遥感数字图像处理-02-遥感数字图像的获取和存储

  1. 1. 遥感数字图像的获取和存储
    1. 1.1. 遥感图像的获取
      1. 1.1.1. 遥感系统
      2. 1.1.2. 传感器类型
      3. 1.1.3. 分类
      4. 1.1.4. 电磁波谱与传感器
      5. 1.1.5. 传感器分辨力
        1. 1.1.5.1. 辐射分辨力
        2. 1.1.5.2. 谱分辨力
        3. 1.1.5.3. 谱分辨力
        4. 1.1.5.4. 空间分辨力
        5. 1.1.5.5. 时间分辨力
      6. 1.1.6. 采样和量化
        1. 1.1.6.1. 采样
        2. 1.1.6.2. 量化
    2. 1.2. 遥感图像的类型
    3. 1.3. 遥感数据的级别和数据格式
      1. 1.3.1. 遥感数据与遥感数字图像
      2. 1.3.2. 元数据
      3. 1.3.3. 数据产品级别和格式
      4. 1.3.4. 遥感图像通用数据格式
      5. 1.3.5. ENVI的数据格式
      6. 1.3.6. 遥感图像专用数据格式
    4. 1.4. 遥感数据的查询和检索
    5. 1.5. 图像的基本参数
      1. 1.5.1. 图像文件的坐标
      2. 1.5.2. 数字图像分辨率
      3. 1.5.3. 颜色和位
      4. 1.5.4. 计算公式
    6. 1.6. 思考

遥感数字图像的获取和存储

遥感图像的获取

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、存储、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。
在数据获取部分,传感器是核心,遥感平台是传感器的载体。

按照工作平台分:

  • 航天遥感
  • 航空遥感
  • 地面遥感

传感器类型

传感器又称为遥感器(remotesensor),是收集和记录电磁辐射能量信息的装置,也是信息获取的核心部件,包括航空摄影机、多光谱扫描仪、成像仪等。

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

分类

按工作方式分
主动:通过人工辐射源主动向目标发射强电磁波,然后传感器接收目标反射的回波,如各种形式的雷达,其工作波段集中在微波区。
被动:以太阳辐射和地物自然辐射为辐射源,其工作波段集中在电磁波的可见光和红外区。

按数据的记录方式分
非成像
成像

成像传感器按成像原理分为摄影成像和扫描成像两类,成像结果即遥感图像。

摄影成像方式的传感器主要是摄影机,包括框幅摄影机、缝隙摄影机、全景摄影机、多光谱摄影机等,在快门打开后几乎瞬间同时接收目标的电磁波能量,聚焦后记录下来成为一幅影像。常用的数码照相机就是摄影成像。

扫描成像方式是传感器逐点逐行地收集信息,地表各点的信息按一定顺序先后进入传器,经过一段时间后才能生成一幅图像。传感器按照扫描方式分为两种:目标面扫描传感器和影像面扫描传感器。

  1. 目标面扫描方式
    目标面扫描方式包括光学一机械扫描仪、成像雷达等,其收集系统直接对目标物扫描,一次一行顺序收集目标的信息,然后拼成一幅图像。舷向扫描+航向扫描。美国陆地卫星Landsat上的MSS(多光谱扫描仪)和TM(专题制图仪)就属于这一类。

  2. 影像面扫描方式
    影像面扫描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聚在靶面上形成一幅影像,然后利用摄像管中的电子束扫描靶面来收集数据,或依靠电荷耦合器件(CCD)组成的阵列进行电子扫描来获得数据。法国的地
    球观测实验卫星SPOT上装载的高分辨力可见光扫描仪就是一种线阵列推扫式CCD扫描仪。

当前常用的传感器:Landsat TM

电磁波谱与传感器

电磁波:在真空或介质中通过传输电磁场的振动而传输电磁能量的波。光波、热辐射、微波、无线电波
电磁波谱:各种电磁波按其波长大小排列构成的图谱

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。
  • 实际的波谱是连续的,波长是绝对的,波段是相对的。
  • 不同传感器中的相同波段编号,对应的波长不一定相同。
  • 任何物体,只要温度大于绝对零度,都能反射、发射、吸收电磁波

遥感工作的一个重要内容是通过选择波段或建立波段组合将特定的地物与其他地物分离开来。可见光和近红外光谱波段(光学遥感)常常用来增强或者分离特定的地物,如植被和水。

热红外能够用来测量表面温度,而且能在夜间获取数据。微波数据(有源和无源)与某些水文变量,如土壤含水量和降水量有很高的相关性。

大气窗口:电磁辐射能够透过大气层而未被完全反射、散射和吸收的波谱范围,大气窗口决定了遥感传感器波段的选择

传感器分辨力

传感器的分辨力指传感器区分特征相似或光谱特征相似的邻地力意味着区分能力强,能够区分小的相邻地物。是选择遥感数据的重要依据。
低分辨力意味着能够获取大范围的平均辐亮,但地物对象及其边界比较难辨认。

辐射分辨力

辐射分辨力是传感器区分所接收到的电磁波辐射强度差异的能力。在遥感图像中,图像的量化位数可以看做是辐射分辨力的近似表述

谱分辨力

能谱:波长小于10nm且能量大于102eV电磁波的粒子性明显,如x射线。
波谱:波长大于Imm且能量小于10-3eV电磁波的波动性明显,如微波。
光谱:波长和能量介于二者之间的电磁波,对光谱进行分析的方法则称为光谱分析法。波长范围越窄,波段数越多,谱分辨力越高

按照电波段范围,遥感可分为三类:可见光一反射红外遥感(简称为可见光遥感或光学遥感)、热红外遥感和微波遥感。

谱分辨力

传感器图像的波段名称用数字或字母来表示。例如,在Landsat7的ETM+数据中,B1波段为450~520nm。在微波波长范围内,1.5×108、3.0×108nm称为L波段。
不同遥感图像的相同波段编号并不意味着具有相同的波长范围。例如,SPOTHRV的B1波段与Landsat7ETM+的B1波段波长范围完全不同。
波段数与传感器和遥感平台编号的含意不同。例如,Landsat4表示的是遥感平台陆地资源卫星的第四颗卫星,不代表B4波段,也不代表有4个波段。
区分:波段、波长、波长范围

空间分辨力

在遥感图像中,是指能够详细区分的最小单元的尺寸或大小。空间分辨力通常用像素大小或视场角来表示。

视场角 FOV
瞬时视场角 IFOV

根据传感器的空间分辨力不同,遥感图像分为高空间分辨率图像、中空间分辨率图像、低空间分辨率图像

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。

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。
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。

分类:

  • 超短(短)周期时间分辨率
  • 中周期时间分辨率
  • 长周期时间分辨率

采样和量化

\begin{equation}
\begin{aligned}
&\mathrm{I}(\mathrm{x}, \mathrm{y})=f(\mathrm{g}(\mathrm{x}, \mathrm{y}))\\
&\text { f:采样和量化函数 }
\end{aligned}
\end{equation}

采样

将空间上连续的图像变换成离散点(即像素)的操作。
波普采样:产生波段和辐射强度,即像素值
空间采样:连续图像变成离散点(像素)

  1. 地物能量离散化
    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。

  2. 地物分布离散化
    模糊化、几何变形
    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(采样间隔、采样孔径)
    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。

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

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,降低量化位数减少了灰度级会导致假的轮廓

遥感图像的类型

  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。
    1)多光谱图像:TM图像、SPOT图像
    2)高光谱图像:MODIS图像
    3)高空间分辨率图像:高分1号,高分2号

  2. 相干图像
    微波遥感所产生的图像

遥感数据的级别和数据格式

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)。

元数据

是关于数据的数据。
元数据是重要的信息源。
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。

数据产品级别和格式

级别
你要使用哪个基本的数据
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。

遥感图像通用数据格式

  1. BSQ格式
    Band Sequential Format
    按波段顺序记录的数据格式

  1. BIL格式
    Band Interleaved by Line Format
    波段顺序交叉排列的数据存储格式

  1. BIP格式
    Band interleaved by pixel
    以像素为核心,每个块内为当前像素不同波段的像素值。

ENVI的数据格式

  1. 格式
    BSQ
  2. 复合文件
    一个文件中包括多个波段

遥感图像专用数据格式

  1. 陆地资源卫星L5的数据格式
    具有比较好的数据质量,提供数据的时间长,应用较广。

  2. 层次数据格式(HDF)
    美国伊利诺大学的国家超级计算应用中心(NCSA)于1987年研制开发的一种软件和函数库。常用的MODIS图像和中国环境1号卫星的高光谱图像的数据文件均为HDF格式。
    优势
    1)独立于操作平台的可移植性;
    2)超文本;
    3)自我描述性;
    4)可扩展性。

  3. TIFF图像格式
    图像格式复杂、存贮信息多。

  4. GeoTIFF图像格式
    GeoTIFF利用TIFF的可扩展性,在其基础上加了一系列标志地理信息的标签(Tag),来描述卫星成像系统、航空摄影、地图信息和DEM等。
    GeoTIFF描述地理信息条理清晰、结构严谨,且易于实现与其他遥感影像格式的转换,应用十分广泛。
    几何精纠正后的GEOtiff数据是有密级的!

遥感数据的查询和检索

遥感卫星的观测数据通常可通过该卫星的机构或世界各地的接收站、数据分发中心等有偿或无偿的获得

遥感数字图像是连续地物本身的离散表达,是地物能量的表达,像素值是对地物能量简介的描述

图像的基本参数

图像文件的坐标

像素在图像中的位置。对于任一波段的图像,左上角像素的坐标总是从0开始,向右向下按整数递增

经过几何纠正后,图像坐标用地图坐标来表示,按照选用的投影和坐标系不同,表示方法不同。以我国常用的高斯一克吕格投影为例,地图坐标使用直角坐标系表示,单位为米。最小值在图像左下角,且不为0,向东向北递增,间隔可以非整数

数字图像分辨率

单位长度所表达或获取的像素数量。点的相关术语
点(dot),用于量度打印机的分辨率,用dpi(每英寸的点数)表示。点是由打印机或照排机创建的真实的点。
样本点(sample),扫描图像或位图图像的分辨率,用spi(每英寸样本点数)表示。样本点是给定位置、色调或颜色的点。在图像中,sample常常用来表示图像的列。
像素(pixel),显示器用的分辨率,用ppi(每英寸像素数)表示。像素是显示器上用坐标(x,y)表示的单个点。
复合点(spot),由创建半色调图像的四色网点组成的点,用1pi(每英寸线数)表示。
分辨率(res),扫描图像的分辨率。是表示每毫米样本点数的另一个术语。res12表示每毫米12个样本点或305spi

owo

分辨率是指映射到图像平面上的单个像素的景物元素的尺寸。
单位:像素/英寸,像素/厘米
(如:扫描仪的指标 300dpi

或者是指要精确测量和再现一定尺寸的图像所必需的像素个数。
单位:像素x像素
(如:数码相机指标30万像素(640x480))

颜色和位

颜色在经过图像处理软件的数字化处理之后,转变成了数字的形态,即由一个一个的位(Bit)所组成,位中存储颜色的情况如下:
1位:2种颜色
2位:4种颜色
4位:16种颜色
8位:256种颜色
16位:65536种颜色
24位:1677万种颜色
32位:1677万种颜色加256级灰度
36位:687亿种颜色和4.96级灰度值

计算公式

像素总量

\begin{equation}
\text { 像素总量=宽度*高度(以像数点计算) }
\end{equation}

文件大小

\begin{equation}
\text { 文件大小=像素总量*单位像素大小 (byte) }
\end{equation}

单位像素大小是怎样计算的呢?最常用的RGB模式中1个像素点等于3个byte,CMYK模式1个像素等于4个byte,而灰阶模式和点阵模式一个像素点是1个byte。

打印尺寸

\begin{equation}
\text { 打印尺寸=像素总量/设定分辩率(dpi) }
\end{equation}

思考

图像大小4368*2912,如果按照300DPI打印,可以打印多大?
4368/300=14.56
2912/300=9.7

RGB模式下,按照300dpi打印7寸照片,图像文件的大小可能是多少?
(3005)(3007)3

对于下面的10个数值,将按照8位进行量化

1 7.055475 222
2 5.33424 167
3 5.795186 181
4 2.895625 89
5 3.01948 93
6 7.747401 244
7 .1401764 1
8 7.607236 239
9 8.1449 256
10 7.090379 223