遥感概论翻译

2.3 空间分辨率、像元大小和比例尺

对于一些遥感仪器而言，成像目标与遥感平台之间的距离，在确定所获取信息和成像区域的细节方面有重要作用。传感器平台离目标较远时，只能大致捕捉到一片很大的区域，但是不能观察到其具体细节。就像宇航员在空间站上观察地球和我们在飞机上俯视地面一样，宇航员或许可以一眼认出某个省或者某个国家，但不能细分出地面上的建筑物；坐在飞机上跨过一座座城市，我们或许可以看到一座座建筑物和一辆辆小汽车，但看到的区域范围就比宇航员看到的小得多。这就类似于卫星遥感图像和航拍图像之间的对比。

一幅图像上的细节识别率取决于传感器

的空间分辨率和所能探测到的最小地物尺寸。

被动传感器的空间分辨率（稍后我们再讨论关

于主动微波传感器的特殊情况）首先取决于其

瞬时视场角（IFOV）的大小。瞬时视场角就是

传感器的角锥形可视范围（见左图中A），它

确定了在某一特定时刻从给定高度捕捉到的

地表区域（见左图中B）。观测区域的大小由

瞬时视场角和传感器离地高度（见左图中C）

的乘积来确定。这片区域叫分辨单元，传感器

的最大空间分辨率就由它来决定。对于同类地

物的探测，被探测地物的尺寸通常大于或等于分辨单元，否则可能探测不到，而记录下来的是该分辨单元中所有地物的平均亮度值。然而，如果较小地物的反射率在一个支持子像元或分辨单元探测的关节分辨单元占主导地位，那么它就有可能被探测到。

正如我们在第一章提到的，大多遥感图像是由其最小单元或像元组成的矩阵。图像像元一般是方形的，表示图像上的特定区域。区分像元大小和空间分辨率是一件重要的事情，它们是不可混淆的。如果一个传感器的空间分辨率是20米，那么它所显示的全分辨率图像中每个像元对应的地表面积是20m×20m。在这种情况下，空间分辨率和像元大小是相同的。然而，我们也可以得到像元大小和空间分辨率不同的图像。地球卫星遥感图像的很多海报在较大的区域用平均像元来表示，然而传感器的空间分辨率仍不变。

只能看到较大地物的图像被认为是粗糙的、低分辨率的。在细致的、高分辨率的图像中，我们可以探测到小型的地物。例如军用传感器，是专门用于观测尽可能多的小细节，因此其分辨率非常之高；商业卫星遥感图像的分辨率则从几米到几千米不等。一般而言，分辨率越高，探测区域的总面积就越少。

图像或地图上的一段距离与其对应的实际距离之比被称为比例尺。如果你有一张比例尺为1:100000的地图，那么地图上的1厘米就对应其实际长度100000厘米即1千米。图内长度与其对应实际长度之比较小的被称为小比例尺图（如

1:100000），较大的则被称为大比例尺图（如1:5000）。

在第一章中，我们了解到了光谱响应和光谱发射率曲线的相关知识，它们用于描述地物目标在各个波段的反射率和（或）发射率。为辨别一幅图像中不同类别的地物特征和细节，我们往往通过比较其在不同波长范围内的响应来实现。对于大类而言，例如对于水体和植被，我们通常可以使用很宽的波长范围（如可见光和近红外）来进行区分，这正如我们在第一章第五节所提及的。对于其他更具体的类别，如不同种类的岩石，用这些宽的波长范围可能就没那么容易区分了，而是需要更精细的波长范围才行。因此，我们需要一个具有较高光谱分辨率的传感器。光谱分辨率便是用于描述传感器对于波长间隔的分辨能力。光谱分辨率越高，特定频道或频段的波长范围就越窄。

黑白胶片记录的波长延伸过多，或是记录了所有的可见光部分，可见光谱的各波长不能被单独识别，整个可见光部分的反射率都被记录了下来，所以其光谱分辨率是相当糟糕的。而彩色胶片不仅对可见光部分的反射能量很敏感，还具有更好的光谱分辨率，可以单独识别蓝光、绿光、红光的反射能量。因此，彩色胶片可以根据地物在不同波段的反射率展示出五颜六色的地物。

许多遥感系统可以记录在不同光谱分辨率下的数个独立波段的能量，这些被称为多光谱传感器，下面将对其进行详细介绍。更先进的多光谱传感器叫高光谱传感器，可以探测在可见光、近红外、中红外波段中的数百个很窄的光谱波段。其极高的光谱分辨率使之能根据目标在各个窄波段中的光谱响应来辨别不同的地物目标。

像元排列描述了图像的空间结构，辐射特性表示了图像的实际信息。每当我们获取一张图像时，我们可以通过图像中对电磁能量的灵敏度来确定辐射分辨率。成像系统的辐射分辨率描述了其辨别极其细微的能量差异的能力。传感器的辐射分辨率越高，则它对细微能量差异的灵敏度越高。

图像数据是由0到2的某次幂之间的非负数来表示的。这个范围和用于二进制编码的比特（bit）位数是一样的，每个比特（bit）都对应2的指数（如1 bit = 2^1 = 2）。可用亮度值的最大值取决于用于表示所记录能量的比特位数。所以，如果一个传感器用8位来记录数据，那么可用数值为2^8 = 256个，取值范围从0到255。然而，如果只有4位，那么可用数值只有2^4 = 16个，取值范围从0到15。因此，辐射分辨率会更低。图像数据一般都会显示在灰色色调的范围内，0表示黑色，取值范围的最大值表示白色（例如在8-bit 数据中是255）。将一个2位和一个8位的图像进行比较，我们可以发现，细节识别程度会因为辐射分辨率的不同而产生很大的差异。

除了空间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率以外，时间分辨率的概念在遥感系统中也是很重要的。我们在第二章第二节讨论重访周期（即卫星在轨道上运行一周所需的时间）的时候就有提到过这个概念，卫星传感器的重访周期通常是几天。因而遥感系统的绝对时间分辨率，也就是卫星相邻两次以同一视角对同一区域拍摄之间的用时，等同于重访周期。然而，对于大多数卫星而言，由于相邻轨道的成像范围在一定程度上重叠且重叠部分会随着纬度增加而增加，地球上的一些区域往往会频繁地被重复拍摄。此外，一些卫星系统能够指定它们的传感器以1到5天的周期来拍摄同一区域。因此，传感器的绝对时间分辨率与多种因素有关，其中包括卫星/传感器的性能、成像区域的重叠情况和纬度。

采集地表同一区域不同时期的图像的能力是遥感数据应用最重要的要素之一。地物的光谱特性可能会随时间而改变，可以通过对多时相影像进行收集和对比来观测这些变化。例如，在植物的生长季节，大部分植物处于不断变化的状态，我们用遥感方法监测那些微妙变化的能力取决于我们采集图像的时间和频率。通过对不同时期的连续地层进行拍摄，无论是自然发生的（如自然植被或洪水的变化）还是人为造成的（如城市化发展和森林采伐）地表变化，我们都可以监测到。在下列情况中，时间因素对成像有重要影响：

·云持续在空中使得传感器的对地观测受限，常发生在热带地区

·灾害突发时需及时观测，如洪涝、浮油等等

·需要进行多时相对比，如监测上一年到下一年森林灾害的扩散情况

·一些地物的外观会随时间而变化，可以通过观测其变化情况来将之与其类似地物区分开来，如小麦和玉米。