第五章遙感圖象幾何糾正

1、5.1 遙感傳感器的構像方程（不作要求）遙感傳感器的構像方程（不作要求）5.2 遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形5.3 遙感圖像的幾何校正方法遙感圖像的幾何校正方法5.4 圖像間的自動配準與鑲嵌圖像間的自動配準與鑲嵌第五章第五章 遙感圖像的幾何處理遙感圖像的幾何處理基于有理函數(shù)的傳感器模型： 5.1 遙感傳感器的構像方程遙感傳感器的構像方程 有理函數(shù)模型RFM(Rational Function Model)模型：一種能獲得和衛(wèi)星遙感影像嚴格成像模型近似一致精度的、形式簡單的概括模型。也稱為 RPC(Rational Polynomail Coefficient） 它是一種廣義的新型遙感衛(wèi)

2、星傳感器成像模型，被用來替代復雜的嚴格成像模型。 它通過一個比值多項式建立了一個點的大地坐標與其影像坐標間的關系。 ),(),(),(),(HLPDHLPNXHLPDHLPNYSSLLRPC模型：比值多項式：scaleheioffheiheiscalelonofflonlonscalelatofflatlatDDDHDDDLDDDP_正則化地面坐標scaleoffscaleofflllYSSSX正則化影像坐標HaHPaHLaPHaPaPLaLHaLPaLaPLHaHaPaLaPHaLHaLPaHaPaLaaHLPNL),(RPC模型：HbHPbHLbPHbPbPLbLHbLPbLbPLHbHb

3、PbLbPHbLHbLPbHbPbLbbHLPDL),(HcHPcHLcPHcPcPLcLHcLPcLcPLHcHcPcLcPHcLHcLPcHcPcLccHLPNS),(HdHPdHLdPHdPdPLdLHdLPdLdPLHdHdPdLdPHdLHdLPdHdPdLddHLPDS),(這里，ai、bi、ci、di為RPC模型系數(shù)，Dlat_off、Dlat_scale、Dlon_off、Dlon_scale、Dhei_off和Dhei_scale為地面坐標的標準化參數(shù)。Soff、Sscale、loff、lscale為影像像素坐標的標準化參數(shù)，其中b1、d1通常為1。目前，許多影像數(shù)據如：IK

4、ONOS、QuickBird等均在其元數(shù)據中提供以上所有參數(shù)。RPC模型：有些影像數(shù)據不提供RPC參數(shù)，或提供的參數(shù)精度不高，此時可利用部分控制點，采用最小二乘原理進行系數(shù)解算，最終獲得模型。教材P112 表5-1列出了RFM的9種形式，以及系數(shù)解算所需的最少控制點數(shù)。RPC模型： RPC模型的優(yōu)點：通用性高、與傳感器無關、形式簡單。 與之對應的嚴格成像模型，都是從軌道模型、姿態(tài)模型、成像幾何等方面出發(fā)來建立構像模型，與傳感器等密切相關，不同的傳感器有不同的嚴格成像模型。 至于具體如何做，請參閱“課程中心參考資料”，不作要求。RPC模型：v 定義：遙感圖像上各地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等

5、特征與在參照系統(tǒng)中的表達要求不一致時，即說明遙感圖像發(fā)生了幾何畸變幾何畸變。v 遙感圖像的總體變形（相對于地面真實形態(tài)而言）是平移、縮放、旋轉、偏扭、彎曲及其他變形綜合作用的結果。 5.2 遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 v按照畸變的性質劃分，幾何畸變可分為系統(tǒng)性畸變和隨機性畸變。一、基本概念系統(tǒng)性畸變系統(tǒng)性畸變是指遙感系統(tǒng)造成的畸變，這種畸變一般有一定的規(guī)律性，并且大小事先能夠預測，例如掃描鏡的結構方式和掃描速度等造成的畸變。隨機性畸變隨機性畸變是指大小不能事先預測、其出現(xiàn)帶有隨機性質的畸變，例如地形起伏造成的隨地而異的幾何偏差。隨機畸變遙感圖像幾何畸變系統(tǒng)畸變幾何校正幾何校正就是要校

6、正成像過程所造成的各種幾何畸變。幾何校正分為兩種：幾何粗校正幾何粗校正和和幾何精校正幾何精校正。幾何粗校正幾何粗校正是針對引起畸變原因而進行的校正，這種畸變按照比較簡單和相對固定的幾何關系分布在圖像中的，校正時只需將傳感器原校準數(shù)據、遙感平臺的位置以及衛(wèi)星運行姿態(tài)等一系列測量數(shù)據代入理論校正公式即可。幾何粗校正主要校正系統(tǒng)畸變。幾何精校正幾何精校正是利用控制點進行的幾何校正，它是用一種數(shù)學模型來近似描述遙感圖像的幾何畸變過程，并利用畸變的遙感圖像與標準地圖之間的一些對應點（即控制點（GCP）求得這個幾何畸變模型，然后利用此模型進行幾何畸變校正，這種校正不考慮畸變的具體形成原因，而只考慮如何利用

7、畸變模型來校正遙感圖像。幾何粗糾正幾何精糾正隨機畸變遙感圖像幾何畸變系統(tǒng)畸變幾何畸變幾何畸變遙感器本身引起的畸變 外部因素引起的畸變 處理過程中引起的畸變二、幾何變形的類型二、幾何變形的類型 5.2 遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 1、遙感器本身引起的畸變 遙感器本身引起的幾何畸變與遙感器的結構、特性和工作方式不同而異。這些因素主要包括：1） 透鏡的輻射方向畸變像差；2） 透鏡的切線方向畸變像差；3） 透鏡的焦距誤差；4） 透鏡的光軸與投影面不正交；5） 圖像的投影面非平面；6） 探測元件排列不整齊；7） 采樣速率的變化；8） 采樣時刻的偏差;9) 掃描鏡的掃描速度變化 。二、幾何變形的

8、類型二、幾何變形的類型MSS 舉例:例如掃描形式成像的MSS，產生的幾何畸變主要是由于掃描鏡的非線性振動和其它一些偶然因素引起的。在地面上影響可達395米。 全景畸變：2、外部因素引起的畸變 遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響地形起伏的影響地球表面曲率的影響大氣折射的影響地球自轉的影響二、幾何變形的類型二、幾何變形的類型1）遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響n航高：當平臺運動過程中受到力學因素影響標，或者說衛(wèi)星運行的軌道本身就是橢圓的。航高始終發(fā)生變化，而傳感器的掃描視場角不變，從而導致圖像掃描行對應的地面長度地面長度發(fā)生變化。航高越向高處偏離，圖像對應的地面越寬。2、外部因素引起的畸變航速：衛(wèi)星

9、的橢圓軌道本身就導致了衛(wèi)星飛行速度的不均勻，其他因素也可導致遙感平臺航速的變化。航速快時，掃描帶超前，航速慢時，掃描帶滯后，由此可導致圖像在衛(wèi)星前進方向上(圖像上下方向)的位置錯動。俯仰：遙感平臺的俯仰變化能引起圖像上下方向的變化，即星下點俯時后移，仰時前移，發(fā)生行間位置錯動c翻滾：遙感平臺姿態(tài)翻滾是指以前進方向為軸旋轉了一個角度?？蓪е滦窍曼c在掃描線方向偏移，使整個圖像的行向翻滾角引起偏離的方向錯動。偏航：指遙感平臺在前進過程中，相對于原前進航向偏轉了一個小角度，從而引起掃描行方向的變化，導致圖像的傾斜畸變2）地形起伏的影響 當?shù)匦未嬖谄鸱鼤r，會產生局部像點的位移,使原本應是地面點的信號被同

10、一位置上某高點的信號代替。由于高差的原因，實際像點P距像幅中心的距離相對于理想像點P0 。距像幅中心的距離移動了r高差引起的像點位移2、外部因素引起的畸變3）地球表面曲率的影響 地球是球體，嚴格說是橢球體，因此地球表面是曲面。這一曲面的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，一是像點位置的移動，二是像元對應于地面寬度的不等。 地球表面曲率影響2、外部因素引起的畸變4）大氣折射的影響 大氣對輻射的傳播產生折射。由于大氣的密度分布從下向上越來越小，折射率不斷變化因此折射后的輻射傳播不再是直線而是條曲線從而導致傳感器接收的像點發(fā)生位移r. 大氣折射影響2、外部因素引起的畸變5）地球自轉的影響 衛(wèi)星前進過程中，傳感器

11、對地面掃描獲得圖像時，地球自轉影響較大，會產生影像偏離。因為衛(wèi)星自北向南運動，這時地球自西向東自轉。相對運動的結果，使衛(wèi)星的星下位置逐漸產生偏離。偏離方向如下圖所示，所以衛(wèi)星圖像經過校正后成為圖c的形態(tài)。 地球自轉引起偏離2、外部因素引起的畸變遙感圖像再處理過程中產生的誤差，主要是由于處理設備產生的噪聲引起的。 傳輸、復制 光學 數(shù)字 3、處理過程中引起的畸變 遙感圖像的幾何校正按照處理方式分為光學糾正和數(shù)字糾正。 遙感圖像的幾何糾正就是將含有畸變的圖像納入到某種地圖投影。對地面覆蓋范圍不大的單幅圖像，一般以正射投影方式使其改正到地球切平面上。 光學糾正主要用于早期的遙感圖像的處理中，現(xiàn)在的應

12、用已經不多。除了對框幅式的航空照片（中心投影）可以進行比較嚴密的糾正以外，對于大多數(shù)動態(tài)獲得的遙感影像只能進行近似的糾正。 主要介紹數(shù)字圖像的幾何精糾正。5.3 遙感圖像的幾何校正方法遙感圖像的幾何校正方法1、基本概念 為什么要進行幾何糾正遙感調查分析結果：一般是要求能滿足量測和定位 要求的各類專題地圖。利用多源數(shù)據進行計算機自動分類、地物特征的變化 監(jiān)測等應用處理時，必須保證不同圖像間的幾何一致 性。利用遙感圖像進行地形圖測圖或更新，也是遙感的 致力方向之 一，它對遙感圖像的幾何糾正提出了更 嚴格的要求。兩個基本環(huán)節(jié)： 像元坐標變換和像元灰度值重采樣 準準備備 工工作作 輸輸入入原原始始圖圖

13、象象 建建立立糾糾正正函函數(shù)數(shù) 確確定定輸輸出出圖圖象象的的范范圍圍 逐逐個個像像元元進進行行幾幾何何變變化化 灰灰度度的的重重采采樣樣 輸輸出出糾糾正正后后的的圖圖象象 效效果果 評評價價 校正思路校正思路(技術流程技術流程): 校正前的圖像，由于某種幾何畸變，圖像中像元點間所對應的地面距離并不相等。 校正后的圖像是由等間距的網格點組成的，且以地面為標準，符合某種投影的均勻分布，圖像中格網的交點可以看作是像元的中心； 校正的最終目的是確定校正后圖像的行列數(shù)值，然后找到新圖像中每一像元的亮度值。兩個基本環(huán)節(jié)：像元坐標變換和像元灰度值重采樣(1) 確定輸入圖像和輸出圖像的坐標變換關系 (2) 確

14、定新的圖像的邊界(3) 確定新圖像的分辨率(4) 灰度的重采樣2、校正過程 數(shù)字圖象幾何糾正：通過計算機對離散結構的數(shù)字圖像中的每一個像元逐個進行糾正處理的方法。這種方法能夠精確地改正動態(tài)掃描圖像所具備的各種誤差。 基本原理：利用圖像坐標和地面坐標（另一圖像坐標、地圖坐標等）之間的數(shù)學關系，即輸入圖像和輸出圖像間的坐標轉換關系實現(xiàn)幾何校正。 (1) 確定輸入圖像和輸出圖像的坐標變換關系2、校正過程直接糾正方法直接糾正方法:從原始圖像陣列出發(fā)，按行列的順序依次對每個原始圖像像元點位用變換函數(shù) F（x,y）（正解變換公式）求得它在新圖像中的位置，并將該像元灰度值移置到新圖像的對應位置上。間接糾正法

15、間接糾正法: :從空白的新圖像陣列出發(fā)，按行列的順序依次對新圖像中每個像元點位用變換函數(shù)f (X,Y) （反解變換公式） 求其在原始圖像中的位置，然后把算得的原始圖像點位上的灰度值賦予空白新圖像相應的像元。糾正方法分糾正方法分:圖中（xp ,yp）（XP,YP）分別是任意一個像元在原始圖像和糾正后圖像中的坐標。),(ppXpyxFX),(ppYpyxFY直接法(正解):間接法(反解):),(PPypYXfy ),(PPxpYXfx 注：糾正后圖像和原始圖像的形狀、大小、方向都不一樣。所以在糾正過程的實施之前，必須首先確定新圖像的大小范圍。(2) 確定新的圖像的邊界2、校正過程 根據正解變換公式

16、求出原始圖像四個角點（a, b, c, d）在糾正后圖像中的對應點（a, b, c, d）的坐標（Xa,Ya）(Xb,Yb) (Xc,Yc) (Xd,Yd)然后求出最大值和最小值。 X1 = min (Xa, Xb, Xc, Xd ) X2 = max (Xa, Xb, Xc, Xd ) Y1 = min (Ya, Yb, Yc, Yd ) Y2 = max (Ya, Yb, Yc, Yd )2、校正過程(2) 確定新的圖像的邊界(3) 灰度的重采樣糾正后的新圖像的每一個像元，根據變換函數(shù)，可以得到它在原始圖像上的位置。如果求得的位置為整數(shù)，則該位置處的像元灰度就是新圖像的灰度值。如果位置不為

17、整數(shù)，則像元灰度值需根據周圍陣列像元的灰度確定，這種方法稱為灰度重采樣（這是相對遙感圖像獲取時已進行過一次采樣而言） 。常用的方法： 1) 最近鄰法 2) 雙線性內插法 3）三次卷積法 2、校正過程1) 最近鄰法：距離實際位置最近的像元的灰度值作為輸出圖像像元的灰度值；特點： 方法簡單易用，計算量小，在幾何位置上精度為05像元，但處理后圖像的亮度具有不連續(xù)性，從而影響了精確度。(3) 灰度的重采樣 G2 G3 G4 G1 2）雙線性法：以實際位置臨近的4個像元值，確定輸出像元的灰度值。公式為： 4141432144332211,iiiiinmpgpppppgpgpgpgpg）（特點：圖像亮度連

18、續(xù)，幾何上較精確，但具有低通濾波的性質，使圖像變得模糊。(3) 灰度的重采樣3）三次卷積法: 以實際位置臨近的16個像元值，確定輸出像元的灰度值。公式為： 161161,iiiiinmpgpg）（ (3) 灰度的重采樣 三次卷積內插法(更嚴密的算法)pp2p4p1 p3 y1 y2 yp y3 y4yx1x2xpx3x4 xxy22110058421)(3232cccccccccxxxxxxxxxWpiipicPIxWI41)()(4)()(jijijcpiIyWI特點：圖像量度連續(xù)，幾何精度高，較好的保留高頻部分。 但計算量大。(3) 灰度的重采樣幾種采樣方法的優(yōu)缺點：1）最近鄰法：計算簡單

19、，計算速度快但輸出像元 的灰度失真較大。2) 雙線性插值法和三次卷積法：計算耗時多，但 輸出像元灰度值的保真度較好。 多項式糾正的基本思想：圖像的變性規(guī)律可以看作是平移、縮放、旋轉、仿射、偏扭、彎曲等形變的合成。一般的公式為： .54321022),(iiiiiiiixiYcXcYXcYcXccYXfx.54321022),(iiiiiiiiyiYdXdYXdYdXddYXfy.54321022),(iiiiiiiixiycxcyxcycxccyxFX.54321022),(iiiiiiiiyiydxdyxdydxddyxFY2) 直接法 1) 間接法 利用有限的控制點的已知坐標，解求多項式的

20、系數(shù)，確定變換函數(shù)。然后講各個像元帶入多項式進行計算，得到糾正后的坐標。3、遙感數(shù)字圖像的多項式糾正實際計算時常采用二元二次多項式：2022201101100020222011011000vbubuvbvbubbyvauauvavauaax 在這個方程組中有12個系數(shù)，需列12個方程才能解出，因此需要6個已知的對應點，即這6個點的（u，v)與（x，y）均已知，這些已知坐標的對應點稱為控制點（GCP） 6個點只是解算方程組的理論最低數(shù)，實際工作中為提高校正精度需大量增加控制點數(shù)，這時就有了多余條件，可采用最小二乘法求解。3、遙感數(shù)字圖像的多項式糾正控制點的選取1）數(shù)目確定控制點數(shù)目的最低限是按未

21、知系數(shù)的多少來確定的。求二次多項式有12個系數(shù)，需要12個方程(6個控制點)。依次類推，三次多項式至少需要10個控制點，n次多項式，控制點的最少數(shù)目為(n+1)(n+2)2。實際工作中，在條件允許的情況下，控制點數(shù)的選取都要大于最低數(shù)很多。ENVI: (degree + 1)23、遙感數(shù)字圖像的多項式糾正2）選取原則 控制點的選擇要以配準對象為依據。以地面坐標為匹配標準的，叫做地面控制點。有時也用地圖作地面控制點標準，或用遙感圖像(如用航空像片)作為控制點標準。無論用哪一種坐標系，關鍵在于建立待匹配的兩種坐標系的對應點關系。 控制點應選取圖像上易分辨且較精細的特征點，通過目視方法辨別。 道路交

22、叉點、河流彎曲或分叉處、海岸線彎曲處、湖泊邊緣、飛機 場、城廓邊緣等。 特征變化大的地區(qū)應多選些。 圖像邊緣部分一定要選取控制點，以避免外推。 盡可能滿幅均勻選取，特征實在不明顯的大面積區(qū)域(如沙漠)，可 用求延長線交點的辦法來彌補，但應盡可能避免這樣做3、遙感數(shù)字圖像的多項式糾正綜上所述： 糾正的函數(shù)可有多種選擇：多項式方法、共線方程方法、隨機場內插方法等等。其中多項式方法的應用最為普遍。 準準備備 工工作作 輸輸入入原原始始圖圖象象 建建立立糾糾正正函函數(shù)數(shù) 確確定定輸輸出出圖圖象象的的范范圍圍 逐逐個個像像元元進進行行幾幾何何變變化化 灰灰度度的的重重采采樣樣 輸輸出出糾糾正正后后的的圖

23、圖象象 效效果果 評評價價 小結：數(shù)字圖象的糾正過程 校正前的aster 校正后的aster幾何校正的實例5.4 數(shù)字圖像的自動配準與鑲嵌數(shù)字圖像的自動配準與鑲嵌1. 圖像間的自動配準圖像金字塔：同一區(qū)域存大量不同時相、不同分辨率的遙感影像。多源數(shù)據：不同時相、不同分辨率、不同格式的同一區(qū)域的數(shù)據集合。它們一般存在相對的幾何差異和輻射差異。圖像配準：其實質就是前述遙感圖像的幾何糾正。l圖像間配準l絕對配準備l同名點的確定：圖像相關技術。（課后查資料） 圖像鑲嵌 (拼接MOSAIK)是將多個具有重疊部分的圖像制作成一個沒有重疊的新圖像。 有基于像元的拼接和基于地理坐標的拼接。 本節(jié)介紹基于像元的圖像拼接。2. 數(shù)字圖像鑲嵌 準備工作： 1） 要參加拼接的圖像必須具有統(tǒng)一的坐標系，即首先進行圖像的幾何糾正。 2） 圖像灰度的調整； 對于彩色圖像，需要從紅綠藍三個波段分別進行灰度的調整； 對于多波段的圖像文件，進行一一對應的多個波段的灰度調整。 灰度調整的方法：進行交互式的圖像拉伸，進行圖像直方圖的規(guī)定化(匹配)，或者進行更加復雜的類似變化（如線性回歸）。5.4 數(shù)字圖像的自動配準與鑲嵌數(shù)字圖像的自動配準與鑲嵌 確定輸出圖像的大?。?確定參加圖像拼接的方法；有無羽化（Feathering）。 參加拼接的圖像如沒有羽化，則用上面的圖像灰度值直