第 2 章遥感数字图像的获取和存储遥感图像通过遥感平台上的传感器获取。不同遥感传感器具有不同的辐射、电磁波谱、时间、空间分辨力。成像原理不同产生的遥感图像不同。地面辐射通过传感器的采样和量化后转换为遥感图像的数字级别值存储为不同格式不同级别的数字图像文件供用户使用。2 . 1 遥感图像的获取2 . 1 . 1 遥 感 系 统遥感是通过非接触传感器获取测量对象信息的过程是信息的获取、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 储 、传输处理到分析判读、应用的技术体系主要包括遥感试验、信 息 获 取 传 感 器 、遥感平台、信息传输、信息处理、信息应用等五部分图 2.1。在数据获取部分传感器是核心遥感平台是传感器的载体。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 、卫星等最小高度为数厘米最大高度可达数千千米。地球运动、平台姿态的变化等影响着遥感平台进而影响图像的质量。2 . 1 . 2 传感器类型传感器又称为遥感器remote sensor, 是收集和记录电磁辐射能量信息的装置也是信息获取的核心部件包括航空摄影机、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据。典型传感器和遥感平台的特征见所附资料中的文件“常用遥感平台和传感器.pdf”。按工作方式是否具有人工辐射源遥感的传感器类型可分为被动方式和主动方式两类遥感相应的也分为被动遥感和主动遥感。被动遥感以太阳辐射和地物自然辐射为辐射源其工作波段集中在电磁波的可见光和红外区。主动遥感则相反通过人工辐射源主动向目标发射强电磁波然后传感器接收目标反射的回波如各种形式的雷达其工作波段集中在微波区。根据数据记录方式传感器类型可分为成像方式和非成像方式两大类。非成像传感器记录物理参数不产生图像如可见光-近红外辐射计、热红外辐射计、微波辐射计、微波高度计、微波散射计等。成像传感器把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。成像传感器按成像原理分为摄影成像和扫描成像两类成像结果即遥感图像。1 . 摄影成像摄影成像方式的传感器主要是摄影机包括框幅摄影机、缝隙摄影机、全景摄影机、多光谱摄影机等在快门打开后几乎瞬间同时接收目标的电磁波能量聚焦后记录下来成为一幅影像。常用的数码照相机就是摄影成像。摄影机是历史最悠久的传感器从 1839年发明摄影机起直到今天仍在使用。摄影机的工作波段可从290〜 1400nm,即近紫外、可见光、近红外短波段它获取的图像信息量大分辨力高。但是航空摄影和航天摄影往往在晴朗的白天工作不能进行全天时全天候遥感。最初的摄影成像方式与传统的照相机成像方式相同。根据光照下卤化银发生分解的原理 将卤化银均匀地涂布在片基上制成感光胶片。摄影时通过镜头将地物反射或发射的电磁波聚焦成像在感光胶片上曝光形成潜像经显影和定影处理后产生图像即照片。以黑白摄影为例其黑白程度由胶片上卤化银聚集密度决定密度越大图像越黑密度越小图像越白。黑和白的强度与地物反射或发射电磁波强弱有密切关系而且其变化是逐渐过渡的。通过这种方式形成的图像是模拟图像经扫描数字化后才能产生数字图像。用数码照相机进行拍照摄影可直接产生数字图像。2 . 扫描成像扫描成像方式是传感器逐点逐行地收集信息地表各点的信息按一定顺序先后进入传感器 经过一段时间后才能生成一幅图像。传感器按照扫描方式分为两种 目标面扫描传感器和影像面扫描传感器。1目标面扫描方式目标面扫描方式包括光学-机械扫描仪、成像雷达等其收集系统直接对目标物扫描一次一行顺序收集目标的信息然后拼成一幅图像。光学-机械扫描仪和多光谱扫描仪通过平面反射镜的旋转或摆动对地面作舷向扫描在垂直于飞行方向的直线上扫描获得地面舷向条带信息图像列随着飞行器向前飞行产生航向扫描在飞行方向上扫描图像行。通过这两个方向的扫描得到沿航向延伸的、在舷向上有一定宽度的地面条带信息经过扫描仪内部处理后形成一幅反映地面条带的影像。美国陆地卫星Landsat上 的 MSS 多光谱扫描仪和 TM 专题制图仪就属于这一类。成像雷达是一种主动方式的扫描仪分为全景雷达和侧视雷达两种。全景雷达的主天线周而复始地旋转在圆形荧光屏上相应地显示出一幅圆形的图像。侧视雷达的天线不转固定后在矩形荧光屏或感光胶片上形成一个纵(航)向条带的图像。成像雷达中的侧视雷达由发射机向侧面发射一束窄脉冲地物反射的微波脉冲(又称回波)被接收机接收。由于地面各点到发射机/接收机的距离不同接收机收到的信号具有先后不同的次序而信号的强度与窄脉冲带内各种地物的特性、形状和坡向等有关。接收到的信号经处理后在阴极射线管上形成一条表示地物反射特征的图像线并记录在胶片上。遥感平台向前飞行时不断地向侧面发射窄脉冲在阴极射线管上便形成一条条的图像线胶片与遥感平台速度同步就得到了由强弱不同的回波信号表示的图像。记录在胶片上的雷达图像属于遥感模拟图像。雷达图像必须经过一系列的预处理后才能与地物相关联。2)影像面扫描方式影像面扫描方式包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聚焦在靶面上形成一幅影像然后利用摄像管中的电子束扫描靶面来收集数据或依靠电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)组成的阵列进行电子扫描来获得数据。固体扫描仪(CCD扫描仪)的成像是推扫式扫描成像线性阵的顺序取样提供舷向扫描平台的前进提供航向扫描这样可以得到整个航带的二维图像。这种设备省去了复杂的光学机 械 有超小型、速度快、功率损耗低、寿命长、简单可靠、动态范围宽的特点。法国的地球 观 测 实 验 卫 星 S P O T 上 装 载 的 高 分 辨 力 可 见 光 扫 描 仪 (high resolution visible range instrument, HRV)就是一种线阵列推扫式CCD扫描仪。总体上看扫描成像是扫描类遥感传感器逐点逐行地以时序方式获取二维图像当胶片曝光时数据被记录下来形成模拟图像。如果要求记录的信号为数字形式则必须通过模/数变换将视频信号数字化然后对连续的模拟信号进行采样、量化和编码产生离散的数字信号形成遥感数字图像保存在存储设备中。成像光谱仪是目前国际上迅速发展的一种新型传感器可以获得多路、连续的光谱图像信息。通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起可以同时获取区域内数十到数百波段的地物光谱图像。成 像 光 谱 仪 的 构 造 与 C C D 线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同区别仅在于前者通道数多、波段宽度窄(数纳米或数十纳米)。2 . 1 . 3 电 磁 波 谱 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。波长是绝对的波段是相对的。不同传感器中的相同波段编号对应 的波长不一定相同。按使用的工作波段可将传感器分为紫外、可见光、红 外 、微波 、多波段等类型。紫外传 感 器 的 探 测 波 长 为 50〜 380nm可 见 光 传 感 器 的 探 测 波 长 为 380〜 760nm红外传感器的探 测 波 长 为 760〜 1.0X I(/nm 微波传感器 的 探 测 波 长 为1.0X U 〜 ] o x ⑹ 诋 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(图2 . 2 , 表 2.1)。① CCD是一种半导体器件能够把光学信号转化为数字信号在图像领域广泛应用。CCD于 1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的 维 拉 • 波义耳(WillardS. Boyle)和 乔 治 • 史密斯(George E. Smith)发明这两位科学家在2 009年获得诺贝尔奖。遥感几乎使用了所有的电磁波谱图 2.3。遥感图像是在预定的波段波长上获得的。遥感工作的一个重要内容是通过选择波段或建立波段组合将特定的地物与其他地物分离开来。可见光和近红外光谱波段光学遥感常常用来增强或者分离特定的地物如植被和水域 。图 2 .4 是典型地物目标在可见光和近红外光谱间的反射率。在近红外波段水体的反射率 小 于 1 % ,而 绿 色 植 被 反 射 率 常 大 于4 0 % ,显 然 在此波段容易区分开水体和植被覆盖。清水与浑浊水在近红外波段的差异要大于在可见光波段的差异。随着波长增加新雪的反射率降低而干土的反射率增加。在很多情况下人们会对热红外波段的数据感兴趣因为热红外能够用来测量表面温度,而且能在夜间获取数据。微 波 数 据 有源和无源与某些水文变量如土壤含水量和降水量有很高的相关性。表 2.2列出了典型电磁波波段的主要用途。2 . 1 . 4 遥 感 传 感 器 的 分 辨 力在遥感应用中遥感传感器的分辨力指标是选择遥感图像数据的重要依据。传感器的分辨力指传感器区分自然特征相似或光谱特征相似的相邻地物的能力。高分辨力意味着区分能力强能够区分小的相邻地物。低分辨力意味着能够获取大范围的平均辐亮度 但地物对象及其边界较难辨认。对于给定的传感器当前很难做到各项分辨力指标均较高。工作中要根据具体的要求和传感器的分辨力特征综合应用一个或多个传感器图像才能解决问题。光学传感器所获取的图像中最重要的是辐射度量、波谱和几何特征。辐射度量特征决定了目标物的物理量通过光学系统后所发生的变化主要指标有灵敏度、动态范围、信噪比、噪声等。波谱特征包括能够测量的电磁波的波长范围、不同波段的中心波长、波段宽度等。几何特征是图像几何学特征的物理量包括视场角、瞬时视场等。遥感传感器分辨力指标有四个辐射分辨力、谱分辨力、空间分辨力和时间分辨力。1 . 辐射分辨力辐射分辨力是传感器区分所接收到的电磁波辐射强度差异的能力。高的辐射分辨力可以区分信号强度中的微小差异。辐射分辨力在可见光、近红外波段用噪声等效反射率表示在热红外波段用噪声等效温差、最小可探测温差和最小可分辨温差表示。在遥感图像中图像的量化位数可以看做是辐射分辨力的近似表述。例如M SS传感器图像的量化等级为6 位 T M 传感器图像的量化等级为8 位 产生的图像分别具有26和 28灰度级。2 . 谱分辨力严格地讲在电磁波谱中波 长 小 于 10nm 且 能 量 大 于 102e V 电磁波的粒子性明显称为能谱如 X 射线 。波 长 大 于 1m m 且 能 量 小 于 1 0 % V 电磁波的波动性明显称为波谱,如微波。波长和能量介于二者之间的电磁波称为光谱对光谱进行分析的方法则称为光谱分析法。谱分辨力是传感器记录的电磁波谱的波长范围和数量波长范围越窄波段数越多谱分辨力越高。根据谱分辨力的大小光学遥感图像可分为全色图像、多光谱图像和高光谱图像 。全色图像在可见光范围内仅有一个波段多光谱图像一般具有三到十个左右波段光谱范围覆盖紫外、可见光、近红外和红外范围高光谱图像具有数十到数百个波段光谱范围多在可见光和近红外范围。按照电磁波的波段范围遥感可分为三类图 2.5可见光-反射红外遥感简称为可见光遥感或光学遥感、热红外遥感和微波遥感。本书内容以可见光遥感为主部分知识可用于热红外遥感和微波遥感。对于光学遥感谱分辨力指光谱分辨力。传感器图像的波段名称用数字或字母来表示。例如在 L andsat7的 ETM数据中B1波 段 为 450~520nm 。在微波波长范围内1.5X IO8〜 3 9 X l8nm称 为 L 波段。不同遥感图像的相同波段编号并不意味着具有相同的波长范围。例如SPOTHRV的 B1波 段 与 Landsat7 ETM的 B 1 波段波长范围完全不同。波段数与传感器和遥感平台编号的含意不同。例如Landsat4表示的是遥感平台陆地资源卫星的第四颗卫星不 代 表 B 4 波段也不代表有4 个波段。即使是同一空间计划的不同卫星同一波段名称的波长范围也可能不同。因此了解卫星的传感器特征是非常重要的。多光谱扫描仪的波段数一般为5 个波 段 宽 度 约 为 100〜 200nm高光谱成像光谱仪的波段数可达到数十甚至数百个波 段 宽 度 为 5〜 10nm 0 一般来说传感器的波段数越多则波段宽度越窄地物越容易区分和识别。成像光谱仪图像对地表植被和岩石的化学成分分析具有重要意义因为高光谱遥感能提供丰富的光谱信息高的光谱分辨力有助于区分出那些具有诊断性光谱特征的地表物质。然而 对于特定的目标并非传感器波段越多、光谱分辨力越高效果就越好。工作中要根据第 2 章遥感数字图像的获取和存储目标的光谱特性和空间分布特性综合考虑。在某些情况下传感器的波段太多、分辨力太高,产生的图像数据量会太大反 而 “掩 盖 ”地物辐射特性不利于快速探测和识别地物所以要根据工作要求恰当地选择传感器的谱分辨力。曲线a 把太阳看做绝对温度为6000K的黑体并假定目标物的光谱反射率不依波长变化。曲 线b 把目标物看做绝对温度为300K的黑体。两 曲线都忽略了大气的影响。3 . 空间分辨力空间分 辨力是传感器能把两个目标物作为清晰的实体记录下来的两个目标物之间最小的距离它是表征图像分辨地面目标细节能力的指标。在遥感图像中是指能够详细区分的最小单元的尺寸或大小。空间分辨力通常用像素大小或视场角来表示。像 素 (pixel)是将地面信息空间离散化而形成的格网单元在遥感图像中像素为正方形,像素大小的单位为米反映了遥感传感器的空间分辨力的高低。遥感传感器的空间分辨力越高 产生图像的像素所代表的空间范围越小。视场角field of view, FOV是传感器的受光范围也叫做立体角它与摄影机的视角和扫描仪的扫描宽度含义相同。瞬时视场角IFOV是某一瞬间传感器对应的瞬时视场又称为传感器的角分辨率单位:毫弧度mrad, 它与遥感平台高度〃共同决定了地面分辨力尸 P2//tanIFOV/2空间分辨力也可用地面分辨力来表示。地面分辨力定义为像素所代表的地面实际大小。对于指定的IF O V ,传感器的地面分辨力是固定的值。地面分辨力、视场角和瞬时视场角的关系如图2.6所示。按 照 0.1mm/像素打印计算典型传感器图像的像素大小对应的比例尺如表2.3所示。根据传感器的空间分辨力不同遥感图像分为高空间分辨率图像、中空间分辨率图像、低空间分辨率图像图像实例见图2.7。高空间分辨率图像传 感 器 空 间 分 辨 力 小 于10m。常 用 的 传 感 器 有 SPOT的 H R G ,快鸟QuickBird和 IKONOS的全色传感器等。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 主要应用于数字城市和工程制图。中空间分辨率图像传 感 器 空 间 分 辨 力 10〜 1 0 0 m ,如 ASTER, T M 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。低空间分辨率图像传 感 器 空 间 分 辨 力 大 于1 0 0 m ,如 NOAA的 AVHRR, 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如洪水、火灾、云和沙尘暴等。遥 感 对 象 具 有 不 同 的 空 间 尺 度 在应用中需要采用传感器空间分辨力不同的遥感图像表 2.4。例如全球性的酸雨、温室效应、海面升降等主要利用静止气象卫星图像大河流域范围的水土流失、沙化和绿化、洪水灾情、林火等可兼用气象卫星和陆地卫星图像局部地区的如熊猫保护区、血吸虫寄主钉螺孳生地、工厂污染、海湾赤潮、地震灾情等可用卫星与航空遥感图像。