遙感成像

遙感技術是指從高空或外層空間接收來自地球表層各類地物的電磁波信息，並通過對這些信息進行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對地表各類地物和現象進行遠距離控測和識別的現代綜合技術。

遙感技術最基本的東西其實就是遙感圖像，不管你是設計感測器，還是專注遙感的套用，都是圍繞著圖像來工作。

基本介紹

• 中文名：遙感成像
• 外文名：remotely-sensed image
• 信息內容：波譜信息、空間信息和時間信息
• 幾何校正：粗校正、精校正
• 感測器：機械掃描、推式掃描、成像光譜
• 衡量指標：空間、時間、光譜、溫度解析度

感測器

感測器是獲取地面目標電磁輻射信息的裝置。感測器按照不同的分類標準可分為很多類，但是任何的感測器都有四個基本部分組成——收集器、探測器、處理器和輸出器。

衡量指標

空間解析度——是指遙感圖像上能夠詳細區分的最小單元的尺寸和大小，是用來表征圖像分辨地面目標細節能力的指標。

目前比較通俗的說法就是像元的大小，比如TM圖像是30米，Spot5的解析度是5米或者10米等。

時間解析度——對同一目標進行重複探測時，相鄰兩次探測的時間間隔。

通俗的叫法是探測重複周期，如TM的重複周期為16天，氣象衛星時間很短，幾乎是一天能重複好幾次，這樣有利於天氣的準確預報。

光譜解析度——指感測器所能記錄的電磁波譜中，某一特定的波長範圍值，波長範圍值越寬，光譜解析度越低。

光譜解析度的高低，產生了一個套用前景廣闊的遙感分支——高光譜遙感。實際上光譜解析度在高光譜遙感裡面很常用，在多光譜裡面常常使用“波譜範圍”或者“譜段範圍”，如WorldView-2衛星譜段範圍設定：海岸波段：400-450；藍色波段：450-510；綠色波段：510-580；黃色波段：585—625；紅色波段：630-690；紅色邊緣波段：705.5-745；近紅外線波段：770-895；近紅外2波段：860-1040。

溫度解析度——指熱紅外感測器分辨地表熱輻射（溫度）最小差異的能力。一般紅外系統的的溫度解析度達到0.2~3.0K的標準，如TM6圖像的溫度解析度可達到0.5K。

同時這四項指標也是圖像的重要參數之一，特別是空間解析度和時間解析度。

常見感測器

光學機械掃描系統（optial-mechanial scanning）

它是利用平台的行進和旋轉掃描鏡對與平台行進的垂直方向的地面進行掃描，又稱物面掃描系統。

目前正在使用的感測器採用這種方式的主要有Landsat、NOAA/AVHRR、我國的“風雲”系列氣象衛星。這種掃描方式兩個特點是掃描寬幅大但空間解析度較低。

推掃式掃描系統（push-broom scanning）

又稱鏡面掃描系統，用廣角光學系統，在整個視場內成像。它是用CCD組成的線性矩陣來感應地面。

目前正在使用的大部分高解析度感測器就是這種系統，包括SPOT系列，中巴資源系列，IKONOS，QUICKBIRD等。此類掃描系統一般解析度比較高，但掃描寬幅比較小。

成像光譜(Imaging Spectrometer)

此類系統是把成像技術和分光譜技術有機的結合起來，獲取的圖像光譜解析度非常高，波段數非常的多，能達到上百個波段，它仍屬於多光譜掃瞄器的範疇。很典型的一個感測器就是MODIS（中等解析度成像光譜儀）。

基本特徵

遙感圖像反映的信息內容主要有波譜信息、空間信息和時間信息。

波譜信息

圖像上的波譜信息表現為已經量化的輻射值，即圖像的亮度/灰度指/像元值，他是一種相對的量度。量化就是把採樣過程中獲得的像元平均輻射亮度值，按照一定的編碼規則劃分為若干等級，即把像元平均輻射亮度值按一定方式離散化。它對應我們常見的概念就是圖像的比特或者灰階，如8比特，量化範圍就是0~255。

像元值間接反映了地物的波譜特徵，不同的地物有著不同的像元值，當然把同譜異物排除，遙感圖像解譯中識別不同地物的一個重要標誌就是圖像的像元值差異。同時像元值也是反映一幅圖像信息量大小的重要，信息量的大小一般採用了通訊理論中的的香農在1948年提出的熵來表示。

在ENVI（4.8及以下版本，以及ENVI5.0 Classic）中查看圖像的像元值非常的方便，在一個Display中打開一個圖像，在Image視圖上雙擊左鍵，圖4中所示，Data中的R、G、B對於的值就是像元值，也就是圖像中的DN值，由於圖像中的原始DN值非常的重要，反應了地物的波譜特徵，一般不會輕易改變，但是圖像的整體飽和度不高，直接顯示效果不好。因此在ENVI中，為了顯示顏色，有一個LUT VALUE，圖中的為Scrn對應的R、G、B值。一般在ENVI中顯示增強圖像，都是對LUT VALUE操作，當然也可以選擇對FILE PIXEL處理，這個也就是很多人疑問，在ENVI中的Display視窗中增強處理好的圖像，為什麼在別的軟體，如photoshop中打開顏色就變了，就是這個原因。

空間信息

空間信息是通過圖像的像元值在空間上的變化反映出來，包括圖像上有實際意義的點、線、面或者區域的空間位置、長度、面積、距離、紋理信息等都屬於空間信息。

與空間信息相關的兩個概念需要理解，一是採樣，即把連續圖像空間劃分成一個個格線，並對各個格線內的輻射值進行測量；二是空間解析度，即圖像中一個像元代表地面實際大小。

要想得到圖像的空間信息，首先都得知道圖像的投影系統，圖像有了地理參考，才能對圖像進行量測，投影系統一般分為地理投影和平面投影。

在ENVI中，同樣可以很方便的查看圖像的基本信息，在Available Bands List中，選擇一幅圖像點擊右鍵，選擇Edit Header。可以看到圖像的投影信息，空間解析度、圖像大小等信息。

量測圖像也非常的簡單，可選擇Basic Tools­->Measurement Tool。提供了點、線、面等量測，還可以將量測結果導出成文本檔案。

時間信息

圖像的時間信息指的是不同時相遙感圖像的光譜信息與空間信息的差異。圖像的時間信息對圖像的解譯、動態監測等影響很大。如不同季節下的樹木所含的葉綠素是不一樣的，因此兩幅不同季節下同一地物在圖像上的像元值是不一樣的，表現為顏色也不一樣。

除了需要查看以上三個方面的圖像特徵外，還需要知道圖像的一些統計特徵，這些統計特徵包括：

均值——圖像中所有像元值得平均值，它反映了地物信息的平均反射強度。

中值——指圖像所有灰度級中處於中間的值，表示一個反差狀況。

灰度方差——它反映各像元灰度值與圖像平均灰度值得總的離散程度，它是衡量一幅圖像信息量大小的重要度量。

圖像灰度數值值域——它是圖像最大灰度值和最小灰度值得差值，反映了圖像灰度值的變化程度，間接反映了圖像的信息量。

圖像直方圖——指圖像中所有灰度值的機率分布。它能夠反映圖像的信息量及分布特徵。

多波段間的相關係數——相關係數是描述波段圖像間的相關程度的統計量，反映了兩個波段圖像所包含信息的重疊程度。

在ENVI中的，Basic Tool->Statistics->Compute Statistics可以統計單個圖像的特徵。

幾何校正

遙感成像的時候，由於飛行器的姿態、高度、速度以及地球自轉等因素的影響，造成圖像相對於地面目標發生幾何畸變，這種畸變表現為像元相對於地面目標的實際位置發生擠壓、扭曲、拉伸和偏移等，針對幾何畸變進行的誤差校正就叫幾何校正。

幾何校正是遙感中的專業名詞。一般是指通過一系列的數學模型來改正和消除遙感影像成像時因攝影材料變形、物鏡畸變、大氣折光、地球曲率、地球自轉、地形起伏等因素導致的原始圖像上各地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等特徵與在參照系統中的表達要求不一致時產生的變形。

幾何粗校正：

針對引起畸變原因而進行的校正。

幾何精校正：

利用控制點進行的幾何校正，它是用一種數學模型來近似描述遙感圖像的幾何畸變過程，並利用畸變的遙感圖像與標準 地圖之間的一些對應點求得這個幾何畸變模型，然後利用此模型進行幾何畸變的校正，這種校正不考慮引直畸變的原因。

系統幾何校正數據是指經過輻射校正和系統級幾何校正處理的數據，即從衛星的下行數據中提取PCD星曆參數，再將其用於TM 數據的系統級幾何校正。來進行幾何校正處理，其地理定位精度將大大提高。系統幾何校正採用快速的校正方法，基於圖像的扭曲分解為掃描和衛星的標稱引起和7個微擾量引起的扭曲，分別為衛星偏置，幾何精度良好。

多光譜、多時相影像配準和遙感影像製圖，必須經過上述幾何校正。因人們已習慣於用正射投影地圖，故多數遙感影像的幾何校正以正射投影為基準進行。某些大比例尺遙感影像專題製圖，可採用不同地圖投影作為幾何校正基準，主要是解決坐標變換問題，一些畸變不能完全得到消除。遙感影像的幾何校正可套用光學、電子學或計算機數字處理技術來實現。

常用的方法有：基於多項式的遙感圖像糾正、基於共線方程的遙感圖像糾正、基於有理函式的遙感圖像糾正、基於自動配準的小面元微分糾正等。