直觀是遙感圖像一個突出的優勢！——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(zhōng)看到更多(duō)細節，獲取更多(duō)的信息。遙感圖像(光學(xué))感知地表、分(fēn)辨地物(wù)和獲取信息能(néng)力的4大衡量指标包括：空間分(fēn)辨率、光譜分(fēn)辨率、時間分(fēn)辨率和輻射分(fēn)辨率。其中(zhōng)，空間分(fēn)辨率是最常提及和被關注的，它表示能(néng)夠檢測到最小(xiǎo)物(wù)體(tǐ)的能(néng)力。

空間分(fēn)辨率的值某種程度上量化了遙感圖像識别地物(wù)的能(néng)力，因此，它是一個非常重要的遙感圖像指标。之前多(duō)年，美國(guó)一直把空間分(fēn)辨率作(zuò)為(wèi)商(shāng)業遙感衛星圖像分(fēn)發的限制指标，比如，管制空間分(fēn)辨率優于0.3米的光學(xué)圖像商(shāng)業銷售。

雖然空間分(fēn)辨率的定義簡單形象，容易理(lǐ)解，但事實上這又(yòu)是一個讓不少人感到困惑的術語，進入到遙感領域後對它的疑惑可(kě)能(néng)有(yǒu)：

（1）為(wèi)什麽常用(yòng)地面采樣間距(GSD)來表達空間分(fēn)辨率的值，它和像元大小(xiǎo)是一回事嗎？

（2）空間分(fēn)辨率對應的是圖像上可(kě)分(fēn)辨的物(wù)體(tǐ)的大小(xiǎo)嗎？

（3）為(wèi)什麽同等空間分(fēn)辨率的不同圖像，有(yǒu)時候其中(zhōng)一個顯然更清晰；

（4）同一遙感圖像上不同像元的分(fēn)辨率是不變的嗎？

（5）空間分(fēn)辨率是越高越好嗎？

等等……

此文(wén)試圖對以上問題做一個回答(dá)，并幫助讀者深入理(lǐ)解遙感圖像的空間分(fēn)辨率。

1、一張超高空間分(fēn)辨率衛星遙感圖像

2019年，美國(guó)前總統特朗普在推特上發出了一張伊朗火箭發射現場的照片(圖1)，該照片當時引起了轟動和關注，主要原因有(yǒu)2點：一是圖像反映的事件本身——伊朗火箭發射失敗——畫面上可(kě)看到部分(fēn)設施被損毀，地面被染黑，推測在發射場發生了爆炸；二是圖像的超高分(fēn)辨率，專家推測該圖像空間分(fēn)辨率達到或優于0.1米。由于該發射基地在伊朗内陸的北部，無人機拍攝的可(kě)能(néng)性非常小(xiǎo)，極有(yǒu)可(kě)能(néng)由間諜衛星(鎖眼偵查衛星KH-11系列)拍攝。

圖1 伊朗Nahid-1衛星發射在發射台爆炸後特朗普發布該發射場俯視圖(2019年8月29日)▼

這張超高分(fēn)辨率的圖像一發出來就有(yǒu)人質(zhì)疑洩密了，圖像上可(kě)清晰看到發射場損毀設施的細節，并有(yǒu)文(wén)字标注；圓形發射台上的伊朗文(wén)字和四周的4個避雷塔也非常清楚；特别是其反映反射場的細節明顯優于美國(guó)商(shāng)業遙感衛星拍攝的圖像(見圖2和圖3)。圖2中(zhōng)Maxar公(gōng)司運營的商(shāng)業衛星圖像分(fēn)辨率在0.3-0.5米，圖3中(zhōng)Planet公(gōng)司運營的商(shāng)業衛星圖像分(fēn)辨率在0.5-3米，圖2和圖3的空間分(fēn)辨率與圖1差距明顯。不過它們都拍到了發射場的濃煙，在爆炸發生後的第一時間拍攝到了現場的真實情況，時效性更強。

圖2 伊朗Nahid-1衛星發射在發射台爆炸後Maxar公(gōng)布的其商(shāng)業遙感衛星拍攝照片▼

圖3 伊朗Nahid-1衛星發射在發射台爆炸後Planet公(gōng)布的其商(shāng)業遙感衛星拍攝照片▼

圖1讓人震驚的地方還在于，這是第一次公(gōng)開看到細節如此真實清晰的衛星照片，而且，從這張照片圖像中(zhōng)央的反光部分(fēn)可(kě)以看出來，它是先打印出來後再被用(yòng)相機拍攝的——由此推測，原衛星圖清晰度應該更高。

遙感圖像圖1的空間分(fēn)辨率優于圖2，圖2優于圖3，那麽到底什麽是空間分(fēn)辨率，它是如何定義和測量的？我們繼續往下看。

2、什麽是遙感圖像的空間分(fēn)辨率

遙感圖像的空間分(fēn)辨率是指圖像上可(kě)以檢測最小(xiǎo)單元的大小(xiǎo)，一般用(yòng)地面采樣間距(Ground Sample Distance, GSD)或像元大小(xiǎo)表示。

遙感圖像的空間分(fēn)辨率用(yòng)像元大小(xiǎo)表示很(hěn)容易理(lǐ)解，指數字圖像中(zhōng)一個像元(像素)對應地面上的大小(xiǎo)。例如10米的空間分(fēn)辨率圖像上，一個像元對應的地面大小(xiǎo)就是10米*10米。從這個形象的表示中(zhōng)我們可(kě)以知道，空間分(fēn)辨率的值越小(xiǎo)，圖像中(zhōng)的細節就越多(duō)。比如圖4中(zhōng)，30米空間分(fēn)辨率的圖像在顯示地物(wù)細節和信息量方面明顯優于250米空間分(fēn)辨率圖像，前者可(kě)以清晰分(fēn)辨舊金山(shān)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(guó)舊金山(shān)區(qū)域不同空間分(fēn)辨率圖像對比圖▼

表示圖像空間分(fēn)辨率的更專業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(xiǎo)。GSD的計算方式為(wèi)：GSD=(離地面距離*傳感器單個探測元大小(xiǎo))/焦距。如某一航飛系統，傳感器的單個探測元大小(xiǎo)0.009mm，光學(xué)系統焦距28mm，航高1800m，其GSD=(0.009mm*1800m)/28mm=0.6m。

需要注意的是，圖像像元大小(xiǎo)并不一定會與成像系統的GSD一緻，雖然大部分(fēn)情況下是一緻的。例如空中(zhōng)客車(chē)(Airbus)公(gōng)司的Pleiades-1A/1B高分(fēn)辨率光學(xué)衛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産(chǎn)品像元大小(xiǎo)為(wèi)0.5米，對外宣傳的圖像空間分(fēn)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(fēn)辨率)，那是因為(wèi)如圖5所示傳感器成像的投影點位置是最佳的GSD(分(fēn)辨率)，其它位置的GSD由于h變大會導緻GSD變大，這對于大幅寬的圖像尤為(wèi)明顯，如MODIS的1000米分(fēn)辨率圖像由于其高達2330千米的幅寬，在圖像邊緣GSD會變成2000米。對于可(kě)以大角度側擺成像的商(shāng)業遙感衛星，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(fēn)辨率(或GSD)大小(xiǎo)僅表明影像細節的可(kě)見程度，不代表能(néng)識别或區(qū)分(fēn)同等大小(xiǎo)的目标。事實上，當圖像空間分(fēn)辨率為(wèi)3米，該圖像上尺寸為(wèi)3米大小(xiǎo)的目标絕大部分(fēn)并不能(néng)被識别。空間分(fēn)辨率的值越低，其識别目标的能(néng)力越強，但是目标的可(kě)分(fēn)辨程度不完全取決于空間分(fēn)辨率，目标被識别與目标本身結構和圖像背景等因素相關，線(xiàn)性目标(鐵路、公(gōng)路、橋梁等)與單一背景反差較大時，即使目标尺寸小(xiǎo)于空間分(fēn)辨率的值也可(kě)以被識别；圖4上舊金山(shān)奧克蘭海灣大橋西段(連接舊金山(shān)市區(qū))的寬度為(wèi)20米，但是在空間分(fēn)别率60米的圖像上可(kě)以被分(fēn)辨，橋梁寬度不到空間分(fēn)辨率的1/3，這是因為(wèi)線(xiàn)性的橋梁與海面背景反差比較強烈。

圖像空間分(fēn)辨率随着成像條件(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、觀測角度等發生變化時，同一個衛星系統所拍攝的圖像分(fēn)辨率(或圖像清晰度)可(kě)能(néng)會有(yǒu)肉眼可(kě)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▼

再來看一段什麽是空間分(fēn)辨率的視頻。

視頻1 《什麽是空間分(fēn)辨率》視頻(該視頻來自ESERO Germany)▼

視頻解說文(wén)字：

（1）衛星觀測環境的準确性在很(hěn)大程度上取決于其傳感器的不同特性，關于地球表面的信息記錄有(yǒu)多(duō)精(jīng)确取決于它們，傳感器的空間分(fēn)辨率就是這些特性之一。空間分(fēn)辨率以米為(wèi)單位表示地球表面的大小(xiǎo)，由一個像元(像素)表示。但是什麽是像元呢(ne)？大多(duō)數衛星數據都表示太陽光在地球表面的反射率。我們之所以稱之為(wèi)栅格，是因為(wèi)每個圖像都是由數千行和數千列組成的網格，其中(zhōng)填充了地球相應區(qū)域的不同反射率值，并将這些網格中(zhōng)的各個單元稱為(wèi)像元。

（2）我們對低-中(zhōng)-高或非常高的空間分(fēn)辨率進行區(qū)分(fēn)。如果我們比較以下圖像，我們可(kě)以看到這種區(qū)别在實踐中(zhōng)的意義。在左邊的圖像中(zhōng)，空間分(fēn)辨率是30米，在右邊的圖像中(zhōng)是300米。在第一種情況下，一個像素對應于900平方米，而在第二種情況下對應于9萬平方米。哪個圖像的分(fēn)辨率更高？當然是左邊的那個。通過比較這兩張圖像，空間分(fēn)辨率的一個問題也變得清楚——混合像元。空間分(fēn)辨率越低，彼此靠近的目标被成像在一個像元中(zhōng)的概率就越高。由于像元包含所顯示的目标的反射率值，因此，具(jù)有(yǒu)多(duō)個目标的栅格單元中(zhōng)的值對應于不同目标反射值的平均值。随着混合像元數量的增加，圖像中(zhōng)不同區(qū)域的區(qū)分(fēn)變得更加困難。

（3）為(wèi)什麽我們不隻使用(yòng)高空間分(fēn)辨率的傳感器，這樣我們就可(kě)以一直獲得地球的詳細圖像。空間分(fēn)辨率的選擇是由圖像的應用(yòng)來決定的，并對以下因素進行權衡。

1）觀測系統：使用(yòng)哪種觀測系統是因為(wèi)圖像拍攝距離的長(cháng)短會産(chǎn)生差異，例如從飛機拍攝還是從遙遠(yuǎn)的衛星拍攝。對于一個特别詳細的制圖應用(yòng)，通常會選擇離地球盡可(kě)能(néng)短的距離(獲得高空間分(fēn)辨率)。

2）數據采集頻率：來自同一區(qū)域的新(xīn)數據的頻率。較粗分(fēn)辨率的需求允許對更大範圍的區(qū)域進行成像，同時縮短衛星再次飛越區(qū)域的時間。這對氣象衛星來說尤其重要。

3）傳感器靈敏度：需要記錄哪些波長(cháng)，随着空間分(fēn)辨率的提高，接收地球反射輻射的傳感器探元必須更小(xiǎo)。這也減少了照射到CCD傳感器上的輻射量。這可(kě)能(néng)導緻某些波長(cháng)範圍幾乎或完全不可(kě)能(néng)被記錄。空間分(fēn)辨率描述了傳感器記錄細節的能(néng)力，它以米為(wèi)單位，範圍從低到極高的空間分(fēn)辨率。使用(yòng)高分(fēn)辨率還是低分(fēn)辨率的傳感器主要取決于需要衛星數據的應用(yòng)領域。

3、遙感圖像空間分(fēn)辨率的測量

遙感圖像的GSD隻是一種理(lǐ)論值，或是整個成像系統的設計值，而實際分(fēn)辨率高度依賴于成像系統的其他(tā)限制因素，例如内部噪聲、探測器、光學(xué)系統等，這些都會降低成像質(zhì)量而達不到設計的GSD值。除了空間分(fēn)辨率，信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)和調制傳遞函數(Modulation Transfer Function, MTF)也是圖像質(zhì)量的關鍵指标，共同決定圖像對地物(wù)的分(fēn)辨能(néng)力。信噪比表征的是有(yǒu)效信号和無效噪聲的比值，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(néng)力越強，一般MTF值越高越好。

全球各地包括中(zhōng)國(guó)建立了一系列的遙感圖像幾何檢校場，通過固定的地面靶标，可(kě)以測量遙感圖像實際的空間分(fēn)辨率(地面分(fēn)辨距離Ground Resolved Distance, GRD)、MTF和信噪比等參數。空間分(fēn)辨率的測量一般使用(yòng)扇形靶标，MTF和信噪比測量使用(yòng)黑白方形靶标，見圖7、圖8、圖9和圖10。

圖7 中(zhōng)國(guó)(嵩山(shān))衛星遙感定标場圖▼

圖8 包頭國(guó)家高分(fēn)辨遙感綜合定标場圖▼

圖9 芬蘭Sjökulla檢驗場▼

圖10 韌邊法測量MTF(左圖棋盤格靶标，右圖MTF測量流程)▼

4、空間分(fēn)辨率的局限和提高

提升遙感圖像空間分(fēn)辨率一直是人們所追求的，特别是對于商(shāng)業衛星而言，空間分(fēn)辨率是體(tǐ)現技(jì )術實力和差異化的一個主要方面。當前0.3米是世界一流的指标，也許明後年就是0.1米了。需要說明的是，空間分(fēn)辨率的提升，是有(yǒu)限制或者說是局限的，主要體(tǐ)現在以下幾個方面：

（1）成像系統技(jì )術限制。成像系統能(néng)夠達到的最高分(fēn)辨率是有(yǒu)限的，這取決于成像系統的光學(xué)設計、探測器的像元大小(xiǎo)和數量等。一旦達到了極限，即使在提高圖像分(fēn)辨率的時候使用(yòng)更高分(fēn)辨率的探測器也無法提高空間分(fēn)辨率；

（2）數據下傳、處理(lǐ)和存儲限制。提高空間分(fēn)辨率會使得圖像數據量呈平方倍數增長(cháng)，需要更大的數據下傳帶寬、存儲空間和處理(lǐ)能(néng)力；

（3）空間分(fēn)辨率、光譜分(fēn)辨率和時間分(fēn)辨率是相互制約的關系。提升空間分(fēn)辨率，就得降低其它2個分(fēn)辨率的要求。

因此，遙感圖像空間分(fēn)辨率的提高是有(yǒu)限度的，需要在技(jì )術、成本、計算能(néng)力和應用(yòng)需求等多(duō)方面進行權衡和考慮。

空間分(fēn)辨率的提升除了光學(xué)系統改進、探測器性能(néng)提高之外，還有(yǒu)一種叫做超分(fēn)辨率的方式，超分(fēn)受到的限制少，成本相對較低，而且主要依賴地面系統的處理(lǐ)。超分(fēn)可(kě)以從低分(fēn)辨率圖像中(zhōng)得到高分(fēn)辨率圖像，主要有(yǒu)2種方式：

（1）一種方式需要依賴硬件，通過過采樣2幅低分(fēn)圖像重建得到高分(fēn)圖像；如圖11所示，SPOT-5衛星同時采集的兩張5米分(fēn)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(yòng)法國(guó)航天局(CNES)開發的特定的圖像處理(lǐ)軟件，經過交織(interleaving)、插值(interpolation)和恢複(restoration)三個處理(lǐ)步驟，重建最終獲得2.5米空間分(fēn)辨率的超分(fēn)圖像。

圖11 SPOT-5衛星遙感圖像超分(fēn)示意圖▼

（2）另一種方式是純通過對低分(fēn)圖像的技(jì )術處理(lǐ)(例如時下熱門的深度學(xué)習技(jì )術等)得到高分(fēn)圖像，如圖12和13所示，MAXAR公(gōng)司通過HD(HIGH-DEFINITION)技(jì )術得到比原圖分(fēn)辨率更高的圖像。

圖12 MAXAR公(gōng)司高分(fēn)衛星影像超分(fēn)前(30cm)後(15cm)對比圖▼

圖13 MAXAR公(gōng)司的世界觀測三号衛星(WorldView-3)超分(fēn)圖像(迪拜2021年9月14日)▼

5、空間分(fēn)辨率的最佳選擇

圖像空間分(fēn)辨率是遙感最重要的指标之一，圖像的細節水平取決于空間分(fēn)辨率，對其常見的誤解是分(fēn)辨率越高(細節越多(duō))越好。但實際情況是，高分(fēn)辨率遙感圖像并不總是最佳選擇，所需的細節因特定應用(yòng)業務(wù)或解決的問題而異。

遙感圖像數據是面向應用(yòng)的，适合應用(yòng)需求的數據就是最好的。不同的遙感應用(yòng)需要的空間分(fēn)辨率不同，如圖14所示精(jīng)準農業、地質(zhì)、林業、應急響應等應用(yòng)對空間分(fēn)辨率的要求不同，也是因為(wèi)不同的應用(yòng)對地表特征識别的要求不同，一般來說，較小(xiǎo)的地表特征需要更高的空間分(fēn)辨率才能(néng)夠被識别。

圖14 針對特定應用(yòng)空間分(fēn)辨率和時間分(fēn)辨率的權衡▼

另外，成本也是我們要考慮的因素，如圖15所示，商(shāng)業數據空間分(fēn)辨率和價格強相關，空間分(fēn)辨率越高(值越小(xiǎo))，價格越貴。空間分(fēn)辨率提升10倍(例如從5米到0.5米)，商(shāng)業數據的采購(gòu)費用(yòng)會增加數倍，此外數據的存儲和計算資源消耗會增加10*10=100倍。

圖15 空間分(fēn)辨率和圖像價格的關系▼

對于遙感圖像的空間分(fēn)辨率，“不是最貴的就是最好的”，我們要根據特定的應用(yòng)需求分(fēn)析來選擇最佳的空間分(fēn)辨率，而不是隻選最高的空間分(fēn)辨率數據。

6、總結

對本文(wén)開頭提出的5個問題，做一個簡要的回答(dá)總結。地面采樣間距綜合考慮了遙感衛星的光學(xué)系統和探測器情況，是一個比較合适表達空間分(fēn)辨率的設計值，也是業内普遍接受的表達；一般情況下GSD和像元大小(xiǎo)值是一樣的，但如果對衛星圖像重新(xīn)采樣(上或下采樣)這兩者的值就不一樣了；同等空間分(fēn)辨率(GSD值)的圖像，地物(wù)分(fēn)辨能(néng)力很(hěn)可(kě)能(néng)是不一樣的，因為(wèi)GSD隻是設計值或理(lǐ)論值，實際會受到衛星平台、光學(xué)系統和探測元件等因素影響圖像的“分(fēn)辨力”，一般衛星數據服務(wù)商(shāng)會提供空間分(fēn)辨率、MTF和信噪比的值來綜合體(tǐ)現其提供圖像的分(fēn)辨力，綜合指标更優的圖像會更清晰；圖像上不同像元的GSD是會變的，所以很(hěn)多(duō)時候都會強調是星下點空間分(fēn)辨率，這是圖像上分(fēn)辨率的最佳點；空間分(fēn)辨率的要視應用(yòng)需要而定，不是越高越好。