遙感技術(shù)與應(yīng)用學(xué)年學(xué)期：2010-2011學(xué)年第二學(xué)期班級：城規(guī)081-2班教師：李玉2022/12/2212022/12/222第四章遙感圖像校正內(nèi)容簡介遙感圖像的輻射畸變

(RadiometricDistortion)遙感圖像的輻射校正(CorrectionofRadiometricDistortion)遙感圖像的幾何畸變(GeometricDistortion)遙感圖像的幾何校正(CorrectionofGeometricDistortion)遙感圖像配準(ImageRegistration)2022/12/2232022/12/225遙感圖像的輻射畸變傳感器引起的畸變由光學(xué)系統(tǒng)的特性引起的畸變：在使用透鏡的光學(xué)系統(tǒng)中，由于鏡頭光學(xué)特性的非均勻性，在其成像平面存在著邊緣部分比中間部分暗的現(xiàn)象（減光現(xiàn)象）。2022/12/226N’ONPSDθf光線以平行于主光軸的方向通過鏡頭到達像平面O點的光強度為Eo，以與主光軸成θ角的方向通過鏡頭到像平面P點的光強度為Ep，Ep＝Eo·cos4θ。遙感圖像的輻射畸變2022/12/227掃描成像系統(tǒng)中的輻射亮度不均勻：光線路徑長短不同造成的，掃描角越大時，光線路徑越長，大氣衰減越嚴重。星（機）下點位置的地物輻射信息的光線路徑最短，大氣衰減所產(chǎn)生的影響也最小。因此輻射量失真最小。光電變換系統(tǒng)的特性引起的畸變：傳感器的光譜響應(yīng)特性和傳感器的輸出有直接的關(guān)系。在掃描方式的傳感器中，傳感器接收系統(tǒng)收集到的電磁波信號需經(jīng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成電信號記錄下來，這一過程也會引起輻射量誤差。由光照條件差異引起的輻射誤差：太陽高度角、地面的傾斜所造成等遙感圖像的輻射畸變輻射校正輻射校正：消除圖像數(shù)據(jù)中輻射畸變的過程；大氣層引起的輻射畸變校正：公式計算法、波譜測試回歸分析法、波段對照法公式計算法：公式計算法需知道具體天氣條件下大氣路徑輻射率等參數(shù)。如果不通過特別的觀測，一般很難得到這些數(shù)據(jù)。波譜測試回歸分析法：需要到野外進行與陸地衛(wèi)星同步的一致測試。2022/12/228原理：一幅圖像中總可以找到某種或某幾種地物，其輻射亮度或反射率接近零，例如，地形起伏地區(qū)山的陰影處，反射率極低的深海水體處等，這時在圖像中對應(yīng)位置的像元亮度值應(yīng)為零。實測表明，這些位置上的像元亮度不為零。這個值就應(yīng)該是大氣散射導(dǎo)致的程輻射度值。方法：首先確定輻射亮度或反射亮度應(yīng)為零的地區(qū)，則亮度最小值必定是這一地區(qū)大氣影響的程輻射度（PathRadiance）增值。校正時，從直方圖統(tǒng)計中，找到一幅圖像中的最小亮度值；將每一波段中每個像元的亮度值都減去本波段的最小值。使圖像亮度動態(tài)范圍得到改善，對比度增強，從而提高了圖像質(zhì)量。2022/12/2210輻射校正2022/12/2212由傳感器系統(tǒng)引起的輻射校正：一般來說，成像系統(tǒng)造成的誤差由傳感器研制單位根據(jù)傳感器的相關(guān)參數(shù)、利用相關(guān)的傳感器成像模型進行校正，不需要用戶自己校正.輻射校正幾何畸變幾何畸變：遙感圖像在幾何位置上發(fā)生了變化，產(chǎn)生諸如行列不均勻，像元大小與地面大小對應(yīng)不準確，地物形狀不規(guī)則等變化；幾何畸變的成因包括遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化、地形起伏、地球表面曲率、大氣折射、地球自轉(zhuǎn)。2022/12/2214遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化航高：在遙感平臺運動過程中，會產(chǎn)生相對于原標準航高的偏離。另一方面，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(dǎo)致圖像掃描行對應(yīng)

的地面長度發(fā)生變化。航高越

向高處偏離，圖像對應(yīng)的地面

越寬。2022/12/2215幾何畸變2022/12/2216航速：衛(wèi)星的橢圓軌道本身就導(dǎo)致了衛(wèi)星飛行速度的不均勻，其他因素也可導(dǎo)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(dǎo)致圖像在衛(wèi)星前進方向上（圖像上下方向）的位置錯動。幾何畸變俯仰：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。2022/12/2217幾何畸變翻滾：遙感平臺姿態(tài)翻滾是指以前進方向為軸旋轉(zhuǎn)了一個角度。可導(dǎo)致星下點在掃描線方向偏移，使整個圖像的行向翻滾角引起偏離的方向錯動。2022/12/2218幾何畸變地形起伏的影響:當?shù)匦未嬖谄鸱鼤r，會產(chǎn)生局部像點的位移，使原來本應(yīng)是地面點的信號

被同一位置上某高點的

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。2022/12/2220幾何畸變地表曲率的影響: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。像點位置的移動，當

選擇的地圖投影平面

是地球的切平面時，

使地面點P0相對于投影

平面點P有一高差△h。2022/12/2221幾何畸變2022/12/2223大氣折射的影響:大氣對輻射的傳播產(chǎn)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

線而是一條曲線，從

而導(dǎo)致傳感器接收的

像點發(fā)生位移。幾何畸變2022/12/2224地球自轉(zhuǎn)的影響:衛(wèi)星前進過程中，傳感器對地面掃描獲得圖像時，地球自轉(zhuǎn)影響較大，會產(chǎn)生影像偏離。因為多數(shù)衛(wèi)星在軌道運行的降段接收圖像，即衛(wèi)星自北向南運動，這時地球自西向東自轉(zhuǎn)。相對運動的結(jié)果，使衛(wèi)星的星下位置逐漸產(chǎn)生偏離。偏離方向如圖所示，所以衛(wèi)星圖像經(jīng)過校正后成為

圖C的形態(tài)。幾何畸變2022/12/2226幾何精校正包括光學(xué)校正和數(shù)字糾正兩種方法。數(shù)字糾正是通過計算機對圖像每個像元逐個地解析糾正處理完成的，其包括兩方面：一是像元坐標變換；二是像元灰度值重新計算（重采樣）。坐標變換:確定原始圖像和糾正后圖像之間的坐標變換關(guān)系。包括兩種方案：直接法和間接法。幾何校正2022/12/2227直接法：從原始圖像陣列出發(fā)，依次對其中每一個像元分別計算其在輸出（校正后）圖像的坐標，坐標變換式為：

式中，(x,y)為P點原始圖像的行數(shù)和列數(shù)；(X,Y)為P在新圖像中的坐標（即地面坐標系），并把P(x,y)的灰度值重新計算后送到P(X,Y)位置上去。幾何校正2022/12/2228間接法：從空白圖像陣列出發(fā)，依次計算每個像元P(X，Y)在原始圖像中的位置P(x,y)。坐標變換式為：幾何校正2022/12/2230坐標變換式經(jīng)常采用一階、二階、三階高次多項式。坐標變換式的系數(shù)可從控制點的圖像坐標值和地圖坐標值中根據(jù)最小二乘法求出。一階多項式法可以糾正線性誤差:6未知數(shù)，至少需要3個GCP

X=aX1+bY1+cY=dX1+eY1+f

二階多項式法可以糾正非線性誤差:12個未知數(shù)，至少需要6個GCP

X=aX22+bY22+cX2Y2+dX2+eY2+fY=gX22+hY22+iX2Y2+jX2+kY2+m幾何校正2022/12/2231三階多項式法可以糾正非線性誤差:20個未知數(shù)，至少需要10GCP

X=aX33+bY33+cX32Y3+dX3Y32+eX32+fY32+gX3Y3+hX3+iY3+jY=kX33+mY33+nX32Y3+pX3Y32+qX32+rY32+sX3Y3+tX3+uY3+v幾何校正2022/12/2232地面控制點（GroundControlPoint-GCP）選取的原則地面控制點就是在影像上可以精確測量地理坐標的已知點。一般來說，控制點應(yīng)選取圖像上易分辨且較精細的特征點，這很容易通過目視方法辨別，如道路交叉點、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(yīng)多選些。圖像邊緣部分一定要選取控制點，以避免外推。此外，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(yīng)盡可能避免這樣做，以避免造成人為的誤差。幾何校正2022/12/2233控制點數(shù)目的確定其最低限是按未知系數(shù)的多少來確定的。一次多項式有6個系數(shù)，就需要有6個方程來求解，需3個控制點的3對坐標值，即6個坐標數(shù)。2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，n次多項式，控制點的最少數(shù)目為(n+1)(n+2)/2。實際工作表明，選取最少數(shù)目的控制點來校正圖像，效果往往不好。在圖像邊緣處，在地面特征變化大的地區(qū)，如河流拐彎處等，由于沒有控制點，而靠計算推出對應(yīng)點，會使圖像變形。因此，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。幾何校正2022/12/2234灰度值的重采樣：利用未校正圖像的亮度值計算校正圖像的亮度值。P點的灰度值一般有P’點以其鄰域點的灰度值決定。常用的亮度值內(nèi)插方法：最近鄰法、雙向線性內(nèi)插法、三次卷積內(nèi)插法。幾何校正2022/12/2235最近鄰域法：用距離投影點最近像元灰度值代替輸出像元灰度值。最鄰近內(nèi)插法以距內(nèi)插點最近的觀測點的像元值為所求的像元值。該方法的優(yōu)點是不破壞原來的像元值，處理速度快。幾何校正2022/12/2236雙線性內(nèi)插法:投影點周圍4個相鄰像元灰度值，并根據(jù)各自權(quán)重計算輸出像元灰度值，公式簡述為：幾何校正2022/12/2237雙三次卷積法：獲取與投影點鄰近的16個像元灰度值計算輸出像元灰度值，公式為：幾何校正2022/12/2238三種方法比較方法優(yōu)點缺點提醒最鄰近法簡單易用，計算量小處理后的圖像亮度具有不連續(xù)性，影響精確度雙線性內(nèi)插法精度明顯提高，特別是對亮度不連續(xù)現(xiàn)象或線狀特征的塊狀化現(xiàn)象有明顯的改善。計算量增加，且對圖像起到平滑作用，從而使對比度明顯的分界線變得模糊。鑒于該方法的計算量和精度適中，只要不影響應(yīng)用所需的精度，作為可取的方法而常被采用。三次卷積內(nèi)插更好的圖像質(zhì)量，細節(jié)表現(xiàn)更為清楚。計算量很大。欲以三次卷積內(nèi)插獲得好的圖像效果，就要求位置校正過程更準確，即對控制點選取的均勻性要求更高。幾何校正2022/12/2239遙感圖像的配準多圖像：對地面同一景物的一組遙感圖像。多時相圖像：由一個傳感器在不同時間對地面同一景物進行構(gòu)像；多傳感器圖像：由不同傳感器在同一時間對地面同一景物進行構(gòu)像；多波段圖像：由同一時間、同一傳感器的不同波段對地面同一景物進行構(gòu)像。2022/12/2240圖像配準:將兩組或更多組圖像進行幾何對準，使得同一地區(qū)的各個像元可以在數(shù)字上或視覺上被疊加起來。被配準的數(shù)據(jù)可以是多圖像的任意一種。圖像配準的必要性在許多遙感圖像處理應(yīng)用中，需要對多圖象數(shù)據(jù)進行比較和分析，例如：圖像的統(tǒng)計模式識別、變化檢測等，這就要求多圖像之間在幾何上是相互匹配的，即是說多圖象上的一個測量向量是由一個共同的地面分辨元素得到的。但實際上，多