[科普中国]-遥感成像

传感器

传感器是获取地面目标电磁辐射信息的装置。传感器按照不同的分类标准可分为很多类，但是任何的传感器都有四个基本部分组成——收集器、探测器、处理器和输出器。

衡量指标空间分辨率——是指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸和大小，是用来表征图像分辨地面目标细节能力的指标。

目前比较通俗的说法就是像元的大小，比如TM图像是30米，Spot5的分辨率是5米或者10米等。

时间分辨率——对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔。

通俗的叫法是探测重复周期，如TM的重复周期为16天，气象卫星时间很短，几乎是一天能重复好几次，这样有利于天气的准确预报。

光谱分辨率——指传感器所能记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，波长范围值越宽，光谱分辨率越低。

光谱分辨率的高低，产生了一个应用前景广阔的遥感分支——高光谱遥感。实际上光谱分辨率在高光谱遥感里面很常用，在多光谱里面常常使用“波谱范围”或者“谱段范围”，如WorldView-2卫星谱段范围设置：海岸波段：400-450；蓝色波段：450-510；绿色波段：510-580；黄色波段：585—625；红色波段：630-690；红色边缘波段：705.5-745；近红外线波段：770-895；近红外2波段：860-1040。

温度分辨率——指热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力。一般红外系统的的温度分辨率达到0.2~3.0K的标准，如TM6图像的温度分辨率可达到0.5K。

同时这四项指标也是图像的重要参数之一，特别是空间分辨率和时间分辨率1。

常见传感器光学机械扫描系统（optial-mechanial scanning）

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。

目前正在使用的传感器采用这种方式的主要有Landsat、NOAA/AVHRR、我国的“风云”系列气象卫星。这种扫描方式两个特点是扫描宽幅大但空间分辨率较低。

推扫式扫描系统（push-broom scanning）

又称镜面扫描系统，用广角光学系统，在整个视场内成像。它是用CCD组成的线性矩阵来感应地面。

目前正在使用的大部分高分辨率传感器就是这种系统，包括SPOT系列，中巴资源系列，IKONOS，QUICKBIRD等。此类扫描系统一般分辨率比较高，但扫描宽幅比较小。

成像光谱(Imaging Spectrometer)

此类系统是把成像技术和分光谱技术有机的结合起来，获取的图像光谱分辨率非常高，波段数非常的多，能达到上百个波段，它仍属于多光谱扫描仪的范畴。很典型的一个传感器就是MODIS（中等分辨率成像光谱仪）。

遥感图像基本特征遥感图像反映的信息内容主要有波谱信息、空间信息和时间信息。

波谱信息

图像上的波谱信息表现为已经量化的辐射值，即图像的亮度/灰度指/像元值，他是一种相对的量度。量化就是把采样过程中获得的像元平均辐射亮度值，按照一定的编码规则划分为若干等级，即把像元平均辐射亮度值按一定方式离散化。它对应我们常见的概念就是图像的比特或者灰阶，如8比特，量化范围就是0~255。

像元值间接反映了地物的波谱特征，不同的地物有着不同的像元值，当然把同谱异物排除，遥感图像解译中识别不同地物的一个重要标志就是图像的像元值差异。同时像元值也是反映一幅图像信息量大小的重要，信息量的大小一般采用了通讯理论中的的香农在1948年提出的熵来表示。

在ENVI（4.8及以下版本，以及ENVI5.0 Classic）中查看图像的像元值非常的方便，在一个Display中打开一个图像，在Image视图上双击左键，图4中所示，Data中的R、G、B对于的值就是像元值，也就是图像中的DN值，由于图像中的原始DN值非常的重要，反应了地物的波谱特征，一般不会轻易改变，但是图像的整体饱和度不高，直接显示效果不好。因此在ENVI中，为了显示颜色，有一个LUT VALUE，图中的为Scrn对应的R、G、B值。一般在ENVI中显示增强图像，都是对LUT VALUE操作，当然也可以选择对FILE PIXEL处理，这个也就是很多人疑问，在ENVI中的Display窗口中增强处理好的图像，为什么在别的软件，如photoshop中打开颜色就变了，就是这个原因。

空间信息

空间信息是通过图像的像元值在空间上的变化反映出来，包括图像上有实际意义的点、线、面或者区域的空间位置、长度、面积、距离、纹理信息等都属于空间信息。

与空间信息相关的两个概念需要理解，一是采样，即把连续图像空间划分成一个个网格，并对各个网格内的辐射值进行测量；二是空间分辨率，即图像中一个像元代表地面实际大小。

要想得到图像的空间信息，首先都得知道图像的投影系统，图像有了地理参考，才能对图像进行量测，投影系统一般分为地理投影和平面投影。

在ENVI中，同样可以很方便的查看图像的基本信息，在Available Bands List中，选择一幅图像点击右键，选择Edit Header。可以看到图像的投影信息，空间分辨率、图像大小等信息。

量测图像也非常的简单，可选择Basic Tools­->Measurement Tool。提供了点、线、面等量测，还可以将量测结果导出成文本文件。

时间信息

图像的时间信息指的是不同时相遥感图像的光谱信息与空间信息的差异。图像的时间信息对图像的解译、动态监测等影响很大。如不同季节下的树木所含的叶绿素是不一样的，因此两幅不同季节下同一地物在图像上的像元值是不一样的，表现为颜色也不一样。

除了需要查看以上三个方面的图像特征外，还需要知道图像的一些统计特征，这些统计特征包括：

均值——图像中所有像元值得平均值，它反映了地物信息的平均反射强度。

中值——指图像所有灰度级中处于中间的值，表示一个反差状况。

灰度方差——它反映各像元灰度值与图像平均灰度值得总的离散程度，它是衡量一幅图像信息量大小的重要度量。

图像灰度数值值域——它是图像最大灰度值和最小灰度值得差值，反映了图像灰度值的变化程度，间接反映了图像的信息量。

图像直方图——指图像中所有灰度值的概率分布。它能够反映图像的信息量及分布特征。

多波段间的相关系数——相关系数是描述波段图像间的相关程度的统计量，反映了两个波段图像所包含信息的重叠程度。

在ENVI中的，Basic Tool->Statistics->Compute Statistics可以统计单个图像的特征。

遥感成像的几何校正遥感成像的时候，由于飞行器的姿态、高度、速度以及地球自转等因素的影响，造成图像相对于地面目标发生几何畸变，这种畸变表现为像元相对于地面目标的实际位置发生挤压、扭曲、拉伸和偏移等，针对几何畸变进行的误差校正就叫几何校正。

几何校正是遥感中的专业名词。一般是指通过一系列的数学模型来改正和消除遥感影像成像时因摄影材料变形、物镜畸变、大气折光、地球曲率、地球自转、地形起伏等因素导致的原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时产生的变形2。

几何粗校正：

针对引起畸变原因而进行的校正。

几何精校正：

利用控制点进行的几何校正，它是用一种数学模型来近似描述遥感图像的几何畸变过程，并利用畸变的遥感图像与标准 地图之间的一些对应点求得这个几何畸变模型，然后利用此模型进行几何畸变的校正，这种校正不考虑引直畸变的原因。

系统几何校正数据是指经过辐射校正和系统级几何校正处理的数据，即从卫星的下行数据中提取PCD星历参数，再将其用于TM 数据的系统级几何校正。来进行几何校正处理，其地理定位精度将大大提高。系统几何校正采用快速的校正方法，基于图像的扭曲分解为扫描和卫星的标称引起和7个微扰量引起的扭曲，分别为卫星偏置，几何精度良好。

多光谱、多时相影像配准和遥感影像制图，必须经过上述几何校正。因人们已习惯于用正射投影地图，故多数遥感影像的几何校正以正射投影为基准进行。某些大比例尺遥感影像专题制图，可采用不同地图投影作为几何校正基准，主要是解决坐标变换问题，一些畸变不能完全得到消除。遥感影像的几何校正可应用光学、电子学或计算机数字处理技术来实现。

常用的方法有：基于多项式的遥感图像纠正、基于共线方程的遥感图像纠正、基于有理函数的遥感图像纠正、基于自动配准的小面元微分纠正等。