第二章 遥感数字图像的获取和存储
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in the file contains a scan line (row) of data for one band, with successive bands recorded as successive lines Band
• BIP (Band Interleaved by Pixel)
36
11
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.3 电磁波与传感器
• 几乎所有的电磁光谱区域都已用于遥感； • 遥感数据是在预定的光谱波段（波长）上获得的。
反射
SWIR
红外
LWIR
紫外 雷达
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0
26
量化
• 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数位。
– LandSat SPOT 8位 – IKONOS 11位 – MODIS 12位
27
量化计算
量化前的 像素值 150 120 100 80 20 量化后的 灰度级 3 2 2 1 0
遥感数字图像处理
第2章 遥感数字图像的获取和存储
新疆农业大学 草业与环境科学学院
朱磊
2010-2011
1
第2章 遥感数字图像的获取与存储
一． 遥感图像的获取和数字化 二． 常用遥感平台及其传感器特征 三． 遥感图像的类型 四． 遥感数字图像的级别和数据类型 五． 数字图像分辨率
2
2.1 遥感图像的获取和数字化
P=2Htan(IFOV/2)
a’
b’
a
b
16
•
环境变化的空间尺度不同，需要采用空间分辨率不同的遥感图像
• 空间分辨率
– 影像分辨率 • 1mm宽度内能够分辨的黑白线对的数目（线对/毫 米）。 – 地面分辨率 • 影像上能够分辨的两个地物之间的最小距离，对于 特定的传感器，地面分辨率是不变的值。
17
图像发布部门生产 图像发布部门生产 用户自己生产 用户自己生产
34
2.4.2 元数据（meta data）
• 是关于图像数据特征的表述，是关于数据的数据。 • 元数据是重要的信息源，没有元数据，图像就没有 使用价值。 • 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。
35
2.4.3 通用数据格式
15
空间分辨率：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物之间的最小距离。
像素：
将地面信息离散化而形成的网格单元，空间分辨率越高，像素越小。
瞬时视场角： 传感器的瞬时视场，与遥感平台高度共同决定了地面的分辨单元（像
IFOV 素P的大小）。
超短(短)周期时间分辨率------小时为单位-----气象监测 中周期时间分辨率--------------天为单位--------植被动态监测 长周期时间分辨率--------------年为单位--------自然现象演化（LUCC）
July 2
July 18
August 3
16 days
Time
数字图像主要以二进制格式的文件保存。遥感图像包括多个波段，有多 种存储形式，但基本的通用格式有3种：
• BSQ (Band sequential) - each band contained
in a separate file Band
• BIL (Band interleaved by line) - each record
25
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
量化 • 将像素灰度值转换成整数灰度级的过程 • 量化后，图像的像元值是辐射值所在的编码区间 的级数（常称为灰度级） • 量化级数越大，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
8位量化 8位量化
灰度级为256=288 灰度级为256=2
灰度级范围为0~255整数 灰度级范围为0~255整数
2.3.1 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。
多光谱图像：每个采样位置包括多个波段的值 TM图像、SPOT图像 高光谱图像：每个采样位置具有数十甚至数百个波段，远超 出人眼的分辨能力，具有很高的地物识别能力。 MODIS图像
30
2.3 遥感图像的类型
2.3.2 相干图像
扫描线 地表条件 飞行方向
信息应用
单元采样面积
遥感系统
4
5
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.2 传感器 Remote sensor
相机：镜头---------------胶片---------显影、定影---相片 卫星：透镜和天线等---探测元件---信号处理-------图像记录
6
• 按数据的记录方式分 –非成像(记录物理参数，热红外辐射计、微波辐射计等) （将接受的目标电磁辐射先好转换成数字或模拟图像） –成像
通过成像方式获取的图像是连续的， 通过成像方式获取的图像是连续的， 经数字化后才能产生数字图像。 经数字化后才能产生数字图像。 量化 数字图像 地面站
传感器
采样
g(x,y)
I(x,y)=f(g(x,y))
I(x,y)
f:采样和量化函数
24
采样
• 将空间上连续的图像变换成离散点（即像素）的操作。 • 采样间隔：影响图像表示地物的真实性。间隔越小，图像 越接近真实，但采样成本及后处理的成本也越高，图像存 储所需要的空间也越大。
快鸟高分辨率图像
SPOT图像全色波段
•
中空间分辨率图像：
10－100米，如：ASTER, TM, ETM+等。
•
低空间分辨率图像：
大于100米，如：NOAA，MODIS等。 TM图像，南京玄武湖 NOAA图像 19
由于遥感制图是利用遥感图像来提取专 题制图信息的，因此在选择遥感图像空 间分辨率时要考虑以下两点要素：一是 判读目标的最小尺寸，二是地图成图比 例尺。
32
2.4 遥感数字图像的级别和数据格式
• 级别 –什么样的数据可以满足你的要求 • 格式 –哪些格式是通用的
33
2.4.1 数据级别 • 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。 • 3级产品：经过了几何精校正。
• BSQ（Band Sequential Format ） • 按波段顺序记录的数据格式
ENVI ENVI ER Mapper ER Mapper
先按照波段顺序分块排序，在每 个波段块内，再按照行列顺序排 列。同一波段的像素保存在一个 块中，保证了像素空间位置的连 续性。
37
• BIL（Band Interleaved by Line Format ） • 波段顺序交叉排列的数据格式
空间分辨率： 指像元所代表的地面范围的 大小，即能分辨地面物体的 最小单元。
空间分辨率：遥感图像上 空间分辨率：遥感图像上 的最小尺寸，用来表征图 的最小尺寸，用来表征图 像分辨地面目标细节能力 像分辨地面目标细节能力
18
按空间分辨率划分
• 高空间分辨率图像：
小于10米 ，常用传感器有SPOT，快鸟和IKONOS等。
微米
近红外 0.7-2 中红外 2-5 可见光 0.4-0.7 兰 0.4-0.5 绿 0.5-0.6
远红外 8-15
12
• 遥感是要通过选择波段将一个特定地物与其它的地物 分离开来
地物目标的反射率曲线
反 射 率 %
波长(微米)
13
不同光谱波段的遥感应用
光谱波段(nm) 蓝色(450~500) 绿色(500~600) 红色(600~700) 全色(500~750) 反射红外(750~900) 中红外(1.5×103~1.75×103) 远红外(2.0×103~2.35×103) 热红外(1.0×104~1.25×104) 微波—短波 (1.0×106~5.0×107) 微波—长波 (5.0×107~2.4×108) 健康植被 红色，叶绿素吸收的植被判别 制图，土地利用，立体相片 生物量，作物判别，土壤—作物，陆地— 水域的边界 植物，干旱，云，雪—冰的判别 地质学应用，岩石 相对温度，热流量，植被分类，含水量研 究，热惯量 积雪，雪深，植物含水量 融雪，土壤含水量，水域—陆地的边界； 14 穿透植被 应用 水，土地利用，植被特性，泥沙
空间分辨率
20
光谱分辨率：
•指传感器接收目标辐射的波 谱时能分辨的最小波长间隔。 •波长范围越窄，光谱分辨率 越高。波段数越多，光谱分辨 率越高，地物越容易被区分。 •不同的遥感图像，相同的波 段编号并不意味着具有相同的 波长范围。
21
时间分辨率：指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即重访周期。
• 摄影成像
– 快门打开后一瞬间同时收集 目标上所有反射信息 – 工作波段：290nm～1400nm – 不是全天时全天候遥感
• 扫描成像
– 目标面扫描的方式：包括光学 /机械扫描仪(MSS/TM)、成像 雷达等 – 影像面扫描的方式 ：包括电视 摄像机和固体扫描仪等
7
• 扫描成像
– 目标面扫描的方式：它是利用平台的行进和旋转扫描镜对与平台行进 的垂直方向的地面进行扫描，又称物面扫描系统。 – 包括光学/机械扫描仪(MSS/TM)、成像雷达等
• 微波遥感所产生的图像，穿透能力强，不受天气影响， 可以全天候全天时工作。
31
• 不相干图像与相干图像的区别
–不相干图像属于被动遥感，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。 –相干图像属于主动遥感，其穿透能力强，不受天气 的影响，可以全天时全天候工作。
11 days
July 1 July 12 July 23
利用时间分辨率信息还可以提 利用时间分辨率信息还可以提 高成像力和解像力，通过对多 高成像力和解像力，通过对多 期遥感图像进行叠加分析，可 期遥感图像进行叠加分析，可 August 3 以提高地物的识别精度。 22 以提高地物的识别精度。
辐射分辨率：
是指传感器区分反射或发射的电磁辐射强度差异的能力，可用量 化位数近似表述。 高辐射分辨率意味着可以区分信号强度的微小差异。
6-bit range
0
63
图像的量化位数 图像的量化位数
255
8-bit range
0
10-bit range
0
1023
23
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 采样和量化
像素先以行为单位进行分块，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。
38
• BIP（Band Interleaved by Pixel ） • 像素各波段数据保存在一起的数据格式
以像素为核心，像素的各个波段 数据保存在一起，打破了像素空 间位置的连续性。保持行的顺序 不变，在列的方向上按列分块， 每个块内为当前像素不同波段的 39 像素值。
8
• 扫描成像
– 影像面扫描的方式 ：包括电视摄像机和固体扫描仪(SPOT上的 HRV)等
9
10
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的变化顺序可以划分为若干波段，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。
2.1.1 遥感系统
遥感平台
遥感系统
传感器
遥感地面站
3
遥感系统：是一个从地面到空中乃至整个空间，从信息收集、存储、传输、 处理到分析、判读、应用的技术体系。
遥感器
遥感实验
遥感数据 回收传输
遥感平台 辐射条件
信息获取 信息传输 信息处理
总采样面积 图像/数据处理 (目标辩证过程 ) 检测 分辨 识别 瞬时视场 视 场 大气条件
• 量化位数：2 • 量化级数：2^2
0，1，2，3
1 原始数据0，1化 2 转换为新的级别 3 取整
X1=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin) (0<=X1<=1) X2=X1*(T-1) (T为量化级数) X3=Int(X2)
28
2.2 常用遥感平台及其传感器特征
29
2.3 遥感图像的类型
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 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； 高分辨率意味着区分能力强，能够区分小的相邻地物； 低分辨率意味着能够获取大范围的平均辐照度，地物对象及其边界较难辨认。 传感器分辨率指标 • 辐射分辨率 • 光谱分辨率 • 空间分辨率 • 时间分辨率
• BIP (Band Interleaved by Pixel)
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11
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.3 电磁波与传感器
• 几乎所有的电磁光谱区域都已用于遥感； • 遥感数据是在预定的光谱波段（波长）上获得的。
反射
SWIR
红外
LWIR
紫外 雷达
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0
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量化
• 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数位。
– LandSat SPOT 8位 – IKONOS 11位 – MODIS 12位
27
量化计算
量化前的 像素值 150 120 100 80 20 量化后的 灰度级 3 2 2 1 0
遥感数字图像处理
第2章 遥感数字图像的获取和存储
新疆农业大学 草业与环境科学学院
朱磊
2010-2011
1
第2章 遥感数字图像的获取与存储
一． 遥感图像的获取和数字化 二． 常用遥感平台及其传感器特征 三． 遥感图像的类型 四． 遥感数字图像的级别和数据类型 五． 数字图像分辨率
2
2.1 遥感图像的获取和数字化
P=2Htan(IFOV/2)
a’
b’
a
b
16
•
环境变化的空间尺度不同，需要采用空间分辨率不同的遥感图像
• 空间分辨率
– 影像分辨率 • 1mm宽度内能够分辨的黑白线对的数目（线对/毫 米）。 – 地面分辨率 • 影像上能够分辨的两个地物之间的最小距离，对于 特定的传感器，地面分辨率是不变的值。
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图像发布部门生产 图像发布部门生产 用户自己生产 用户自己生产
34
2.4.2 元数据（meta data）
• 是关于图像数据特征的表述，是关于数据的数据。 • 元数据是重要的信息源，没有元数据，图像就没有 使用价值。 • 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。
35
2.4.3 通用数据格式
15
空间分辨率：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物之间的最小距离。
像素：
将地面信息离散化而形成的网格单元，空间分辨率越高，像素越小。
瞬时视场角： 传感器的瞬时视场，与遥感平台高度共同决定了地面的分辨单元（像
IFOV 素P的大小）。
超短(短)周期时间分辨率------小时为单位-----气象监测 中周期时间分辨率--------------天为单位--------植被动态监测 长周期时间分辨率--------------年为单位--------自然现象演化（LUCC）
July 2
July 18
August 3
16 days
Time
数字图像主要以二进制格式的文件保存。遥感图像包括多个波段，有多 种存储形式，但基本的通用格式有3种：
• BSQ (Band sequential) - each band contained
in a separate file Band
• BIL (Band interleaved by line) - each record
25
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
量化 • 将像素灰度值转换成整数灰度级的过程 • 量化后，图像的像元值是辐射值所在的编码区间 的级数（常称为灰度级） • 量化级数越大，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
8位量化 8位量化
灰度级为256=288 灰度级为256=2
灰度级范围为0~255整数 灰度级范围为0~255整数
2.3.1 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。
多光谱图像：每个采样位置包括多个波段的值 TM图像、SPOT图像 高光谱图像：每个采样位置具有数十甚至数百个波段，远超 出人眼的分辨能力，具有很高的地物识别能力。 MODIS图像
30
2.3 遥感图像的类型
2.3.2 相干图像
扫描线 地表条件 飞行方向
信息应用
单元采样面积
遥感系统
4
5
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.2 传感器 Remote sensor
相机：镜头---------------胶片---------显影、定影---相片 卫星：透镜和天线等---探测元件---信号处理-------图像记录
6
• 按数据的记录方式分 –非成像(记录物理参数，热红外辐射计、微波辐射计等) （将接受的目标电磁辐射先好转换成数字或模拟图像） –成像
通过成像方式获取的图像是连续的， 通过成像方式获取的图像是连续的， 经数字化后才能产生数字图像。 经数字化后才能产生数字图像。 量化 数字图像 地面站
传感器
采样
g(x,y)
I(x,y)=f(g(x,y))
I(x,y)
f:采样和量化函数
24
采样
• 将空间上连续的图像变换成离散点（即像素）的操作。 • 采样间隔：影响图像表示地物的真实性。间隔越小，图像 越接近真实，但采样成本及后处理的成本也越高，图像存 储所需要的空间也越大。
快鸟高分辨率图像
SPOT图像全色波段
•
中空间分辨率图像：
10－100米，如：ASTER, TM, ETM+等。
•
低空间分辨率图像：
大于100米，如：NOAA，MODIS等。 TM图像，南京玄武湖 NOAA图像 19
由于遥感制图是利用遥感图像来提取专 题制图信息的，因此在选择遥感图像空 间分辨率时要考虑以下两点要素：一是 判读目标的最小尺寸，二是地图成图比 例尺。
32
2.4 遥感数字图像的级别和数据格式
• 级别 –什么样的数据可以满足你的要求 • 格式 –哪些格式是通用的
33
2.4.1 数据级别 • 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。 • 3级产品：经过了几何精校正。
• BSQ（Band Sequential Format ） • 按波段顺序记录的数据格式
ENVI ENVI ER Mapper ER Mapper
先按照波段顺序分块排序，在每 个波段块内，再按照行列顺序排 列。同一波段的像素保存在一个 块中，保证了像素空间位置的连 续性。
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• BIL（Band Interleaved by Line Format ） • 波段顺序交叉排列的数据格式
空间分辨率： 指像元所代表的地面范围的 大小，即能分辨地面物体的 最小单元。
空间分辨率：遥感图像上 空间分辨率：遥感图像上 的最小尺寸，用来表征图 的最小尺寸，用来表征图 像分辨地面目标细节能力 像分辨地面目标细节能力
18
按空间分辨率划分
• 高空间分辨率图像：
小于10米 ，常用传感器有SPOT，快鸟和IKONOS等。
微米
近红外 0.7-2 中红外 2-5 可见光 0.4-0.7 兰 0.4-0.5 绿 0.5-0.6
远红外 8-15
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• 遥感是要通过选择波段将一个特定地物与其它的地物 分离开来
地物目标的反射率曲线
反 射 率 %
波长(微米)
13
不同光谱波段的遥感应用
光谱波段(nm) 蓝色(450~500) 绿色(500~600) 红色(600~700) 全色(500~750) 反射红外(750~900) 中红外(1.5×103~1.75×103) 远红外(2.0×103~2.35×103) 热红外(1.0×104~1.25×104) 微波—短波 (1.0×106~5.0×107) 微波—长波 (5.0×107~2.4×108) 健康植被 红色，叶绿素吸收的植被判别 制图，土地利用，立体相片 生物量，作物判别，土壤—作物，陆地— 水域的边界 植物，干旱，云，雪—冰的判别 地质学应用，岩石 相对温度，热流量，植被分类，含水量研 究，热惯量 积雪，雪深，植物含水量 融雪，土壤含水量，水域—陆地的边界； 14 穿透植被 应用 水，土地利用，植被特性，泥沙
空间分辨率
20
光谱分辨率：
•指传感器接收目标辐射的波 谱时能分辨的最小波长间隔。 •波长范围越窄，光谱分辨率 越高。波段数越多，光谱分辨 率越高，地物越容易被区分。 •不同的遥感图像，相同的波 段编号并不意味着具有相同的 波长范围。
21
时间分辨率：指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即重访周期。
• 摄影成像
– 快门打开后一瞬间同时收集 目标上所有反射信息 – 工作波段：290nm～1400nm – 不是全天时全天候遥感
• 扫描成像
– 目标面扫描的方式：包括光学 /机械扫描仪(MSS/TM)、成像 雷达等 – 影像面扫描的方式 ：包括电视 摄像机和固体扫描仪等
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• 扫描成像
– 目标面扫描的方式：它是利用平台的行进和旋转扫描镜对与平台行进 的垂直方向的地面进行扫描，又称物面扫描系统。 – 包括光学/机械扫描仪(MSS/TM)、成像雷达等
• 微波遥感所产生的图像，穿透能力强，不受天气影响， 可以全天候全天时工作。
31
• 不相干图像与相干图像的区别
–不相干图像属于被动遥感，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。 –相干图像属于主动遥感，其穿透能力强，不受天气 的影响，可以全天时全天候工作。
11 days
July 1 July 12 July 23
利用时间分辨率信息还可以提 利用时间分辨率信息还可以提 高成像力和解像力，通过对多 高成像力和解像力，通过对多 期遥感图像进行叠加分析，可 期遥感图像进行叠加分析，可 August 3 以提高地物的识别精度。 22 以提高地物的识别精度。
辐射分辨率：
是指传感器区分反射或发射的电磁辐射强度差异的能力，可用量 化位数近似表述。 高辐射分辨率意味着可以区分信号强度的微小差异。
6-bit range
0
63
图像的量化位数 图像的量化位数
255
8-bit range
0
10-bit range
0
1023
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 采样和量化
像素先以行为单位进行分块，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。
38
• BIP（Band Interleaved by Pixel ） • 像素各波段数据保存在一起的数据格式
以像素为核心，像素的各个波段 数据保存在一起，打破了像素空 间位置的连续性。保持行的顺序 不变，在列的方向上按列分块， 每个块内为当前像素不同波段的 39 像素值。
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• 扫描成像
– 影像面扫描的方式 ：包括电视摄像机和固体扫描仪(SPOT上的 HRV)等
9
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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的变化顺序可以划分为若干波段，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。
2.1.1 遥感系统
遥感平台
遥感系统
传感器
遥感地面站
3
遥感系统：是一个从地面到空中乃至整个空间，从信息收集、存储、传输、 处理到分析、判读、应用的技术体系。
遥感器
遥感实验
遥感数据 回收传输
遥感平台 辐射条件
信息获取 信息传输 信息处理
总采样面积 图像/数据处理 (目标辩证过程 ) 检测 分辨 识别 瞬时视场 视 场 大气条件
• 量化位数：2 • 量化级数：2^2
0，1，2，3
1 原始数据0，1化 2 转换为新的级别 3 取整
X1=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin) (0<=X1<=1) X2=X1*(T-1) (T为量化级数) X3=Int(X2)
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2.2 常用遥感平台及其传感器特征
29
2.3 遥感图像的类型
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 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； 高分辨率意味着区分能力强，能够区分小的相邻地物； 低分辨率意味着能够获取大范围的平均辐照度，地物对象及其边界较难辨认。 传感器分辨率指标 • 辐射分辨率 • 光谱分辨率 • 空间分辨率 • 时间分辨率