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从人类视觉系统角度，人类感知的是电磁波可见光范围内的反射、辐射等信息。因此，对“图”与“像”的定义是，“图”是物体透射或反射光的能量分布，而“像”是人类视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或认识。在可见光图像（视觉图像）处理领域，图像是通过光学传感器形成的二维光强度函数，是三维物理世界在二维数据空间上获得的投影数据，其数值反映了目标或背景的物化特性。从广义角度来说，人类视觉系统既可以理解成一种光学传感器，也可以理解成一个“遥感”系统。但狭义上讲，遥感是指在航天或航空平台上，利用可见光、红外、微波等各种传感器，通过摄影、扫描等方式，对地球目标进行观测，接收并记录电磁波信号，再根据电磁波与地物目标的作用机理及对探测目标的电磁特性进行分析，进而获取目标特征及其变化信息的综合技术 [ 5 ] 。从应用需求角度，遥感对地观测要解决两个重要问题：一个是几何结构问题，另一个是物理属性问题。前者是摄影测量的目标，后者则要回答观测的对象是什么。这两个问题正是遥感技术要进一步解决的核心问题。
在应用中，遥感技术可以从以下几个角度进行分类 [5 ] 。
（1）根据搭载传感器的遥感平台距离地面高低不同，遥感技术可分为地面遥感（车载、舰船等）、航空遥感（飞机、气球等）和航天遥感（卫星、航天飞船等）。
（2）根据传感器探测方式的不同，遥感技术可分为主动式遥感和被动式遥感。前者由传感器主动地向被探测目标发射一定波长的电磁波，然后接收并记录从目标反射回来的电磁波；后者的传感器不向被探测目标发射电磁波，而是直接接收并记录目标反射太阳辐射或目标自身发射的电磁波。
（3）根据传感器探测电磁波波段的不同，遥感技术可分为紫外遥感（波长为0.3～0.38 μm）、可见光遥感（波长为0.38～0.76 μm）、红外遥感（波长为0.76～14 μm）、微波遥感（波长为1 mm～1 m）、多光谱/高光谱遥感（探测波段在可见光与近红外波段范围）等。
（4）根据遥感应用领域的不同，遥感技术可分为环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感和林业遥感等。
航空遥感是指从飞机、飞艇、氢气球等空中平台对地观测的遥感技术。1906年4月，美国旧金山发生7.9级地震。乔治·劳伦斯（George Lawrence）就从600 m左右的高空拍下了旧金山的震后废墟图像，如图1-6所示，航空摄影由此诞生。20世纪60年代初，人们在航空摄影技术的基础上发展了航空遥感这门新兴的技术。航空遥感的突出特点是灵活性强、图像分辨率高，但也存在飞行高度低、观测范围小等弊端。1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星Sputnik 1号，使人类探测宇宙空间成为可能。1972年，美国发射了第一颗陆地卫星多光谱扫描仪（Landsat multispectral scanner system，Landsat MSS），之后又发射了专题制图仪（thematic mapper，TM）和增强型专题制图仪（enhanced thematic mapper plus，ETM+）等系列卫星，并引入了多光谱的概念，标志着航天遥感时代的开始。遥感图像作为人类最直观认识遥远世界的载体，在各个领域都发挥了非常重要的作用。随之而来的，自然形成了遥感图像处理这个独特的新领域。遥感图像将人类直观感觉延伸到遥远的高空，成为直观感知和测控地面各种变化信息的重要途径。经过几十年的迅速发展，遥感技术已经成为一门实用、先进的空间探测技术。
图1-6 航空遥感图像
与地面观测相比，航空/航天遥感具有以下独特的特点。
（1）观测范围大。航空/航天遥感探测能在较短时间内，从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的遥感数据。这些数据拓展了人们的视觉空间，为宏观地掌握地面事物的现状情况创造了极为有利的条件，同时，也为宏观地研究自然现象和规律提供了宝贵的第一手资料。
（2）观测周期短。航空/航天遥感探测能周期性、重复地对同一地区进行多次对地观测，这有助于人们通过所获取的遥感数据，发现并动态地跟踪地球上许多事物的变化。在监测天气状况、自然灾害、环境污染，甚至军事目标等方面，遥感技术的应用都显得格外重要。
（3）数据综合性强。航空/航天遥感探测所获取的是同一时段、覆盖大范围地区的遥感数据，这些数据综合地展现了地球上许多自然与人文现象，宏观地反映了地球上各种事物的形态与分布，真实地体现了地质、地貌、土壤、植被、水文、人工构筑物等地物特征，全面地揭示了地理事物之间的关联性。
遥感技术的物理基础是电磁波及其对应的电磁波谱特性。遥感图像数据反映的是成像区域内地物电磁波辐射能量，具有明确的物理意义。地物反射和发射电磁波能量的能力又直接与地物目标本身的属性和状态有关。因此，对遥感图像像素值大小和变化规律进行分析和处理，可以有效地识别和研究地物类型及状态等。
根据麦克斯韦电磁场理论，空间任何电磁辐射源都会在其周围产生交变的电场，而交变的电场周围又会激发出交变的磁场，这种变化的电场和磁场的相互激发和交替，就形成了电磁场。电磁场是物质存在的一种形式，其在空间以波的形式传递电磁能量，这种波就称为电磁波，通常也称为电磁辐射。如图1-7所示，电磁波可以用波长
、频率
或角频率
、振幅
和相位
来描述，并用连续光滑的正弦波函数来表达：
（1-1）
图1-7 电磁波
电磁波在空间中以光速传播能量，其频率
f
和波长
的关系为
（1-2）
式中，
为光在真空中的传播速度。
电磁波波长
定义为从一个周期的任意一个位置到下一个周期的同一个位置之间的距离，用微米或纳米表示。频率
f
是在单位时间内通过一个点的波峰数目，用赫兹作为单位。二者中任何一个参数都可以描述一个电磁波的特点。习惯上，光学遥感的波段一般以波长为单位描述，而微波遥感则以频率为单位描述。
严格意义上讲，所有传感器感知到的信号都是电磁波信号，而区分这些信号的方法就是它们的波长。并且，不同波长的电磁波有着不同的物理性质，相同波长范围内的电磁波性质一致。电磁波按波长由短到长可依次分为：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。按照电磁波波长大小递增（或递减）顺序排列成的图谱就是所谓的电磁波谱，如图1-8所示。值得注意的是，这里的可见光、红外线、微波等不同波段之间实际上没有严格的界限，其边界也是渐变的。
图1-8 电磁波谱
如图 1-8 所示，人类视觉系统所感知的“可见光”部分，其实只占电磁波谱的极小范围。来自地球表面的任何物理能量，都可以通过不同的电磁波谱区域形成一幅图像，用以表达地球表面目标的不同特性。
虽然波动理论很容易描述电磁辐射的许多特性，但当电磁能量与物质相遇发生相互作用时，此时体现的是电磁波的粒子性，这就是粒子理论。该理论认为，把电磁波作为粒子对待时，光子的能量
正比于波的频率
，即
（1-3）
式中，
，为普朗克常量。
式（1-3）表明，辐射能量与其波长成反比，即电磁波波长越长，其辐射能量越小。因此，与相对较短波长辐射相比，自然界的长波辐射探测起来要更加困难，如地表特征的微波发射要比波长相对较短的红外辐射更难感应 [ 2 ] 。
由以上讨论可以总结出遥感图像处理中电磁波的两个基本性质，即电磁波的波动性和粒子性：电磁波在传播中主要表现为波动性，而当与物质相互作用时主要表现为粒子性。电磁波的波动性在光的干涉、衍射、偏振等现象中会得到充分的体现，是传感器设计的主要理论依据。电磁波的粒子性则是遥感成像及图像处理能够分辨地物目标的重要理论依据。一般来说，波长越短，辐射的粒子特性越明显；波长越长，辐射波动特性越明显。遥感技术正是利用电磁波的波粒二象性，实现对地物目标电磁辐射信息的探测，遥感图像处理也正是基于这些理论来完成目标信息的解译。
随着计算机技术、各种成像技术以及信号处理技术的不断发展，基于电磁波的不同波段特性，遥感图像在可见光全色图像的基础上，主要向着两个方向发展：一是增加波段数（提高光谱分辨率）；二是扩大电磁波探测范围（多传感器探测）。前者的典型遥感图像是多光谱图像和高光谱图像，后者的典型遥感图像是热红外图像和合成孔径雷达图像。遥感图像是利用不同电磁波波段对地面目标进行探测形成的像，形成了不同的地表特征，如表1-1所示 [6] ，进而可以从不同的角度探测多维度数据，并通过现代信号处理技术来充分挖掘、融合、解译有价值信息。
表1-1 应用于遥感的不同电磁波波段及形成的地表特征
下面就几种典型遥感图像及应用特性进行介绍，以便进一步理解遥感图像处理、解译及应用 [ 5 ] 。
在遥感领域，可见光全色图像就是通过遥感传感器在人类视觉系统可以感知的可见光波段范围内所形成的单波段遥感图像。可见光全色图像得到的是物体目标的亮度信息，没有光谱信息，体现的形式就是传统的黑白灰度图像。基于地表电磁波辐射特性及大气传输特点，可见光全色图像目前仍是获取高空间分辨率图像的最佳波段。
空间分辨率通常是指遥感图像分辨具有一定距离间隔的相邻两个点目标的能力，可以理解为单位像素对应的实际物理面积大小。空间分辨率越高，实际物理面积就越小，图像的纹理细节就越清晰，空间结构信息也就越丰富，这种分辨率往往又称为地面分辨率，是针对目标实际地面尺寸大小而言的。需要注意的是，还有一种定义的图像空间分辨率是数字图像分辨率，它是指数字图像上能够区分目标的最小单元。二者均反映对两个靠近目标的识别、区分能力，因此也称为分辨力。
在应用中，与空间分辨率一同考虑的是辐射分辨率。辐射分辨率是指对两个不同辐射源辐射量的分辨能力，体现的是传感器对地物目标探测的灵敏度，是目标识别等应用的一个很有意义的指标。辐射分辨率一般用量化后的分级数来表示，也就是最暗灰度值到最亮灰度值整个范围的分级数目。
可见光全色图像能够提供丰富的目标空间信息，如目标形状、面积等，可为目标辨识等应用提供依据。可见光全色图像是靠物体反射形成的，其形成受光源条件的影响较大（只能在晴朗的白昼形成）。此外，可见光全色图像无法显示地物色彩或光谱信息。
多光谱图像是针对可见光全色图像只能提供空间信息、缺少光谱信息的缺点提出来的。多光谱图像就是在可见光-近红外波段范围内，将地物辐射电磁波分隔成若干个光谱波段，在同一时间获得同一地物目标不同波段信息的遥感图像。从多波段这个角度，如果我们日常所用的黑白图像在遥感领域可以理解为可见光全色图像，那么彩色图像在遥感领域可以理解为是具有3个波段的多光谱图像。
不同地物具有不同的光谱特性，同一地物则有相同的光谱特性。不同地物在不同波段上的辐射能量各有差别，传感器获得的不同波段图像也就各不相同。多光谱遥感不仅可以根据图像的形态和结构差异来判别地物，也可以根据光谱特性差异来判别地物，进而扩大了遥感探测的信息量。目前，最典型的多光谱图像是美国陆地卫星（Landsat-7）图像，其专题制图仪（thematic mapper，TM）就包括7个波段，每个波段都有其特定功能，如表1-2所示 [6] 。
表1-2 Landsat-7 TM工作波段及其特定功能
相对于高空间分辨率可见光全色图像，多光谱图像的主要特点是波谱范围扩大、工作波段数增加，丰富了可利用的信息。此时，利用颜色突出信息，可使用户更易判读和解译图像，进而满足更深层次的应用需求。多光谱图像在可以提供多个波段光谱信息的同时，也存在空间分辨率相对较低的不足。因此，在实际应用中，常将多光谱图像与可见光全色图像进行融合处理，得到既含有可见光全色图像高空间分辨率的空间信息又包含有多波段图像光谱信息的融合图像，是遥感图像处理及解译的一个重要发展方向。
人们对相近目标进行辨识时，必须利用更多的谱段、更窄的谱段间隔。为此，在多光谱遥感基础上，人们提出了成像光谱学新概念。成像光谱学的典型应用是美国国家航空航天局喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制的机载可见光/红外成像光谱仪（airborne visible infrared imaging spectrometer，AVIRIS）和地球物理实验室研制的星载中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectrometer，MODIS）。成像光谱仪能够将成像技术和光谱技术相结合，在对目标空间特征成像的同时，也对每个空间像素进行连续的光谱覆盖，获得的图像包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息，既表现了地物空间结构分布的图像特征，也获得了像素或像素组的辐射强度及光谱信息，这样形成的遥感数据可以用“图像立方体”来形象描述，即“图谱合一”，如图1-9所示。该图像通常称为高光谱图像 [ 7] 。
*图1-9 高光谱图像立方体
与多光谱图像相比，高光谱图像具有更多的波段、更高的光谱分辨率。如图1-10（a）所示，典型的Landsat-7多光谱图像只有7个离散波段，而典型的AVIRIS高光谱图像包含224个波段，其光谱通常可以认为是连续的。光谱分辨率的提高使得许多原先利用多光谱图像不能解决的问题，现在利用高光谱图像可以得到解决。图1-10（b）所示为多光谱图像与高光谱图像的光谱分辨能力示意。对于具有微小双峰（对应差异非常小的光谱吸收峰的两种地物目标）变化的光谱曲线（黑色实线），高光谱图像能够很好地把它们分开，相对而言，多光谱图像由于光谱分辨率低而难以区分。这种光谱分辨能力通常称为光谱分辨率（点画线为实际分辨率，虚线为理想分辨率），体现了传感器接收目标辐射时能够分辨的最小波长间隔。间隔越小，光谱分辨率越高。光谱分辨率越高，专题研究的针对性越强，对目标物体就能实现更加精细的辨识，其应用分析的效果就越好。
图1-10 多光谱图像与高光谱图像的光谱比较
值得注意的是，在高光谱图像的具体应用中，除了要考虑波段的光谱分辨率，还要特别注意光谱波段的中心位置，也就是物体目标的波长吸收峰位置。
热红外图像是遥感领域的一个重要组成部分。自然界中的任何物体，当温度高于绝对零度（-273.15℃）时，均能向外辐射红外线。热红外遥感主要是利用传感器收集和记录地物目标的热红外信息，并利用其来辨识地物目标和反演其温度等参数的技术。热红外遥感包括两个大气窗口：中波红外（3～5 μm）和长波红外（8～14 μm）。热红外图像主要记录的是地球表面的辐射能量，可以弥补可见光全色图像必须具有光源提供能量才能形成的缺欠。与其他成像方式相比，热红外成像具有许多独特的特点：①热红外成像是依靠感知物体辐射的能量进行成像，其成像不受光照条件影响，可以在夜间成像，在相同成像质量的前提下，热红外成像能力要强于可见光成像；②相对于主动式雷达成像需要向外发射能量并感知，热红外成像依赖感知地物向外辐射的能量成像，属于被动成像，安全性和隐蔽性更好一些；③与可见光和雷达图像相比，热红外图像包含的辐射信息可以转化为温度值，在对一些目标进行检测等应用时，还可以通过温度参数对目标进行状态分析等 [ 8] 。
与可见光波长范围相比，热红外波长范围更大。随着波长的增加，电磁辐射能量会越来越小，更需要累积大量时间来保证足够大的能量。因此，相对于可见光、近红外传感器，热红外传感器的空间分辨率、对比度等一般相对较低，这给其图像处理算法的设计带来一定困难。在应用中，人们通常把热红外传感器分辨地物目标热辐射（温度）最小差异的能力称为温度分辨率。
与前面光学成像不同，微波遥感成像的显著特点是主动发射电磁波，具有不依赖太阳光照及气候条件的全天时、全天候对地观测能力，并对云雾、小雨、植被及干燥地物有一定穿透性。典型的微波遥感传感器就是合成孔径雷达，它利用脉冲压缩技术来提高距离分辨率，利用合成孔径原理来提高方位分辨率，从而可以获取距离上和方位上的高分辨率微波图像。在合成孔径雷达成像系统中，普遍所用的波段及相应的频率、波长范围如表1-3所示，其主要应用：①P波段和L波段用于叶簇穿透、地表下成像及生物估计；②L、S、C和X波段用于农业、海洋、冰或下沉的监测；③X波段和Ku波段用于雪的监测；④X波段和Ka波段用于更高分辨成像。目前，常用的是L、C和X波段 [ 9] 。
表1-3 合成孔径雷达成像系统中普遍采用的波段及相应的频率、波长范围
在合成孔径雷达成像过程中，电磁波与地表目标相互作用的机理难以直接反演地表物理现象，并且成像过程所必然带来的相干斑也使地物目标在合成孔径雷达图像中具有独特的信息特点。因此，合成孔径雷达图像处理的难度要难于光学图像处理。
合成孔径雷达成像的特点正好弥补了光学遥感器成像的缺欠，已成为航天遥感的重要发展方向和各国竞相开发研究的热点。随着极化合成孔径雷达和干涉合成孔径雷达等多波段、多极化技术的发展，人们可以获得地物目标不同波段的雷达回波响应及线极化状态下同极化与交叉极化特性，从而更加准确地探测不同目标信息。极化合成孔径雷达是指在极短的间隔内发射水平、垂直极化脉冲，并同时接收水平、垂直回波信号的雷达。极化合成孔径雷达不仅记录了相干回波信号的振幅变化，而且也记录了不同极化回波间的相位变化。干涉合成孔径雷达是指采用干涉测量技术的雷达，也称为双天线合成孔径雷达。干涉合成孔径雷达的关键在于利用两幅天线的视角差来获取同一区域目标的两幅相干合成孔径雷达图像，再利用两幅天线距离某点的斜距不同而导致的不同相位差信号干涉图，就可实现目标的高程值反演。
以上介绍的每种传感器所获得图像都有它们自己独特的特点和优势，也有自己的劣势。在实际应用中，如果能够对这些传感器所获得的多源图像进行融合，协同处理、取长补短，就可以进一步提高遥感图像的解译性能和应用潜能。多源遥感图像融合也是遥感图像处理技术及应用的重要研究方向。此外，在卫星遥感领域，还有一个与时间参数相关的概念就是多时相图像。多时相图像是指遥感传感器对同一地区不同时间所获得的遥感图像，它体现了遥感对同一个地区重复覆盖的能力，通常称为遥感图像的时间分辨率。
从现代技术层面上看，遥感图像处理技术及应用是一种根据电磁波理论，基于空天平台（航空、卫星等平台）上各种传感器，对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息进行探测和感知成像，并采用现代信号处理技术对获得的图像进行加工和处理，提取有价值的信息，进而服务于人类应用需求的一种综合技术。
作为主要的电磁辐射源之一，太阳发出的光也是一种电磁波，更是图像信号产生的第一环节。为此，遥感图像成像的物理过程可以描述为：能量首先从太阳辐射经历大气传输衰减到达地面，再与地面目标电磁辐射交互作用，最后经历大气到星载或机载载荷平台的传感器进行能量转换成像；这些遥感图像信息通过通信链路再经过大气传输被地面接收系统获得，然后经过加工或处理服务于人类应用需求，形成一个完整的遥感图像成像链，如图1-11所示 [1 0] 。
图1-11 遥感图像成像链
遥感图像成像链的具体组成模块有以下几个。
（1）信息源：信息源包括自然信息源和人工信息源。自然信息源能量主要来自太阳辐射，其波谱范围包括紫外、可见光、红外等，相应的遥感也称为光学遥感；人工信息源主要是人工发射的能量辐射，通常用于微波遥感。
（2）大气传输一：太阳辐射能量经过大气时，部分被大气中的微粒散射和吸收，使能量衰减，其衰减程度随着工作波长、时间、地点等不同而变化，其中透射率较高的波段，通常称为大气窗口。
（3）目标特性：经过大气窗口的能量与地物目标相互作用，被选择性地反射、吸收、透射、折射等，形成十分复杂的目标特性。
（4）大气传输二：地表反射能量或发射能量，再一次通过大气、再一次衰减。此时的能量已不同于大气传输一的均匀能量，而是包含不同地物目标波谱响应的能量，其大气效应对遥感数据探测影响较大。
（5）载荷系统：一般指由载荷平台和传感器一起构成的遥感信息获取系统。载荷系统通常包括探测地表反射或发射的被动遥感载荷系统，以及人为发射电磁能量并探测其返回辐射能量的主动遥感载荷系统。根据应用需求不同，可以设计不同的载荷系统，构成不同的遥感探测系统，通常它们各自都有自己的特点和局限性。
（6）地面接收系统：地面接收系统对应载荷系统上的发射系统，主要完成探测数据的接收、存储、处理和分发等功能。
（7）通信链路：对于传输型遥感系统，通信链路主要实现载荷发射系统和地面接收系统之间数据或指令信息的传输与交换。
（8）图像处理：遥感获得的数据，通过图像处理技术进行解译，从中提取出人们感兴趣的有价值信息。遥感图像是整个成像链路的输出结果，它所包含的灰度值是地表反射或辐射电磁能量的一种反映。
（9）应用需求：遥感探测信息的最终目的是服务于人类，满足人们的应用需求。因此，无论是遥感系统设计，还是图像处理算法研究都离不开应用需求的约束。应用需求涉及整个遥感图像成像链每个环节，它们之间相互依赖、相互关联、相互影响。
由图1-11所示的成像过程可见，如果遥感图像分析时只把图像看成“数据”，而不考虑产生“数据”的基本物理过程，这种处理及解译方式是不完备、脱离实际应用的。只有综合考虑成像过程，才能真正解译出人们需要的有价值信息。因此，在遥感图像处理及解译时，必须充分考虑图1-12所示的影响图像利用的因素 [ 11] ：①目标信息隐含在目标场景中，这些信息以图像信号的形式进行描述，主要包括目标大小等空间几何信息、目标材质等物理属性信息、目标温度等生化参数信息等；②大气传递造成信息退化或降质的影响因素，主要包括遥感平台高度、观测角、太阳角、大气条件（如气溶胶、春夏秋冬、阴晴雨天等）等；③传感器通过能量转换形成数字图像，其性能指标对图像质量的影响主要包括图像分辨率（包括空间、辐射、时间、光谱分辨率等）、噪声特性、失真、视场角等；④软件算法是数字图像处理的核心，其目的就是提取或反演目标场景中有价值的信息，算法设计需要考虑的因素包括合理算法的选择、最佳参数设置等；⑤应用是图像处理的最终目标，其需求又对软件处理算法设计与实现起着约束和评价的作用。
图1-12 影响图像利用的因素
总之，遥感图像处理技术及应用是一门对地观测的综合性技术，其重点是信息探测、传输与处理，而信息探测离不开信息源特性、信息处理离不开应用需求。因此，本书主要围绕被测目标的信息特征、信息获取、信息传输与记录、信息处理和信息应用等多角度进行系统介绍。