光机扫描成像原理

扫描成像原理~

扫描仪主要由光学成像部分、机械传动部分和转换电路部分组成，这几部分相互配合，将反映图像特征的光信号转换为计算机可接受的电信号。

光学成像部分是扫描仪的关键部分，也就是通常所说的镜组。扫描仪的核心是完成光电转换的光电转换部件，目前大多数扫描仪采用的光电转换部件是电荷藕合器件（CCD），它可以将照射在其上的光信号转换为对应的电信号。打开扫描仪的黑色上盖，可以看到里面有镜条和镜头组件及CCD。除核心的CCD外，其它主要部分有：光学成像部分的光源、光路和镜头。转换电路俗称机器主板，它负责完成一切电路的伺服工作，A/D转换工作，当然也包括镜组给它的数字信号的处理。机械传动部分包括步进电机、扫描头及导轨等，主要负责主板对步进电机发出指令带动皮带，使镜组按轨道移动完成扫描。

扫描仪工作时，首先由光源将光线照在欲输入的图稿上，产生表示图像特征的反射光（反射稿）或透射光（透射稿）。光学系统采集这些光线，将其聚焦在CCD上，由CCD将光信号转换为电信号，然后由电路部分对这些信号进行A/D转换及处理，产生对应的数字信号输送给计算机。当机械传动机构在控制电路的控制下，带动装有光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动，将图稿全部扫描一遍，一幅完整的图像就输入到计算机中去了。

如MICROTEK扫描仪内部光路构造示意图所示，扫反射稿时上灯管（下灯管熄灭）发光透过玻璃照到被扫物体上，反射的光线经过几个镜条的反射后形成光路，通过镜头聚焦后照射在CCD上。扫透射稿时下灯管（上灯管熄灭）发光透过玻璃和镜组遮光板照到被扫物体上（蓝色光路）。

(一)地面覆盖与图像重叠
如图3-37,光机扫描图像为以星下点轨迹为中心的连续扫描线组成的时序条带影像,所覆盖的地面称观测带,观测带的地面覆盖宽度称扫幅宽度(L),即扫描线长度。以覆盖轨道(如太阳同步轨道)运行的陆地卫星,在运行一定圈数后,观测带在一定纬度范围内,以一定的旁向重叠毗连成片,构成观测区,直至覆盖全球。完成一次全球覆盖所需的圈数(观测带数)称覆盖圈数,所需的天数称覆盖周期。
陆地卫星以185km扫幅宽度的观测带覆盖全球一次的飞行行径(相邻观测带的衔接方式)称覆盖模式。由图3-38,表3-1,Landsat1,2,3轨道周期为103.2分钟,此间地球自转25.8°,每天绕地球运行14圈,在赤道处同天的两相邻轨道间距为2875km,毗邻轨道观测带重叠14%,星下点轨迹相距159km,每2875km的同天相邻轨道间距需18个观测带充满,即覆盖周期为18天,覆盖圈数为251圈,相邻观测带为隔天毗连(图3-39)。Ladsnat 4,5相邻观测带隔7天毗连(图3-40)。相邻轨道观测带间的旁向重叠率随纬度不同而不同(图3-41,表3-5)。

图3-37 陆地卫星多波段扫描仪成像原理示意图


图3-38 Landsat 1,2,3图像的地面覆盖


图3-39 Landsat 1,2,3地面覆盖模式

同一观测带的地面覆盖由扫描镜的摆动与卫星的运行相配合而实现。如图3-37,MSS的扫描镜以15.2次/s的频率摆动,摆幅±2.89°,穿卫星运行轨迹进行扫描,扫描镜由西向东作有效扫描(图2-42,每次有6条扫描线同时扫过地面,每条扫描线地面宽度为79m,扫幅宽度185km,所以每次有效扫描覆盖地面面积为185km×474m,回扫时不收集信息。在73.42ms的扫描周期内,卫星以6.456km/s的速度前进474m,开始下一次有效扫描,完成同一观测带上连续地面覆盖。一幅185×185km2的MSS标准像幅影像由2340条扫描线组成,需进行390次有效扫描。

图3-40 Landsat 4,5地面覆盖模式


图3-41 陆地卫星1,2,3的旁向重叠

表3-5 陆地卫星的旁向重叠率(%)



图3-42 MSS同一观测带的地面覆盖


图3-43 TM的扫描行校正

TM的观测带地面覆盖采用双向扫描。即扫描镜前扫和回扫均为有效扫描(图3-43),扫描镜摆动频率降为7次/s,增加了探测器对地面的驻留时间,提高了辐射测量精度。每次扫描,TM1-5和TM7为16条扫描线,线宽30m,覆盖地面面积为185km×480m,一幅185×185km2的标准像幅共有6166条扫描线。在同样的地面范围TM6为每次扫描4条扫描线,线宽120m,标准像幅TM6图像由1542条扫像线组成。
(二)瞬时视场与图像像元
1.瞬时视场、地面分辨率与比例尺
由图3-37,MSS扫描镜每次有效扫描,474m宽的地面信息投射到成像板六个不同的单元上,相当于6条79m宽的扫描线,每条扫描线对应有四个波段的探测器单元,产生MSS4,5,6,7四个波段影像,成像板共有24个探测器单元(若有MSS8则增加2个热红外探测器单元,共有26个),同时形成24个影像。每个探测器单元对应的地面面积,为每根光导纤维70.9×70.9μm2的截面积对应的地面面积,即瞬时视场79×79m2,这也就是MSS影像的地面分辨率(MSS8为240×240m2)。
TM则同时形成10个影像,即成像板由10个探测器单元组成,每次扫描的16条扫描线,每条有TM1-5,7六个波段,需96个探测器单元,瞬时视场为30×30m2;另有TM6的4条扫描线,需4个热红外探测器单元,瞬时视场为120×120m2。

图3-44 光机扫描图像地面分辨率


图3-45 光机扫描图像比例尺示意图

光机扫描遥感器的瞬时视场,实际是扫描镜在某一位置时,反射到探测器单元上的那一束光线的立体角(称瞬时视场角)所包含的地面面积。一台光机扫描遥感器的瞬时视场角是固定的,但瞬时视场的大小则取决于平台高度和扫描度的大小,如图3-44,若设D纵、D横分别为沿航向和扫描方向瞬时视场的长度,则:D纵=H·β·secθ/2;D横=H·β·ec2θ/2;H为平台高度,β为瞬时视场角,θ/2为半扫描角。可见,同一条扫描线上地面分辨率随像点的位置不同而变化,在像底点处(θ=0)最高,且D纵=D横=D0,其它位置的地面分辨率由中间向两侧对称地降低,且D纵≠D横。同一条带影像,纵、横向比例尺不一致,横向扫描线上比例尺也不一致,但纵向比例尺是一致的(图3-45)。这是在扫描覆盖时,为保证中间部分各扫描线正好衔接,造成从中间向两侧重叠部分逐渐增加。而横向比例尺,除中间与纵向比例尺相等外,随扫描角的变化,向两侧将逐渐缩小。纵、横向比例尺的不一致是光机扫描图像影像畸变的主要原因。
2.像元的形成与图像数字化
光机扫描图像的影像由象元组成。如MSS,以79×79m2的瞬时视场在扫描线上连续移动,瞬时视场中地物反射的辐射量随着扫描而连续变化,这一连续变化的辐射量被探测器单元接收并转换为连续变化的电信号,电信号为模拟信号,对其按一定的规则间隔取样和量化,便形成影像的基本单元-像元及数字数据(DN值)。数字数据的每个数值(DN值)相当于一个亮度或灰度等级,一般DN=2n,n=6,7,8。由图3-46,MSS的地面扫描速度为5.612m/μs,取样周期为9.958μs,即每次取样,瞬时视场由西向东移动5.612m/s×9.958μs=56m(实际工作中取57m),即取样间距为57m,相当于在还未完全通过前一个瞬时机场的地面覆盖时,便开始了第二次取样,取样时瞬时视场仍为79×79m2,显然,每次取样其数据包含了前一个瞬时视场东侧79×22m2的信息,而只有79×57m2面积的新信息,两次取样间有79×22m2的信息重叠。所以,MSS像元对应的地面面积为79×57m2,反映的却是79×79m2地面范围内地物的综合电磁辐射信息。因此,MSS4-7每条185km的扫描线由3240个像元组成。一个像元内若只有一种地物称为正像元,若有两种或两种以上地物则称混合像元(综合像元)。

图3-46 MSS像元的形成

(三)投影性质
光机扫描图像,每次有效扫描具有一个投影中心,为多中心投影,如一幅标准像幅MSS图像需要390次有效扫描,具有390个投影中心。多中心投影图像也存在地形起伏引起的像点位移,高于或低于基准面的地物影像沿扫描方向发生移动,位移量与航高、地物高差和扫描距离有关,相邻观测带的重叠影像可以构成立体像对。当成像高度很大,总扫描角又很小时,像点位移量很小,此时可以把光机扫描图像,如在轨道高度成像的MSS和TM图像,看做垂直投影。
(四)地球自转引起的图像歪斜畸变
如图34-7,轨道高度的MSS,扫描镜来回摆动,在两次有效扫描间隔中,卫星由北北东向南南西运行,地球自西向东自转,造成有效扫描依次向西扭移,图像发生歪斜,观测带影像东西两边呈以6条扫描线(474m)为阶高的阶梯状,标准像幅的原始MSS图像不是正方形,而是扭斜成有两条阶状边的平行四边形。例如,北京幅MSS影像的第2340条扫描线起点相对第1条扫描线起点西移了10km。因此,MSS等光机扫描图像一般都需进行去歪斜校正处理。

图3-47 地球自转引起的图像歪斜畸变

光机扫描成像系统一般在扫描仪的前方安装光学镜头，依靠机械传动装置式镜头摆动，形成对目标地物的逐点逐行扫描，入射的光束经过反射后，又汇成一束平行光投聚焦反射镜，是能量汇聚到探测原件上，原件将接受的电磁波能量转换成电信号，并最终转换成光能量，在胶片上形成影像。

线阵CCD+上位机软件，你是做扫描成像吗？

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