彩色遙感圖像的幾何校正

1、第24卷第12期系統(tǒng)工程與電子技術(shù)Systems Engineering and E lectronicsV ol 124,N o 1122002收稿日期:2001-10-23修訂日期:2001-12-27作者簡介:王雪晶(1974-,女,博士研究生,主要研究方向為圖像處理。文章編號:1001506X (200212012603彩色遙感圖像的幾何校正王雪晶1,魏仲慧2,孫文軍2,郝志航2(11北京化工大學(xué),北京100029;21中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長春130022摘要:遙感成像時,由于飛行器的姿態(tài)(側(cè)滾、俯仰、偏航、高度、速度等因素的變化及傳感器自身特性造成圖像像素相對

2、于地面目標(biāo)的幾何畸變。利用由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同步記錄的CC D 線陣傳感器的外方位元素和在實驗室標(biāo)定的CC D 像元的內(nèi)方位元素建立3條CC D 線陣傳感器成像的幾何校正模型,通過仿真實現(xiàn)了遙感成像的幾何畸變及幾何校正。關(guān)鍵詞:幾何校正;共線性方程;內(nèi)方位元素;外方位元素中圖分類號:T N957文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AThe G eometric Correction of Color R emote Sensing Im ageW ANG Xue 2jing 1,WEI Zhong 2hui 2,S UN Wen 2jun 2,H AO Zhi 2hang 2(1.Beijing University o

3、 f Chemical Technology ,Beijing 100029,China ;2.Changchun Institute o f Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy o f Sciences ,Changchun 130022,China Abstract :When rem ote sensing ,the change of the aircraft s attitude data (roll ,pitch ,yaw ,height ,speed and the property of sens or its

4、elf causes the geometric distortions of image pixels relative to surface objects.A geometric correction m odel of tri 2CC D line sens or imaging is established by use of outer orientation elements synchron ously recorded by I M U and inner orientation elements cali 2brated in the lab.At last geometr

5、ic distortions and geometric corrections are simulated on the com puter.K eyw ords :G eometric correction ;C ollinearity equation ;Inner orientation element ;Outer orientation element1引言由于彩色圖像較灰度圖像含有更豐富的信息,使目標(biāo)更易識別,所以目前獲取彩色遙感信息備受關(guān)注。捕獲彩色遙感圖像的傳統(tǒng)方法是利用分光棱鏡把可見光分成紅、綠、藍(lán)3個彩色波段,3束光同時到達(dá)焦平面,則同一時刻記錄的3個彩色分量反映同一地物

6、點。而本文探討的彩色遙感圖像是在缺省分光棱鏡的情況下,利用3條CC D 線陣的不同敏感特性將可見光分成紅、綠、藍(lán)3個彩色波段,則同一時刻記錄的3個彩色分量值對應(yīng)不同的地物點,即同一地物點的3個彩色分量對應(yīng)著不同的記錄時間,因此輸出的彩色圖像的3個彩色分量存在位置偏移,這是由于傳感器本身造成的恒定的幾何畸變。另外,遙感成像時,由于飛行器的姿態(tài)(側(cè)滾、俯仰、偏航、高度、速度等因素的變化而造成圖像相對于地面目標(biāo)的幾何畸變,畸變表現(xiàn)為像元相對于地面目標(biāo)實際位置發(fā)生擠壓、扭曲、伸展和偏移等,這種畸變是隨機(jī)產(chǎn)生的。無論哪種濾光方式,都需要幾何校正,傳統(tǒng)濾光方法可以認(rèn)為3條線陣在焦平面的相同位置,而CC D

7、 濾光方法的3條線陣處于焦平面的不同位置,但兩者幾何校正的計算復(fù)雜性是相同的,且與傳統(tǒng)濾光方法相比具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)點。在實際應(yīng)用中,遙感圖像的幾何校正經(jīng)常使用多項式作為變換函數(shù)進(jìn)行幾何校正,因為它的原理比較直觀,并且計算較為簡單,特別是對地面相對平坦的情況,校正精度很好。多項式法回避了成像的空間幾何過程,而直接對圖像變形本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬,認(rèn)為遙感圖像的幾何畸變可以看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲等基本變形的合成,因而校正前后圖像相應(yīng)點之間的坐標(biāo)變換關(guān)系可以用一個適當(dāng)?shù)亩囗検絹肀磉_(dá)。多項式的系數(shù)可根據(jù)地面控制點按最小二乘法求解,在圖像上和地形圖上(或地面實況尋找一些典型的地物目

8、標(biāo)作為控制點,這些控制點要均勻分布,然后查找和計算圖像坐標(biāo)和大地坐標(biāo),有了這些控制點的已知數(shù)據(jù),就可以求取多項式的系數(shù)。選擇的控制點數(shù)量要適當(dāng),點數(shù)太少則幾何校正的精度不夠,太多則計算量太大。本文探討了共線性立程校正法在3條CC D 線陣推掃式傳感器成像的應(yīng)用,這種方法是建立在對傳感器成像時的位置和姿態(tài)進(jìn)行模擬和解算的基礎(chǔ)上,即構(gòu)像瞬間的像點與其相應(yīng)地面點位于通過傳感器投影中心的一根直線上。該法理論上嚴(yán)密,同時考慮了地物點高程的影響,因此校正精度較高,特別是對起伏較大的地區(qū)的影響校正,更顯示其優(yōu)越性。在動態(tài)傳感器成像過程中,傳感器的位置和姿態(tài)隨時間而變化,以往外方位元素在掃描過程中的變化規(guī)律只

9、能近似表達(dá),因此共線性方程在理論上的嚴(yán)密性就難以嚴(yán)格保持。但隨著現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及G PS定位技術(shù)的發(fā)展,在飛行過程中,掃描圖像的同時可以記錄飛行器的姿態(tài)、運(yùn)動、位置等參數(shù),因此提供了利用共線性方程進(jìn)行精確幾何校正的參數(shù)。2三線陣CCD推掃式傳感器成像的幾何校正模型建立CC D線陣推掃式傳感器成像的幾何校正模型就是要建立校正前后圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系,如果己知一地物點坐標(biāo)分別與校正后圖像坐標(biāo)的關(guān)系和校正前圖像坐標(biāo)的關(guān)系,由于地物點坐標(biāo)是相同的,就可以得到校正前后圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系。所以,關(guān)鍵問題是找到地物點的圖像坐標(biāo)(x,y與地面坐標(biāo)(X,Y,Z之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,根據(jù)它們之間的關(guān)系可將其分成兩部分,

10、一部分是地物點的圖像坐標(biāo)與焦平面坐標(biāo)之間的變換關(guān)系,另一部分是焦平面坐標(biāo)與地面坐標(biāo)之間的變換關(guān)系。211地物點的圖像坐標(biāo)與焦平面坐標(biāo)之間的變換關(guān)系CC D的3條線陣列在焦平面上間隔相等且相互平行排列,分別捕獲可見光的紅、綠、藍(lán)波段的信息,結(jié)果是每條線對應(yīng)一幅灰度圖像,所以對于每幅圖像而言,要找到像素與其在焦平面上的位置之間的對應(yīng)關(guān)系,就需要在相機(jī)標(biāo)定過程中,精確地標(biāo)定每個CC D像元在焦平面上的坐標(biāo)(x,y ,它與焦距一起稱為內(nèi)方位元素。有了這個標(biāo)定結(jié)果,每個波段圖像的像素就可找到相應(yīng)CC D線陣列的像元;反過來,已知某個波段成像在焦平面上的坐標(biāo) ,就可以找到它在圖像上的位置。理想情況下,3條

11、線陣處在焦平面的同一位置,幾何校正的一個目的就是將平行排列三線陣的圖像轉(zhuǎn)化成相同位置三線陣的圖像 。212地物點的焦平面坐標(biāo)與地面坐標(biāo)之間的變換關(guān)系CC D線陣推掃式傳感器是行掃描動態(tài)傳感器,與傳統(tǒng)的幀式相機(jī)不同,圖像中每一行上所有像元都是在同一時刻成像,在旁向上(Y方向可以認(rèn)為是中心投影關(guān)系,而在航向上(X方向則是以時間為參數(shù)的正射投影。在每行CCD成像的瞬間,地物點的焦平面坐標(biāo)與其相應(yīng)的地面坐標(biāo)位于通過傳感器投影中心的一根直線上,因此可以根據(jù)共線性方程建立地物點的焦平面坐標(biāo)(x,y和地面坐標(biāo)(X,Y,Z 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。如果知道任一個掃描時刻t時,三線陣CCD相機(jī)的6個外方位元素, 即攝影

12、中心在地面坐標(biāo)系或地心坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)角,則t時刻地面上任一地物點(X,Y,Z在紅、綠、藍(lán)3條CCD線陣列上的像點坐標(biāo)(x r,y r、(x g,y g和(x b,y b就可以完全確定了;反之,如已知地物點的焦平面的坐標(biāo),通過這個數(shù)學(xué)關(guān)系可以計算出地物點的地面坐標(biāo)。( X s,Y s,Z s為CCD相機(jī)的投影中心在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo),則在己知外方位元素的情況下,由焦平面坐標(biāo)求地面點坐標(biāo),其公式為X-X sY-Y sZ-Z s=uvw=×Rxy-f(1式中比例系數(shù)=-(Z-Z s/f構(gòu)像的比例尺;fCCD相機(jī)的焦距;R矩陣t時刻角方位元素,和組成的正交矩陣,和飛行器的俯仰角、側(cè)滾角和

13、偏流角。R=RRR=cos0-sin01 sin0cos1000cos-sin0sincoscos-sin0sincos0001(2R=coscos-sinsinsin-cossin-sinsincos-sincoscossincoscos-sinsincos+cossinsin-sinsin+cossincoscoscos(3在已知地物點和飛行器的外方位元素的情況下,求取相應(yīng)的焦平面坐標(biāo)。將式(1的逆運(yùn)算形式表示為xy-f=1R-1X-X sY-Y sZ-Z s=1a11a21a31a12a22a32a13a23a33X-X sY-Y sZ-Z s(4進(jìn)而有x=-fa11(X-X s+a21

14、(Y-Y s+a31(Z-Z sa13(X-X s+a23(Y-Y s+a33(Z-Z sy=-fa12(X-X s+a22(Y-Y s+a32(Z-Z sa13(X-X s+a23(Y-Y s+a33(Z-Z s(5在理想情況下,飛行器的速度是勻速變化的,高度恒定,姿態(tài)角均為零,R矩陣為單位矩陣,將飛行器的外方位元素轉(zhuǎn)換成理想情況下的外方位元素是幾何校正的另一目的。3仿真試驗及結(jié)果為了驗證算法的可行性,同時避免其它因素的干擾,在721第12期彩色遙感圖像的幾何校正計算機(jī)上作了仿真試驗。選取一幅彩色遙感圖像作為測試圖像,將測試圖像按照模型進(jìn)行幾何失真變換,然后對失真圖像進(jìn)行幾何校正,同時假設(shè)測

15、試圖像的區(qū)域較為平坦,這樣不用考慮地物高程信息的影響。幾何變換一般包括圖像像素空間位置的變化和像素灰度值內(nèi)插。從空白的輸出圖像陣列出發(fā),按行列的順序依次對每個輸出像素點位置反求其在原始圖像坐標(biāo)中的位置,同時把算得的原始圖像點位置上的亮度值取出添回到空白輸出圖像點陣相應(yīng)的像素位上去,由于計算的原始圖像上的位置不一定剛好位于原始圖像的某個像素中心上,可用內(nèi)插方法確定該點的灰度值。311無姿態(tài)影響下的幾何失真與校正由于3條CC D 線陣列不可能處在焦平面的同一位置,它們是并排在焦平面上,且它們之間有一定的間隔。這種排列結(jié)構(gòu)使得同一時刻3條CC D 線陣列所捕獲的地物目標(biāo)不同,則合成的圖像的3個波段圖

16、像相對于地面坐標(biāo)必然不重合,這種系統(tǒng)本身造成的幾何畸變與間隔成正比。原始圖像如圖1所示。圖2、圖3是針對K odak 公司生產(chǎn)的K LI6003三線陣CC D 傳感器的特性得到的彩色遙感圖像的畸變圖像和校正圖像,K LI6003型號的CC D 像元尺寸是12m ,3個通道的間隔是96m 。圖4和圖5是針對K odak 公司生產(chǎn)的K LI10203三線陣CC D 傳感器的特性得到的彩色遙感圖像的畸變圖像和校正圖像,K LI6003型號的CC D 像元尺寸是7m ,3個通道的間隔是154m 。圖2和圖4是在無姿態(tài)變化的情況下,只有內(nèi)方位元素引起的幾何失真,同一目標(biāo)在紅、綠、藍(lán)波段上圖像的位置不同,

17、進(jìn)而產(chǎn)生彩色失真。比較圖2與圖4可以看出,紅、綠、藍(lán)3條通道的距離越大,地物點的3個分量在失真圖像上的分離越明顯。通過上述建立的幾何模型進(jìn)行幾何校正,使同一目標(biāo)的3個彩色分量處于圖像的相同位置。312有姿態(tài)影響下的幾何失真與校正飛行器在飛行過程中由于各種因素的影響,傳感器的位置和姿態(tài)是隨時間而變的,即每一掃描行對應(yīng)一組外方位元素,圖6所示為姿態(tài)角數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線,從上到下為偏流角、側(cè)滾角、俯仰角(,曲線。外方位元素的變化使遙感圖像產(chǎn)生扭曲,同時內(nèi)方位元素的作用使遙感圖像彩色失真、扭曲 。圖7、圖8是針對K odak 公司生產(chǎn)的K LI6003三線陣CC D 傳感器的特性得到的彩色遙感圖像的畸變圖像和校正圖像。從圖8可以看出 ,校正后的圖像幾何畸變得到了明顯地改善,同時由恒定幾何畸變產(chǎn)生的彩色失真也得到了恢復(fù),與圖1原圖像相比己非常相近。4結(jié)論試驗結(jié)果表明,利用共線性方程對彩色遙感圖像進(jìn)行幾何校正可以使由傳感器的位置、 姿態(tài)變化產(chǎn)生的隨機(jī)幾何畸變和CC D 線陣列產(chǎn)生的恒定幾何畸變得到較好的恢復(fù),但由于在模擬幾何失真和校正的過程中用到了灰度值內(nèi)插,灰度值內(nèi)插引入的截斷誤差使圖像質(zhì)量與原圖像相比有所下降。另外,利用本文方法可以由計算機(jī)自動完成, 避免了由人為因素引起的偏差。圖1原圖像圖2由內(nèi)