引言（7）H：遥感历史：陆卫…

原文地址：引言（7）H：遥感历史：陆卫多光谱扫描仪MSS 作者：zhuangqi

陆卫1-5号上主要使用的设备是多光谱扫描仪（MSS）。本小节详细介绍了MSS的设计、参数和运行模式。我们首先来看一看MSS扫描地表得到的信号是如何返回，以便在监视器（monitor）上显示或生成影像的。

 

MSS在陆卫1-5号上运行。虽然在本章前面的内容中已经回顾了扫描光谱辐射（spectroradiometric）传感器的基本知识，鉴于MSS在长达31年陆卫历史上的重要地位，本小节仍将讲述一些相关内容。下面是一张MSS的绘图，这具MSS是由位于加州圣巴巴拉的Hughes飞行公司（Hughes Aircraft Corp.）建造的。

 

下面是一个简化的MSS模型，显示MSS是如何扫描地面的：

MSS通过一具指向地面的望远镜（图中未显示）集光。扫描镜垂直于环地轨道摆动（oscillate）（一周期33毫秒（millisecond）），角度位移在±2.89度角范围内。在侧向（sideward /lateral）扫描时，扫描范围为11.56度（视场角Angular Field of View or AFOV），在轨道高度为917km（约570英里），其扫描宽度为185km（115英里）。同时飞船向前飞行（沿着轨道），耗时16毫秒，期间扫描镜侧向扫描，从轨道一侧到另一侧其位置平移了454米（1554英尺）。换而言之，这也就意味着在扫描镜侧向摆动的同时，飞行器也沿着轨道向前行进了454米。

 

扫描仪通过光学镜头组（train）采集地表（和大气）发射的光线，在镜头组中光束分裂（split /divided），通过4个带通滤波器（bandpass filter）后，生成四个波段的影像：MSS 4 = 0.5 - 0.6 µm（绿光），MSS 5 = 0.6 - 0.7 µm（红光），MSS 6 = 0.7 - 0.8 µm（红外波段）以及MSS 7 = 0.8 - 1.1 µm（近红外波段）。（MSS的编号从4开始是因为 编号1-3已经赋给RVB传感器了）。每个波段的辐射由光纤（fiber optic）传导到6个电子探测器。波段4-6使用光电倍增管（photomultiplier tube）作为探测器，波段7使用硅光电二极管（silicon photodiode）。通过滤波器的光到达6个电子探测器（4个波段有24个探测器），探测器将垂直航向（across-track）扫描分割为6条平行线，每条对应地面75米宽度（259英尺，因此6条线的宽度是1554英尺，这个数字前面已经提及）。扫描镜的移动速率（名义上（nominally）对地面扫描的速率沿着扫描线是6.8米/微秒）按轨道速度为26611km/小时（16,525 mph），在扫描镜回摆时，并未集光，下一次侧摆又生成新的垂直轨道的6条线（79×6= 474米），和前一组6条线保持连续。如下图所示：

请注意图中的扫描线并非垂直轨道，实质上是倾斜的。这是扫描仪相对于地面的有效路径（trace），因为扫描镜在侧向摆动的同时，飞行器仍在向前飞行，因此扫描仪在连续扫描过程中，其地面目标（以像元表述）与前一刻相比是稍微前移的。

 

也许读者会好奇，在上图中扫描镜回摆时为何没有采集数据（除了（other than）根据传感器内部的光源已知的辐射输出来校正（calibrate）外部反射率）。教材中关于MSS的内容往往忽视这个问题（conundrum）。这里有一个简单的解释：在扫描镜向前的摆动过程中（对于陆卫而言，其轨道是向南行进的，摆动是自西向东），生成6条线。反向摆动（回摆）没有数据。但可以看出回摆时图中第一条线和其他线一样向左移动。当下一轮摆动开始时，新生成的6条线中，第一条线刚好接着上一轮的第六条线。扫描情形如图所示，考虑到扫描速率，前一轮扫描六条线结束时，下一轮扫描线刚好跟上。

 

问题I-20: 在陆卫的打印或显示影像上，能清楚看到（stand out）扫描线。你能指出其中的技术原因吗？

答案：探测器本质是电子设备，当（同时）探测到相同数量的光子时，其反应是相似的。但是这些探测器并非完全相同。当扫描行扫描过相同的地物时（假定光谱的同质性），其反应会略有差别，引致影像在相邻扫描行间灰阶的可辨识的差异。这使得扫描行（译者注：线）可以辨识出来。有时某个探测器的反应也会与常规模式（normal mode）不同，存在波动，这条扫描行与相邻扫描行相比，整体颜色可能浅些，也可能深些。对影像进行计算机处理可以最大限度减少行间差异，妥善处理后的影像几乎识别不出单独的扫描行。（红色波段与蓝色波段的距离比红色波段与绿色波段距离更远。）

 

这个问题表明在陆卫影像中常可发现异常（anomalous）扫描线。通常显示为黑色（意味着没有接收到数据）。在这张陆卫5号影像上很常见（扫描仪定时（timing）故障导致的）。

自地物发出的入射光（光子）所释放的电子，其数量与到达探测器的光子成正比。这些电子形成连续的电流通过一个计数系统，该计数系统每隔9微秒便测量一次期间释放的电子数量（显示辐射强度）。在这么短的时间间隔内（称为驻留时间（dwell time））向前移动的扫描镜采集了侧边79米（259英尺）的辐射。探测器生成二维的瞬时视场（instantaneous field of view，简称IFOV，常表述为球面度（steradian），球面度表示（denote）以球心为顶点在球的表面切割等于球半径平方的面积所对应的的立体角（译者注：来自百度和维基百科）），在任何时刻都是0.087 mrad（毫弧度，或0.0573°）。陆卫轨道高度为917km时，设备的有效分辨率（effective resolving power）取决于前述地面79×79m²的像元尺寸。每个探测器会清除其电荷（charge），在扫描镜侧向摆动时由下一个IFOV的光子输入生成新的电子束。在扫描镜摆动时，扫描持续进行，沿着扫描线的全部IFOV像元也连续读入。电脑将连续的模拟信号（电压）转换成数字值，由卫星上的通讯系统发送（telemeter）无线电至地球。

 

IFOV的电子信号在每个波段的探测器上表示为数字值（DN，digital number，对于MSS而言其值从0-255（28））。该值与每个IFOV所有材料的反射系数平均值成正比。由于地面地物通常是不同材料的组合，不同的IFOV其DN也不同。每个IFOV表述为黑白影像中一个点，这个点也即本章前面提到的像元的灰阶是唯一的（uniform），灰阶与DN相对应。在陆卫MSS的波段影像中，由于采样速率（每隔9微秒）的影响，在连续的空间内，采样范围有一定程度的重叠（overlap），一个像元地面尺寸为79×57米（259×187英尺），但实际上其反射系数是79m²的反射系数。在下图中揭示了这一“特殊性”（peculiarity），还需要进一步解释。

设定的（designated）地面解析度（Ground Resolution Cell）尺寸对应于更宽的矩形（对MSS而言是正方形），这是由扫描仪的IFOV决定的。但由于采样间隔Δt是有限的，即不为零，前次采样、本次采样和下次采样的像元有叠合的部分（11.5米）。移除（通过重采样（resampling））重叠效应会形成新的解析度，代表实际的地面采样距离（Ground Sampled Distance ，简称GSD）。这样，对于陆卫MSS而言GRC是79×79米，而GSD是79×57米。每个GSD包含了在测量间隔来自GRC的所有辐射，再整合成DN。

 

垂直于轨道的一个完整的扫描线（（译者注：长度为）185公里），其平均像元数目为3240（185公里/0.057公里）。为了生成二维的正方形影像，其沿着轨道的长度也是185公里，对应的像元数目为2340（185 km/0.079km）。每个波段的影像的像元数目约为（可能变化）7581600（3240 x2340）——如果考虑到四个波段的话，其总量超过3千万，计算机要处理的数据量真不少。有时由于卫星倾向变动（方向变化或晃动（wobble），称为纵摇（pitch）、震荡（roll）以及偏离航线（yaw））以及仪器性能（performance）缘故，像元数目会有些微变化。

 

像元值的连续变化，可以驱动一个电子设备，产生不间断的强度变化的光束，规律地扫过胶片，生成黑白影像。影像上像元色调的差异与DN值成正比。另外，通过按顺序将DN存储为电子信号列，我们可以将不同波段在采样间隔获取的像元生成图像。我们还可以将其投射到电视屏幕上，得到不同量度的光敏感点（也称为像元）组成的图像。这些DN还可以进行数字处理，用于作为数据分析程序的输入（如第一章描述的景的分类），而非生成影像。

 

本小节没有涉及陆卫影像的外观。这将在下一小节讨论，不过其实陆卫影像在前言中已经展示过了。我们在这里对陆卫影像一般特点加以评述。具体见下图：

这幅影像是亚洲国家吉尔吉斯斯坦南部，四张影像组合（见第七章）成该场景。每幅影像对应于轨道上的卫星扫描带（swath）。注意影像是倾斜的（假设垂直向是正北）。为什么会倾斜的原因：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）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。

 

 

前头说过可以随意截取185km长的陆卫影像便是一景。但实质上并非采用这种切割方式。我们也可以生成长度更长（elongate），场景更为连续的影像。在生成平行四边形的一景影像时，通常影像顶端会有10%的面积和前一景影像（更北处）底部重叠，影像底部也会有10%和下一景影像顶端重叠。在左右两侧也有重叠，这就是所谓的侧向重叠（sidelap），重叠比例根据纬度变化，在赤道，侧向重叠幅度为7%（MSS）到14%（TM）；向极地重叠比例则增加，在高纬度，相邻影像的旁向重叠幅度高达80%以上。南北和东西方向的重叠使得边缘部分可以进行粗略（crude）的立体观察（stereo-viewing）。实际上这一立体像对功能甚少使用。