遥感数字图像处理教程【1.3】

4 . 时间分辨力传感器对同一空间区域进行重复探测时相邻两次探测的时间间隔称为时间分辨力。不同时间的遥感图像能提供地物动态变化的信息可用来监测地物变化也可以为某些专题要素的精确分类提供附加信息。时间分辨力指标包括两个一个是传感器本身设计的时间分辨力受卫星运行规律影响,不能改变另一个是根据应用要求人为设计的时间分辨力它等于或小于卫星传感器本身的时间分辨力。由此而有两个概念重复周期和重访周期。重复周期又称回归周期是卫星经过同一个星下点的时间间隔是卫星图像再次覆盖完全相同的区域所经过的时间也是卫星不经过侧摆再次拍摄同一地点所经过的时间。它由飞行器的轨道高度、轨道倾角、运行周期、轨道间隔、偏移系数等参数所决定。重访周期指首次拍摄某地后依然能够利用传感器上的侧摆角拍摄到此地的影像所需要的时间间隔即利用卫星的侧摆快速拍摄同一地点图像所需要的最短时间。假如某个时刻卫星在地面A 点的正上方经过此 时 A 点称为星下点,如果地球没有自转那么卫星在一个轨道周期之后会再次经过A 点正上方其时间间隔就等于卫星的重复周期也等于重访时间。但是由于地球自转卫星经过同一个星下点的时间即重访时间不再等于其重复周期重访周期往往小于重复周期。重访周期较短重复周期较长。在重访周期中两次覆盖的区域可能是相交的但不一定重合。如果传感器不能侧摆垂直观测那么仅有重复周期的概念如 Landsat和 SPOT卫星的传感器。如果传感器具有侧视功能则具有重访周期的概念如 OrbView和 QuickBird快鸟的传感器等。从大的方面区分中低分辨力卫星传感器使用重复周期概念高分辨力卫星传感器同时具有重访周期概念。例 如 Landsat卫 星 的 重 复 周 期 为 16天 。中国的环境一号卫星 HJ1A卫 星 重 访 周 期 为4 天 回 归 周 期 为3 1 天 表 2.5根据重访时间长短时间分辨力分为三种1超 短 短周期时间分辨力可以观测到一天之内的变化以小时为单位。2中周期时间分辨力可以观测到一年内的变化以天为单位。3长周期时间分辨力一般以年为单位。气象预报所需资料以小时为单位所以气象卫星的回归周期为超短短周 期 。对大气、海洋物理变化进行监测的卫星以及人为设计的对自然灾害进行监测的卫星一般也是超短短周期卫星。在观测植被动态变化规律时卫星的观测周期是根据生物变化规律制定的一般是中周期的若周期变短则投入过多使投入与产出不成比例。有些航空像片、卫星图像用来研究自然界现象演化数据资料以年为单位就可以满足需要故为长周期。陆地资源卫星以天为单位重 复 周 期 为 16天 可以满足人类对资源环境遥感信息的需要。遥感传感器的时间分辨力在遥感图像应用中意义重大。利用时间分辨力可以进行动态监测和预报如植被动态监测、土地利用/覆盖变化LUCC的动态监测进行自然历史变迁和动力学分析如河口三角洲、城市变迁的趋势并进一步研究为什么这样变化以及有什么动力学机制等问题。此 外 利用时间分辨力信息还可以提高成像率和解像力通过对历次获取的遥感图像进行叠加分析可以提高地物的识别精度。2 . 1 . 5 采 样 和 量 化通过成像方式获取的图像数据是连续的无法直接进行计算机处理。此外有些遥感图像是通过摄影方式获取的保存在胶片上。只有对这些数据或模拟图像进行数字化后才能产生数字图像。数字化包括两个过程采样和量化。采样和量化属于传感器模型的内容。传感器模型描述了地表大气系统的光谱辐亮度转化到数字值的过程。遥感传感器必须对地物及其能量进行离散化后才能产生遥感数字图像才能被计算机处理。地物能量的离散化包括两个概念光谱响应和量化。地物所在空间的离散化称为空间采样它确定了图像的空间分辨率。量化后的数字值DN就是用户拿到的初始图像中的像素值。1 . 采样采 样sampling涉及两个内容与地物能量相关的波谱采样和与地物分布有关的空间采样 。与前者有关的概念是波谱响应涉及光学遥感和微波遥感与后者有关的概念是空间响应 。通过波谱采样产生图像的波段和辐射强度即像素值。通过空间采样空间上连续的图像变换成离散点即像素。1地物能量的离散化以光学遥感的光谱测量和光谱成像为例地物能量的离散化涉及如下概念。光谱响应将地物能量转换为传感器的信号值的过程基于光谱响应函数进行转换。光谱响应函数又称传感器响应函数描述了波段与连续波谱之间的关系其中波段值是波段范围内光谱响应函数的积分。实际应用中光谱响应函数表现为波长-辐亮度数值表。传感器上任意位置x, H 的某个波段b 的能 量 〃W -n r?与测量得到的连续光谱£和光谱 响 应 函 数 %的 关 系 如 下 利用光谱响应函数可以进行光谱采样将高光谱转变为多光谱。设 响 应 函 数 W , 高光谱数据乙 多光谱波段4 。则 在 4 的波长范围《〜益 内其中% 是 4 的波谱响应函数b 为波段编号。多光谱波段的波长范围实际上是光谱响应函数最大响应值1 /2 处所对应的波长值。光谱响应函数中最大响应值对应的波长是中心波长。波段范围的最大波长与最小波长之差称为有效波段宽度FWHM。2地物分布的离散化与地物实际所在的物理空间相比遥感图像在空间上具有两个特点①模糊化由于传感器的硬件导致较小空间上的地物在图像中被模糊化需要进行必要的遥感图像恢复处理。②几何变形地物在较大空间上会被拉伸、旋转和不规则的扭曲需要进行几何纠正。地物分布的离散化即空间采样形成图像的像素。空间采样将地物映射为图像中的像素的过程。基于空间响应函数进行空间采样。在图像的单个像素空间内较小的地物或地物细节消失了或被模糊化。模糊化的过程可以使用遥感传感器的点扩散函数(PSF)来描述。P S F 即传感器的空间响应函数表示特定像素对理想点光源的响应定 义 了坐标(x, y ) 周围的整合信息。不同的遥感传感器P S F 不同。利 用 P S F , 可以进行遥感图像的恢复。波 段 b 像 素 的 能 量 E 与 光 谱 能 量 L 间的关系为在空间采样中采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。采样间隔影响着图像表示地物的真实性间隔越小图像越接近于真实。但采样成本及后处理的成本也越高图像的存储空间也越大。因为图像是二维分布的信息所以采样在X 轴和丫轴两个方向进行。一般情况下两个方向的采样间隔相同。在图像处理中常 用 的 另 外 一 个 概 念 是 “空间重采样”简称为重采样。空间重采样获得图像后按照特定规则根据需要对图像进行重新采样以设定新的图像空间分辨率、改变图像大小或在几何纠正后进行采样以适应参照空间大小(地图或具有坐标投影的图像)的过程常用于图像的几何纠正、不同空间分辨率图像的匹配、图像分割等。2 . 量化采样后图像被分割成空间上离散的像素但其灰度值没有改变。量 化 (quantization)是将像素连续的灰度值(地物能量)转换成整数灰度级的过程可用量化位数定量描述。若给定量化 位 数 8 , 则数字图像灰度级为2 的量化位数的整数幕即 2 8 。设图 像 数 据 为 N 列 M 行 量 化 位数为g , 则图像所需的存储空间为M x N x g / 8 字 节 。量化位数越高量化后图像的灰度级越多细节越多越 接 近 于 “真 实 ”但占用的存储空间也越大。一幅数字图像为8 位量化意味着地物能量量化后的灰度级为2552力1 , 量化后的像素灰度级取值范围是1〜 2 5 5 的整数。大于或等于8 位量化的灰度图像可以满足一般的视觉效果要求。量化后图像像素的原有灰度值转换为灰度级。通常我们拿到的图像都是量化后的遥感图像,图像中的像素值为灰度级往往也被称为数字值(DN)、灰度级或亮度值(图2 . 8 , 表 2.6)。在 图 像 的 元 文 件 中 例如 L a n d sa t的*_ M T L .tx t文 件 通过 QUANTIZE_CAL_MIN_ BA N D _i和 QUANTIZE_CAL_MAX_BAND_i可 以 查 看 图 像 i 波段量化后的最小灰度值和最大灰度值。不同传感器有不同的设计应用目标其遥感图像的光谱辐亮度具有不同的量化位数。例如 对 于 A S T E R 图像V N IR 和 SW IR 传 感 器 为 8 位 量 化 T IR 为 1 2 位 量化。陆地资源卫星 Landsat5和 S P O T 5的 传 感 器 为 8 位 量化IK O N O S卫 星 的 传 感 器 为 1 1 位量化MODIS传 感 器 为 1 2 位量化2 0 1 3 年 发 射 的 Landsat8的 0 L 1 传 感 器 为 1 6 位 量化。一般来说用于测量地表热量的传感器具有更高的量化位数。空间采样影响着图像细节的再现程度间隔越大细节损失越多图像的棋盘化效果越明显图 2.9。量化影响着图像细节的可分辨程度量化位数越高细节的可分辨程度越高;保持图像大小不变降低量化位数会减少灰度级并导致出现假的轮廓图 2.10。2 . 2 遥 感 图 像 类 型根据传感器选用的电磁波范围遥感图像可以划分为两类不相干图像和相干图像。1 . 不相干图像不相干图像是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包括多光谱图像、高光谱图像和高空间分辨率图像。在该类图像中像素记录的是物体的辐射能量之和。1多光谱图像也称多波段图像。在每个采样位置包括多个波段的值。陆地资源卫星的 TM 传感器获 取 的 图 像 和SPOT的 HRV图像都属于多光谱图像。2高光谱图像每个采样位置具有数十甚至数百个波段远远超出人眼的分辨能力具有很高的地物识别能力适合于进行地物的遥感反演研究。高光谱图像的空间分辨率可能很低如 MODIS图像像元对应的地面大小为2 5 0 - 1000m也可能较高,如欧洲空间局ESA的高分辨力成像光谱仪CHRIS, 模 式 1 有 6 2 个波段其星下点的空间分辨力为3 4 m ,模式5 有 3 4 个波段其 星 下 点 的 空 间 分 辨 力 为17m。光学遥感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应用特别是多云多雨地区的遥感应用。2 . 相干图像相干图像指微波遥感图像图像中的像素值是一些相关物体辐射的复振幅总和。这些辐射根据其同相或异相产生一个明亮的或灰暗的像素其变化较少依赖于组成像素的物质而更多地取决于传播的条件其相位尤其取决于观测几何。通 常 表面的状态相对于入射波长的尺寸是比较粗糙的所以这些图像往往会有非常严重的噪声图 2.11, 在英语中称为“ speckle”。这 种 噪 声 在 雷 达 领 域 称 为 “闪烁”天 文 学 上 称 为 “斑 点 ”光学 上 称 为 “颗粒二微波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。 图2 .1 1 图像噪声2 . 3 遥 感 数 据 的 级 别 和 数 据 格 式2 . 3 . 1 遥 感 数 据 与 遥 感 数 字 图 像需要明确区分遥感数据与遥感数字图像。遥感数字图像是个小概念仅仅指图像本身包括一个波段或多个波段有多种文件格式遥感数据是个大概念包括了遥感数字图像和相关的对于遥感数字图像的说明信息主要是元数据。在数据文件的组织上遥感数据包括多个文件一些文件是说明文件一些文件是数字图像文件。提供商不同数字图像文件也会不同一个文件中可以包括多个波段的数据如 BSQ格式的文件也可以仅包括一个波段的 数 据 如 Landsat8的 GeoTIFF文件。如果一个文件中包括了遥感图像数据和其他相关的数据 如 HDF格式则该文件属于复杂格式。2 . 3 . 2 元 数 据元数据是关于图像数据特征的表述是关于数据的数据。元数据描述了与图像获取有关的参数和获取后所进行的处理。例如Landsat. S P O T 等图像的元数据中包括了图像获取的日期、时间、投影参数、几何纠正精度、图像分辨率、辐射校正参数等。元数据是重要的信息源。没有元数据图像就没有使用价值。例如对于变化探测工作,不知道图像的日期就无法进行变化分析。有很多机构进行文档的标准化工作建立元数据以便进一步简化用户的处理过程。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。在某些传感器的图像分发中元数据又称为头文件如 早 期 Landsat5的 T M 图像光盘中的header.dat文件。多数遥感图像的元数据文件为文本格式如 Landsat7的 ETM, SPO T的 HRV部分图像为二进制格式或随机文件格式需要使用特定的工具软件才能阅读。数据提供商随时间进展可能会改变元数据的格式和版本在使用长序列遥感数据时要特别注意。2 . 3 . 3 数 据 产 品 的 级 别在遥感图像的生产过程中根据用户的要求对原始图像数据进行不同的处理从而构成不同级别的数据产品。根据中国科学院遥感卫星地面站的资料遥感数据级别划分如下0 级产品未经过任何校正的原始图像数据。1 级产品经过初步辐射校正的图像数据。2 级产品经过系统级的几何校正即利用卫星的轨道和姿态等参数以及地面系统中的有关参数对原始数据进行几何校正。产品的几何精度由这些参数和处理模型决定。3 级产品经过几何精校正即利用地面控制点对图像进行了校正使之具有了更精确的地理坐标信息。产品的几何精度要求在亚像素量级上。0〜 2 级产品由图像分发部门生产。3 级产品可由图像分发部门按照精度要求生产但大多由用户自己来生产。对于一般的应用来说2 级产品已能够满足用户的需要。对于几何位置要求较高的应用则必须使用几何精校正后的3 级产品。部分传感器图像的产品级别定义可能会与此不同实际使用时要咨询该图像的分发部门公司。表 2 .7 和 表 2 .8 给出了常用的图像传感器的数据级别。