第2章 遥感数字图像的获取与存储
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7
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.2 传感器 2.扫描成像 扫描方式的传感器逐点逐行地收集信息。各点的信息按一定顺序 先后进入传感器，经一段时间后才能收集完一幅图像的全部信息。按 照扫描方式又可分为两种:目标面扫描传感器和影像面扫描传感器。 1)目标面扫描的方式 目标面扫描的方式包括光学-机械扫描仪、成像雷达等，其收集系 统直接对目标面(一般是地面)扫描，一点一行顺序收集目标面上各单 元(可看成一点)的信息，然后拼成一幅图像。 2)影像面扫描的方式 影像面扫描的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 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，或依靠CCD (Charge Coupled Device，电荷祸合器件) 组成的阵列进行电子扫描来获得数据。
31
辐射亮度范围
32 Maximum Maximum brightness = 255 brightness = 127 32
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （4）时间分辨率（Temporal Resolution）
• 对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的最小时间间隔 （重访周期） • 短期：一天内的变化，小时为单位——突发性灾害监测（地 震、火山爆发、森林火灾）、污染源监测； • 中期：一年内的变化，以天为单位——探测作物季相规律， 进行作物估产与动态监测、农林牧等再生资源调查、旱涝灾 害监测、海洋动力学分析等； • 长期：以年为单位——湖泊消长、河道迁徙、海岸进退、城 市扩展
8
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。 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。紫外传感器的探测波段在50-380nm之间; 可见光传感器的探测波段在380-760nm之间;红外传感器的 探测波段在760-1.0*106nm之间;微波传感器的探测波段在 1.0*106nm-1.0*109nm之间;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。
8灰度级
4灰度级
问题：观察上面四幅图，总结灰度分辨率与图像质量的关系。 总结： 灰度分辨率越高，图像质量越好；灰度分辨率越低，图像质 量越差，会出现虚假轮廓。
30
辐射分辨率
8-bit 2-bit 3-bit 4-bit 1-bit 6-bit 16 greys 42greys 31 8256 greys 64greys greys
• (2) 线对数(Line Pairs)。对于摄影成像系统而言，影像最小 单元常通过1mm间隔内包含的线对数确定，单位为对/mm。 • (3) 瞬时视场(IFOV)。指遥感器内单个探测元件的受光角度 或观测视野，单位为毫弧度(mrad)。 IFOV越小，最小可分 辨单元(可分像素)越小，空间分辨率越高。 • 空间分辨率的大小，仅表明影像细节的可见程度，但真正的 识别效果，还要考虑环境背景复杂性的影响。
2.1.4 传感器的分辨率 （2）光谱分辨率（Spectral Resolution）
分波段记录的遥感图像，可以构成一个多维向量空间，空间的维 数就是采用的波段数。例如，选用3个波段，构成一个三维特征空 b ij c 间。图像上的一个像元，在各波段上均有一个光谱数值a ， ，ij （i,j分别为该像元的行、列号）。
2.1.1 遥感系统 2.1.2 传感器 2.1.3 电磁波与传感器 2.1.4 传感器的分辨率
4
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.1 遥感系统 遥感是遥感信息的获取、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、 存贮、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。 在信息获取部分，传感器是核心，遥感平台则是传感器 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，最小的高度为数 厘米，最大的高度可达数千公里。地球运动、平台姿态的 变化等影响着遥感平台，进而影响着所获取的图像质量。
80m
17
QUICKBIRD
2.1 遥感图像的获取和数字化
IRS IKONOS
18
遥感数据类型 分辨率/m 2.1 遥感图像的获取和数字化
IKONOS 1
SPOT-HRV1-3 SPOT-HRV Pan ETM1-5，7 ETM6 20 10 30 60
应用
城市规划、土地管理
宏观规划、国土资源 立体量测 陆地资源调查 地面热性质调查
卫星 QuickBird Landsat TM NOAA/AVHRR 地面面积 0.61m×0.61m 28.5m×28.5m 1100m×1100m 空间分辨率 0.61m 28.5m 1.1km
11
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
12
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
13
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
• 对扫描成像系统而言，像素即是扫描仪瞬时视场的大小；对 于摄影成像的图像来说，地面分辨率取决于胶片的分辨率和 镜头的分辨率所构成的系统分辨率，可用下式计算：
9
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率
传感器的分辨率有哪几种？
（1）空间分辨率（Spatial Resolution） （2）光谱分辨率（Spectral Resolution） （3）辐射分辨率（Radiometric Resolution） （4）时间分辨率（Temporal Resolution）
ij
每个像元在各波段的图像数据（亮度值）构成一个多维向量，它 们对应于多维空间上的一个点，用 X 向量表示。
ij
X ij
a ij b ij c ij
24
2.1 遥感图像的获取和数字化
25
2.1 遥感图像的获取和数字化
80波段图像立方体
26
2.1 遥感图像的获取和数字化
5
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.1 遥感系统
（2）信息的获取
卫星 传感器
（3）信息接收
信息接收、处理
（4）信息处理
用户制图
分析判断
（1）目标物
（5）信息应用
实况调查
6
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.2 传感器 传感器又称为遥感器(Remote Sensor)，是收集和记录电磁辐射能量信 息的装臵，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。传感器搭载在遥感平台上，通过传感器获取遥感数字图像 数据。 成像传感器将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。按成像原理又可分为摄影成像和扫描成 像两类。 1.摄影成像 摄影方式的传感器主要是摄影机，如框幅摄影机、缝隙摄影机、 全景摄影机、多光谱摄影机等。基本特点是在快门打开后的一瞬间几 乎同时收集目标上所有的反射光，聚焦到胶片上成为一幅影像，并记 录下来。摄影机的工作波段(最大波段)是290nm-1400nm，即近紫外、 可见光、近红外短波段，所得像片信息量大，分辨力高。但是，航空 摄影和航天摄影只能在晴朗的白天工作，它们不是全天时全天候遥感。 如果用数码相机进行摄影，那么可以直接产生数字图像。
28
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （3）辐射分辨率（Radiometric Resolution） 定标（校准）是将传感器所得的测量值变换为绝对亮度 或变换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的 处理过程。
辐射校正
29
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （3）辐射分辨率（Radiometric Resolution） 灰度分辨率（图像的量化）与图像质量的关系 256灰度级 16灰度级
10
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
• 空间分辨率，又称地面分辨率，前者是针对遥感器或者图像 而言的，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小； 后者是针对地面而言的，指可以识别的最小地面距离或最小 目标物的大小，空间分辨率愈高，像素所代表的范围愈小。 两者均反映对两个非常靠近的物体的识别、区分能力。一般 有三种表达方式： • (1) 像素(Pixel)。指单个像元所对应的地面面积的大小，单位 为m或km。
Rg
Rs H f
式中， R g为地面分辨率，单位线对/m；H 为摄影机距地面高度， 单位m； R s 为系统分辨率，单位线对/mm； f 为摄影机焦距， 单位mm。
14
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
空间分辨率（图像的采样）与图像质量的关系
ETM Pan Landsat-MSS4-7 Radarsat-SAR Seasat-VIR Seasat-SAR JERS-VNR JERS-SWIR NOAA-AVHRR
15 80 9-100 2-5Km 25 30 60 1100(星下点)
规划、管理 陆地资源调查 海洋调查 海洋调查
云盖、海面温度、植被、气溶胶 19
– 感测人体选择8-12 m, 探测森林火灾应选择3-5 m
22
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （2）光谱分辨率（Spectral Resolution）
• 光谱分辨率：传感器记录的电磁波谱中，某一特定的波长范 围值。波长范围越宽，光谱分辨率越低。
23
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1 遥感图像的获取和数字化
20
2.1 遥感图像的获取和数字化
21
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （2）光谱分辨率（Spectral Resolution）
• 光谱分辨率是指遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的 波长位置及波长间隔的大小。即选择的通道数、每个通道的 中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。 • 一般来说，传感器的波段越多，波段宽度越窄，所包含的信 息量就越大，针对性就越强。 • 传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好 效果
遥感数字图像处理
林金堂 闽江学院地理科学系
1
第二章 遥感数字图像的 获取与存储
2
第二章 遥感数字图像的获取与存储
2.1 遥感图像的获取和数字化 2.2 常用遥感平台及其传感器特征 2.3 遥感图像的类型 2.4 遥感数字图像的级别和数据格式 2.5 数字图像分辨率
3
2.1 遥感图像的获取和数字化
265x180
133x90
66x45
33x22
15
问题：观察上面四幅图，总结空间分辨率与图像质量的关系。 总结： 空间分辨率越高，图像质量越好；空间分辨率越低，图像质 量越差，会出现棋盘模式。
2.1 遥感图像的获取和数字化
不同空间分辨率的遥感影像
16
2.1 遥感图像的获取和数字化
1m
10m
3Hale Waihona Puke Baidum
高 光 谱
多 光 谱
黑白和彩色摄影
>10-2
10-1
27
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （3）辐射分辨率（Radiometric Resolution）
• 辐射分辨率指传感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力， 即探测器的灵敏度—传感器探测元件在接收光谱信号时能分 辨的最小辐射度差，或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨 能力。一般用灰度的量化级数来表示，如6bit, 7bit, 8bit, 11bit, …… • 一个6-bit 的传感器可以记录26级（ 64 ）的亮度值， • 一个8-bit 的传感器可以记录28级（ 256 ）的亮度值， • 一个12-bit 的传感器可以记录212级（4096）的亮度值
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.2 传感器 2.扫描成像 扫描方式的传感器逐点逐行地收集信息。各点的信息按一定顺序 先后进入传感器，经一段时间后才能收集完一幅图像的全部信息。按 照扫描方式又可分为两种:目标面扫描传感器和影像面扫描传感器。 1)目标面扫描的方式 目标面扫描的方式包括光学-机械扫描仪、成像雷达等，其收集系 统直接对目标面(一般是地面)扫描，一点一行顺序收集目标面上各单 元(可看成一点)的信息，然后拼成一幅图像。 2)影像面扫描的方式 影像面扫描的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 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，或依靠CCD (Charge Coupled Device，电荷祸合器件) 组成的阵列进行电子扫描来获得数据。
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辐射亮度范围
32 Maximum Maximum brightness = 255 brightness = 127 32
2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （4）时间分辨率（Temporal Resolution）
• 对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的最小时间间隔 （重访周期） • 短期：一天内的变化，小时为单位——突发性灾害监测（地 震、火山爆发、森林火灾）、污染源监测； • 中期：一年内的变化，以天为单位——探测作物季相规律， 进行作物估产与动态监测、农林牧等再生资源调查、旱涝灾 害监测、海洋动力学分析等； • 长期：以年为单位——湖泊消长、河道迁徙、海岸进退、城 市扩展
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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。 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。紫外传感器的探测波段在50-380nm之间; 可见光传感器的探测波段在380-760nm之间;红外传感器的 探测波段在760-1.0*106nm之间;微波传感器的探测波段在 1.0*106nm-1.0*109nm之间;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。
8灰度级
4灰度级
问题：观察上面四幅图，总结灰度分辨率与图像质量的关系。 总结： 灰度分辨率越高，图像质量越好；灰度分辨率越低，图像质 量越差，会出现虚假轮廓。
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辐射分辨率
8-bit 2-bit 3-bit 4-bit 1-bit 6-bit 16 greys 42greys 31 8256 greys 64greys greys
• (2) 线对数(Line Pairs)。对于摄影成像系统而言，影像最小 单元常通过1mm间隔内包含的线对数确定，单位为对/mm。 • (3) 瞬时视场(IFOV)。指遥感器内单个探测元件的受光角度 或观测视野，单位为毫弧度(mrad)。 IFOV越小，最小可分 辨单元(可分像素)越小，空间分辨率越高。 • 空间分辨率的大小，仅表明影像细节的可见程度，但真正的 识别效果，还要考虑环境背景复杂性的影响。
2.1.4 传感器的分辨率 （2）光谱分辨率（Spectral Resolution）
分波段记录的遥感图像，可以构成一个多维向量空间，空间的维 数就是采用的波段数。例如，选用3个波段，构成一个三维特征空 b ij c 间。图像上的一个像元，在各波段上均有一个光谱数值a ， ，ij （i,j分别为该像元的行、列号）。
2.1.1 遥感系统 2.1.2 传感器 2.1.3 电磁波与传感器 2.1.4 传感器的分辨率
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.1 遥感系统 遥感是遥感信息的获取、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、 存贮、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。 在信息获取部分，传感器是核心，遥感平台则是传感器 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，最小的高度为数 厘米，最大的高度可达数千公里。地球运动、平台姿态的 变化等影响着遥感平台，进而影响着所获取的图像质量。
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QUICKBIRD
2.1 遥感图像的获取和数字化
IRS IKONOS
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遥感数据类型 分辨率/m 2.1 遥感图像的获取和数字化
IKONOS 1
SPOT-HRV1-3 SPOT-HRV Pan ETM1-5，7 ETM6 20 10 30 60
应用
城市规划、土地管理
宏观规划、国土资源 立体量测 陆地资源调查 地面热性质调查
卫星 QuickBird Landsat TM NOAA/AVHRR 地面面积 0.61m×0.61m 28.5m×28.5m 1100m×1100m 空间分辨率 0.61m 28.5m 1.1km
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
• 对扫描成像系统而言，像素即是扫描仪瞬时视场的大小；对 于摄影成像的图像来说，地面分辨率取决于胶片的分辨率和 镜头的分辨率所构成的系统分辨率，可用下式计算：
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率
传感器的分辨率有哪几种？
（1）空间分辨率（Spatial Resolution） （2）光谱分辨率（Spectral Resolution） （3）辐射分辨率（Radiometric Resolution） （4）时间分辨率（Temporal Resolution）
ij
每个像元在各波段的图像数据（亮度值）构成一个多维向量，它 们对应于多维空间上的一个点，用 X 向量表示。
ij
X ij
a ij b ij c ij
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2.1 遥感图像的获取和数字化
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2.1 遥感图像的获取和数字化
80波段图像立方体
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2.1 遥感图像的获取和数字化
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.1 遥感系统
（2）信息的获取
卫星 传感器
（3）信息接收
信息接收、处理
（4）信息处理
用户制图
分析判断
（1）目标物
（5）信息应用
实况调查
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.2 传感器 传感器又称为遥感器(Remote Sensor)，是收集和记录电磁辐射能量信 息的装臵，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。传感器搭载在遥感平台上，通过传感器获取遥感数字图像 数据。 成像传感器将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。按成像原理又可分为摄影成像和扫描成 像两类。 1.摄影成像 摄影方式的传感器主要是摄影机，如框幅摄影机、缝隙摄影机、 全景摄影机、多光谱摄影机等。基本特点是在快门打开后的一瞬间几 乎同时收集目标上所有的反射光，聚焦到胶片上成为一幅影像，并记 录下来。摄影机的工作波段(最大波段)是290nm-1400nm，即近紫外、 可见光、近红外短波段，所得像片信息量大，分辨力高。但是，航空 摄影和航天摄影只能在晴朗的白天工作，它们不是全天时全天候遥感。 如果用数码相机进行摄影，那么可以直接产生数字图像。
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （3）辐射分辨率（Radiometric Resolution） 定标（校准）是将传感器所得的测量值变换为绝对亮度 或变换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的 处理过程。
辐射校正
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （3）辐射分辨率（Radiometric Resolution） 灰度分辨率（图像的量化）与图像质量的关系 256灰度级 16灰度级
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
• 空间分辨率，又称地面分辨率，前者是针对遥感器或者图像 而言的，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小； 后者是针对地面而言的，指可以识别的最小地面距离或最小 目标物的大小，空间分辨率愈高，像素所代表的范围愈小。 两者均反映对两个非常靠近的物体的识别、区分能力。一般 有三种表达方式： • (1) 像素(Pixel)。指单个像元所对应的地面面积的大小，单位 为m或km。
Rg
Rs H f
式中， R g为地面分辨率，单位线对/m；H 为摄影机距地面高度， 单位m； R s 为系统分辨率，单位线对/mm； f 为摄影机焦距， 单位mm。
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （1）空间分辨率（Spatial Resolution）
空间分辨率（图像的采样）与图像质量的关系
ETM Pan Landsat-MSS4-7 Radarsat-SAR Seasat-VIR Seasat-SAR JERS-VNR JERS-SWIR NOAA-AVHRR
15 80 9-100 2-5Km 25 30 60 1100(星下点)
规划、管理 陆地资源调查 海洋调查 海洋调查
云盖、海面温度、植被、气溶胶 19
– 感测人体选择8-12 m, 探测森林火灾应选择3-5 m
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （2）光谱分辨率（Spectral Resolution）
• 光谱分辨率：传感器记录的电磁波谱中，某一特定的波长范 围值。波长范围越宽，光谱分辨率越低。
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1 遥感图像的获取和数字化
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （2）光谱分辨率（Spectral Resolution）
• 光谱分辨率是指遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的 波长位置及波长间隔的大小。即选择的通道数、每个通道的 中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。 • 一般来说，传感器的波段越多，波段宽度越窄，所包含的信 息量就越大，针对性就越强。 • 传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好 效果
遥感数字图像处理
林金堂 闽江学院地理科学系
1
第二章 遥感数字图像的 获取与存储
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第二章 遥感数字图像的获取与存储
2.1 遥感图像的获取和数字化 2.2 常用遥感平台及其传感器特征 2.3 遥感图像的类型 2.4 遥感数字图像的级别和数据格式 2.5 数字图像分辨率
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2.1 遥感图像的获取和数字化
265x180
133x90
66x45
33x22
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问题：观察上面四幅图，总结空间分辨率与图像质量的关系。 总结： 空间分辨率越高，图像质量越好；空间分辨率越低，图像质 量越差，会出现棋盘模式。
2.1 遥感图像的获取和数字化
不同空间分辨率的遥感影像
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2.1 遥感图像的获取和数字化
1m
10m
3Hale Waihona Puke Baidum
高 光 谱
多 光 谱
黑白和彩色摄影
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2.1 遥感图像的获取和数字化
2.1.4 传感器的分辨率 （3）辐射分辨率（Radiometric Resolution）
• 辐射分辨率指传感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力， 即探测器的灵敏度—传感器探测元件在接收光谱信号时能分 辨的最小辐射度差，或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨 能力。一般用灰度的量化级数来表示，如6bit, 7bit, 8bit, 11bit, …… • 一个6-bit 的传感器可以记录26级（ 64 ）的亮度值， • 一个8-bit 的传感器可以记录28级（ 256 ）的亮度值， • 一个12-bit 的传感器可以记录212级（4096）的亮度值