当我们看到一张卫星遥感图像时，不论是专家还是普通大众，一般常见的问题就是它的空间分辨率是多少？当一颗新的成像遥感卫星发射成功时，介绍卫星的关键指标也是它的图像空间分辨率。空间分辨率是卫星遥感中最常见的名词，是任何遥感图像用户的核心，通常是在某项应用中用户选择一种卫星图像而不选择另一种卫星图像的决定性因素，也是商业遥感卫星相互比拼竞争的热点指标。
空间分辨率从字面意思来看，很好理解，一般会把空间分辨率等同于图像的细节程度，能否看清楚某些感兴趣的目标(例如小汽车)，但是空间分辨率实际使用中会有一些不一致和潜在误导性的用法，会让刚进入遥感领域的人甚至专家感到困惑。以下将重点介绍光学卫星图像的空间分辨率(雷达图像更复杂)，并解释表示空间分辨率大小的3个量：像元大小、地面采样间距和地面分辨距离。看完本文将对空间分辨率有更深入的认识和理解。
像元大小(Pixel Size)
空间分辨率是指遥感图像上能够识别的两个相邻地物的最小距离。空间分辨率的值越小，图像的细节越丰富，识别地物的能力越强。遥感数字图像的空间分辨率一般会用图像的像元大小(Pixel Size)来表示。
遥感数字图像是栅格图像，由纵横成排的小格来表示图像，最小单元就是一个方方正正的小格子——像元(如图1所示)，每个像元正方形格子边长所对应的地面长度，就是像元大小。图1从左自右示意了像元大小为30米、5米和1米的格子表示30*30米的地面场景(抽象)。抽象的蓝色多边形地面房屋在像元大小为30米的图像上只被表示为1个像元点，但是在像元大小为5米的图像上被表示为27个像元点，在像元大小为1米的图像上被表示为超过500个像元点；这也表明图像像元越小，表现地物细节的能力就越强。
图1 像元大小及其对地物的显示示意图
地面采样间距(Ground Sample Distance)
遥感专业人士一般会用地面采样间距来表示遥感图像的空间分辨率，地面采样间距是光学传感器的每个探测像元所对应的地面间距，如图2所示地面采样间距与传感器探测像元大小、光学系统焦距、成像高度等相关，在遥感卫星这几个参数都确定的情况下，通过一个简单的几何三角公式就可以计算出地面采样间距。
图2 地面采样间距示意图
一般提地面采样间距都会用星下点地面采样间距，为什么要特别强调星下点，也就是天底(Nadir)，因为非天底成像距离会发生变化，导致GSD变大。现在的商业卫星都具有大角度成像能力，例如Worldview-3卫星0°角成像和20°角成像地面采样间距有10%的变化。地面采样间距也称为探测器分辨率，考虑了卫星成像系统的情况，是一个比较好的空间分辨率表示。但其未考虑遥感卫星光学系统的分辨率，也有一些遥感图像地面采样间距相同，但空间分辨率明显不同的情况，如图3所示。当前国内外有多家商业遥感卫星公司都提供地面采样间距为0.5米的卫星图像，光看0.5米分辨率这个指标似乎图像没有差异，但是这些图像实际的空间分辨率还是有差异的，有的甚至差异很大。举一个极端的例子，5000千克的军用遥感卫星相比于一个50千克的商业遥感卫星，地面采样间距同样是0.5米，它们实际的空间分辨率能是一样的吗？为什么会出现这种情况，是因为遥感卫星图像实际的空间分辨率还受到光学系统的影响，简单来说跟我们手机一样，大尺寸镜头和好的光学系统会有更佳的成像质量和更好空间分辨率。真实的空间分辨率用地面分辨距离(Ground Resovled Distance)来表示。
图3 两幅地面采样间距相同但图像分辨能力不同的图比较(英文原图引自Pleiades用户手册)
地面分辨距离(Ground Resolved Distance)
地面分辨距离可以通过遥感卫星光学系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)或点扩散函数(Point Spread Function, PSF)来估计，也可以使用地面几何定标场的靶标来计算，图4是Pleiades和SPOT-6卫星的全色和多光谱传感器对中国包头几何定标场靶标的成像图。通过地面靶标实测的地面分辨率距离是真实的空间分辨率。不过也要注意到地面目标是不一样的，目标在图像上的可分辨程度不完全取决于空间分辨率的具体数值，还与目标的形状、大小和背景的差异相关。
图4 Pleiades和SPOT-6卫星拍摄的中国包头地面几何定标场靶标
总 结
空间分辨率本意是指遥感图像上能够识别的两个相邻地物的最小距离，其值可以由像元大小、地面采样间距和地面分辨距离表示。一般情况下像元大小可以用来表示空间分辨率，但是会存在图像下采样和上采样的情况；更专业的表示是地面采样间距，不过也会存在地面采样间距一样，但实际空间分辨率差异较大的情形；实测的地面分辨距离是真实的空间分辨率，同时也要注意不同地物目标的识别区分不仅仅与空间分辨率数值相关，还与目标形状、大小和背景相关。
文章转载自微信公众号天空观察实验室
