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一图胜千言:空间分辨率如何决定遥感图像的细节?

2023-06-16 321

直观是遥感图像一个突出的优势!——通过“上帝视角”观察地面,提供高空俯视的图像。大家都期待从遥感图像中看到更多细节,获取更多的信息。遥感图像(光学)感知地表、分辨地物和获取信息能力的4大衡量指标包括:空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率和辐射分辨率。其中,空间分辨率是最常提及和被关注的,它表示能够检测到最小物体的能力。

空间分辨率的值某种程度上量化了遥感图像识别地物的能力,因此,它是一个非常重要的遥感图像指标。之前多年,美国一直把空间分辨率作为商业遥感卫星图像分发的限制指标,比如,管制空间分辨率优于0.3米的光学图像商业销售。

虽然空间分辨率的定义简单形象,容易理解,但事实上这又是一个让不少人感到困惑的术语,进入到遥感领域后对它的疑惑可能有:

(1)为什么常用地面采样间距(GSD)来表达空间分辨率的值,它和像元大小是一回事吗?

(2)空间分辨率对应的是图像上可分辨的物体的大小吗?

(3)为什么同等空间分辨率的不同图像,有时候其中一个显然更清晰;

(4)同一遥感图像上不同像元的分辨率是不变的吗?

(5)空间分辨率是越高越好吗?

等等……

此文试图对以上问题做一个回答,并帮助读者深入理解遥感图像的空间分辨率。


1、一张超高空间分辨率卫星遥感图像

2019年,美国前总统特朗普在推特上发出了一张伊朗火箭发射现场的照片(图1),该照片当时引起了轰动和关注,主要原因有2点:一是图像反映的事件本身——伊朗火箭发射失败——画面上可看到部分设施被损毁,地面被染黑,推测在发射场发生了爆炸;二是图像的超高分辨率,专家推测该图像空间分辨率达到或优于0.1米。由于该发射基地在伊朗内陆的北部,无人机拍摄的可能性非常小,极有可能由间谍卫星(锁眼侦查卫星KH-11系列)拍摄。

图1 伊朗Nahid-1卫星发射在发射台爆炸后特朗普发布该发射场俯视图(2019年8月29日)▼

这张超高分辨率的图像一发出来就有人质疑泄密了,图像上可清晰看到发射场损毁设施的细节,并有文字标注;圆形发射台上的伊朗文字和四周的4个避雷塔也非常清楚;特别是其反映反射场的细节明显优于美国商业遥感卫星拍摄的图像(见图2和图3)。图2中Maxar公司运营的商业卫星图像分辨率在0.3-0.5米,图3中Planet公司运营的商业卫星图像分辨率在0.5-3米,图2和图3的空间分辨率与图1差距明显。不过它们都拍到了发射场的浓烟,在爆炸发生后的第一时间拍摄到了现场的真实情况,时效性更强。

图2 伊朗Nahid-1卫星发射在发射台爆炸后Maxar公布的其商业遥感卫星拍摄照片▼

图3 伊朗Nahid-1卫星发射在发射台爆炸后Planet公布的其商业遥感卫星拍摄照片▼

图1让人震惊的地方还在于,这是第一次公开看到细节如此真实清晰的卫星照片,而且,从这张照片图像中央的反光部分可以看出来,它是先打印出来后再被用相机拍摄的——由此推测,原卫星图清晰度应该更高。

遥感图像图1的空间分辨率优于图2,图2优于图3,那么到底什么是空间分辨率,它是如何定义和测量的?我们继续往下看。


2、什么是遥感图像的空间分辨率

遥感图像的空间分辨率是指图像上可以检测最小单元的大小,一般用地面采样间距(Ground Sample Distance, GSD)或像元大小表示。

遥感图像的空间分辨率用像元大小表示很容易理解,指数字图像中一个像元(像素)对应地面上的大小。例如10米的空间分辨率图像上,一个像元对应的地面大小就是10米*10米。从这个形象的表示中我们可以知道,空间分辨率的值越小,图像中的细节就越多。比如图4中,30米空间分辨率的图像在显示地物细节和信息量方面明显优于250米空间分辨率图像,前者可以清晰分辨旧金山的奥克兰海湾大桥及其阴影,而250米的图像则不行。

图4 美国旧金山区域不同空间分辨率图像对比图▼

表示图像空间分辨率的更专业方式是地面采样间距GSD,GSD是图像像元(单个探测元)在地面上的投影大小。GSD的计算方式为:GSD=(离地面距离*传感器单个探测元大小)/焦距。如某一航飞系统,传感器的单个探测元大小0.009mm,光学系统焦距28mm,航高1800m,其GSD=(0.009mm*1800m)/28mm=0.6m。

需要注意的是,图像像元大小并不一定会与成像系统的GSD一致,虽然大部分情况下是一致的。例如空中客车(Airbus)公司的Pleiades-1A/1B高分辨率光学卫星全色图像其地面采样间距是0.7米,但是对外提供的图像产品像元大小为0.5米,对外宣传的图像空间分辨率也是0.5米。另外,一般我们会说星下点地面采样间距(空间分辨率),那是因为如图5所示传感器成像的投影点位置是最佳的GSD(分辨率),其它位置的GSD由于h变大会导致GSD变大,这对于大幅宽的图像尤为明显,如MODIS的1000米分辨率图像由于其高达2330千米的幅宽,在图像边缘GSD会变成2000米。对于可以大角度侧摆成像的商业遥感卫星,在大角度成像时其GSD也会大于星下点GSD,例如Worldview-3星下点全色GSD是0.31米,偏离星下点20°时GSD是0.34米。

图5 GSD示意图▼

空间分辨率(或GSD)大小仅表明影像细节的可见程度,不代表能识别或区分同等大小的目标。事实上,当图像空间分辨率为3米,该图像上尺寸为3米大小的目标绝大部分并不能被识别。空间分辨率的值越低,其识别目标的能力越强,但是目标的可分辨程度不完全取决于空间分辨率,目标被识别与目标本身结构和图像背景等因素相关,线性目标(铁路、公路、桥梁等)与单一背景反差较大时,即使目标尺寸小于空间分辨率的值也可以被识别;图4上旧金山奥克兰海湾大桥西段(连接旧金山市区)的宽度为20米,但是在空间分别率60米的图像上可以被分辨,桥梁宽度不到空间分辨率的1/3,这是因为线性的桥梁与海面背景反差比较强烈。

图像空间分辨率随着成像条件(成像几何、成像天气等)是会变的,例如成像时,太阳高度角、方位角、观测角度等发生变化时,同一个卫星系统所拍摄的图像分辨率(或图像清晰度)可能会有肉眼可见的明显差异,如图6所示。

图6 同一区域不同成像条件下的图像对比▼

再来看一段什么是空间分辨率的视频。

视频1 《什么是空间分辨率》视频(该视频来自ESERO Germany)▼



视频解说文字:

(1)卫星观测环境的准确性在很大程度上取决于其传感器的不同特性,关于地球表面的信息记录有多精确取决于它们,传感器的空间分辨率就是这些特性之一。空间分辨率以米为单位表示地球表面的大小,由一个像元(像素)表示。但是什么是像元呢?大多数卫星数据都表示太阳光在地球表面的反射率。我们之所以称之为栅格,是因为每个图像都是由数千行和数千列组成的网格,其中填充了地球相应区域的不同反射率值,并将这些网格中的各个单元称为像元。

(2)我们对低-中-高或非常高的空间分辨率进行区分。如果我们比较以下图像,我们可以看到这种区别在实践中的意义。在左边的图像中,空间分辨率是30米,在右边的图像中是300米。在第一种情况下,一个像素对应于900平方米,而在第二种情况下对应于9万平方米。哪个图像的分辨率更高?当然是左边的那个。通过比较这两张图像,空间分辨率的一个问题也变得清楚——混合像元。空间分辨率越低,彼此靠近的目标被成像在一个像元中的概率就越高。由于像元包含所显示的目标的反射率值,因此,具有多个目标的栅格单元中的值对应于不同目标反射值的平均值。随着混合像元数量的增加,图像中不同区域的区分变得更加困难。

(3)为什么我们不只使用高空间分辨率的传感器,这样我们就可以一直获得地球的详细图像。空间分辨率的选择是由图像的应用来决定的,并对以下因素进行权衡。

1)观测系统:使用哪种观测系统是因为图像拍摄距离的长短会产生差异,例如从飞机拍摄还是从遥远的卫星拍摄。对于一个特别详细的制图应用,通常会选择离地球尽可能短的距离(获得高空间分辨率)。

2)数据采集频率:来自同一区域的新数据的频率。较粗分辨率的需求允许对更大范围的区域进行成像,同时缩短卫星再次飞越区域的时间。这对气象卫星来说尤其重要。

3)传感器灵敏度:需要记录哪些波长,随着空间分辨率的提高,接收地球反射辐射的传感器探元必须更小。这也减少了照射到CCD传感器上的辐射量。这可能导致某些波长范围几乎或完全不可能被记录。空间分辨率描述了传感器记录细节的能力,它以米为单位,范围从低到极高的空间分辨率。使用高分辨率还是低分辨率的传感器主要取决于需要卫星数据的应用领域。


3、遥感图像空间分辨率的测量

遥感图像的GSD只是一种理论值,或是整个成像系统的设计值,而实际分辨率高度依赖于成像系统的其他限制因素,例如内部噪声、探测器、光学系统等,这些都会降低成像质量而达不到设计的GSD值。除了空间分辨率,信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)和调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)也是图像质量的关键指标,共同决定图像对地物的分辨能力。信噪比表征的是有效信号和无效噪声的比值,其值显然越高越好;在给定的空间频率下,MTF值越大,表明图像对比度保持能力越强,一般MTF值越高越好。

全球各地包括中国建立了一系列的遥感图像几何检校场,通过固定的地面靶标,可以测量遥感图像实际的空间分辨率(地面分辨距离Ground Resolved Distance, GRD)、MTF和信噪比等参数。空间分辨率的测量一般使用扇形靶标,MTF和信噪比测量使用黑白方形靶标,见图7、图8、图9和图10。

图7 中国(嵩山)卫星遥感定标场图▼

图8 包头国家高分辨遥感综合定标场图▼

图9 芬兰Sjökulla检验场▼

图10 韧边法测量MTF(左图棋盘格靶标,右图MTF测量流程)▼


4、空间分辨率的局限和提高

提升遥感图像空间分辨率一直是人们所追求的,特别是对于商业卫星而言,空间分辨率是体现技术实力和差异化的一个主要方面。当前0.3米是世界一流的指标,也许明后年就是0.1米了。需要说明的是,空间分辨率的提升,是有限制或者说是局限的,主要体现在以下几个方面:

(1)成像系统技术限制。成像系统能够达到的最高分辨率是有限的,这取决于成像系统的光学设计、探测器的像元大小和数量等。一旦达到了极限,即使在提高图像分辨率的时候使用更高分辨率的探测器也无法提高空间分辨率;

(2)数据下传、处理和存储限制。提高空间分辨率会使得图像数据量呈平方倍数增长,需要更大的数据下传带宽、存储空间和处理能力;

(3)空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率是相互制约的关系。提升空间分辨率,就得降低其它2个分辨率的要求。

因此,遥感图像空间分辨率的提高是有限度的,需要在技术、成本、计算能力和应用需求等多方面进行权衡和考虑。

空间分辨率的提升除了光学系统改进、探测器性能提高之外,还有一种叫做超分辨率的方式,超分受到的限制少,成本相对较低,而且主要依赖地面系统的处理。超分可以从低分辨率图像中得到高分辨率图像,主要有2种方式:

(1)一种方式需要依赖硬件,通过过采样2幅低分图像重建得到高分图像;如图11所示,SPOT-5卫星同时采集的两张5米分辨率的全色图像,这两个图像成像时是错开半个像元排列的,使用法国航天局(CNES)开发的特定的图像处理软件,经过交织(interleaving)、插值(interpolation)和恢复(restoration)三个处理步骤,重建最终获得2.5米空间分辨率的超分图像。

图11 SPOT-5卫星遥感图像超分示意图▼

(2)另一种方式是纯通过对低分图像的技术处理(例如时下热门的深度学习技术等)得到高分图像,如图12和13所示,MAXAR公司通过HD(HIGH-DEFINITION)技术得到比原图分辨率更高的图像。

图12 MAXAR公司高分卫星影像超分前(30cm)后(15cm)对比图▼

图13 MAXAR公司的世界观测三号卫星(WorldView-3)超分图像(迪拜2021年9月14日)▼


5、空间分辨率的最佳选择

图像空间分辨率是遥感最重要的指标之一,图像的细节水平取决于空间分辨率,对其常见的误解是分辨率越高(细节越多)越好。但实际情况是,高分辨率遥感图像并不总是最佳选择,所需的细节因特定应用业务或解决的问题而异。

遥感图像数据是面向应用的,适合应用需求的数据就是最好的。不同的遥感应用需要的空间分辨率不同,如图14所示精准农业、地质、林业、应急响应等应用对空间分辨率的要求不同,也是因为不同的应用对地表特征识别的要求不同,一般来说,较小的地表特征需要更高的空间分辨率才能够被识别。

图14 针对特定应用空间分辨率和时间分辨率的权衡▼

另外,成本也是我们要考虑的因素,如图15所示,商业数据空间分辨率和价格强相关,空间分辨率越高(值越小),价格越贵。空间分辨率提升10倍(例如从5米到0.5米),商业数据的采购费用会增加数倍,此外数据的存储和计算资源消耗会增加10*10=100倍。

图15 空间分辨率和图像价格的关系▼

对于遥感图像的空间分辨率,“不是最贵的就是最好的”,我们要根据特定的应用需求分析来选择最佳的空间分辨率,而不是只选最高的空间分辨率数据。


6、总结

对本文开头提出的5个问题,做一个简要的回答总结。地面采样间距综合考虑了遥感卫星的光学系统和探测器情况,是一个比较合适表达空间分辨率的设计值,也是业内普遍接受的表达;一般情况下GSD和像元大小值是一样的,但如果对卫星图像重新采样(上或下采样)这两者的值就不一样了;同等空间分辨率(GSD值)的图像,地物分辨能力很可能是不一样的,因为GSD只是设计值或理论值,实际会受到卫星平台、光学系统和探测元件等因素影响图像的“分辨力”,一般卫星数据服务商会提供空间分辨率、MTF和信噪比的值来综合体现其提供图像的分辨力,综合指标更优的图像会更清晰;图像上不同像元的GSD是会变的,所以很多时候都会强调是星下点空间分辨率,这是图像上分辨率的最佳点;空间分辨率的要视应用需要而定,不是越高越好。