「科普」關於衛星遙感的解析度及圖像的那點事

開運集團 發佈 2022-03-21T20:05:05+00:00

衛星遙感,可以理解為遙遠的感知。遙感技術利用搭載在遙感平台上面的傳感器對目標地物發射或反射的電磁波信息記錄下來從而形成遙感影像(或其他遙感數據)。


衛星遙感,可以理解為遙遠的感知。遙感技術利用搭載在遙感平台上面的傳感器對目標地物發射或反射的電磁波信息記錄下來從而形成遙感影像(或其他遙感數據)。其中解析度作為傳感器成像系統對輸出影像細節辨別能力的一種度量,是遙感影像應用價值的重要技術指標,而對「影像細節」的不同度量則形成了多種不同類型的解析度,主要有空間解析度、光譜解析度和時間解析度。

空間解析度

對遙感影像空間細節信息的辨別能力,指傳感器能夠分辨最小目標地物大小,是實際衛星觀測影像中的一個像素所對應的地面範圍。如,WorldView-2衛星全色圖像空間解析度是0.5m,指的是影像中的一個像素所對應的實際地面大小為,高空間解析度圖像對於影響目標地物的識別和目視解譯等具有重要的作用;

光譜解析度

對影像中地物波譜細節信息的分辨能力,是衛星傳感器接收地物反射波譜時所能辨別的最小波長間隔,當間隔較小時,光譜解析度相應就會越髙,在同樣的波譜範圍下,通常影像波段數越多,光譜解析度越高,如高光譜影像往往比多光譜影像具有更髙的光譜解析度,高光譜解析度對於影像地物的分類識別等具有重要意義;

時間解析度

對同一地點的重複觀測能力,通常也把時間解析度稱為重訪周期,重訪周期越短,時間解析度越髙。髙時間解析度對於地物的動態變化檢測等具有重要作用。

據統計,超過70%的光學對地觀測衛星和航空攝影系統同時提供全色圖像與多光譜圖像,其中,全色圖像具有高空間解析度,但其只有一個波段;而多光譜圖像具有多個光譜波段,具有較高的光譜解析度,然而其空間解析度相對較低。因此,全色/多光譜融合技術得以提出和發展,該技術通過集成全色和多光譜影像之間的空、譜互補優勢,融合得到高空間解析度多光譜影像。

那麼問題來了,為什麼要用全色圖像和多光譜圖像?為什麼要融合?直接用一種圖像不就行了,下面開運聯合小編慢慢給您介紹。

具體來說,遙感影像空間解析度和光譜解析度的相互制約主要受以下兩方面因素的影響。

影像信噪比的限制

通常全色影像具有較寬的波譜範圍(大多數涵蓋可見光、近紅外),因此,進入其中的光子能量較多,其信噪比自然也就較好,成像質量較髙;而相比於全色波段,多光譜影像各波段光譜範圍較窄,進入其中的光子能量較少,為了收集更多的光子能量以確保多光譜影像具有較髙的信噪比,其所在傳感器的探測(感光)單元尺寸往往較大,這也就意味著衛星傳感器拍攝時的瞬時視場角(IFOV)較大,影像的空間解析度更低。

數據存儲與傳輸的限制

在數據存儲方面,高分多光譜影像比低分多光譜影像和全色影像數據存儲量大,這不僅對遙感衛星系統的數據存儲帶來一定的壓力,同時對數據的快速傳輸將帶來一定的困難。

綜上所述,將全色圖像和多光譜圖像融合,結合二者的優點,才能在實際應用中提供更好的數據來檢測和分析等。

下圖分別為空間解析度(全色圖像)和光譜解析度(多光譜圖像)的示意圖。

全色圖像

全色圖像是單通道的,其中全色是指全部可見光波段0.38~0.76um,全色圖像為這一波段範圍的混合圖像。因為是單波段,所以在圖上顯示為灰度圖片。全色遙感圖像一般空間解析度高,但無法顯示地物色彩,也就是圖像的光譜信息少。實際操作中,我們經常將全色圖像與多波段圖像融合處理,得到既有全色圖像的高解析度,又有多波段圖像的彩色信息的圖像。下圖是GF1衛星拍攝的全色圖像的例子。

多光譜圖像

多光譜圖像是指對地物輻射中多個單波段的攝取。得到的影像數據中會有多個波段的光譜信息。若取其中RGB三個波段的信息顯示,就是RGB彩色圖像。一般文獻顯示出來的多光譜圖像,其實是RGB三通道的圖像,有的波段不是人肉眼可見範圍內的。下圖是GF1衛星拍攝的多光譜圖像RGB三波段顯示的例子。

高光譜圖像

高光譜圖像則是由很多通道組成的圖像,具體有多少個通道,這需要看傳感器的波長解析度,每一個通道捕捉指定波長的光。把光譜想像成一條直線,由於波長解析度的存在,每隔一定距離才能「看到」一個波長。「看到」這個波長就可以收集這個波長及其附近一個小範圍的波段對應的信息,形成一個通道。也就是一個波段對應一個通道。多光譜圖像其實可以看做是高光譜圖像的一種情況,即成像的波段數量比高光譜圖像少。

高光譜遙感是當前遙感技術的前沿領域,它利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲得有關數據,它包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。高光譜遙感的出現是遙感界的一場革命,它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質,在高光譜遙感中能被探測。國際遙感界的共識是光譜解析度在λ/10數量級範圍的稱為多光譜(Multispectral),這樣的遙感器在可見光和近紅外光譜區只有幾個波段,如美國LandsatMSS,TM,法國的SPOT等;而光譜解析度在λ / 100遙感信息稱之為高光譜遙感 (HyPerspectral);隨著遙感光譜解析度的進一步提高,在達到λ / 1000時,遙感即進入超高光譜(ultraspectral)階段。

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