第二章 遥感数字图像的获取和存储

遥感图像的获取

遥感：远距离、非接触的目标探测技术和方法

传感器

广义：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。

传感器组成

各部功能:
收集器:收集地物辐射来的电磁波;
探测系统:把收集过来的地物辐射
能转变成化学能或电能;
处理器:对收集的信号进行处理;
输出器:输出获取的数据。

传感器类型

传感器又称遥感器，是收集和记录电磁波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。

按工作方式是否具有人工辐射源:
●被动方式(主动遥感)
●主动方式(被动遥感)

根据数据记录方式:
●成像方式:把接收的目标电磁辐射信号转换成(数字或模拟)图像。按其成像原理分为摄影成像和扫描成像两类。
●非成像方式:记录物理参数，不产生图像，如可见光近红外辐射计、热红外辐射计等。

1、摄影成像
通过成像设备获取物体影像的技术，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。

◆最初的摄影成像与传统相机成像类似，依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。通过这种方式形成的图像是模拟图像，经过扫描数字化后产生数字图像。
◆用数码相机进行拍照摄影，直接产生数字图像。
◆特点:信息量大、分辨率高;只能在晴朗的白天工作，不能进行全天时、全天候遥感。

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。按照扫描方式可分为目标面扫描传感器和影像面扫描传感器。

（1）目标面扫描传感器.
收集系统直接对目标面扫描，一点一行顺序收集目标面上各单元的信息，然后拼成一幅图像。如多光谱扫描仪。landsat-8

（2）影像面扫描传感器
收集系统不直接对地面扫描，而是利用.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

3、电磁波谱与传感器
SPOT 没有蓝波段，只有绿红和近红外
高分一号有蓝绿红和近红外
链接: landsat-8 11个波段.
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。

红外：热岛效应，城市的反演（几十m）
可见光：空间分辨率较高（2、8、16m）
微波：预处理较多，受影响大

4、传感器的分辨率
传感器的分辨率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，是选择遥感图像数据的重要依据。

传感器的分辨率指标:

• 辐射分辨力
• 谱分辨力
• 空间分辨力
• 时间分辨力

高分2号0.28米

（1）辐射分辨力
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。

在遥感图像中，图像的量化位数可以看作是辐射分辨力的近似表示。例如，MSS传感器图像的量化等级为6，TM量化等级为8位。（量化位数越高越细腻）

（2）谱分辨率力
传感器记录的电磁波的波长范围和数量。波长范围越窄，波段数越多,谱分辨率越高。

根据谱分辨率的大小，光学图像可分为:
●全色图像
●多光谱图像
●高光谱图像

wavelenth:中心波长
FWHM:波段宽度

由图可见，具有窄波段吸收特征的水铝矿
在4~16nm光谱分辨率下明显反映出双吸收峰
(反射低谷)特征。高光谱数据的光谱分辨率
比宽波段遥感高数十倍(<10nm)。在宽波段
遥感图像_上无法反映的具有诊断性光谱特征的
矿物，在高光谱图像上变得很容易识别。这从
根本.上改变了从光学遥感图像上提取地质信息
的质量和数量。

谱分辨率高–意味着:
(1)区分具有微小波谱特征差异地物的能力强;
(2)数据量大，传输、处理难度大;
(3)各波段间数据的相关性大。
应服从应用目的一结合地物特征波谱选择能提供最大信息量的最佳波段和多波段组合.

（3）空间分辨力
遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，即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。

根据传感器的空间分辨率不同，遥感图像可分:
◆高空间分辨率图像:小于10米，较高重放周期，能够反映明确的地物信息，适用于特定地区定点观测，应用于数字城市和工程制图;高分1，哨兵，资源
◆中空间分辨率图像: 10-100米，具有较高的光谱信息，便于进行图例利用，土地覆盖等;landsat-8，中巴
◆低空间分辨率图像:大于100米，较高的重访周期，适用于大范围环境监测。风云 MODIS

（4）时间分辨力
为传感器对同一地区进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔。不同时间的遥感图像能够提供地物动态变化信息，可用来监测地物变化。

时间分辨力指标包括:
重复周期:又称为回归周期，是卫星图像再次覆盖完全相同的区域所经过的时间,也是卫星不经过测摆再次拍摄同一地点所经过的时间。它由飞行器的轨道高度，轨道倾角，运行周期，轨道间隔，偏移系数等决定。

重访周期:是卫星经过同一个星下点的时间间隔，指首次拍摄某地后依然能够利用传感器_上的测摆角拍摄到此地的影像所需要的时间间隔，即利用卫星的
测摆快速拍摄同一地点图像所需要的最短时间。

意义：
1.进行动态监测和预报
2.自然历史变迁和动力学分析
3.提高成像率和解像率，对历次获取的数据资料进行叠加分析，提高地物识别精度

5、采样和量化
通过成像方式获取的图像是连续的，无法直接进行计算处理。只有对这些数据(或模拟图像)进行数字化后，才能产生数字图像。

（1）采样:包括波谱采样和空间采样。
空间采样使得空间上连续的图像变换成离散点(即像素点)

波谱采样产生图像的波段和辐射强度，即像素值。

波谱响应函数(W) :又称为传感器响应函数，藐视了波段与连续波谱之间的关系。

（2）量化
量化是将像素灰度值转化成整数灰度级的过程，可用量化位数定量描述。量化位数越高，量化后图像的灰度级越多，细节越多，越接近于真实，但占用的存储空间越大。

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

遥感图像类型

1、不相干图像

不相干图像是光学传感器所产生的图像，通过自然光源或着通过非相干辐射源得到。

• 多光谱图像
• 高光谱图像
• 高空间分辨率图像

特点:
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应用，特别是多云多雨地区的遥感应用。

2、相干图像

相干图像指微波遥感图像

特点：微波遥感属于主动遥感，其穿透能力强，不受天气的影响，可进行全天时全天候工作。比较模糊，需要消除噪声

3、元数据

元数据是关于图像数字特征的表述，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进行的处理。例如，SPOT图像的元数据包括图像获取的日期和时间、投影参数、图像分辨率等。

元数据是重要的信息源。没有元数据，图像就没有利用价值。

元数据和图像数据同时分发，或者嵌入到图像文件中，或者单独的文件。在某些传感器的图像分发中，元数据又称为头文件。

遥感数字图像的级别和数据格式

遥感数字图像的级别

在遥感图像的生产过程中，根据用户的要求对原始图像数据进行不同的处理，从而构成了不同级别的数据产生。

0级产品:未经过任何校正的原始图像数据;

1级产品:经过初步辐射校正的图像数据;RTC校正

2级产品:经过了系统级的几何校正，即利用卫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，产生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校正，使之具有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。

拿到的高分一号数据是一级产品，提供了轨道信息

遥感数字图像的数据格式

在遥感图像数字图像数据主要是二进制的文件，保存在光盘、磁盘和磁带中。遥感图像包括多个波段，有多种存储格式，但基本的通用格式有三种，即BSQ, BIL, BIP。

（1）BSQ格式
像素按波段顺序依次排列的数据格式。即先按照波段顺序分块排列，在每个波段块内，再按照行列顺序排列。通一波段的像素保存在一个块中，着保证了像素空间位置的连续性。

（2）BIL格式
像素先以行为单位分块，在每个块内，按照波段顺序排列像素。同一行不同波段的数据保存在一个数据块中。像素的空间位置在列的方向.上是连续的。
.
（3）BIP格式
以像素为核心，同一像素不同不同波段数据保存在–起。每个块内为当前像素不同波段的像素值。该格式为图像数据波谱的存取提供最佳性能

遥感图像专用数据格式

1、陆地资源卫星L5的数据格式
2、层次数据格式(HDF)
HDF (层次数据格式)数据格式是美国伊利诺大学的国家超级计算应用中心(NCSA)于1987年研制开发的一.种软件和函数库。

优势:
1)独立于操作平台的可移植性
2)超文本;
3)自我描述性;
4)可扩展性。

3、GeoTIFF图像格式
GeoTIFF利用TIFF的可扩展性，在其基础上加了一系列标志地理信息的标签(Tag)，来描述卫星成像系统、航空摄影、地图信息和DEM等。

GeoTIFF描述地理信息条理清晰、结构严谨，且易于实现与其他遥感影像格式的转换，应用十分广泛。

图像的基本参数

像素坐标

像素坐标指像素在图像中的位置。对于任一波段图像，坐标总是从左上角像素开始。初始坐标为(0,0)或(1,1)，向右向下按整数递增。

经过几何纠正后，图像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。最小值在图像左下角，且不为0，向东向北递增，其间隔可以不是整数。

图像文件大小

遥感数字图像文件的大小(字节)按照下面的公式计算:
图像文件大小=图像行数X图像列数X每个像素的字节数X波段数X辅助参数

辅助参数一般为1. 像素值得字节数与存储有关，8位为1个字节。以8位量化产生的图像为例，每个像素值在1^ 255，占用一个字节，16位量化的值占用两个字节，以此类推计算。

图像分辨率

图像分辨率可用单位长度所表达或获取的像素数量来表示。像素多少是衡量图像信息量的标准。单位距离内图像的采样点(像素)越多，图像中包含的信息量就越大;图像的尺寸越大，像素就越多。

点的相关术语:

• 点(dot)
• 样本点(sample)
• 像素(pixel)
• 复合点(spot)
• 分辨率(res)