殊的遥感任务对遥感平台有特殊的要求。
2.平台轨道面倾角与覆盖范围
一般遥感卫星i约为90°,为近极轨卫星。轨道面倾角的大小决定了卫星可能飞越地面的覆盖范围,例如Landsat的轨道面倾角为99°,地面覆盖范围为81°S~81°N(南纬81°到北纬81°)。
3.平台轨道与对地观测时间
遥感卫星通常都采用太阳同步轨道。所谓太阳同步轨道指卫星轨道面与太阳地球连线之间的夹角不随地球绕太阳公转而改变。太阳同步轨道可以使卫星通过任意纬度的平均地方时保持不变。从而使卫星能够在太阳光照角基本相同的条件下对地观测,这样给遥感资料的处理带来很大的方便,比如能够方便遥感图象的色调对比等。
3.1.4 传感器的一般组成与特征
传感器(Sensor)一般由采集单元、分光单元、探测与信号转化单元、记录或通信单元组成。
1.收集器:负责收集地面目标辐射的电磁波能量。具体元件多样,如透镜、反射镜、天线等。
2.探测器:将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能。如热敏探测元件、光电管、感光胶片等。
3.处理器:对转换后的信号进行各种处理,如信号放大、变换、校正、编码、显影、定影。
4.输出器:输出信息的装置。如磁带记录仪、阴极射线管等。
遥感器特性决定着遥感构像的特征。遥感器收集与记录地球表面观测目标的反射、辐射能量,遥感器的以下特性影响着遥感构像:
1.遥感器探测阵列单元的尺寸决定了遥感构像的空间分辨率。在使用扫描仪探测地面目标时,载着地物分布信息和属性信息的电磁波,通过大气层进入遥感器,遥感器内部的探测单元阵列对地物分布进行成像。此时的图像空间分辨率是指遥感器中探测阵列能把两个目标作为两个清晰的实体记录下来的两目标间的最小距离,它可以采用图像视觉清晰度来衡量。
2.遥感器探测元件的辐射灵敏度和有效量化级决定了遥感构像的辐射分辨率。辐射分辨率是指遥感器探测元件在接收电磁辐射信号时能分辨的最小辐射度差。探测分光后的电磁波并把它转换成电信号的元件称为探测元件,其作用是光电变换并在实现这种变换的过程中完成信息的传递。
3.在遥感器设计中,波谱分辨率设计必然要考虑的因素是:(1)使用多少波谱波段;(2) 如何确定所用波段在总光谱范围中的位置。(3)如何确定所用的各个波段的波谱带宽度;
上述三个问题,都与遥感器设计目的和制造遥感器的工艺技术水平有关。遥感器设计目的和制造遥感器的工艺技术水平(分光及滤光系统能力、探测器阵列和不同波段间配准)决定了遥感构像的波谱分辨率。波谱分辨率是指遥感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小,波谱分辨率愈高,反之则低。随着制造遥感器的工艺技术水平的进步,遥感器使用的波谱波段正在迅速增加。成像光谱仪在可见光-红外波段范围内,被分割成几百个窄波段,具有很高的光谱分辨率,从其近乎连续的光谱曲线上,可以分辨出不同物体光谱特征的微小差异,有利于识别更多的目标。对于高光谱遥感来说,不同波段之间的相关系数将随着波长间隔距离的增加而单调地减少。确定一个波段在总光谱范围中的位置,需要考虑使用该波段对地观测的特点,根据地物反射或辐射特性来选择最佳位置。如探测地物自身热辐射,应在8-12μm波长范围选择最佳位置,而探测森林火灾等则应在3-5μm波长范围选择最佳位置,才能取得好效果。此外,确定一个波段位置,还要考虑波段与波段之间的平衡分布,作为一个通用遥感器,还需要考虑与已有遥感器兼容。
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