1、1,遙感數(shù)字圖像處理,林金堂 閩江學(xué)院地理科學(xué)系,2,第二章 遙感數(shù)字圖像的獲取與存儲,3,第二章 遙感數(shù)字圖像的獲取與存儲,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化 2.2 常用遙感平臺及其傳感器特征 2.3 遙感圖像的類型 2.4 遙感數(shù)字圖像的級別和數(shù)據(jù)格式 2.5 數(shù)字圖像分辨率,4,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.1 遙感系統(tǒng) 2.1.2 傳感器 2.1.3 電磁波與傳感器 2.1.4 傳感器的分辨率,5,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.1 遙感系統(tǒng) 遙感是遙感信息的獲取、傳輸、處理，以及分析判讀和應(yīng)用的過程。遙感的實施依賴于遙感系統(tǒng)。 遙感系統(tǒng)是一個從地面到空中直至空間，從信

2、息收集、存貯、傳輸處理到分析判讀、應(yīng)用的技術(shù)體系，主要包括遙感試驗、信息獲取(傳感器、遙感平臺)、信息傳輸、信息處理、信息應(yīng)用等五部分。 在信息獲取部分，傳感器是核心，遙感平臺則是傳感器的載體。按照距離地表的高度從小到大的順序，遙感平臺有近地面、吊車、飛艇、飛機、衛(wèi)星等，最小的高度為數(shù)厘米，最大的高度可達數(shù)千公里。地球運動、平臺姿態(tài)的變化等影響著遙感平臺，進而影響著所獲取的圖像質(zhì)量。,6,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.1 遙感系統(tǒng),衛(wèi)星 傳感器,信息接收、處理,用戶制圖,實況調(diào)查,分析判斷,（1）目標(biāo)物,（2）信息的獲取,（3）信息接收,（4）信息處理,（5）信息應(yīng)用,7,2.1 遙

3、感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.2 傳感器 傳感器又稱為遙感器(Remote Sensor)，是收集和記錄電磁輻射能量信息的裝置，是信息獲取的核心部件，如航空攝影機、多光譜掃描儀、成像儀等。傳感器搭載在遙感平臺上，通過傳感器獲取遙感數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。 成像傳感器將接收的目標(biāo)電磁輻射信號轉(zhuǎn)換成(數(shù)字或模擬)圖像，是目前最常見的傳感器類型。按成像原理又可分為攝影成像和掃描成像兩類。 1.攝影成像 攝影方式的傳感器主要是攝影機，如框幅攝影機、縫隙攝影機、全景攝影機、多光譜攝影機等?；咎攸c是在快門打開后的一瞬間幾乎同時收集目標(biāo)上所有的反射光，聚焦到膠片上成為一幅影像，并記錄下來。攝影機的工作波段(最大波段

4、)是290nm-1400nm，即近紫外、可見光、近紅外短波段，所得像片信息量大，分辨力高。但是，航空攝影和航天攝影只能在晴朗的白天工作，它們不是全天時全天候遙感。 如果用數(shù)碼相機進行攝影，那么可以直接產(chǎn)生數(shù)字圖像。,8,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.2 傳感器 2.掃描成像 掃描方式的傳感器逐點逐行地收集信息。各點的信息按一定順序先后進入傳感器，經(jīng)一段時間后才能收集完一幅圖像的全部信息。按照掃描方式又可分為兩種:目標(biāo)面掃描傳感器和影像面掃描傳感器。 1)目標(biāo)面掃描的方式 目標(biāo)面掃描的方式包括光學(xué)-機械掃描儀、成像雷達等，其收集系統(tǒng)直接對目標(biāo)面(一般是地面)掃描，一點一行順序收集目標(biāo)面

5、上各單元(可看成一點)的信息，然后拼成一幅圖像。 2)影像面掃描的方式 影像面掃描的方式包括電視攝像機和固體掃描儀等。這類傳感器的收集系統(tǒng)不直接對地面掃描，而是先用光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)的輻射信息在靶面上聚焦形成一幅影像，然后利用攝像管中的電子束對靶面掃描來收集其數(shù)據(jù)，或依靠CCD (Charge Coupled Device，電荷禍合器件)組成的陣列進行電子掃描來獲得數(shù)據(jù)。,9,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.3 電磁波與傳感器 按電磁波在真空中波長或頻率的順序?qū)⒉ㄩL劃分成波段，每個波段為一個波長范圍。傳感器按照波段采集數(shù)據(jù)。 按使用的工作波段，可分為紫外、可見光、紅外、微波、多波段等傳感器

6、。紫外傳感器的探測波段在50-380nm之間;可見光傳感器的探測波段在380-760nm之間;紅外傳感器的探測波段在760-1.0*106nm之間;微波傳感器的探測波段在1.0*106nm-1.0*109nm之間;多波段傳感器使用的波段在可見光波段和紅外波段范圍內(nèi)，由若干個窄波段組成。,10,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （1）空間分辨率（Spatial Resolution） （2）光譜分辨率（Spectral Resolution） （3）輻射分辨率（Radiometric Resolution） （4）時間分辨率（Temporal Resolution）,傳

7、感器的分辨率有哪幾種？,11,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （1）空間分辨率（Spatial Resolution） 空間分辨率，又稱地面分辨率，前者是針對遙感器或者圖像而言的，指圖像上能夠詳細區(qū)分的最小單元的尺寸或大??；后者是針對地面而言的，指可以識別的最小地面距離或最小目標(biāo)物的大小，空間分辨率愈高，像素所代表的范圍愈小。兩者均反映對兩個非常靠近的物體的識別、區(qū)分能力。一般有三種表達方式： (1) 像素(Pixel)。指單個像元所對應(yīng)的地面面積的大小，單位為m或km。,12,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （1）空間分辨率（Spati

8、al Resolution） (2) 線對數(shù)(Line Pairs)。對于攝影成像系統(tǒng)而言，影像最小單元常通過1mm間隔內(nèi)包含的線對數(shù)確定，單位為對/mm。 (3) 瞬時視場(IFOV)。指遙感器內(nèi)單個探測元件的受光角度或觀測視野，單位為毫弧度(mrad)。 IFOV越小，最小可分辨單元(可分像素)越小，空間分辨率越高。 空間分辨率的大小，僅表明影像細節(jié)的可見程度，但真正的識別效果，還要考慮環(huán)境背景復(fù)雜性的影響。,13,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （1）空間分辨率（Spatial Resolution）,14,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的

9、分辨率 （1）空間分辨率（Spatial Resolution） 對掃描成像系統(tǒng)而言，像素即是掃描儀瞬時視場的大小；對于攝影成像的圖像來說，地面分辨率取決于膠片的分辨率和鏡頭的分辨率所構(gòu)成的系統(tǒng)分辨率，可用下式計算：,式中， 為地面分辨率，單位線對/m； 為攝影機距地面高度，單位m； 為系統(tǒng)分辨率，單位線對/mm； 為攝影機焦距，單位mm。,15,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （1）空間分辨率（Spatial Resolution）,空間分辨率（圖像的采樣）與圖像質(zhì)量的關(guān)系,265x180,133x90,66x45,33x22,問題：觀察上面四幅圖，總結(jié)空間分辨率

10、與圖像質(zhì)量的關(guān)系。,總結(jié)： 空間分辨率越高，圖像質(zhì)量越好；空間分辨率越低，圖像質(zhì)量越差，會出現(xiàn)棋盤模式。,16,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,不同空間分辨率的遙感影像,17,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,1m,10m,30m,80m,18,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,IRS,IKONOS,QUICKBIRD,19,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,20,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,21,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,22,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （2）光譜分辨率（Spectral Resolution） 光譜分辨率是指遙感器所選用的波段數(shù)量的多少

11、、各波段的波長位置及波長間隔的大小。即選擇的通道數(shù)、每個通道的中心波長、帶寬，這三個因素共同決定光譜分辨率。 一般來說，傳感器的波段越多，波段寬度越窄，所包含的信息量就越大，針對性就越強。 傳感器的波段選擇必須考慮目標(biāo)的光譜特征值，才能取得好效果 感測人體選擇8-12 m, 探測森林火災(zāi)應(yīng)選擇3-5 m,23,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （2）光譜分辨率（Spectral Resolution） 光譜分辨率：傳感器記錄的電磁波譜中，某一特定的波長范圍值。波長范圍越寬，光譜分辨率越低。,24,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （2）光譜分

12、辨率（Spectral Resolution）,分波段記錄的遙感圖像，可以構(gòu)成一個多維向量空間，空間的維數(shù)就是采用的波段數(shù)。例如，選用3個波段，構(gòu)成一個三維特征空間。圖像上的一個像元，在各波段上均有一個光譜數(shù)值 ， ， （i,j分別為該像元的行、列號）。,每個像元在各波段的圖像數(shù)據(jù)（亮度值）構(gòu)成一個多維向量，它們對應(yīng)于多維空間上的一個點，用 向量表示。,25,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,26,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,80波段圖像立方體,27,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,黑白和彩色攝影,高 光 譜,多 光 譜,10-2,10-1,28,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4

13、傳感器的分辨率 （3）輻射分辨率（Radiometric Resolution） 輻射分辨率指傳感器對光譜信號強弱的敏感程度、區(qū)分能力，即探測器的靈敏度傳感器探測元件在接收光譜信號時能分辨的最小輻射度差，或指對兩個不同輻射源的輻射量的分辨能力。一般用灰度的量化級數(shù)來表示，如6bit, 7bit, 8bit, 11bit, 一個6-bit 的傳感器可以記錄26級（ 64 ）的亮度值， 一個8-bit 的傳感器可以記錄28級（ 256 ）的亮度值， 一個12-bit 的傳感器可以記錄212級（4096）的亮度值,29,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （3）輻射分辨率（R

14、adiometric Resolution）,定標(biāo)（校準）是將傳感器所得的測量值變換為絕對亮度或變換為與地表反射率、表面溫度等物理量有關(guān)的相對值的處理過程。,輻射校正,30,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （3）輻射分辨率（Radiometric Resolution）,灰度分辨率（圖像的量化）與圖像質(zhì)量的關(guān)系,256灰度級,16灰度級,8灰度級,4灰度級,問題：觀察上面四幅圖，總結(jié)灰度分辨率與圖像質(zhì)量的關(guān)系。,總結(jié)： 灰度分辨率越高，圖像質(zhì)量越好；灰度分辨率越低，圖像質(zhì)量越差，會出現(xiàn)虛假輪廓。,31,1-bit 2 greys,31,輻射分辨率,2-bit 4 g

15、reys,3-bit 8 greys,4-bit 16 greys,6-bit 64 greys,8-bit 256 greys,32,32,Maximum brightness = 127,輻射亮度范圍,Maximum brightness = 255,33,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （4）時間分辨率（Temporal Resolution） 對同一目標(biāo)進行重復(fù)探測時，相鄰兩次探測的最小時間間隔（重訪周期） 短期：一天內(nèi)的變化，小時為單位突發(fā)性災(zāi)害監(jiān)測（地震、火山爆發(fā)、森林火災(zāi)）、污染源監(jiān)測； 中期：一年內(nèi)的變化，以天為單位探測作物季相規(guī)律，進行作物估產(chǎn)與動

16、態(tài)監(jiān)測、農(nóng)林牧等再生資源調(diào)查、旱澇災(zāi)害監(jiān)測、海洋動力學(xué)分析等； 長期：以年為單位湖泊消長、河道遷徙、海岸進退、城市擴展 LANDSAT：16 天；CBERS：26天；太陽同步氣象衛(wèi)星：0.5天,34,高時間分辨率,35,幾種衛(wèi)星圖像主要特征,36,37,MODIS的波段設(shè)置,38,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,39,幾種典型的高分辨率光學(xué)傳感器,40,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨率 （5）溫度分辨率 熱紅外傳感器分辨地表熱輻射（溫度）最小差異的能力，它與探測器的影響規(guī)律和傳感器系統(tǒng)內(nèi)的噪聲有直接關(guān)系。,41,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.4 傳感器的分辨

17、率,最大信息量,遙感系統(tǒng)的最大信息量由空間分辨率、輻射分辨率和波譜分率的大小決定。 若對同一地區(qū)重復(fù)覆蓋多次采集數(shù)據(jù),還要考慮其時間分辨率. 總之，要根據(jù)研究項目目的、任務(wù)和研究對象來選擇相應(yīng)的遙感資料和遙感信息，這是遙感地學(xué)分析的基本前提條件。,42,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.5 采樣與量化 數(shù)字化包括兩個過程：采樣和量化。 （1）采樣 將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點(即像素)的操作稱為采樣。采樣時，連續(xù)的圖像空間被劃分為網(wǎng)格，并對各個網(wǎng)格內(nèi)的輻射值進行測量。通過采樣，才能將連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換為離散的圖像，供計算機進行數(shù)字圖像處理。 網(wǎng)格大小影響著圖像表示地物的真實性。網(wǎng)格越小，圖

18、像越接近于真實。但采樣成本及后處理的成本也越高，圖像的存儲空間也越大。 由于圖像是二維分布的信息，所以采樣在X軸和Y軸兩個方向進行。一般情況下，兩個方向的采樣間隔相同。,43,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.5 采樣與量化 （2）量化 采樣后圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度值沒有改變。量化是將像素灰度值轉(zhuǎn)換成整數(shù)灰度級的過程。一般數(shù)字圖像灰度級取2的整數(shù)冪。設(shè)圖像數(shù)據(jù)為N列，M行，量化位數(shù)為g，則圖像所需的存儲空間為MNg / 8字節(jié)。量化級數(shù)越大，量化后的圖像越接近于“真實”，但圖像占用的存儲空間也越大。 一幅數(shù)字圖像為8位量化，意味著量化灰度級為256= 28，量化后的像素灰

19、度級取值范圍是0-255的整數(shù)。大于或等于8位量化的灰度圖像可以滿足一般的視覺效果要求。 量化后，圖像像素的原有灰度值轉(zhuǎn)換為灰度級。通常我們得到的都是量化后的遙感圖像，圖像中的像素值在沒有經(jīng)過處理之前往往被稱為數(shù)字值(DN值)、灰度級或亮度值。 常用的遙感圖像，隨傳感器不同具有不同的量化位數(shù)。例如，ASTER圖像中，VNIR和SWIR傳感器為8位量化，TIR為12位量化。陸地衛(wèi)星和SPOT的傳感器為8位量化，IKONOS為11位量化，MODIS為12位量化。,44,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.5 采樣與量化 采樣影響著圖像細節(jié)的再現(xiàn)程度，網(wǎng)格越大，細節(jié)損失越多，圖像的棋盤化效果越明

20、顯（圖2.6）。量化影響著圖像細節(jié)的可分辨程度，量化位數(shù)越高，細節(jié)的可分辨程度越高;保持圖像大小不變，降低量化位數(shù)減少了灰度級會導(dǎo)致假的輪廓（圖2.7）。,45,2.1 遙感圖像的獲取和數(shù)字化,2.1.5 采樣與量化 采樣影響著圖像細節(jié)的再現(xiàn)程度，間隔越大，細節(jié)損失越多，圖像的棋盤化效果越明顯（圖2.6）。量化影響著圖像細節(jié)的可分辨程度，量化位數(shù)越高，細節(jié)的可分辨程度越高;保持圖像大小不變，降低量化位數(shù)減少了灰度級會導(dǎo)致假的輪廓（圖2.7）。,46,2.2 常用遙感平臺及其傳感器特征,Landsat MSS、TM、ETM+、 EO-1 ALI、Hyperion SPOT 5 HRG、HRS、V

21、EGETATION EOS/Terra MODIS、MISR、ASTER EOS/Aqua MODIS、AMSU、AMSR NOAA AVHRR QuickBird Ikonos,47,2.2 常用遙感平臺及其傳感器特征,48,2.3 遙感圖像的類型,根據(jù)傳感器選用的波長范圍不同，遙感圖像可以劃分為下面兩種類型: （1）不相干圖像 光學(xué)遙感所產(chǎn)生的圖像，通過自然光源或者通過非相干輻射源得到。包括多光譜圖像、高光譜圖像和高空間分辨率圖像。在該類圖像中，像素記錄的是各個相關(guān)物體發(fā)射的輻射能量之和。 1)多光譜圖像:也稱多波段圖像。在每個采樣位置包括多個波段的值。陸地資源衛(wèi)星的丁M傳感器獲取的圖像和

22、SPOT圖像都屬于多光譜圖像。 2)高光譜圖像:每個采樣位置具有幾十甚至幾百個波段，遠遠超出人眼的分辨能力，具有很高的地物識別能力，適合于進行地物的遙感反演研究。高光譜圖像的空間分辨率可能很低，例如MODIS圖像，空間分辨率為250-1000米;可能很高，例如歐洲空間局（ESA）的高分辨率成像光譜儀(GHRIS)，在模式1有62個波段，星下點的空間分辨率為34米，在模式5有34個波段，星下點的空間分辨率為17米。 光學(xué)遙感屬于被動遙感，圖像受大氣狀況影響很大，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用，特別是在多云多雨地區(qū)的應(yīng)用。 （2）相干圖像 微波遙感所產(chǎn)生的圖像。微波圖像屬于主動遙感，其穿透能力強，不

23、受天氣的影響，可以全天時全天候工作。,49,2.3 遙感圖像的類型,根據(jù)傳感器的空間分辨率不同，遙感圖像分為高空間分辨率圖像、中空間分辨率圖像、低空間分辨率圖像。 高空間分辨率圖像:空間分辨率小于10米。常用的傳感器有SPOT，快鳥和IKONOS等。這些傳感器往往具有較高的重訪周期(數(shù)天)，能夠反映明確的地物幾何信息，適用于對特定地區(qū)進行定點監(jiān)測，當(dāng)前主要應(yīng)用于數(shù)字城市和工程制圖。 中空間分辨率圖像:空間分辨率10-100米。例如ASTER，TM等。重訪周期為數(shù)周。具有較多的光譜信息，便于進行土地利用和土地覆蓋、資源、地表景觀等方面的研究。 低空間分辨率圖像:空間分辨率大于100米。例如NOA

24、A、 MODIS等。這些傳感器往往具有較高的重訪周期(數(shù)小時)，適用于進行大范圍的環(huán)境遙感監(jiān)測，例如洪水、火災(zāi)、云和沙塵暴等。,50,51,2.4 遙感數(shù)字圖像的級別和數(shù)據(jù)格式,2.4.1 數(shù)據(jù)級別 2.4.2 元數(shù)據(jù) 2.4.3 通用數(shù)據(jù)格式 2.4.4 特殊數(shù)據(jù)格式 2.4.5 圖像文件的坐標(biāo) 2.4.6 圖像文件的大小,52,2.4 遙感數(shù)字圖像的級別和數(shù)據(jù)格式,2.4.1 數(shù)據(jù)級別 根據(jù)中國科學(xué)院遙感衛(wèi)星地面站的資料，遙感圖像數(shù)據(jù)級別劃分如下: 0級產(chǎn)品:未經(jīng)過任何校正的原始圖像數(shù)據(jù)。 1級產(chǎn)品:經(jīng)過了初步輻射校正的圖像數(shù)據(jù)。 2級產(chǎn)品:經(jīng)過了系統(tǒng)級的幾何校正，即利用衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)等

25、參數(shù)、以及地面系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)對原始數(shù)據(jù)進行幾何校正。產(chǎn)品的幾何精度由這些參數(shù)和處理模型決定。 3級產(chǎn)品:經(jīng)過了幾何精校正，即利用地面控制點對圖像進行了校正，使之具有了更精確的地理坐標(biāo)信息。產(chǎn)品的幾何精度要求在亞像素量級上。 0-2級產(chǎn)品由圖像分發(fā)部門生產(chǎn)。3級產(chǎn)品可由圖像分發(fā)部門按照精度要求生產(chǎn)，但大多由用戶自己來生產(chǎn)。 對于一般的應(yīng)用來說，2級產(chǎn)品己能夠滿足用戶的需要。對于幾何位置要求較高的應(yīng)用，則必須使用幾何精校正后的3級產(chǎn)品。,53,2.4 遙感數(shù)字圖像的級別和數(shù)據(jù)格式,2.4.2 元數(shù)據(jù) 元數(shù)據(jù)是關(guān)于圖像數(shù)據(jù)特征的表述，是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)描述了與圖像獲取有關(guān)的參數(shù)和獲取后所進行

26、的后處理。例如，LANDSAT，SPOT等圖像的元數(shù)據(jù)中包括了圖像獲取的日期和時間、投影參數(shù)、幾何糾正精度、圖像分辨率、輻射校正參數(shù)等。 元數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)同時分發(fā)，或者嵌入到圖像文件中，或者是單獨的文件。在某些傳感器的圖像分發(fā)中，元數(shù)據(jù)又稱為頭文件(例如，早期的LANDSAT5的TM)。元數(shù)據(jù)文件多為文本格式(例如，LAN DSAT7的ETM、SPOT)，部分為二進制格式或隨機文件格式。,54,2.4 遙感數(shù)字圖像的級別和數(shù)據(jù)格式,2.4.3 通用數(shù)據(jù)格式 BSQ（Band SeQuential）：按照波段順序依次記錄各波段的圖像 BIP（Band Interleaved by Pixel）：每個像元按波段次序交叉排序 BIL（Band Interleaved by Line）：逐行按波段次序排列 其他常見圖像數(shù)據(jù)格式：JPG, BMP, TIFF, GIF, PCX, PSD, HDF, ,55,2.4 遙感數(shù)字圖像的級別和數(shù)據(jù)格式,2.4.3 通用數(shù)據(jù)格式,(1) BSQ格式（band sequential） 各波段的二維影像數(shù)據(jù)按波段順序排列。,5