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1、遥感数字图像处理,第二章 遥感数字图像的获取与存储,第二章 遥感数字图像的获取与存储,2.1 遥感图像的获取和数字化2.2 常用遥感平台及其传感器特征2.3 遥感图像的类型2.4 遥感数字图像的级别和数据格式2.5 数字图像分辨率,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.1 遥感系统2.1.2 传感器2.1.3 电磁波与传感器2.1.4 传感器的分辨率,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.1 遥感系统 遥感是遥感信息的获取、传输、处理，以及分析判读和应用的过程。遥感的实施依赖于遥感系统。遥感系统是一个从地面到空中直至空间，从信息收集、存贮、传输处理到分析判读、应用的技术体系，主要包括遥感试
2、验、信息获取(传感器、遥感平台)、信息传输、信息处理、信息应用等五部分。在信息获取部分，传感器是核心，遥感平台则是传感器的载体。按照距离地表的高度从小到大的顺序，遥感平台有近地面、吊车、飞艇、飞机、卫星等，最小的高度为数厘米，最大的高度可达数千公里。地球运动、平台姿态的变化等影响着遥感平台，进而影响着所获取的图像质量。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.1 遥感系统,卫星传感器,信息接收、处理,用户制图,实况调查,分析判断,（1）目标物,（2）信息的获取,（3）信息接收,（4）信息处理,（5）信息应用,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.2 传感器 传感器又称为遥感器(Remote
3、Sensor)，是收集和记录电磁辐射能量信息的装置，是信息获取的核心部件，如航空摄影机、多光谱扫描仪、成像仪等。传感器搭载在遥感平台上，通过传感器获取遥感数字图像数据。成像传感器将接收的目标电磁辐射信号转换成(数字或模拟)图像，是目前最常见的传感器类型。按成像原理又可分为摄影成像和扫描成像两类。1.摄影成像 摄影方式的传感器主要是摄影机，如框幅摄影机、缝隙摄影机、全景摄影机、多光谱摄影机等。基本特点是在快门打开后的一瞬间几乎同时收集目标上所有的反射光，聚焦到胶片上成为一幅影像，并记录下来。摄影机的工作波段(最大波段)是290nm-1400nm，即近紫外、可见光、近红外短波段，所得像片信息量大，
4、分辨力高。但是，航空摄影和航天摄影只能在晴朗的白天工作，它们不是全天时全天候遥感。如果用数码相机进行摄影，那么可以直接产生数字图像。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.2 传感器 2.扫描成像 扫描方式的传感器逐点逐行地收集信息。各点的信息按一定顺序先后进入传感器，经一段时间后才能收集完一幅图像的全部信息。按照扫描方式又可分为两种:目标面扫描传感器和影像面扫描传感器。1)目标面扫描的方式 目标面扫描的方式包括光学-机械扫描仪、成像雷达等，其收集系统直接对目标面(一般是地面)扫描，一点一行顺序收集目标面上各单元(可看成一点)的信息，然后拼成一幅图像。2)影像面扫描的方式 影像面扫描的方式包
5、括电视摄像机和固体扫描仪等。这类传感器的收集系统不直接对地面扫描，而是先用光学系统将目标的辐射信息在靶面上聚焦形成一幅影像，然后利用摄像管中的电子束对靶面扫描来收集其数据，或依靠CCD(Charge Coupled Device，电荷祸合器件)组成的阵列进行电子扫描来获得数据。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.3 电磁波与传感器 按电磁波在真空中波长或频率的顺序将波长划分成波段，每个波段为一个波长范围。传感器按照波段采集数据。按使用的工作波段，可分为紫外、可见光、红外、微波、多波段等传感器。紫外传感器的探测波段在50-380nm之间;可见光传感器的探测波段在380-760nm之间;红外
6、传感器的探测波段在760-1.0*106nm之间;微波传感器的探测波段在1.0*106nm-1.0*109nm之间;多波段传感器使用的波段在可见光波段和红外波段范围内，由若干个窄波段组成。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（1）空间分辨率（Spatial Resolution）（2）光谱分辨率（Spectral Resolution）（3）辐射分辨率（Radiometric Resolution）（4）时间分辨率（Temporal Resolution）,传感器的分辨率有哪几种？,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（1）空间分辨率（Spatia
7、l Resolution）空间分辨率，又称地面分辨率，前者是针对遥感器或者图像而言的，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小；后者是针对地面而言的，指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小，空间分辨率愈高，像素所代表的范围愈小。两者均反映对两个非常靠近的物体的识别、区分能力。一般有三种表达方式：(1)像素(Pixel)。指单个像元所对应的地面面积的大小，单位为m或km。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（1）空间分辨率（Spatial Resolution）(2)线对数(Line Pairs)。对于摄影成像系统而言，影像最小单元常通过1mm间隔内包含的线对数确定
8、，单位为对/mm。(3)瞬时视场(IFOV)。指遥感器内单个探测元件的受光角度或观测视野，单位为毫弧度(mrad)。IFOV越小，最小可分辨单元(可分像素)越小，空间分辨率越高。空间分辨率的大小，仅表明影像细节的可见程度，但真正的识别效果，还要考虑环境背景复杂性的影响。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（1）空间分辨率（Spatial Resolution）,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（1）空间分辨率（Spatial Resolution）对扫描成像系统而言，像素即是扫描仪瞬时视场的大小；对于摄影成像的图像来说，地面分辨率取决于胶片的分
9、辨率和镜头的分辨率所构成的系统分辨率，可用下式计算：,式中，为地面分辨率，单位线对/m；为摄影机距地面高度，单位m；为系统分辨率，单位线对/mm；为摄影机焦距，单位mm。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（1）空间分辨率（Spatial Resolution）,空间分辨率（图像的采样）与图像质量的关系,265x180,133x90,66x45,33x22,问题：观察上面四幅图，总结空间分辨率与图像质量的关系。,总结：空间分辨率越高，图像质量越好；空间分辨率越低，图像质量越差，会出现棋盘模式。,2.1 遥感图像的获取和数字化,不同空间分辨率的遥感影像,2.1 遥感图像的
10、获取和数字化,1m,10m,30m,80m,2.1 遥感图像的获取和数字化,IRS,IKONOS,QUICKBIRD,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（2）光谱分辨率（Spectral Resolution）光谱分辨率是指遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的波长位置及波长间隔的大小。即选择的通道数、每个通道的中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。一般来说，传感器的波段越多，波段宽度越窄，所包含的信息量就越大，针对性就越强。传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，
11、才能取得好效果感测人体选择8-12 m,探测森林火灾应选择3-5 m,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（2）光谱分辨率（Spectral Resolution）光谱分辨率：传感器记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值。波长范围越宽，光谱分辨率越低。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（2）光谱分辨率（Spectral Resolution）,分波段记录的遥感图像，可以构成一个多维向量空间，空间的维数就是采用的波段数。例如，选用3个波段，构成一个三维特征空间。图像上的一个像元，在各波段上均有一个光谱数值，（i,j分别为该像元的行、列号）。,每个像
12、元在各波段的图像数据（亮度值）构成一个多维向量，它们对应于多维空间上的一个点，用 向量表示。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1 遥感图像的获取和数字化,80波段图像立方体,2.1 遥感图像的获取和数字化,黑白和彩色摄影,高 光 谱,多 光 谱,10-2,10-1,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（3）辐射分辨率（Radiometric Resolution）辐射分辨率指传感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力，即探测器的灵敏度传感器探测元件在接收光谱信号时能分辨的最小辐射度差，或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨能力。一般用灰度的量化级数来表示，如6bit,7bi
13、t,8bit,11bit,一个6-bit 的传感器可以记录26级（64）的亮度值，一个8-bit 的传感器可以记录28级（256）的亮度值，一个12-bit 的传感器可以记录212级（4096）的亮度值,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（3）辐射分辨率（Radiometric Resolution）,定标（校准）是将传感器所得的测量值变换为绝对亮度或变换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程。,辐射校正,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（3）辐射分辨率（Radiometric Resolution）,灰度分辨率（图像的量化）与
14、图像质量的关系,256灰度级,16灰度级,8灰度级,4灰度级,问题：观察上面四幅图，总结灰度分辨率与图像质量的关系。,总结：灰度分辨率越高，图像质量越好；灰度分辨率越低，图像质量越差，会出现虚假轮廓。,1-bit2 greys,31,辐射分辨率,2-bit4 greys,3-bit8 greys,4-bit16 greys,6-bit64 greys,8-bit256 greys,32,Maximum brightness=127,辐射亮度范围,Maximum brightness=255,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（4）时间分辨率（Temporal Resol
15、ution）对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的最小时间间隔（重访周期）短期：一天内的变化，小时为单位突发性灾害监测（地震、火山爆发、森林火灾）、污染源监测；中期：一年内的变化，以天为单位探测作物季相规律，进行作物估产与动态监测、农林牧等再生资源调查、旱涝灾害监测、海洋动力学分析等；长期：以年为单位湖泊消长、河道迁徙、海岸进退、城市扩展LANDSAT：16 天；CBERS：26天；太阳同步气象卫星：0.5天,高时间分辨率,几种卫星图像主要特征,MODIS的波段设置,2.1 遥感图像的获取和数字化,几种典型的高分辨率光学传感器,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率（5）
16、温度分辨率热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力，它与探测器的影响规律和传感器系统内的噪声有直接关系。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.4 传感器的分辨率,最大信息量,遥感系统的最大信息量由空间分辨率、辐射分辨率和波谱分率的大小决定。若对同一地区重复覆盖多次采集数据,还要考虑其时间分辨率.总之，要根据研究项目目的、任务和研究对象来选择相应的遥感资料和遥感信息，这是遥感地学分析的基本前提条件。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.5 采样与量化数字化包括两个过程：采样和量化。（1）采样 将空间上连续的图像变换成离散点(即像素)的操作称为采样。采样时，连续的图像空间被划分为网
17、格，并对各个网格内的辐射值进行测量。通过采样，才能将连续的图像转换为离散的图像，供计算机进行数字图像处理。网格大小影响着图像表示地物的真实性。网格越小，图像越接近于真实。但采样成本及后处理的成本也越高，图像的存储空间也越大。由于图像是二维分布的信息，所以采样在X轴和Y轴两个方向进行。一般情况下，两个方向的采样间隔相同。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.5 采样与量化（2）量化 采样后图像被分割成空间上离散的像素，但其灰度值没有改变。量化是将像素灰度值转换成整数灰度级的过程。一般数字图像灰度级取2的整数幂。设图像数据为N列，M行，量化位数为g，则图像所需的存储空间为MNg/8字节。量化级
18、数越大，量化后的图像越接近于“真实”，但图像占用的存储空间也越大。一幅数字图像为8位量化，意味着量化灰度级为256=28，量化后的像素灰度级取值范围是0-255的整数。大于或等于8位量化的灰度图像可以满足一般的视觉效果要求。量化后，图像像素的原有灰度值转换为灰度级。通常我们得到的都是量化后的遥感图像，图像中的像素值在没有经过处理之前往往被称为数字值(DN值)、灰度级或亮度值。常用的遥感图像，随传感器不同具有不同的量化位数。例如，ASTER图像中，VNIR和SWIR传感器为8位量化，TIR为12位量化。陆地卫星和SPOT的传感器为8位量化，IKONOS为11位量化，MODIS为12位量化。,2.
19、1 遥感图像的获取和数字化,2.1.5 采样与量化 采样影响着图像细节的再现程度，网格越大，细节损失越多，图像的棋盘化效果越明显（图2.6）。量化影响着图像细节的可分辨程度，量化位数越高，细节的可分辨程度越高;保持图像大小不变，降低量化位数减少了灰度级会导致假的轮廓（图2.7）。,2.1 遥感图像的获取和数字化,2.1.5 采样与量化 采样影响着图像细节的再现程度，间隔越大，细节损失越多，图像的棋盘化效果越明显（图2.6）。量化影响着图像细节的可分辨程度，量化位数越高，细节的可分辨程度越高;保持图像大小不变，降低量化位数减少了灰度级会导致假的轮廓（图2.7）。,2.2 常用遥感平台及其传感器特
20、征,LandsatMSS、TM、ETM+、EO-1ALI、HyperionSPOT 5HRG、HRS、VEGETATIONEOS/TerraMODIS、MISR、ASTEREOS/AquaMODIS、AMSU、AMSRNOAAAVHRRQuickBirdIkonos,2.2 常用遥感平台及其传感器特征,2.3 遥感图像的类型,根据传感器选用的波长范围不同，遥感图像可以划分为下面两种类型:（1）不相干图像 光学遥感所产生的图像，通过自然光源或者通过非相干辐射源得到。包括多光谱图像、高光谱图像和高空间分辨率图像。在该类图像中，像素记录的是各个相关物体发射的辐射能量之和。1)多光谱图像:也称多波段图
21、像。在每个采样位置包括多个波段的值。陆地资源卫星的丁M传感器获取的图像和SPOT图像都属于多光谱图像。2)高光谱图像:每个采样位置具有几十甚至几百个波段，远远超出人眼的分辨能力，具有很高的地物识别能力，适合于进行地物的遥感反演研究。高光谱图像的空间分辨率可能很低，例如MODIS图像，空间分辨率为250-1000米;可能很高，例如欧洲空间局（ESA）的高分辨率成像光谱仪(GHRIS)，在模式1有62个波段，星下点的空间分辨率为34米，在模式5有34个波段，星下点的空间分辨率为17米。光学遥感属于被动遥感，图像受大气状况影响很大，这在一定程度上限制了它的应用，特别是在多云多雨地区的应用。（2）相干
22、图像 微波遥感所产生的图像。微波图像属于主动遥感，其穿透能力强，不受天气的影响，可以全天时全天候工作。,2.3 遥感图像的类型,根据传感器的空间分辨率不同，遥感图像分为高空间分辨率图像、中空间分辨率图像、低空间分辨率图像。高空间分辨率图像:空间分辨率小于10米。常用的传感器有SPOT，快鸟和IKONOS等。这些传感器往往具有较高的重访周期(数天)，能够反映明确的地物几何信息，适用于对特定地区进行定点监测，当前主要应用于数字城市和工程制图。中空间分辨率图像:空间分辨率10-100米。例如ASTER，TM等。重访周期为数周。具有较多的光谱信息，便于进行土地利用和土地覆盖、资源、地表景观等方面的研究
23、。低空间分辨率图像:空间分辨率大于100米。例如NOAA、MODIS等。这些传感器往往具有较高的重访周期(数小时)，适用于进行大范围的环境遥感监测，例如洪水、火灾、云和沙尘暴等。,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.1 数据级别2.4.2 元数据2.4.3 通用数据格式2.4.4 特殊数据格式2.4.5 图像文件的坐标2.4.6 图像文件的大小,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.1 数据级别根据中国科学院遥感卫星地面站的资料，遥感图像数据级别划分如下:0级产品:未经过任何校正的原始图像数据。1级产品:经过了初步辐射校正的图像数据。2级产品:经过了系统级的几何校正，即利用卫
24、星的轨道和姿态等参数、以及地面系统中的有关参数对原始数据进行几何校正。产品的几何精度由这些参数和处理模型决定。3级产品:经过了几何精校正，即利用地面控制点对图像进行了校正，使之具有了更精确的地理坐标信息。产品的几何精度要求在亚像素量级上。0-2级产品由图像分发部门生产。3级产品可由图像分发部门按照精度要求生产，但大多由用户自己来生产。对于一般的应用来说，2级产品己能够满足用户的需要。对于几何位置要求较高的应用，则必须使用几何精校正后的3级产品。,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.2 元数据 元数据是关于图像数据特征的表述，是关于数据的数据。元数据描述了与图像获取有关的参数和获取后所
25、进行的后处理。例如，LANDSAT，SPOT等图像的元数据中包括了图像获取的日期和时间、投影参数、几何纠正精度、图像分辨率、辐射校正参数等。元数据与图像数据同时分发，或者嵌入到图像文件中，或者是单独的文件。在某些传感器的图像分发中，元数据又称为头文件(例如，早期的LANDSAT5的TM)。元数据文件多为文本格式(例如，LAN DSAT7的ETM、SPOT)，部分为二进制格式或随机文件格式。,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.3 通用数据格式BSQ（Band SeQuential）：按照波段顺序依次记录各波段的图像BIP（Band Interleaved by Pixel）：每个像元
26、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见图像数据格式：JPG,BMP,TIFF,GIF,PCX,PSD,HDF,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.3 通用数据格式,(1)BSQ格式（band sequential）各波段的二维影像数据按波段顺序排列。,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.3 通用数据格式,（2）BIL方式（band interleaved by line）对每一行中代表一个波段的光谱值进行排列，然后按波段顺序排列该行，最后对各行进行重复。,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.3 通用
27、数据格式,（3）BIP方式（band interleaved by pixel）在一行中，每个像元按光谱波段次序进行排列，然后对该行的全部像元进行这种波段次序排列，最后对各行进行重复。,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.4 特殊数据格式陆地资源卫星L5的数据格式层次数据格式HDF（Hierarchy Data Format）标记图像文件格式TIFF（Tag Image File Format）GeoTIFF（Geographically Registered Tagged Image File Format）格式,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.5 图像文件的坐标文件
28、坐标指像素在图像中的位置。对于任一波段的图像，左上角像素的坐标总是从0开始，向右向下按整数递增经过几何纠正后，图像文件坐标用地图坐标来表示，按照选用的投影和坐标系不同表示方法不同。以我国常用的高斯-克吕格投影为例，地图坐标使用直角坐标系表示，单位为米。最小值在左下角，且不为0，向东向北按照小数递增。,2.4 遥感数字图像的级别和数据格式,2.4.6 图像文件的大小图像文件的大小(字节)按照下面的公式计算:图像行数*图像列数*每个像素的字节数*波段数*辅助参数 其中，辅助参数一般为1。一些系统如ERDAS，在图像文件中加入了图像金字塔索引等信息，该值为1.4。每个像素的字节数与存储有关，8位数为1个字节。以8位量化产生的图像，每个像素值为0-255，占用一个字节。16位数占用两个字节，以此类推。,2.5 数字图像分辨率,见教材,思考题,常见的遥感平台与传感器，它们的参数。传感器的几种分辨率。遥感数字图像的级别。常见数据格式。,
