遙感第五章 遙感圖像處理——幾何校正 (1)

1、第五章第五章 遙感圖像處理遙感圖像處理幾何校正幾何校正遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何校正一、遙感圖像的幾何變形一、遙感圖像的幾何變形 遙感圖像的幾何變形 指圖像上像元在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與其在地圖坐標(biāo)系等參考坐標(biāo)系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)之間的差異。研究遙感圖像幾何變形的前提是必須確定一個(gè)圖像投影的參照系統(tǒng)，即地圖投影系統(tǒng)。遙感圖像的幾何變形有兩層含義遙感圖像的幾何變形有兩層含義 一是指平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中，由于姿態(tài)、地球一是指平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中，由于姿態(tài)、地球曲率、地形起伏、地球旋轉(zhuǎn)、大氣折射、以及曲率、地形起伏、地球旋轉(zhuǎn)、大氣折射、以及傳感器自身性能所引起的幾何位置偏差。傳感器自身性能所引起的幾何位置偏

2、差。二是指圖像上像元的坐標(biāo)與地圖坐標(biāo)系統(tǒng)中相二是指圖像上像元的坐標(biāo)與地圖坐標(biāo)系統(tǒng)中相應(yīng)坐標(biāo)之間的差異。應(yīng)坐標(biāo)之間的差異。 傳感器的外方位元素，是指?jìng)鞲衅鞒上駮r(shí)的位置（Xs，Ys，Zs）和姿態(tài)角（ ，）。 遙感平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位置和狀態(tài)變化（一）傳感器外方位元素變化的影響（一）傳感器外方位元素變化的影響引起遙感圖像幾何變形的因素引起遙感圖像幾何變形的因素遙感平臺(tái)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的影響遙感平臺(tái)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的影響旁向位移的影響旁向位移的影響速度變化即航向位移的影響速度變化即航向位移的影響高度變化的影響高度變化的影響地面分辨率不均勻地面分辨率不均勻俯仰變化的影響俯仰變化的影響 翻滾變化的影響翻滾變化的

3、影響 偏航變化的影響偏航變化的影響 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)引起的圖像變形平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)引起的圖像變形旁向位移變化旁向位移變化高度變化高度變化速度變化速度變化偏航變化偏航變化俯仰變化俯仰變化翻滾變化翻滾變化(d ） (d ) (d ) 動(dòng)態(tài)掃描圖像的變形動(dòng)態(tài)掃描圖像的變形原始圖像翻滾變化翻滾變化俯仰變化俯仰變化偏航變化偏航變化高差引起的像點(diǎn)位移高差引起的像點(diǎn)位移（3）地球本身對(duì)遙感影像的影響（二）地形起伏的影響 當(dāng)?shù)匦未嬖谄鸱鼤r(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部像點(diǎn)的位移，使原來(lái)本應(yīng)是地面點(diǎn)的信號(hào)被同一位置上某高點(diǎn)的信號(hào)代替。由于高差的原因，實(shí)際像點(diǎn)P距像幅中心的距離相對(duì)于理想像點(diǎn)P0距像幅中心的距離移動(dòng)了r。（三）地球曲率（三

4、）地球曲率地球是球體，嚴(yán)格說(shuō)是橢球體，因此地地球是球體，嚴(yán)格說(shuō)是橢球體，因此地球表面是曲面。地球曲率引起的像點(diǎn)位球表面是曲面。地球曲率引起的像點(diǎn)位移類似于地形起伏引起的像點(diǎn)位移。移類似于地形起伏引起的像點(diǎn)位移。h h看作是一種系統(tǒng)的地形起伏，就可以利看作是一種系統(tǒng)的地形起伏，就可以利用像點(diǎn)位移公式來(lái)估計(jì)地球曲率所引起用像點(diǎn)位移公式來(lái)估計(jì)地球曲率所引起的像點(diǎn)位移。的像點(diǎn)位移。地球曲率的變形圖示地球曲率的變形圖示h h 地球自轉(zhuǎn)對(duì)于瞬時(shí)光學(xué)成像遙感方式?jīng)]有影響，對(duì)地球自轉(zhuǎn)對(duì)于瞬時(shí)光學(xué)成像遙感方式?jīng)]有影響，對(duì)于掃描成像則造成圖像平行錯(cuò)動(dòng)。于掃描成像則造成圖像平行錯(cuò)動(dòng)。eety eyetLR為圖像錯(cuò)動(dòng)

5、量；為圖像錯(cuò)動(dòng)量；掃描整景圖像時(shí)間；掃描整景圖像時(shí)間；該緯度的地球自轉(zhuǎn)該緯度的地球自轉(zhuǎn)線速度；線速度；圖幅地面長(zhǎng)度；圖幅地面長(zhǎng)度；地球平均半徑地球平均半徑6378KM；衛(wèi)星運(yùn)行平均角衛(wèi)星運(yùn)行平均角速度；速度；（四）地球自轉(zhuǎn)的影響（四）地球自轉(zhuǎn)的影響（五）大氣折射（五）大氣折射 整個(gè)大氣層不是一個(gè)均勻的介質(zhì)，因整個(gè)大氣層不是一個(gè)均勻的介質(zhì)，因此電磁波在大氣層中傳播時(shí)的折射率也隨此電磁波在大氣層中傳播時(shí)的折射率也隨高度的變化而變化，使電磁波傳播的路徑高度的變化而變化，使電磁波傳播的路徑不是一條直線而變成了曲線，從而引起像不是一條直線而變成了曲線，從而引起像點(diǎn)的位移，這種像點(diǎn)移位就是大氣折光差點(diǎn)的位

6、移，這種像點(diǎn)移位就是大氣折光差 。大氣折光差示圖 二、遙感圖像的幾何校正二、遙感圖像的幾何校正(Geomatric Correction) 校正原理 利用實(shí)地測(cè)量的地物的真實(shí)坐標(biāo)值，尋找實(shí)利用實(shí)地測(cè)量的地物的真實(shí)坐標(biāo)值，尋找實(shí)測(cè)值與畸變之后的圖像之間的函數(shù)關(guān)系，從而改測(cè)值與畸變之后的圖像之間的函數(shù)關(guān)系，從而改正原始影像的幾何變形，產(chǎn)生一幅符合某種地圖正原始影像的幾何變形，產(chǎn)生一幅符合某種地圖投影或圖形表達(dá)要求的新圖像。投影或圖形表達(dá)要求的新圖像。 基本環(huán)節(jié)有兩個(gè)：基本環(huán)節(jié)有兩個(gè)： 一是建立糾正變換函數(shù)；一是建立糾正變換函數(shù)； 二是像元灰度值重采樣。二是像元灰度值重采樣。數(shù)字圖像糾正的處理過(guò)程框

7、圖數(shù)字圖像糾正的處理過(guò)程框圖 準(zhǔn)準(zhǔn)備備工工作作輸入原輸入原始數(shù)字始數(shù)字圖像圖像建立糾正建立糾正變換函數(shù)變換函數(shù)影像范圍影像范圍確定輸出確定輸出逐個(gè)像素逐個(gè)像素的幾何位的幾何位置變換置變換像素亮度像素亮度值重采樣值重采樣輸出糾正輸出糾正后的圖像后的圖像多項(xiàng)式糾正法的基本思想：多項(xiàng)式糾正法的基本思想：回避成像的空間幾何過(guò)程，而真回避成像的空間幾何過(guò)程，而真接對(duì)圖像變形的本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。常用的二元齊次多項(xiàng)式接對(duì)圖像變形的本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。常用的二元齊次多項(xiàng)式糾正變換方程為：糾正變換方程為：)()()(3928273625123210YaXYaYXaXaYaXYaXaYaXaax)()()(3928

8、273625423210YbXYbYXbXbYbXYbXbYbXbby式中式中x，y為某像元的原始圖像坐標(biāo)；為某像元的原始圖像坐標(biāo)；X，Y為糾正后同名為糾正后同名點(diǎn)的地面（或地圖）坐標(biāo)；點(diǎn)的地面（或地圖）坐標(biāo)；ai，bi為多項(xiàng)式系（為多項(xiàng)式系（i=0,1,2）建立糾正變換函數(shù)建立糾正變換函數(shù)多項(xiàng)式糾正法（多項(xiàng)式糾正法（Polynomial Geometric Modal）p(x,y)P(X,Y) 求出多項(xiàng)式系數(shù)，一般選擇最小控制點(diǎn)的數(shù)求出多項(xiàng)式系數(shù)，一般選擇最小控制點(diǎn)的數(shù)量為：量為：(n+1)(n+2)/2，n 為多項(xiàng)式次數(shù)。為多項(xiàng)式次數(shù)。控制點(diǎn)的選取原則控制點(diǎn)的選取原則控制點(diǎn)應(yīng)選取圖像上易分

9、辨且較精細(xì)的特征點(diǎn)，控制點(diǎn)應(yīng)選取圖像上易分辨且較精細(xì)的特征點(diǎn)，這很容易通過(guò)目視方法辨別，如道路交叉點(diǎn)、河這很容易通過(guò)目視方法辨別，如道路交叉點(diǎn)、河流彎曲或分叉處、湖泊邊緣等。流彎曲或分叉處、湖泊邊緣等。特征變化大的地區(qū)應(yīng)多選些點(diǎn)。特征變化大的地區(qū)應(yīng)多選些點(diǎn)。圖像邊緣部分一定要選取控制點(diǎn)。圖像邊緣部分一定要選取控制點(diǎn)。應(yīng)盡可能滿幅均勻選取。應(yīng)盡可能滿幅均勻選取。 校正前后圖像的分辨率變化、像元點(diǎn)位置相對(duì)變化引校正前后圖像的分辨率變化、像元點(diǎn)位置相對(duì)變化引起輸出圖像陣列中的同名點(diǎn)灰度值變化。起輸出圖像陣列中的同名點(diǎn)灰度值變化。像元灰度值重采樣（像元灰度值重采樣（Resample)xXYyP(X,Y

10、)p(x,y)糾正后影像糾正前影像k=Integer(x+0.5)l=Integer(y+0.5)f(x,y)=f(k,l)幾何位置上的精度為幾何位置上的精度為0.5象元象元以距內(nèi)插點(diǎn)最近的觀測(cè)點(diǎn)的像元值為所求的像元值。最近鄰法(Nearest Neighbor ) 雙線性內(nèi)插法雙線性內(nèi)插法(Bilinear Interpolation)(Bilinear Interpolation) ?。ㄈ。▁ x，y y）點(diǎn)周圍的）點(diǎn)周圍的4 4鄰點(diǎn)，在鄰點(diǎn)，在y y方向（或方向（或x x方向）方向）內(nèi)插一次，再在內(nèi)插一次，再在x x方向方向（或（或y y方向）內(nèi)插一次，方向）內(nèi)插一次，得到（得到（x x

11、，y y）點(diǎn)的亮度值）點(diǎn)的亮度值f(xf(x，y y），該方法稱雙線），該方法稱雙線性內(nèi)插法。性內(nèi)插法。雙線性內(nèi)插法雙線性內(nèi)插法: :破壞了原來(lái)的數(shù)據(jù)，但具有平均化的濾波效果。破壞了原來(lái)的數(shù)據(jù)，但具有平均化的濾波效果。三次卷積內(nèi)插法（Cubic Convolution）?。▁，y）周圍相鄰的16個(gè)鄰點(diǎn)，與雙向線性內(nèi)插類似，可先在某一方向上內(nèi)插，每4個(gè)值依次內(nèi)插4次，求出f（x，j-1 ） ， f ( x , j ) ，(x,j+1),f(x,j+2)，再根據(jù)這四個(gè)計(jì)算結(jié)果在另一方向上內(nèi)插，得到f(x，y）。三次卷積內(nèi)插法：具有影像的均衡化和清晰化的效果，可得到較高的影像質(zhì)量，但缺點(diǎn)是破壞了原來(lái)

12、的數(shù)據(jù)，且計(jì)算量大。方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1簡(jiǎn)單易用，計(jì)算量小處理后的影像亮度具有不連續(xù)性，影響精確度2精度明顯提高，特別是對(duì)亮度不連續(xù)現(xiàn)象或線狀特征的塊狀 化現(xiàn)象有明顯的改善。 計(jì)算量增加，且對(duì)影像起到平滑作用，從而使對(duì)比度明顯的分界線變得模糊。 3更好的影像質(zhì)量，細(xì)節(jié)表現(xiàn)更為清楚。 工作量很大。三種內(nèi)插方法比較 遙感圖像的鑲嵌（Mosaic） 數(shù)字影像鑲嵌是將兩幅或多幅數(shù)字影數(shù)字影像鑲嵌是將兩幅或多幅數(shù)字影像像(它們有可能是在不同的攝影條件下獲取它們有可能是在不同的攝影條件下獲取的的)拼在一起，構(gòu)成一幅整體圖像的技術(shù)過(guò)拼在一起，構(gòu)成一幅整體圖像的技術(shù)過(guò)程。在遙感應(yīng)用中，影像鑲嵌有著重要的程。在遙感應(yīng)

13、用中，影像鑲嵌有著重要的應(yīng)用。應(yīng)用。 遙感數(shù)字影像鑲嵌原理遙感數(shù)字影像鑲嵌原理 影像鑲嵌的原理是：如何將多幅影像從幾何影像鑲嵌的原理是：如何將多幅影像從幾何上拼接起來(lái)，這一步通常是先對(duì)每幅圖像進(jìn)上拼接起來(lái)，這一步通常是先對(duì)每幅圖像進(jìn)行幾何校正，將它們規(guī)劃到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，行幾何校正，將它們規(guī)劃到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，然后對(duì)它們進(jìn)行裁剪，去掉重疊的部分，再然后對(duì)它們進(jìn)行裁剪，去掉重疊的部分，再將裁剪后的多幅影像裝配起來(lái)形成一幅大幅將裁剪后的多幅影像裝配起來(lái)形成一幅大幅面的影像。面的影像。 數(shù)字鑲嵌在理論和方法上與幾何校正類似，有數(shù)字鑲嵌在理論和方法上與幾何校正類似，有幾點(diǎn)注意：幾點(diǎn)注意： 1、鑲嵌要有足夠?qū)挼闹丿B區(qū)，最好不少于圖像、鑲嵌要有足夠?qū)挼闹丿B區(qū)，最好不少于圖像的的1/5。 2、相鄰的圖像色調(diào)或灰度值應(yīng)一致；、相鄰的圖像色調(diào)或灰度值應(yīng)一致； 3、最