《遥感数字图像处理》课程笔记（二）：遥感传感器和遥感数据

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声明：本文参考课程《遥感数字图像处理》，授课教师：韦玉春。

遥感传感器

遥感

远距离、非接触的目标探测技术和方法。

遥感需要回答的问题

  • 有什么
  • 是什么（定性）
  • 有多少（定量）

传感器

一种检测装置，能将感受到的能量按一定的规则变换为电信号或数字，以满足传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

遥感器及其组成

用于遥感的传感器叫做遥感传感器，又叫遥感器。遥感器是远距离检测关于地物（地球表面）和环境（地球表面以上的大气）的电磁波能量的装置。

  • 收集器：收集来自地物目标镜、天线。像相机的镜头一样。是收集、量测和记录来自地面目标地物的电磁波信息的仪器，是遥感技术的核心部分。
  • 探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。DA转换器：模拟信号与数值信号之间转换。
  • 处理器：将探测后的化学能或电能等信号进行处理。将获得的电磁波转化成电磁信号或模拟信号并记录下来。
  • 输出：将获取的数据输出。

遥感器的分类

  • 按工作方式分：
    • 主动式遥感器：人工辐射源向目标物发射辐射能量，然后接收目标物反射回来的能量。如微波辐射计、激光雷达、侧视雷达。
    • 被动式遥感器：接收地物反射的太阳辐射或地物本身的热辐射能量，如航空摄影机、多光谱扫描仪（MSS、TM、ETM、HRV）、红外扫描仪等。
  • 按数据的记录方式分：
    • 非成像遥感器：记录信号，可以是波或者值。
    • 成像遥感器：记录矩阵，矩阵表达成图像。

成像方式

  • 摄影成像：工作波段为290-1400 nm；不是全天时全天候遥感；成像速度快。是数码相机的成像方式。
    • 航空摄影机：是空中对地面拍摄像片的仪器，它通过光学系统采用胶片或磁带记录地物的反射光谱能量。记录的波长范围以可见光-近红外为主。
  • 扫描成像：目标面扫描（包括光学-机械扫描仪、成像雷达等，是遥感器的成像方式）和影响面扫描（包括电视摄像机和固体扫描仪等）；成像速度慢（如扫描一景Landsat TM图像需要5 min）。
    • 光机扫描仪：用光学系统接收来自目标地物的辐射，并分成几个不同的光谱段，使用探测仪器把光信号转变为电信号，同时发射信号回地面，如MSS、TM等。它分为红外扫描仪和多光谱扫描仪。
    • 推帚式扫描仪：用平行排列的CCD探测杆收集地面辐射信息，每根探测杆由3000/6000个CCD元件呈一字排列，负责收集某一波段的地面辐射信息。

遥感器的分辨力（resolution）

是遥感器最重要的指标。resolution翻译成中文有两种含义，即分辨力和分辨率。分辨力针对遥感器（一种设备），绝对的值，有量纲；分辨率针对遥感数字图像，相对的值，无量纲。

  • 辐射分辨力
  • 谱分辨力
  • 空间分辨力
  • 时间分辨力

辐射分辨力

区分电磁波辐射强度差异的能力。用量化位数近似表述，如1位、2位、8位、10位、12位量化，量化位数越高，辐射分辨力越大。遥感器设计好了，辐射分辨力就确定了，不能人为修改。

辐射分辨力用来衡量连续数值和离散数值之间的差异。电磁波是连续的，而遥感图像是由离散的像素构成的，把连续数值转换为离散数值后，离散数值与原有的连续数值之间具有差异，这种差异用辐射分辨力衡量，辐射分辨力越大，差异越小。因此，8位量化的辐射分辨力区分的连续和离散差异小于2位量化。

课后查看：
常用遥感器的量化位数是多少？
Landsat TM与OLI的量化位数有差异吗？
可见光波段和近红外波段的量化位数有差异吗？这种差异说明了什么问题，具有什么意义？

谱分辨力

传感器记录的电磁波谱中特定的波长范围和数量。波长范围越窄，即波段数越多，谱分辨力越高。这里所说的谱分辨力，是光谱和波谱分辨力的统称。
区分概念：

  • 能谱
  • 光谱，针对可见光遥感。
  • 波谱，针对微波遥感或者一般意义上的电磁波遥感。
    根据遥感器的谱分辨力，遥感可分为：
    • multispectral & hyperspectral RS 多光谱&高光谱遥感
    • visible/near-IR RS 可见光/近红外遥感
    • shortwave-IR/middle-IR RS 短波红外/中红外遥感
    • thermal-IR RS 热红外遥感
    • microwave RS 微波遥感

不相干图像

光学遥感所产生的图像，通过自然光源或者非相干辐射源得到。这里的“干”指“干涉”。如：

  • 多光谱图像：如Landsat的TM图像，SPOT的HRV图像
  • 高光谱图像：环境1号卫星的高光谱图像

不相干图像产生于被动遥感（即光学遥感），光学受大气状况影响很大，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。图像较为平滑。

相干图像

微波遥感所产生的图像。

相干图像产生于主动遥感，不受天气的影响，可以全天时全天候获取。但图像噪声较多。

空间分辨力

能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，也就是图像像素所代表的地面尺寸。空间分辨力越高，像素所代表的地面尺寸越小，对地物的反映能力越大。同一个遥感器的空间分辨力是固定的。地理对象的空间尺度不同，需要采用空间分辨力不同的遥感器。

  • ultra-resolution commercial remote sensing imagery (< 10 m） 高空间分辨率图像，简称高分图像
  • fine-resolution … (< 100 m) 细空间分辨率
  • medium-resolution … (~ 1 km) 中空间分辨率
  • coarse-resolution … (~ 10 km) 粗空间分辨率

时间分辨力

对同一区域进行探测时，相邻两次探测的时间间隔。一般用“天”表达。

  • 超短（短）周期
  • 中周期
  • 长周期

区分概念：

  • 重复周期：相邻两次探测的范围完全覆盖同一个区域，叫做重复。较长。重复观测。
  • 重访周期：相邻两次探测的范围不完全重复，有交叉，叫做重访。较短。偏离角度（倾斜、正射或垂直）观测。

采样和量化

传感器 -> 采样 -> 量化 -> 数字图像 -> 地面站

采样

把连续的数据变换成离散数据的操作。

自然界的地物包含两部分信息：空间和空间上的值。

  • 空间采样：空间上的连续变成离散，即连续的地物成为离散的像素点。
    空间采样影响着图像细节的再现程度，采样间隔越大（遥感器的空间分辨力越低），细节损失越多，图像的棋盘化效果越明显。
  • 光谱采样：空间上的值的连续变成离散，即连续的电磁波谱成为离散的波段。
    由光谱响应函数把连续的光谱曲线转换为离散的光谱波段。
    光谱响应函数 (spectral response function, SRF)
    • 传感器中波段内的波长与光谱强度的关系。
    • 每个波段具有一个光谱响应函数，如10个波段具有10个光谱响应函数。
    • 影响着波段对波长范围内光谱特征的代表性。
      波段：波长范围。波段 波长范围：
      中心波长：

量化

将像素灰度值转换成整数灰度级的过程。因此，遥感图像的值是经过量化后的整数。
量化后，像素值是辐射值所在的编码区间的级数（常称为灰度级或数字DN）。量化级数与遥感器的辐射分辨力密切相关。

量化计算

原始x 量化后y
150 3
120 2
100 2
80 1
20 0

假设，x为地物波谱，y为量化后的值，计算y的步骤如下：

  • 原始数据[0,1]化：x1 = (x - xmin)/(xmax-xmin)
  • 转换为新的级别：y = ymin + (ymax - ymin)*x1 (0 <= x1 <= 1)
  • 取整：y = cint(y)

量化级数与量化位数

量化影响图像细节的可分辨程度，量化位数越高，量化级数就越大，细节的可分辨程度越高，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。若保持图像大小不变，降低量化位数，会减少灰度级，导致假的图像轮廓。

量化位数 量化级数
2 2^2 = 4
4 2^4 = 16
8 2^8 = 256
10 2^10 = 1024
12 2^12 = 4096

遥感器及其平台

  • 遥感器决定了像素大小、像素值、像素值的高低 （空间分辨力）
  • 遥感器平台的轨道决定了图像获得的时间 （时间分辨力）

遥感数据

遥感数据包括但不限于遥感数字图像。遥感数据 = 遥感数字图像 + 元数据 + 说明信息

数据级别

包含0、1、2和3级产品。之所以称之为“产品”，是因为遥感数据是经过质量控制的，可以作为科学观测数据。

  • Level 0 产品：未经过任何校正的原始图像数据。
  • Level 1 产品：经过了初步辐射校正的图像数据。
  • Level 2 产品：经过了系统级的几何校正。
  • Level 3 产品：经过了几何精校正。

元数据

对遥感数字图像数据的参数说明数据，包含：

  • 传感器类型
  • 数据级别
  • 文件头大小
  • 数据类型
  • 行数、列数、波段数

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。

数据格式

  • 通用格式：BSQ, BIL, BIP
  • 专用格式：与遥感器相关的格式(如dat, FST), HDF, GeoTIFF

BSQ (band sequential) 格式

按波段顺序记录。

BIL (band interleaved by line) 格式

波段顺序交叉排列。

BIP (band interleaved by Pixel) 格式

按像素顺序排列。

HDF格式

HDF（层次数据格式）是美国伊利诺大学的国家超级计算中心（NCSA）于1987年研制开发的一种软件和函数库。
优势：

  • 可移植性：独立于操作平台
  • 超文本
  • 自我描述性
  • 可扩展性

GeoTIFF格式

利用TIFF的可扩展性，在其基础上加入了一系列地理信息的标签（tag），以描述卫星成像系统、航空摄影、地图信息和DEM等。扩展名为.tif。
GeoTIFF格式描述地理信息条理清晰、结构严谨，且易于与其他遥感影像格式转换，应用广泛。
注：几何校正后的GeoTIFF数据是有密级的！

遥感数据的获取过程

连续的地物电磁波谱，被遥感器采样（空间采样变成图像，光谱采样变成波段）和量化后成为遥感数字图像（其像素值是一个量化级（整数）），遥感数字图像加上相关的说明（即元数据）构成了遥感数据。遥感数据有不同的级别和不同的存储格式，按需选择。
遥感数字图像是连续地物的能量的离散表达，像素值是地物能量的间接描述。

大爷，赏个铜板呗~