第三节扫描成像
光电成像类型的传感器与前面所讲的光学摄影类型的传感器差别很大。光学摄影类型的传感器是将收集到的地物反射光在感光胶片上直接曝光成像,而光电类型的传感器是将收集到的电磁波能量,通过仪器内的光敏或热敏元件(探测器)转变成电能后再记录下来。光电传感器比光学摄影机更加实用,其优点有二:一是扩大了探测的波段范围,二是便于数据的存贮与传输。
3.3.1 光学-机械扫描仪(Optical mechanical scanner)
光学一机械扫描(又称掸扫式扫描仪,Whiskbroom scanner)成像系统,一般在扫描仪的前方安装可转动的光学镜头,并依靠机械传动装置使镜头摆动,形成对地面目标的逐点逐行扫描。遥感器光谱分辨率依赖于不同分光器和探测元件,其辐射分辨率取决于探测元件的灵敏度。在光机扫描所获得的影像中,每条扫描带上影像宽度与图像地面分辨率分别受到总视场和瞬时视场的影响。总视场(FOV)是遥感器能够受光的范围,决定成像宽度。瞬时视场角(IFOV)决定了每个像元的视场。一般说来,瞬间视场角对应的地面分辨单元是一个正方形,该正方形是瞬间视场角对应的地表面积。严格说来,光机扫描中瞬间视场角对应的每个像元是个矩形。光机扫描成像时每一条扫描带都有一个投影中心,一幅图象由多条扫描带构成,因此遥感影像为多中心投影。每条扫描带上影像的几何特征服从中心投影规律,在航向上影像服从垂直投影规律。特点是能取得较宽的观测幅度,采光部分的视角小,波长间的位置偏差小,分辨率高;在信噪比方面较推帚式扫描仪。
3.3.2 推帚式扫描仪(Pushbroom scanner)
    推帚式扫描采用线列(或面阵)探测器作为敏感元件,线列探测器在垂直于飞行方向上做X向排列,当飞行器向前飞行完成Y向扫描时,线列探测器就向刷子扫地一样实现带状扫描,推帚式扫描由此而得名,线阵列传感器多使用电荷耦合器件CCD(charge coupled device)。与光学-机械扫描相比,推帚式扫描代表了更为先进的遥感器扫描方式。它具有感受波谱范围宽、元件接受光照时间长,无机械运动部件,系统可靠性高、噪声低、畸变小、体积小、重量轻、动耗小、寿命长等一系列优点。但由于使用了多个感光元件把光同时转换成电信号,因此当感光元件间存在灵敏度差时,往往会产生带状噪声。
3.3.3 成像光谱仪
成像光谱仪是遥感领域中的新型遥感器,它把可见光、红外波谱分割成几十个到几百个波段,每个波段都可以取得目标图像,同时对多个目标图像进行同名地物点取样,取样点的波谱特征值随着波段数愈多愈接近于连续波谱曲线。这种既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术称为成像光谱技术,按该原理制成的遥感器称为成像光谱仪,主要应用于高光谱航空遥感,在航天遥感领域高光谱也开始应用。
    1.面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪
利用线阵列探测器进行扫描,利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描,利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。特点:空间扫描由固体扫描完成(可见光-近红外,用CCD;短波红外用汞-镉-碲/CCD混合器件);像元的摄影时间长;系统的灵敏度和空间分辨率均可得到提高;在可见光波段,分辨率可提高到1-2nm量级,短波红外灵敏度低,热红外暂时不能感应;总视场角受限制。典型实例:加拿大的CASI。
2.线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪
掸扫式(whiskbroom)线阵列成像光谱仪,基本属于光-机扫描装置,利用点探测器收集光谱信息,经色散元件后分成不同的波段,分别在线阵列探测器的不同元件上;通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运动完成空间扫描,而利用线探测器完成光谱扫描。特点:空间扫描通过扫描镜摆动在景物方面完成,总视场角大(可达90度);像元配准好,不同波段在任何时候都同时凝视同一像元;光谱覆盖范围宽(从可见光直到热红外波段);适用于航空遥感,因为飞行时间足够慢,读出的时间仅是聚积辐射能量时间的一小部分;对像元摄像时间短,进一步提高光谱分辨率和辐射灵敏度较困难。典型实例:美国的AVIRIS。
3.主要的高光谱仪器
AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer)(0.4-2.5) (美国NASA JPL)(224个波段)
CASI(Compact Airborne Spectrographic Imager) (288个波段)(加拿大) EO-1 (Hyperion)(卫星)
HYDICE(Hyperspectral Digital Image Collection Experiment) (206波段)
HYMAP (128波段) (澳大利亚)
MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) (卫星)(36波段)