![CCTV-17農(nóng)業(yè)農(nóng)村 | [中國三農(nóng)報道]中國科學(xué)院植被病蟲害遙感監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng)升級版發(fā)布](/uploads/202208/630c32e37f65b.png)
直觀是遙感圖像一個突出的優(yōu)勢！——通過“上帝視角”觀察地面，提供高空俯視的圖像。大家都期待從遙感圖像中看到更多細(xì)節(jié)，獲取更多的信息。遙感圖像(光學(xué))感知地表、分辨地物和獲取信息能力的4大衡量指標(biāo)包括：空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和輻射分辨率。其中，空間分辨率是最常提及和被關(guān)注的，它表示能夠檢測到最小物體的能力。
空間分辨率的值某種程度上量化了遙感圖像識別地物的能力，因此，它是一個非常重要的遙感圖像指標(biāo)。之前多年，美國一直把空間分辨率作為商業(yè)遙感衛(wèi)星圖像分發(fā)的限制指標(biāo)，比如，管制空間分辨率優(yōu)于0.3米的光學(xué)圖像商業(yè)銷售。
雖然空間分辨率的定義簡單形象，容易理解，但事實上這又是一個讓不少人感到困惑的術(shù)語，進(jìn)入到遙感領(lǐng)域后對它的疑惑可能有：
（1）為什么常用地面采樣間距(GSD)來表達(dá)空間分辨率的值，它和像元大小是一回事嗎？
（2）空間分辨率對應(yīng)的是圖像上可分辨的物體的大小嗎？
（3）為什么同等空間分辨率的不同圖像，有時候其中一個顯然更清晰；
（4）同一遙感圖像上不同像元的分辨率是不變的嗎？
（5）空間分辨率是越高越好嗎？
等等……
此文試圖對以上問題做一個回答，并幫助讀者深入理解遙感圖像的空間分辨率。
1、一張超高空間分辨率衛(wèi)星遙感圖像
2019年，美國前總統(tǒng)特朗普在推特上發(fā)出了一張伊朗火箭發(fā)射現(xiàn)場的照片(圖1)，該照片當(dāng)時引起了轟動和關(guān)注，主要原因有2點：一是圖像反映的事件本身——伊朗火箭發(fā)射失敗——畫面上可看到部分設(shè)施被損毀，地面被染黑，推測在發(fā)射場發(fā)生了爆炸；二是圖像的超高分辨率，專家推測該圖像空間分辨率達(dá)到或優(yōu)于0.1米。由于該發(fā)射基地在伊朗內(nèi)陸的北部，無人機(jī)拍攝的可能性非常小，極有可能由間諜衛(wèi)星(鎖眼偵查衛(wèi)星KH-11系列)拍攝。
圖1 伊朗Nahid-1衛(wèi)星發(fā)射在發(fā)射臺爆炸后特朗普發(fā)布該發(fā)射場俯視圖(2019年8月29日)▼
這張超高分辨率的圖像一發(fā)出來就有人質(zhì)疑泄密了，圖像上可清晰看到發(fā)射場損毀設(shè)施的細(xì)節(jié)，并有文字標(biāo)注；圓形發(fā)射臺上的伊朗文字和四周的4個避雷塔也非常清楚；特別是其反映反射場的細(xì)節(jié)明顯優(yōu)于美國商業(yè)遙感衛(wèi)星拍攝的圖像(見圖2和圖3)。圖2中Maxar公司運營的商業(yè)衛(wèi)星圖像分辨率在0.3-0.5米，圖3中Planet公司運營的商業(yè)衛(wèi)星圖像分辨率在0.5-3米，圖2和圖3的空間分辨率與圖1差距明顯。不過它們都拍到了發(fā)射場的濃煙，在爆炸發(fā)生后的第一時間拍攝到了現(xiàn)場的真實情況，時效性更強(qiáng)。
圖2 伊朗Nahid-1衛(wèi)星發(fā)射在發(fā)射臺爆炸后Maxar公布的其商業(yè)遙感衛(wèi)星拍攝照片▼
圖3 伊朗Nahid-1衛(wèi)星發(fā)射在發(fā)射臺爆炸后Planet公布的其商業(yè)遙感衛(wèi)星拍攝照片▼
圖1讓人震驚的地方還在于，這是第一次公開看到細(xì)節(jié)如此真實清晰的衛(wèi)星照片，而且，從這張照片圖像中央的反光部分可以看出來，它是先打印出來后再被用相機(jī)拍攝的——由此推測，原衛(wèi)星圖清晰度應(yīng)該更高。
遙感圖像圖1的空間分辨率優(yōu)于圖2，圖2優(yōu)于圖3，那么到底什么是空間分辨率，它是如何定義和測量的？我們繼續(xù)往下看。
2、什么是遙感圖像的空間分辨率
遙感圖像的空間分辨率是指圖像上可以檢測最小單元的大小，一般用地面采樣間距(Ground Sample Distance, GSD)或像元大小表示。
遙感圖像的空間分辨率用像元大小表示很容易理解，指數(shù)字圖像中一個像元(像素)對應(yīng)地面上的大小。例如10米的空間分辨率圖像上，一個像元對應(yīng)的地面大小就是10米*10米。從這個形象的表示中我們可以知道，空間分辨率的值越小，圖像中的細(xì)節(jié)就越多。比如圖4中，30米空間分辨率的圖像在顯示地物細(xì)節(jié)和信息量方面明顯優(yōu)于250米空間分辨率圖像，前者可以清晰分辨舊金山的奧克蘭海灣大橋及其陰影，而250米的圖像則不行。
圖4 美國舊金山區(qū)域不同空間分辨率圖像對比圖▼
表示圖像空間分辨率的更專業(yè)方式是地面采樣間距GSD，GSD是圖像像元(單個探測元)在地面上的投影大小。GSD的計算方式為：GSD=(離地面距離*傳感器單個探測元大小)/焦距。如某一航飛系統(tǒng)，傳感器的單個探測元大小0.009mm，光學(xué)系統(tǒng)焦距28mm，航高1800m，其GSD=(0.009mm*1800m)/28mm=0.6m。
需要注意的是，圖像像元大小并不一定會與成像系統(tǒng)的GSD一致，雖然大部分情況下是一致的。例如空中客車(Airbus)公司的Pleiades-1A/1B高分辨率光學(xué)衛(wèi)星全色圖像其地面采樣間距是0.7米，但是對外提供的圖像產(chǎn)品像元大小為0.5米，對外宣傳的圖像空間分辨率也是0.5米。另外，一般我們會說星下點地面采樣間距(空間分辨率)，那是因為如圖5所示傳感器成像的投影點位置是最佳的GSD(分辨率)，其它位置的GSD由于h變大會導(dǎo)致GSD變大，這對于大幅寬的圖像尤為明顯，如MODIS的1000米分辨率圖像由于其高達(dá)2330千米的幅寬，在圖像邊緣GSD會變成2000米。對于可以大角度側(cè)擺成像的商業(yè)遙感衛(wèi)星，在大角度成像時其GSD也會大于星下點GSD，例如Worldview-3星下點全色GSD是0.31米，偏離星下點20°時GSD是0.34米。
圖5 GSD示意圖▼
空間分辨率(或GSD)大小僅表明影像細(xì)節(jié)的可見程度，不代表能識別或區(qū)分同等大小的目標(biāo)。事實上，當(dāng)圖像空間分辨率為3米，該圖像上尺寸為3米大小的目標(biāo)絕大部分并不能被識別?？臻g分辨率的值越低，其識別目標(biāo)的能力越強(qiáng)，但是目標(biāo)的可分辨程度不完全取決于空間分辨率，目標(biāo)被識別與目標(biāo)本身結(jié)構(gòu)和圖像背景等因素相關(guān)，線性目標(biāo)(鐵路、公路、橋梁等)與單一背景反差較大時，即使目標(biāo)尺寸小于空間分辨率的值也可以被識別；圖4上舊金山奧克蘭海灣大橋西段(連接舊金山市區(qū))的寬度為20米，但是在空間分別率60米的圖像上可以被分辨，橋梁寬度不到空間分辨率的1/3，這是因為線性的橋梁與海面背景反差比較強(qiáng)烈。
圖像空間分辨率隨著成像條件(成像幾何、成像天氣等)是會變的，例如成像時，太陽高度角、方位角、觀測角度等發(fā)生變化時，同一個衛(wèi)星系統(tǒng)所拍攝的圖像分辨率(或圖像清晰度)可能會有肉眼可見的明顯差異，如圖6所示。
圖6 同一區(qū)域不同成像條件下的圖像對比▼
再來看一段什么是空間分辨率的視頻。
視頻1 《什么是空間分辨率》視頻(該視頻來自ESERO Germany)▼
視頻解說文字：
（1）衛(wèi)星觀測環(huán)境的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于其傳感器的不同特性，關(guān)于地球表面的信息記錄有多精確取決于它們，傳感器的空間分辨率就是這些特性之一?？臻g分辨率以米為單位表示地球表面的大小，由一個像元(像素)表示。但是什么是像元呢？大多數(shù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)都表示太陽光在地球表面的反射率。我們之所以稱之為柵格，是因為每個圖像都是由數(shù)千行和數(shù)千列組成的網(wǎng)格，其中填充了地球相應(yīng)區(qū)域的不同反射率值，并將這些網(wǎng)格中的各個單元稱為像元。
（2）我們對低-中-高或非常高的空間分辨率進(jìn)行區(qū)分。如果我們比較以下圖像，我們可以看到這種區(qū)別在實踐中的意義。在左邊的圖像中，空間分辨率是30米，在右邊的圖像中是300米。在第一種情況下，一個像素對應(yīng)于900平方米，而在第二種情況下對應(yīng)于9萬平方米。哪個圖像的分辨率更高？當(dāng)然是左邊的那個。通過比較這兩張圖像，空間分辨率的一個問題也變得清楚——混合像元。空間分辨率越低，彼此靠近的目標(biāo)被成像在一個像元中的概率就越高。由于像元包含所顯示的目標(biāo)的反射率值，因此，具有多個目標(biāo)的柵格單元中的值對應(yīng)于不同目標(biāo)反射值的平均值。隨著混合像元數(shù)量的增加，圖像中不同區(qū)域的區(qū)分變得更加困難。
（3）為什么我們不只使用高空間分辨率的傳感器，這樣我們就可以一直獲得地球的詳細(xì)圖像。空間分辨率的選擇是由圖像的應(yīng)用來決定的，并對以下因素進(jìn)行權(quán)衡。
1）觀測系統(tǒng)：使用哪種觀測系統(tǒng)是因為圖像拍攝距離的長短會產(chǎn)生差異，例如從飛機(jī)拍攝還是從遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星拍攝。對于一個特別詳細(xì)的制圖應(yīng)用，通常會選擇離地球盡可能短的距離(獲得高空間分辨率)。
2）數(shù)據(jù)采集頻率：來自同一區(qū)域的新數(shù)據(jù)的頻率。較粗分辨率的需求允許對更大范圍的區(qū)域進(jìn)行成像，同時縮短衛(wèi)星再次飛越區(qū)域的時間。這對氣象衛(wèi)星來說尤其重要。
3）傳感器靈敏度：需要記錄哪些波長，隨著空間分辨率的提高，接收地球反射輻射的傳感器探元必須更小。這也減少了照射到CCD傳感器上的輻射量。這可能導(dǎo)致某些波長范圍幾乎或完全不可能被記錄。空間分辨率描述了傳感器記錄細(xì)節(jié)的能力，它以米為單位，范圍從低到極高的空間分辨率。使用高分辨率還是低分辨率的傳感器主要取決于需要衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
3、遙感圖像空間分辨率的測量
遙感圖像的GSD只是一種理論值，或是整個成像系統(tǒng)的設(shè)計值，而實際分辨率高度依賴于成像系統(tǒng)的其他限制因素，例如內(nèi)部噪聲、探測器、光學(xué)系統(tǒng)等，這些都會降低成像質(zhì)量而達(dá)不到設(shè)計的GSD值。除了空間分辨率，信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)和調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function, MTF)也是圖像質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，共同決定圖像對地物的分辨能力。信噪比表征的是有效信號和無效噪聲的比值，其值顯然越高越好；在給定的空間頻率下，MTF值越大，表明圖像對比度保持能力越強(qiáng)，一般MTF值越高越好。
全球各地包括中國建立了一系列的遙感圖像幾何檢校場，通過固定的地面靶標(biāo)，可以測量遙感圖像實際的空間分辨率(地面分辨距離Ground Resolved Distance, GRD)、MTF和信噪比等參數(shù)?？臻g分辨率的測量一般使用扇形靶標(biāo)，MTF和信噪比測量使用黑白方形靶標(biāo)，見圖7、圖8、圖9和圖10。
圖7 中國(嵩山)衛(wèi)星遙感定標(biāo)場圖▼
圖8 包頭國家高分辨遙感綜合定標(biāo)場圖▼
圖9 芬蘭Sj?kulla檢驗場▼
圖10 韌邊法測量MTF(左圖棋盤格靶標(biāo)，右圖MTF測量流程)▼
4、空間分辨率的局限和提高
提升遙感圖像空間分辨率一直是人們所追求的，特別是對于商業(yè)衛(wèi)星而言，空間分辨率是體現(xiàn)技術(shù)實力和差異化的一個主要方面。當(dāng)前0.3米是世界一流的指標(biāo)，也許明后年就是0.1米了。需要說明的是，空間分辨率的提升，是有限制或者說是局限的，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）成像系統(tǒng)技術(shù)限制。成像系統(tǒng)能夠達(dá)到的最高分辨率是有限的，這取決于成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計、探測器的像元大小和數(shù)量等。一旦達(dá)到了極限，即使在提高圖像分辨率的時候使用更高分辨率的探測器也無法提高空間分辨率；
（2）數(shù)據(jù)下傳、處理和存儲限制。提高空間分辨率會使得圖像數(shù)據(jù)量呈平方倍數(shù)增長，需要更大的數(shù)據(jù)下傳帶寬、存儲空間和處理能力；
（3）空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率是相互制約的關(guān)系。提升空間分辨率，就得降低其它2個分辨率的要求。
因此，遙感圖像空間分辨率的提高是有限度的，需要在技術(shù)、成本、計算能力和應(yīng)用需求等多方面進(jìn)行權(quán)衡和考慮。
空間分辨率的提升除了光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)、探測器性能提高之外，還有一種叫做超分辨率的方式，超分受到的限制少，成本相對較低，而且主要依賴地面系統(tǒng)的處理。超分可以從低分辨率圖像中得到高分辨率圖像，主要有2種方式：
（1）一種方式需要依賴硬件，通過過采樣2幅低分圖像重建得到高分圖像；如圖11所示，SPOT-5衛(wèi)星同時采集的兩張5米分辨率的全色圖像，這兩個圖像成像時是錯開半個像元排列的，使用法國航天局(CNES)開發(fā)的特定的圖像處理軟件，經(jīng)過交織(interleaving)、插值(interpolation)和恢復(fù)(restoration)三個處理步驟，重建最終獲得2.5米空間分辨率的超分圖像。
圖11 SPOT-5衛(wèi)星遙感圖像超分示意圖▼
（2）另一種方式是純通過對低分圖像的技術(shù)處理(例如時下熱門的深度學(xué)習(xí)技術(shù)等)得到高分圖像，如圖12和13所示，MAXAR公司通過HD(HIGH-DEFINITION)技術(shù)得到比原圖分辨率更高的圖像。
圖12 MAXAR公司高分衛(wèi)星影像超分前(30cm)后(15cm)對比圖▼
圖13 MAXAR公司的世界觀測三號衛(wèi)星(WorldView-3)超分圖像(迪拜2021年9月14日)▼
5、空間分辨率的最佳選擇
圖像空間分辨率是遙感最重要的指標(biāo)之一，圖像的細(xì)節(jié)水平取決于空間分辨率，對其常見的誤解是分辨率越高(細(xì)節(jié)越多)越好。但實際情況是，高分辨率遙感圖像并不總是最佳選擇，所需的細(xì)節(jié)因特定應(yīng)用業(yè)務(wù)或解決的問題而異。
遙感圖像數(shù)據(jù)是面向應(yīng)用的，適合應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)就是最好的。不同的遙感應(yīng)用需要的空間分辨率不同，如圖14所示精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、林業(yè)、應(yīng)急響應(yīng)等應(yīng)用對空間分辨率的要求不同，也是因為不同的應(yīng)用對地表特征識別的要求不同，一般來說，較小的地表特征需要更高的空間分辨率才能夠被識別。
圖14 針對特定應(yīng)用空間分辨率和時間分辨率的權(quán)衡▼
另外，成本也是我們要考慮的因素，如圖15所示，商業(yè)數(shù)據(jù)空間分辨率和價格強(qiáng)相關(guān)，空間分辨率越高(值越小)，價格越貴?？臻g分辨率提升10倍(例如從5米到0.5米)，商業(yè)數(shù)據(jù)的采購費用會增加數(shù)倍，此外數(shù)據(jù)的存儲和計算資源消耗會增加10*10=100倍。
圖15 空間分辨率和圖像價格的關(guān)系▼
對于遙感圖像的空間分辨率，“不是最貴的就是最好的”，我們要根據(jù)特定的應(yīng)用需求分析來選擇最佳的空間分辨率，而不是只選最高的空間分辨率數(shù)據(jù)。
6、總結(jié)
對本文開頭提出的5個問題，做一個簡要的回答總結(jié)。地面采樣間距綜合考慮了遙感衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)和探測器情況，是一個比較合適表達(dá)空間分辨率的設(shè)計值，也是業(yè)內(nèi)普遍接受的表達(dá)；一般情況下GSD和像元大小值是一樣的，但如果對衛(wèi)星圖像重新采樣(上或下采樣)這兩者的值就不一樣了；同等空間分辨率(GSD值)的圖像，地物分辨能力很可能是不一樣的，因為GSD只是設(shè)計值或理論值，實際會受到衛(wèi)星平臺、光學(xué)系統(tǒng)和探測元件等因素影響圖像的“分辨力”，一般衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)商會提供空間分辨率、MTF和信噪比的值來綜合體現(xiàn)其提供圖像的分辨力，綜合指標(biāo)更優(yōu)的圖像會更清晰；圖像上不同像元的GSD是會變的，所以很多時候都會強(qiáng)調(diào)是星下點空間分辨率，這是圖像上分辨率的最佳點；空間分辨率的要視應(yīng)用需要而定，不是越高越好。
010-5289 6043