第4.3遙感數(shù)據(jù)的校正

遙感概論

主講：施新程信陽師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)系464000

教材：《遙感導(dǎo)論》梅安新等高等教育出版社電子教案§4.3

遙感數(shù)據(jù)的校正

§1

輻射校正§2

幾何校正§3

鑲嵌處理本章提要（…)本章主要分析遙感數(shù)據(jù)獲取過程中產(chǎn)生的輻射畸變、幾何畸變的原因和校正的方法，多幅遙感數(shù)據(jù)的拼接處理方法。這些都是遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

§4.3.1輻射校正一、遙感圖像的輻射誤差主要有三個(gè)因素傳感器的光電變換（…)大氣的影響(…)光照條件(…)傳感器在光電變換的過程中，對(duì)各波段的靈敏度是有差異的，也就是說，傳感器對(duì)各波段的光譜響應(yīng)是不同的，由此造成輻射畸變。另外，傳感器的光學(xué)鏡頭的非均勻性，會(huì)引起邊緣減光，也會(huì)造成圖像輻射的畸變。

地物（目標(biāo)物）的輻射（反射）經(jīng)過大氣層時(shí)，與大氣層發(fā)生散射作用和吸收作用。吸收作用直接降低地物的輻射能量，引起輻射畸變。散射作用除降低地物的輻射能量外，大氣散射的部分輻射還會(huì)進(jìn)入傳感器，直接疊加在目標(biāo)地物的輻射能量之中，成為目標(biāo)地物的噪聲，降低了圖像的質(zhì)量。光照條件的不同也會(huì)引起輻射畸變，如太陽高度角、地面坡度等，都會(huì)引起輻射的畸變。

二、鏡頭輻射畸變的校正

在使用透鏡的光學(xué)系統(tǒng)中，由于透鏡光學(xué)特性，其鏡頭中心和邊緣的透射光強(qiáng)度不一致，使同類地物在圖像上不同位置有不同的灰度值，一般是邊緣部分比中間部分暗。在這類光學(xué)系統(tǒng)中，一幅圖像上各像點(diǎn)光的強(qiáng)度分布符合以下規(guī)律：

Ep=E0cos4θ

鏡頭的輻射畸變圖示§4.3.1輻射校正三、光電變換的輻射誤差校正光電變換的掃描儀，輻射誤差主要有兩類：(1)光電轉(zhuǎn)換誤差；(2)探測(cè)器增益變化引起的誤差。

對(duì)于該兩項(xiàng)誤差，衛(wèi)星接收站地面處理系統(tǒng)通常采用楔校準(zhǔn)模型和增益校準(zhǔn)模型，對(duì)衛(wèi)星圖像進(jìn)行處理，消除傳感器的光電轉(zhuǎn)變輻射誤差和增益變化的誤差?！?.3.1輻射校正以陸地衛(wèi)星（Landsat）可見光波段為例，校準(zhǔn)模型為：

式中：Vr為未校正的輸入亮度值；Vc為校準(zhǔn)后的輸出亮度值；為回歸分析所決定的系數(shù)，反映了傳感器傳輸特性的增益；K為太陽角校正系數(shù)?！?.3.1輻射校正對(duì)于Landsat衛(wèi)星的MSS圖像和TM圖像按下式進(jìn)行增益變化校正：

式中：V——已校正過的數(shù)據(jù)；

Dmax

——校正系數(shù)，對(duì)于MSS為127，對(duì)TM為255；

Rmax——探測(cè)器能夠輸出的最大輻射亮度；

Rmin——探測(cè)器能夠輸出的最小輻射亮度；

R——傳感器輸出的未校正輻射亮度。

MSS和TM圖像的增益系數(shù)§4.3.1輻射校正MSS的Rmax

和Rmin波段Rmax

和Rmin

Landsat-2Landsat-3Landsat-4Landsat-540.08/2.630.04/2.500.04/2.380.04/2.3850.06/1.760.03/2.000.04/1.640.04/1.6460.06/1.520.03/1.650.05/1.420.05/1.4270.11/3.910.03/4.500.12/3.490.12/3.49TM的Rmax

和Rmin

波段Rmax

和Rmin

1-0.0099/1.0042-0.0227/2.4043-0.0083/1.4104-0.0194/2.6605-0.00799/0.58736-0.00375/0.359570.1534/1.896四、輻射值校準(zhǔn)流程圖CCT回歸計(jì)算濾波處理校準(zhǔn)處理CCTCiDi

ViVi

αn

bn

αs(n)

bs(n)輻射值校準(zhǔn)流程圖CCT

回歸計(jì)算

濾波處理校準(zhǔn)處理CCT§4.3.1輻射校正五、大氣散射校正大氣校正就是指消除由大氣散射引起的輻射誤差的處理過程。大氣校正的方法:利用輻射傳遞方程進(jìn)行大氣校正；利用地面實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正；利用輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。實(shí)際像場(chǎng)大氣的校正：波段對(duì)比分析（直方圖法）；大氣參數(shù)測(cè)量；野外現(xiàn)場(chǎng)波譜測(cè)試（回歸分析法）?！?.3.1輻射校正直方圖法

如果在某一像場(chǎng)中存在亮度值為零的目標(biāo)地物，地物是平靜清潔的水面或地形陰影區(qū)，則任一波段亮度值都應(yīng)為零。所以只要對(duì)選擇區(qū)域內(nèi)波段的圖像進(jìn)行灰度統(tǒng)計(jì)給出其直方圖，則直方圖上頻率最小的灰度值就是大氣改正值。大氣校正就是移動(dòng)直方圖的最小值至零值位置。調(diào)整前直方圖

亮度值

亮度值調(diào)整后直方圖像元數(shù)百分比/%像元數(shù)百分比/%回歸分析法回歸分析校正法六、太陽高度角的輻射誤差校正太陽高度角引起的畸變校正是將太陽光線傾斜照射時(shí)獲取的圖像校正為太陽光線垂直照射時(shí)獲取的圖像。太陽的高度角θ可根據(jù)成像時(shí)刻的時(shí)間、季節(jié)和地理位置來確定，即：

sinθ=sin·sinδ±cos·cosδ·cost

太陽高度角的校正是通過調(diào)整一幅圖像內(nèi)的平均灰度來實(shí)現(xiàn)的。多光譜圖像上的陰影可以通過圖像之間的比值予以消除。比值圖像是用同步獲取的相同地區(qū)的任意兩個(gè)波段圖像相除而得到的新圖像?！?.3.1輻射校正七、地形坡度輻射誤差校正太陽光線和地表作用以后再反射到傳感器的太陽光的輻射亮度和地面傾斜度有關(guān)。若處在坡度為α的傾斜面上的地物影像為g（x，y），則校正后的圖像f（x，y）為：

由上式看出，地形坡度引起的輻射校正方法需要有圖像對(duì)應(yīng)地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，校正較為麻煩，一般情況下對(duì)地形坡度引起的誤差不做校正?！?.3.1輻射校正§4.3.2幾何校正

一、遙感圖像的幾何變形有兩層含義一是指衛(wèi)星在運(yùn)行過程中，由于姿態(tài)、地球曲率、地形起伏、地球旋轉(zhuǎn)、大氣折射、以及傳感器自身性能所引起的幾何位置偏差。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。(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(jié)構(gòu)、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(cè)元件排列不整齊； 7）

采樣速率的變化； 8）

采樣時(shí)刻的偏差; 9)掃描鏡的掃描速度變化。MSS舉例例如掃描形式成像的MSS，產(chǎn)生的幾何畸變主要是由于掃描鏡的非線性振動(dòng)和其它一些偶然因素引起的。在地面上影響可達(dá)395米。

全景畸變：遙感圖像坐標(biāo)系統(tǒng)影響圖像變形的外部因素包括:(A)衛(wèi)星姿態(tài)引起的圖像變形 (B)動(dòng)態(tài)掃描圖像的變形 (C)地球曲率 (D)大氣折射

(E)地形起伏

(F)地球自傳(2)外部因素引起的誤差1)遙感器坐標(biāo)系統(tǒng)S-UVWU軸:遙感器飛行方向V軸:垂直于U軸W軸:垂直于UV平面2)地面坐標(biāo)系統(tǒng)O-XYZZ軸:原點(diǎn)處天頂方向XY平面垂至于Z軸3)圖象坐標(biāo)系統(tǒng)o-xyfxyf分別平行于UVW軸遙感圖象坐標(biāo)系統(tǒng)(A)衛(wèi)星姿態(tài)引起的圖像變形位移變化高度變化速度變化偏航變化俯仰變化側(cè)翻變化(dα)

(dω

)

(dκ

)

(B)動(dòng)態(tài)掃描圖像的變形

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。Δh看作是一種系統(tǒng)的地形起伏，就可以利用像點(diǎn)位移公式來估計(jì)地球曲率所引起的像點(diǎn)位移。地球曲率的變形(圖示)(C)地球曲率地球曲率的變形圖示

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，從而引起像點(diǎn)的位移，這種像點(diǎn)移位就是大氣折光差（參見下一頁示圖）。對(duì)側(cè)視雷達(dá)圖像的影響（…)。

側(cè)視雷達(dá)是按斜距投影原理成像的。雷達(dá)電磁波在大氣中傳播時(shí)，一方面會(huì)因大氣折射率的變化而產(chǎn)生路徑彎曲，使傳播路徑變長(zhǎng)；另一方面使電磁波傳播速度減慢，傳播時(shí)間增加。

(D)大氣折射大氣折光差示圖(E)地形起伏引起的誤差(F)地球自傳引起的誤差(3)處理過程中引起的畸變遙感圖像再處理過程中產(chǎn)生的誤差，主要是由于處理設(shè)備產(chǎn)生的噪聲引起的。傳輸、復(fù)制、光學(xué)數(shù)字

遙感圖像的幾何粗處理和精處理。遙感圖像的幾何糾正按照處理方式分為光學(xué)糾正和數(shù)字糾正。光學(xué)糾正主要用于早期的遙感圖像的處理中，現(xiàn)在的應(yīng)用已經(jīng)不多。除了對(duì)框幅式的航空照片（中心投影）可以進(jìn)行比較嚴(yán)密的糾正以外，對(duì)于大多數(shù)動(dòng)態(tài)獲得的遙感影像只能進(jìn)行近似的糾正。主要介紹數(shù)字圖像的幾何糾正。二、幾何變形的校正幾何粗校正：這種校正是針對(duì)引起幾何畸變的原因進(jìn)行的，地面接收站在提供給用戶資料前，已按常規(guī)處理方案與圖像同時(shí)接收到的有關(guān)運(yùn)行姿態(tài)、傳感器性能指標(biāo)、大氣狀態(tài)、太陽高度角對(duì)該幅圖像幾何畸變進(jìn)行了校正。

幾何粗校正是針對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行和成像過程中引起的幾何畸變進(jìn)行的校正，即衛(wèi)星姿態(tài)不穩(wěn)、地球自轉(zhuǎn)、地球曲率、地形起伏、大氣折射等因素引起的變形。幾何精校正：利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行的幾何校正稱為幾何精校正。二、幾何變形的校正系統(tǒng)幾何校正（…)。數(shù)字圖像幾何校正也稱圖像糾正，其目的是改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?；经h(huán)節(jié)有兩個(gè)：一是像素坐標(biāo)變換；二是像素亮度重采樣。按圖像引起幾何畸變的原因，推導(dǎo)出畸變校正公式，這類校正公式一般與傳感器的有關(guān)參數(shù)、傳感器的位置、姿勢(shì)等數(shù)據(jù)有關(guān)，將這些數(shù)據(jù)代入公式對(duì)原始圖像進(jìn)行幾何校正，叫做系統(tǒng)性校正。

（一）幾何校正方法（一）坐標(biāo)關(guān)系

數(shù)字圖象幾何糾正：通過計(jì)算機(jī)對(duì)離散結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像中的每一個(gè)像元逐個(gè)進(jìn)行糾正處理的方法。這種方法能夠精確地改正動(dòng)態(tài)掃描圖像的誤差。

基本原理：利用圖像坐標(biāo)和地面坐標(biāo)（另一圖像坐標(biāo)、地圖坐標(biāo)等）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即輸入圖像和輸出圖像間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)現(xiàn)。

幾何校正方法數(shù)字圖像糾正的處理過程框圖準(zhǔn)備工作

輸入原始數(shù)字圖像

建立糾正變換函數(shù)

影像范圍確定輸出

逐個(gè)像素的幾何位置變換像素亮度值重采樣

輸出糾正后的圖像

效果評(píng)價(jià)

直接糾正方法:從原始圖像，依次對(duì)每個(gè)像元根據(jù)變換函數(shù)F（），求得它在新圖像中的位置。并將灰度值付給新圖像的對(duì)應(yīng)位置上。間接糾正法:是反解變換方法。從新圖像中依次每個(gè)像元，根據(jù)變換函數(shù)f()找到它在原始圖像中的位置，并將圖像的灰度值賦予新圖像的像元。直接法和間接法糾正方案直接間接糾正方案示意圖（二）灰度重采樣

糾正后的新圖像的每一個(gè)像元，根據(jù)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。如果位置不為整數(shù)，則有幾種方法： 1)最近鄰法 2)雙線性內(nèi)插法

3)三次卷積法

幾何校正方法1)

最近鄰法：距離實(shí)際位置最近的像元的灰度值作為輸出圖像像元的灰度值。

(二)灰度重采樣2）雙線性法：以實(shí)際位置臨近的4個(gè)像元值，確定輸出像元的灰度值。公式為：

(二)灰度重采樣3）三次卷積法以實(shí)際位置臨近的16個(gè)像元值，確定輸出像元的灰度值。公式為：

(二)灰度重采樣

PSF三次樣條函數(shù)

sinc函數(shù)幾種采樣方法的優(yōu)缺點(diǎn)： 1)最近鄰法：計(jì)算簡(jiǎn)單，一般情況下可接受，灰度級(jí)細(xì)微變化，保留原始數(shù)據(jù)。 2)雙線性插值：計(jì)算，效果，細(xì)節(jié)喪失；斜率

(二)灰度重采樣表征空間位置的可靠性，道路交叉點(diǎn)，標(biāo)志物，水域的邊界，山頂，小島中心，機(jī)場(chǎng)等。同名控制點(diǎn)要在圖像上均勻分布；特征變化大的