遙感圖像的校正

1、 遙感數(shù)據(jù)的表示既有模擬圖像又有數(shù)字圖像。 模擬圖像：普通像片那樣的灰度級(jí)及顏色連續(xù) 變化的圖像 數(shù)字圖像：而是以數(shù)字形式表示的遙感影像。 包括把模擬圖像數(shù)字化的圖像。 模擬圖像 數(shù)字圖像 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換 數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換 把模擬圖像分割成同樣形狀的小單元，進(jìn)行空 間離散化處理叫采樣（sampling）。 以各個(gè)小單元的平均亮度值或中心部分的亮度 值作為該單元的亮度值，為亮度值的離散化處 理，即量化（quantization）。 以上兩種過程結(jié)合起來叫圖像的數(shù)字化 （digitization）。 采樣的原理 圖象中頻率最高的空間波在每個(gè)周期 內(nèi)至少需要2個(gè)抽樣 量化的概念 由于傳感器上探

2、測(cè)元件的靈敏度直接影響 有效量化的級(jí)數(shù)，因此，不同傳感器提供 的有效量化的級(jí)數(shù)是不同的。 傳感器類型衛(wèi)星名稱有效量化級(jí)數(shù)信息量/bit MSSLandsat646 TMLandsat2568 HRV(S)Spot2568 AVHRRNOAA102410 SARERS6553616 常用的遙感數(shù)字圖像有效量化級(jí)數(shù)。 像素（像元）是遙感數(shù)字圖像最基本的單位，是 成像過程的采樣點(diǎn)，也是計(jì)算機(jī)圖像處理的最小 單元。像素具有空間特征和屬性特征。 由于傳感器從空間觀測(cè)地球表面，因此每個(gè)像素 含有特定的地理位置的信息，并表征一定的面積。 對(duì)于多光譜掃描儀提供的數(shù)字圖像來說，一個(gè)像 素對(duì)應(yīng)的地表面積是由傳感器

3、上瞬間視場(chǎng)角所決 定的，瞬間視場(chǎng)角在地表的投影面稱地面分辨率 （或空間分辨率），由于傳感器種類不同，它的 瞬間視場(chǎng)角也不同，因此，對(duì)應(yīng)的地面分辨率是 不同的。 像素的屬性特征采用亮度值來表達(dá)，在不 同波段上，相同地點(diǎn)的亮度值可能是不同 的，這是因?yàn)榈匚镌诓煌ǘ紊陷椛潆姶?波的特征不同造成的。 遙感數(shù)字圖像中像素的數(shù)值是由傳感 器所探測(cè)到的地面目標(biāo)地物的電磁輻射強(qiáng) 度決定的。入射到傳感器中的電磁波被探 測(cè)器元件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換， 成為絕對(duì)輻射亮度值R。為便于應(yīng)用，R 又被轉(zhuǎn)換為能夠表征地物輻射亮度的相對(duì) 值。 像素有正像素和混合像素之分。 正像素：像素內(nèi)只包含一種地物。如水體，它

4、的亮度值代表了水體的光譜特征。 混合像素：像素內(nèi)包括兩種或兩種以上地物。 如出苗不久的麥田，它的一個(gè)像素亮度位內(nèi)包 含麥苗和土壤的光譜特征。 數(shù)字圖像的特點(diǎn) 便于計(jì)算機(jī)處理與分析：計(jì)算機(jī)是以二進(jìn)制方式處理 各種數(shù)據(jù)的。采用數(shù)字形式表示遙感圖像，便于計(jì)算 機(jī)處理。因此，與光學(xué)圖像處理方式相比，遙感數(shù)字 圖像是一種適于計(jì)算機(jī)處理的圖像表示方法。 圖像信息損失低：由于遙感數(shù)字圖像是用二進(jìn)制表示 的，因此在獲取、傳輸和分發(fā)過程中，不會(huì)因長(zhǎng)期存 儲(chǔ)而損失信息，也不會(huì)因多次傳輸和復(fù)制而產(chǎn)生圖像 失真。而模擬方法表現(xiàn)的遙感圖像會(huì)因多次復(fù)制而使 圖像質(zhì)量下降。 抽象性強(qiáng)：盡管不同類別的遙感數(shù)字圖像，有不同的

5、視覺效果，對(duì)應(yīng)不同的物理背景，但由于它們都采用 數(shù)字形式表示，便于建立分析模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)解譯 和運(yùn)用遙感圖像專家系統(tǒng)。 B S Q 方 式 （ b a n d sequential） 各波段的二維圖像數(shù) 據(jù)按波段順序排列。 BIL方式（band interleaved by line） 對(duì)每一行中代表 一個(gè)波段的光譜 值進(jìn)行排列，然 后按波段順序排 列該行，最后對(duì) 各行進(jìn)行重復(fù)。 BIP方式（band interleaved by pixel） 在一行中，每個(gè)像元按光譜波段次序進(jìn) 行排列，然后對(duì)該行的全部像元進(jìn)行這 種波段次序排列，最后對(duì)各行進(jìn)行重復(fù)。 遙感圖像處理主要有人工圖像判讀或計(jì)算

6、機(jī)圖像處理，計(jì)算機(jī)圖像處理主要包括圖 像的校正、變換處理和分類等。 處理方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 人工（圖像 判讀） 可利用判讀人員的知 識(shí)和經(jīng)驗(yàn)；擅長(zhǎng)提取空 間信息 花費(fèi)時(shí)間 存在個(gè)人差異 計(jì)算機(jī)（圖 像處理） 處理時(shí)間短；有重復(fù) 性；可提取出物理量及 指標(biāo) 不能利用人的知 識(shí)和經(jīng)驗(yàn)；不擅長(zhǎng) 提取空間信息 影像幾何校正的原因 遙感圖象在獲取過程中，因傳感器、遙感平臺(tái)以及地球本身等方面的 原因?qū)е略紙D象上各地物的幾何位置、形狀、大小、方位等特征與 地面大小對(duì)應(yīng)不準(zhǔn)確，地物形狀不規(guī)則 變化時(shí)，說明遙感影像發(fā)生了 幾何畸變。 產(chǎn)生畸變的圖像給定量分析及位置配準(zhǔn)造成困難，在應(yīng)用遙感圖像之 前，必須將其準(zhǔn)確投影

7、到需要的坐標(biāo)系中。因此，遙感圖像的幾何處 理是遙感信息處理過程中的重要環(huán)節(jié)。 影像的幾何校正是從具有畸變的圖象中消除畸變的處理過程 4.2 遙感影像的幾何校正 遙感影像的幾何校正 一、遙感圖像的幾何變形有兩層含義一、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)、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折射、以及傳感器自身性能所引起的幾 何位置偏差。何位置偏差。 二是指圖像上像元的坐標(biāo)與地圖坐標(biāo)系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。統(tǒng)中相應(yīng)坐標(biāo)之間的差異。

8、 遙感幾何畸變一般分為系統(tǒng)性內(nèi)部誤差與隨機(jī)性外部誤差。遙感幾何畸變一般分為系統(tǒng)性內(nèi)部誤差與隨機(jī)性外部誤差。 系統(tǒng)性誤差主要指?jìng)鞲衅髯陨淼男阅?、結(jié)構(gòu)等造成的；系統(tǒng)性誤差主要指?jìng)鞲衅髯陨淼男阅堋⒔Y(jié)構(gòu)等造成的； skew: e.g. Landsat - 122 pixels right-hand shift between the top and bottom lines at 40N. To correct: offsetting the skew 隨機(jī)性誤差指?jìng)鞲衅饕酝獾母鞣N因素造成的誤差。隨機(jī)性誤差指?jìng)鞲衅饕酝獾母鞣N因素造成的誤差。 generated randomly due to inst

9、rumental instability and vibration, earth system abnormal movement, atmospherical and other unknown distortion To correct: rubber sheeting 幾何畸變的系統(tǒng)與隨機(jī)誤差畸變的系統(tǒng)與隨機(jī)誤差 遙感數(shù)據(jù)接收后，首先由接收部門進(jìn)行校正，這種校正往往遙感數(shù)據(jù)接收后，首先由接收部門進(jìn)行校正，這種校正往往 根據(jù)遙感平臺(tái)、地球、傳感器的各種參數(shù)進(jìn)行處理（粗加根據(jù)遙感平臺(tái)、地球、傳感器的各種參數(shù)進(jìn)行處理（粗加 工）。工）。 遙感圖像的系統(tǒng)誤差改正后，對(duì)傳感器內(nèi)部畸變的改正很有遙

10、感圖像的系統(tǒng)誤差改正后，對(duì)傳感器內(nèi)部畸變的改正很有 效，但是處理后仍有很大的殘差（系統(tǒng)誤差和偶然誤差），效，但是處理后仍有很大的殘差（系統(tǒng)誤差和偶然誤差）， 而用戶拿到這種產(chǎn)品后，由于使用的目的不同或投影及比例而用戶拿到這種產(chǎn)品后，由于使用的目的不同或投影及比例 尺不同，仍舊進(jìn)一步做幾何校正尺不同，仍舊進(jìn)一步做幾何校正 二、幾何變形的校正二、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)行姿按常規(guī)處理方案與圖像同時(shí)接

11、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)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。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轉(zhuǎn)、地球曲率、地形起伏、大氣折射等因素引起 的變形。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。為幾何精校正。 Rotation Translation Sc

12、aling cossin sincos 00 00 yxy yxx y x Dyy Dxx 0 0 0 0 ySy xSx y x 一一 傳感器成像方式引起的圖像變形傳感器成像方式引起的圖像變形：傳感器的成像方式有中心投影，全景投影， 斜距投影，以及平行投影，由于中心投影在垂直攝影和地面平坦的情況下，地 面物體與其景物具有相似性，不存在由成像方式造成的圖像變形，因此把中心 投影的圖像作為基準(zhǔn)圖像來討論其他方式投影圖像的變形規(guī)律。 1全景投影變形 全景投影的影像面不是一個(gè)平面，而是一個(gè)圓柱面 )tan( p fyyd ppy f 為焦距， 為成像角， =57.29570/rad 2 斜距投影變形

13、斜距投影變形 側(cè)視雷達(dá)屬于斜距投影變形,S為雷達(dá)天線, Sy為雷達(dá)成像面,地物點(diǎn)P在斜距投影 圖像上的圖像坐標(biāo)為yp,H為航高,所 以斜距投影圖像上的影像坐標(biāo)為 cos f y p 而地面上P點(diǎn)在等效中心投影圖像oy上 的像點(diǎn)P為 yp= tanf 變形誤差為: )tan(sec fyyd ppy 傳感器外方位元素,是指?jìng)鞲衅鞒上駮r(shí)的位置(XS YS ZS)和姿態(tài)角(, ).當(dāng)外方位元素偏離標(biāo)準(zhǔn)位置而出現(xiàn)變動(dòng)時(shí),就會(huì)使圖像產(chǎn)生變形.這種變形一般 由地物點(diǎn)圖像的坐標(biāo)誤差來表達(dá),并可以通過傳感器的構(gòu)像方程推出. 二二 傳感器外方位元素變化的影響傳感器外方位元素變化的影響 Homogeneous c

14、oordinates Let P(x, y) P(Wx, Wy, W) where W is the scale factor. Thus 1 010 001 1 1 yx DD yxP 100 0cossin 0sincos 1 1 yxP 100 00 00 1 1y x S S yxP Rotation: Translation:Scaling: 投影誤差是由地面起伏引起的像點(diǎn)位移，當(dāng)?shù)匦斡衅鸱鼤r(shí)，對(duì)于高于或低于某一基 準(zhǔn)面的地面點(diǎn)，其在像片上的像點(diǎn)與其在基準(zhǔn)面上垂直投影點(diǎn)在像片上的構(gòu)像點(diǎn)之 間有直線位移。如圖所示。 地球曲率引起的像點(diǎn)位 移與地形起伏引起的像 點(diǎn)位移類似。只要把地 球表

15、面(把地球表面看成 球面)上的點(diǎn)到地球切平 面的正射投影距離看做 是一種系統(tǒng)的地形起伏， 就可以利用前面介紹的 像點(diǎn)位移公式來估計(jì)地 球曲率所引起的像點(diǎn)位 移，如圖所示。 五 大氣折射引起的圖像變形 系統(tǒng)幾何校正（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。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)： v一是像素坐標(biāo)變換；一是像素坐標(biāo)變換； v二是像素亮度重采樣。二是像素亮度重采樣。 常用的糾正方法有多項(xiàng)式

16、法，共線方程法， 幾何校正幾何校正(Geo-referenced) 準(zhǔn)準(zhǔn) 備備 工工 作作 輸入原始輸入原始 數(shù)字圖像數(shù)字圖像 建立糾正變建立糾正變 換函數(shù)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 1 基本思路 校正前的圖像看起來是 由行列整齊的等間距像 元點(diǎn)組成的，但是實(shí)際 上，由于某種幾何畸變， 圖像中像元點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地 面距離并不相等。校正 后的圖像也是由等間距 的網(wǎng)格點(diǎn)組成的，且以 地面為標(biāo)準(zhǔn)，符合某種 投影的均勻分布。 2 具體步驟 找到一種數(shù)學(xué)關(guān)系，建立變換前圖像

17、坐標(biāo)（X ，Y）與 變換后圖像坐標(biāo)（u， v）的關(guān)系，通過每一個(gè)變換后的圖 像像元的中心位置計(jì)算出變換前對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)點(diǎn)。分析 得知，整數(shù)（u， v）的像元點(diǎn)在原圖像坐標(biāo)系中一般不在 整數(shù)（X， Y）點(diǎn)上。 計(jì)算校正后圖像中每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)原圖中的位置（X ，Y）。 計(jì)算時(shí)按行逐點(diǎn)計(jì)算，每行結(jié)束后進(jìn)行下一行計(jì)算，直到 全圖結(jié)束。 計(jì)算每一點(diǎn)的亮度值。由于計(jì)算后的（U,V）多數(shù)不在 原圖的像元中心處，因此必須重新計(jì)算新位置的亮度值。 一般來說，新點(diǎn)的亮度值介于鄰點(diǎn)亮度值之間，所以常常 采用內(nèi)插法計(jì)算。 通常數(shù)學(xué)關(guān)系 f 表示為二元N次多項(xiàng)式： 計(jì)算方法（以多項(xiàng)式法為例）(反解法) 首先建立兩圖像像元

18、點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，記做： ),( ),( vufy vufx y x n i in j j i i iij n i jn j j i i iij vuby vuax 00 00 通常數(shù)學(xué)關(guān)系表示為二元N次多項(xiàng)式： 實(shí)際計(jì)算中常常采用二元二次多項(xiàng)式，其展開式為： 2 02 2 2011011000 2 02 2 2011011000 vbubuvbvbubby vauauvavauaax 首先要計(jì)算出上面式的12個(gè)系數(shù)，這就需要12個(gè)方程，實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，6個(gè) 控制點(diǎn)是解線性方程的理論最低數(shù)，這樣少的控制點(diǎn)較正后的圖像效果差，因 此在實(shí)際工作中，要增加控制點(diǎn)，控制點(diǎn)增加后計(jì)算結(jié)果有所改變，需采用

19、最 小二乘法，通過對(duì)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合來求系數(shù)。如上式可變?yōu)椋?. . . 1 3 02 2 20 2 11 2 011000 2 02 3 20 2 1101 2 1000 2 02 2 2011011000 lllllllllll lllllllll lllllll vxvavuavuauavuava uxauavuavuauaua xvauavuavauaa 1 l l 1 這里 代表 ，L為控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)，將上式寫成距陣形式記為： 11 BAU 4223332 2243232 332222 3222 2322 2 2 1 lllllllll lllllllll lllllllllll

20、l lllllllll lllllllll l l llll vvuvuvvuv vuuvuvuuu vuvuvuvuvuvu vvuvuvvuv vuuvuvuuu vuvuvu A 同樣以Y為主的距陣形式為： 22 BAU 02 20 11 01 10 00 1 a a a a a a U 02 20 11 01 10 00 2 b b b b b b U 2 2 1 ll ll lll ll ll l vx ux vux vx ux x B 2 2 2 ll ll lll ll ll l vy uy vuy vy uy y B 系數(shù)確定后，利用公式1便可以根據(jù)每一個(gè)像元點(diǎn)的行列值 求出所

21、對(duì)應(yīng)的原圖像對(duì)應(yīng)的值。 為了確定校正后圖像上每點(diǎn)的亮度值，只要求出其原圖點(diǎn) 的亮度。 不在采樣點(diǎn) Three resampling options for determining digital numbers for transformed pixels. 通常有三種方法：最近鄰法、雙向線性內(nèi)插法、 三次卷積內(nèi)插法。 I。最近鄰法 圖像中兩相臨點(diǎn)的距離為1，即行間 距為1，列間距為1，取與所計(jì)算點(diǎn) （x,y）周圍相臨的4個(gè)點(diǎn)，比較他 們與被計(jì)算點(diǎn)的距離，哪個(gè)點(diǎn)距離 最近，就取哪個(gè)的亮度值作為（x,y） 點(diǎn)的亮度值。設(shè)該最近鄰點(diǎn)的坐標(biāo) 為（K，L），則： K=Integer(x+0.5) L=

22、Integer(y+0.5) 式中，Integer為取整，于是點(diǎn)（K， L）的亮度值就作為點(diǎn)（x,y）的亮 度值。 這種方法簡(jiǎn)單易用，計(jì)算量小，在 幾何精度上精度為0.5個(gè)像元，但是 處理后的圖像的亮度具有不連續(xù)性， 從而影響了精度。 ?。▁,y）點(diǎn)周圍的4鄰點(diǎn)，在方 向（或方向內(nèi)插兩次），再在或 方向內(nèi)插一次，得到（x,y）點(diǎn) 的亮度值，該方法為雙線性內(nèi)插 法。 設(shè)4個(gè)鄰點(diǎn)分別為（i,j）,(i,j+1)， （i+1,j）,(i+1,j+1),i代表左上角 為原點(diǎn)的行數(shù)，j代表列數(shù)。設(shè) a=x-I,=y-j,過（x,y）做直線與x 軸平行，與4鄰點(diǎn)組成的邊相交 于點(diǎn)（i,y）和(i+1,y)

23、。先在y方 向內(nèi)插，計(jì)算交點(diǎn)的亮度f(I,y)和 f(i+1,y). 由梯形計(jì)算公式： 1 ) 1,(),(),(),(jifyifyifjif 所以：), 1()1 () 1,(),(jifjifyif 同理：), 1()1 () 1, 1(), 1(jifjifyif 然后，計(jì)算X方向組成的內(nèi)插值來內(nèi)插 ),(yxf 值，結(jié)果為 ),()1 (), 1(),(yifayiafyxf 綜合以上3個(gè)公式得： 其中，i,j的值由x,y取整； ), ()1 () 1, ()1 (), 1()1 () 1, 1(),(jifjifajifjifayxf )( )( yIntegerj xIntege

24、ri 實(shí)際計(jì)算時(shí)，先對(duì)全幅圖像沿行依次計(jì)算每一個(gè)點(diǎn)，再沿列逐行計(jì)算，直到全部點(diǎn)計(jì) 算完畢。雙線性內(nèi)插法雖然與最鄰近法比起來其計(jì)算量增加，但是精度明顯提高，特 別是對(duì)亮度不連續(xù)現(xiàn)像或線狀特征的塊狀化現(xiàn)像有明顯的改善。但是這種內(nèi)插法對(duì)圖 像起到平滑的作用，從而使對(duì)比度明顯的分界線變的模糊。 換一個(gè)角度說明雙線性插值法 10),(1)(xxxW 卷積核是一個(gè)三角形函數(shù) 11 12 21 22 p Y X y1y2 a b y 1- y x 1- x x2 x1 雙線性插值法示意圖 2 1 2 1 ),(),()( ij jijiPIWI 雙線性插值法 2221 1211 II II I 2221 1

25、211 WW WW W )()(;)()( 21121111 yWxWWyWxWW yyWyyWxxWxxW)(;1)(;)(;1)( 2121 )(INT)(INTyyyxxx 雙線性插值法 22211211 2222212112121111 )1 ()1 ()1)(1 ( )( yIxIyxyIxIyx IWIWIWIWPI 加權(quán)平均值 （空間權(quán)矩陣）距離加權(quán)？ 克里金插值？ )2,(),1,(),(),1,(jxfjxfjxfjxf III。三次卷積內(nèi)插法 這是進(jìn)一步提高內(nèi)插精度的方法。其基本思想是增加鄰點(diǎn)來獲得最佳插值函數(shù)。 取與計(jì)算點(diǎn)相鄰的16個(gè)點(diǎn)，與雙線性內(nèi)插類似，可先在一個(gè)方向上

26、內(nèi)插，如先 在X方向上，每4個(gè)值依次內(nèi)插4次，求出 再根據(jù)這4個(gè)結(jié)果在Y方向上內(nèi)插，得到f(x,y) 每一組4個(gè)樣點(diǎn)組成一個(gè)連續(xù)內(nèi)插函數(shù)?？梢宰C明，這種三次多項(xiàng)式內(nèi)插過 程實(shí)際上是一種卷積運(yùn)算，所以又叫三次卷積內(nèi)插。 雙三次卷積法 xxW xxxxxW xxxxW 2, 0)( 21,584)( 10,21)( 3 3 2 2 3 2 1 卷積核可以利用三次樣條函數(shù) p 11 121314 21 31 41 222324 323334 4243 44 Y x 雙三次卷積法示意圖 y x 4 1 4 1 ),(),()( ij jijiPIWI 44434241 34333231 2423222

27、1 14131211 IIII IIII IIII IIII I 44434241 34333231 24232221 14131211 WWWW WWWW WWWW WWWW W 雙三次卷積法 三種方法比較 方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)提醒 最鄰 近法 簡(jiǎn)單易用，計(jì)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(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) 圖像起到平滑作用， 從而使對(duì)比度明顯 的分界線變得模糊。 鑒于該方法的計(jì)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。 3次 卷積 內(nèi)插 更好的圖像質(zhì)量

28、，細(xì) 節(jié)表現(xiàn)更為清楚。 計(jì)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(zhǔn)確， 即對(duì)控制點(diǎn)選取的均勻 性要求更高。 3.3.控制點(diǎn)的選取控制點(diǎn)的選取 ）次多項(xiàng)式控制點(diǎn)的最少數(shù)目為次多項(xiàng)式控制點(diǎn)的最少數(shù)目為: ）一般來說，控制點(diǎn)應(yīng)選取在圖像上易分辨）一般來說，控制點(diǎn)應(yīng)選取在圖像上易分辨 且較精細(xì)的特征點(diǎn)，這很容易通過目視的方法且較精細(xì)的特征點(diǎn)，這很容易通過目視的方法 來辨別，如道路的交叉點(diǎn)，河流彎曲或分叉處，來辨別，如道路的交叉點(diǎn)，河流彎曲或分叉處， 海岸線彎曲處等，控制點(diǎn)的選取要均勻海岸線彎曲處等，控制點(diǎn)的選取要均勻 ()() GCPs should be spread

29、out as evenly as possible around the image - generally just beyond the area of interest. The map (a) shows the distribution of the GCPs that correspondingly fell into and around the box shown on image (b) and (c). Within the box, the image is well registered. In contrast, outside the box, the transf

30、ormation extrapolated a large amount of distortion. It should also be noted that the extrapolated distortion increases dramatically with a high-order transformation equation. a) Map showing the distribution of GCPs b) Transformed image using the GCPs and linear equation c) Transformed image using th

31、e GCPs and high-order equation 一 多圖像幾何配準(zhǔn) 多圖像是指同一地區(qū)不同時(shí)刻的圖像，或不同遙感器獲得的多種圖像。 多圖像的幾何配準(zhǔn)就是指將多圖像的同名影像通過幾何變換實(shí)現(xiàn)重疊， 通常叫相對(duì)配準(zhǔn)；將相對(duì)配準(zhǔn)的多圖像納入某一地圖坐標(biāo)系統(tǒng)，通常 叫絕對(duì)配準(zhǔn)。 多項(xiàng)式和共線方程遙感圖像數(shù)字糾正方法可以實(shí)現(xiàn)多圖像的幾何配準(zhǔn)， 例如：采用多項(xiàng)式糾正，一旦在多圖像上選擇分布均勻、足夠數(shù)量的 一些同名影像作為相互匹配的控制點(diǎn)，就可以根據(jù)控制點(diǎn)解求多項(xiàng)式 系數(shù)，實(shí)現(xiàn)一幅圖像對(duì)另一幅圖像的幾何校正，從而達(dá)到多圖像的幾 何配準(zhǔn)。但是在很多情況下，很難找到準(zhǔn)確可靠的控制點(diǎn)，所以多圖 像

32、的幾何配準(zhǔn)，通常都采用相關(guān)函數(shù)的原理進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)。 多圖像自動(dòng)配準(zhǔn)的基本原理是根據(jù)對(duì)兩個(gè)圖像的近似性的量度，即在 兩個(gè)圖像的相對(duì)移動(dòng)中，找出其相似性量度值最大，或差別最小的位 置作為圖像配準(zhǔn)的位置。 多圖像幾何配準(zhǔn)基本原理 T1T2 T3 S1 S2 S3 參考圖像搜索圖像 計(jì)算兩個(gè)圖像相似性量度值，可以采用不同的方 法。應(yīng)用較多的有： 1 圖像的互相關(guān)法 兩個(gè)圖像之間的空間相關(guān)稱為互相關(guān)。數(shù)字圖像 ii ST ,的互相關(guān)表達(dá)式為： jk ST Tnmr)nk,mj (S)k, j (),( 為了避免由于圖像中不同部位平均亮度值的差別造成的假的峰值，可以用兩個(gè)圖像中 亮度值的平方和對(duì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化

33、，即： 2 1 jkjk 2 jk ST )nk,mj (S)k, j (T m)km,k)S(jT(j, )n,m(R 使其值最大的坐標(biāo)位置就是兩個(gè)圖像相匹配的位置 2絕對(duì)差值法 該方法是用模塊在搜索圖像的搜索區(qū)內(nèi)逐個(gè)像元地移動(dòng)并運(yùn)用下式進(jìn) 行計(jì)算 jk )nk,mj (S)k, j (T)n,m(d 在搜索區(qū)內(nèi)，使d(m,n)為最小值的坐標(biāo)位置（m,n）就是Ti和Si匹配最好的位置。 二 數(shù)字圖像的鑲嵌 當(dāng)感興趣的研究區(qū)域在不同的圖像文件時(shí)，就需要將不同的圖像文 件合在一起形成一幅完整的包含感興趣區(qū)域的圖像，這就是圖像鑲 嵌。通過圖像鑲嵌處理，可以獲得更大范圍的地面圖像。參與鑲嵌 的圖像可

34、以是不同時(shí)間同一傳感器獲得，也可以是不同時(shí)間不同傳 感器獲得，但要求鑲嵌的圖像之間要有一定的重疊度。 一、數(shù)字影像鑲嵌一、數(shù)字影像鑲嵌(Mosaicking)原理原理 影像鑲嵌的原理是：如何將多幅影像從幾影像鑲嵌的原理是：如何將多幅影像從幾 何上拼接起來，這一步通常是先對(duì)每幅圖何上拼接起來，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)一的坐像進(jìn)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，去掉重疊標(biāo)系中，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的部分，再將裁剪后的多幅影像裝配起來 形成一幅大幅面的影像。形成一幅大幅面的影像。 二、二、鑲嵌的一

35、般步驟： 1 圖像的幾何糾正； 2 鑲嵌邊搜索：選擇一定范圍的重疊區(qū)，確定一維 模板，在重疊區(qū)內(nèi)自左向右進(jìn)行搜索，按一定的 算法計(jì)算相關(guān)系數(shù)，確定該行的鑲嵌點(diǎn)，逐行進(jìn) 行搜索鑲嵌點(diǎn)可以得到鑲嵌邊。 3亮度和反差調(diào)整：求接縫點(diǎn)左右圖像的平均亮度值， 然后，對(duì)一個(gè)圖像改變整幅圖像基色，求出左右 圖像在接縫邊上的灰度極值，對(duì)這個(gè)圖像作反差 拉伸。 4邊界線的平滑： 二、消除拼接縫的算法二、消除拼接縫的算法 把待拼接的兩幅圖像先按小波分解的方法，把待拼接的兩幅圖像先按小波分解的方法， 將它們分解為不同頻帶的小波分量。將它們分解為不同頻帶的小波分量。 然后在不同的尺度下選擇不同的灰度值修然后在不同的尺度

36、下選擇不同的灰度值修 正影響范圍，把兩幅圖像按不同尺度下的正影響范圍，把兩幅圖像按不同尺度下的 小波分量先拼接起來。小波分量先拼接起來。 然后再用灰度算法，恢復(fù)整個(gè)圖像然后再用灰度算法，恢復(fù)整個(gè)圖像,這樣拼這樣拼 接的結(jié)果可以很好地兼顧清晰度和光滑度接的結(jié)果可以很好地兼顧清晰度和光滑度 兩個(gè)方面的要求。兩個(gè)方面的要求。 三、消除拼接縫的強(qiáng)制改正方法三、消除拼接縫的強(qiáng)制改正方法 先統(tǒng)計(jì)拼接縫上任意位置兩側(cè)的灰度差，然后將先統(tǒng)計(jì)拼接縫上任意位置兩側(cè)的灰度差，然后將 灰度差在該位置兩側(cè)的一定范圍內(nèi)強(qiáng)制改正掉?；叶炔钤谠撐恢脙蓚?cè)的一定范圍內(nèi)強(qiáng)制改正掉。 一、遙感圖像的輻射誤差主要有三個(gè)因一、遙感圖像的

37、輻射誤差主要有三個(gè)因 素素 傳感器的光電變換傳感器的光電變換 （) 大氣的影響大氣的影響() () 光照條件光照條件 ()() 地物（目標(biāo)物）的輻射（反射）經(jīng)過大氣層時(shí)，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，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)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，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

38、低了圖像的質(zhì)量。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。度角、地面坡度等，都會(huì)引起輻射的畸變。 三、光電變換的輻射誤差校正三、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：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；光電轉(zhuǎn)換誤差； (2)探測(cè)器增益變化引起的誤差。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)采用楔校準(zhǔn)模型和增益校準(zhǔn)模型

39、，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。變化的誤差。 四、輻射校準(zhǔn)四、輻射校準(zhǔn) 以陸地衛(wèi)星（以陸地衛(wèi)星（LandsatLandsat）可見光波段為例，校準(zhǔn)模型）可見光波段為例，校準(zhǔn)模型 為為 ： 式中：式中：V V r r為未校正的輸入亮度值；為未校正的輸入亮度值；V Vc c為校準(zhǔn)后的為校準(zhǔn)后的 輸出亮度值；輸出亮度值； 為回歸分析所決定的系數(shù)，反映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；了傳感器傳輸特性的增益；K K為太陽角校正系數(shù)。為太陽角校正系數(shù)。 C,D C,D 是發(fā)射前輻射試驗(yàn)的回歸系數(shù)，是發(fā)射

40、前輻射試驗(yàn)的回歸系數(shù)， )( )( nsr ns c aV b K V n i ii n i ii VDb VCa 1 1 )( ns b 對(duì)于對(duì)于Landsat衛(wèi)星的衛(wèi)星的MSS圖像和圖像和TM圖像按下式進(jìn)圖像按下式進(jìn) 行增益變化校正：行增益變化校正： 式中：式中：V 已校正過的數(shù)據(jù)；已校正過的數(shù)據(jù)； Dmax 校正系數(shù)，對(duì)于校正系數(shù)，對(duì)于MSS為為127，對(duì)，對(duì)TM為為255； Rmax 探測(cè)器能夠輸出的最大輻射亮度；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；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。傳感器輸出的未校正輻射亮度。 min

41、minmax max )( RR RR D V 波段 R min和R max 1-0.009 9/1.004 2-0.022 7/2.404 3-0.008 3/1.410 4-0.019 4/2.660 5-0.007 99/0.587 3 6-0.003 75/0.359 5 70.153 4/1.896 CCT 回歸計(jì)算 濾波 處理 校準(zhǔn) 處理 CCT 計(jì)算增益和偏移卡爾曼濾波 由遙感器引起的誤差或由太陽高度引起的 誤差，一般在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中由生產(chǎn)單位 根據(jù)遙感器參數(shù)進(jìn)行校正，而不需要用戶 進(jìn)行自行處理。用戶應(yīng)該考慮大氣影響引 起的輻射畸變。 五、大氣散射校正五、大氣散射校正 大氣校正就

42、是指消除由大氣散射引起的輻射誤差的處大氣校正就是指消除由大氣散射引起的輻射誤差的處 理過程理過程 。 大氣校正的方法大氣校正的方法: : v利用輻射傳遞方程進(jìn)行大氣校正；利用輻射傳遞方程進(jìn)行大氣校正； v利用地面實(shí)況數(shù)據(jù)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 ； v利用輔助數(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：實(shí)際像場(chǎng)大氣的校正： v野外現(xiàn)場(chǎng)波譜測(cè)試（回歸分析法）；野外現(xiàn)場(chǎng)波譜測(cè)試（回歸分析法）； v大氣參數(shù)測(cè)量；大氣參數(shù)測(cè)量； 波段對(duì)比分析（直方圖法）。波段對(duì)比分析（直方圖法）。 進(jìn)入大氣的太陽輻射會(huì)發(fā)生反射、折射、吸收、散 射和透射。其中對(duì)傳感器接收影響較大的

43、是吸收吸收和 散射散射。 無大氣： 在沒有大氣存在時(shí)，傳感器接收的輻照度，只與太 陽輻射到地面的輻照度和地物反射率有關(guān)。 設(shè)E0為波長(zhǎng)的入射輻照度，為入射方向的天 頂角，當(dāng)無大氣存在時(shí)，地面上單位面積的輻照度 為： cos 0 EE 假定地表面是朗伯體， 其表面為漫反射，則某方向 物體的亮度為： 是地物反射率； 是球面度 （半球反射） cos 00 E R E R L R dd r drrd r dA d)sin( )sin( 22 ddLE)sin()cos(),( 2 0 2/ 0 傳感器接收信號(hào)時(shí)， 受儀器的影響還有一個(gè)系統(tǒng)增益因子 ， 這時(shí)進(jìn)入傳感器的亮度值為： S cos 0 0 S

44、E R L 由于大氣的存在， 輻射經(jīng)過大氣吸收和散射，透過率小于1，從而減 弱了原信號(hào)的強(qiáng)度。同時(shí)大氣的散射光也有一部分 直接或經(jīng)過地物反射進(jìn)入到傳感器，這兩部分輻射 又增強(qiáng)了信號(hào)，但卻不是有用的。在入射方向有與 入射天頂角和波長(zhǎng)有關(guān)的透過率T；反射后， 在反射方向上有與反射大頂角和波長(zhǎng)又有關(guān)的 透過率T。因此進(jìn)入傳感器的亮度值為 cos 01 STE TR L 大氣對(duì)輻射散射后， 來自各個(gè)方向的散射又重新以漫入射的形式 照射地物，其輻照度為ED，經(jīng)過地物的反射 及反射路徑上大氣的吸收進(jìn)入傳感器，其亮 度值為（此值通常很小，有人主張忽略不計(jì)） D ES TR L 2 相當(dāng)部分的散射光 向上通過

45、大氣直接進(jìn)入傳感器，這部分輻射 稱為程輻射度，亮度為 。 p L 可見，由于大氣影響的存在，實(shí)際到達(dá)傳 感器的輻射亮度是前面所分析的三項(xiàng)之和， 即 p LLLL 21 pD SLETES RT L )cos( 0 比較以下兩個(gè)公式： 大氣的主要影響是減少了圖像的對(duì)比度，使 原始信號(hào)和背景信號(hào)都增加了因子。 pD SLETES RT L )cos( 0 cos 0 0 SE R L 圖像某一剖面,在無大氣時(shí)（a)白處亮度值為50， 黑處亮度值為0，則亮度對(duì)比C1 =（500） 501。當(dāng)有大氣影響時(shí)(b)，乘上透過率后假 定減少10，亮度值減少到45，而由于L2和 Lp 存在，黑白處亮度均增加

46、10，這樣亮度對(duì)比變成 C2 =（55-10)/559/11。 可見，對(duì)比度 減小，圖像質(zhì) 量下降了 基于圖像特征模型：利用遙感圖像自身的信息對(duì) 遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo) 暗目標(biāo)法（暗目標(biāo)的像元值來取代大氣程輻射） 內(nèi)在平均相對(duì)反射經(jīng)模型IARR 對(duì)數(shù)殘差修正模型LRC 地面線性回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停韩@取影像上特定地物的 灰度值及其成像時(shí)相對(duì)應(yīng)的地面目標(biāo)反射光譜的 測(cè)量值，建立兩者間的回歸方程 大氣輻射傳輸理論模型 嚴(yán)格地說，去除大氣影響是將公式 中的附加項(xiàng)和附加因子求出，最終求出地物 反射率R，從而恢復(fù)遙感影像中地面目標(biāo)的真 實(shí)面目。當(dāng)大氣透過率變化不大時(shí)，有時(shí)只要 去掉含ED和Lp的數(shù)據(jù)項(xiàng)就可修正圖像的亮

47、度， 使圖像中像元之間的亮度變化真正反映不同像 元地物反射率之間的變化關(guān)系。這種對(duì)大氣影 響的糾正是通過糾正輻射亮度的辦法實(shí)現(xiàn)的， 因此也稱作輻射校正。 pD SLETES RT L )cos( 0 精確的校正公式需要找出每個(gè)波段像元亮 度值與地物反射率的關(guān)系。為此需得到 衛(wèi)星飛行時(shí)的大氣參數(shù)，以求出透過率 T、T等因子。如果不通過特別的觀測(cè)， 一般很難得到這些數(shù)據(jù)，所以，常常采 用一些簡(jiǎn)化的處理方法，只去掉主要的 大氣影響，使圖像質(zhì)量滿足基本要求。 粗略校正指通過比較簡(jiǎn)便的方法去掉式 中的Lp，即程輻射度，從而改善圖像質(zhì)量。式中還有 漫入射因子ED及其他如透過率等影響，這些因子都作 為地物反射率的因子出現(xiàn)，直接相減不易去除，常用 比值法或其他校正方法去除。嚴(yán)格地說，程輻射度的 大小與像元位置有關(guān)，隨大氣條件、太陽照射方向和 時(shí)間變化而變化，但因其變化量微小而忽略。可以認(rèn) 為，程輻射度在同一幅圖像的有限面積內(nèi)是一個(gè)常數(shù)， 其值的大小只與波段有關(guān)。 pD SLETES RT L )cos( 0 直方圖最小值去除法 數(shù)字圖像 直方圖 直方圖最小值去除法 基本思想在于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0， 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(shí)在圖像中對(duì)應(yīng)位置