第四章數(shù)字圖像校正

1、11、 數(shù)字圖像數(shù)字圖像2、 輻射校正輻射校正3、 幾何校正幾何校正4.2 數(shù)字圖像校正數(shù)字圖像校正2模擬圖像與數(shù)字圖像模擬圖像與數(shù)字圖像遙感圖像的表示：光學圖像（模擬圖像）連續(xù)圖像黑白照片數(shù)字圖像離散圖像計算機存儲模擬圖像與數(shù)字圖像之間的轉(zhuǎn)換，稱為模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。3一、數(shù)字圖像一、數(shù)字圖像指能夠被計算機存儲、處理和使用的圖像指能夠被計算機存儲、處理和使用的圖像“離散化離散化”、二維矩陣：每個元素的取值、二維矩陣：每個元素的取值是圖像連續(xù)變化的灰度的離散整數(shù)值是圖像連續(xù)變化的灰度的離散整數(shù)值41 pixel 將一幅二維的圖像通過有限個離散點來表示就成為了數(shù)字圖像，其中的每個點稱為像元。5

2、6模擬方法表示圖像：模擬方法表示圖像：O圖像圖像xy(x, y)表示像元的位置；表示像元的位置；f (x, y) 表示（表示（x, y）位置上的對應(yīng)地物電磁輻射強度。）位置上的對應(yīng)地物電磁輻射強度。對于模擬圖像對于模擬圖像,x, y, f (x, y)的取值是連續(xù)的。的取值是連續(xù)的。7O圖像圖像xy1234213456Pixel 函數(shù)函數(shù)f(x,y)的取值：離散整數(shù)取樣是根據(jù)需的取值：離散整數(shù)取樣是根據(jù)需要，將灰度空間分成要，將灰度空間分成2n級（目前級（目前n的取值有的取值有1、4、7、8，甚至更多），然后根據(jù)方格內(nèi)電磁，甚至更多），然后根據(jù)方格內(nèi)電磁輻射強弱取其平均值整數(shù)作為函數(shù)輻射強弱取

3、其平均值整數(shù)作為函數(shù)f(x,y)的值。的值。對圖像進行對圖像進行“離散化離散化”：8一幅模擬圖像表示為數(shù)字圖像其實質(zhì)是一一幅模擬圖像表示為數(shù)字圖像其實質(zhì)是一個數(shù)字矩陣。個數(shù)字矩陣。),()2 ,() 1 ,f(N), 2f()2 , 2() 1 , 2(), 1 ()2 , 1 () 1 , 1 (),(NMfMfMffNfffyxf數(shù)字矩陣可以在計算機里進行存儲和運算。數(shù)字矩陣可以在計算機里進行存儲和運算。9圖像的數(shù)字化內(nèi)容：圖像的數(shù)字化內(nèi)容： （1）圖像空間位置的數(shù)字化，即圖像的空間取樣。）圖像空間位置的數(shù)字化，即圖像的空間取樣。 （2）圖像灰度的數(shù)字化，即指從圖像灰度的連）圖像灰度的數(shù)字

4、化，即指從圖像灰度的連續(xù)變化中進行離散的采樣，目前經(jīng)常使用的灰度量度續(xù)變化中進行離散的采樣，目前經(jīng)常使用的灰度量度有有2級，級，64級，級，128級，級，256級。級。 除光學圖像可以數(shù)字化為數(shù)字圖像外，更多的遙除光學圖像可以數(shù)字化為數(shù)字圖像外，更多的遙感圖像源于傳感器獲得后直接的數(shù)字產(chǎn)品，如感圖像源于傳感器獲得后直接的數(shù)字產(chǎn)品，如MSS,TM,ETM等航天遙感器。等航天遙感器。10遙感圖像處理系統(tǒng)遙感圖像處理系統(tǒng) 計算機（主機）計算機（主機） 圖像輸入輸出設(shè)備圖像輸入輸出設(shè)備 磁帶機、數(shù)字化器等；打印機、繪圖儀、激磁帶機、數(shù)字化器等；打印機、繪圖儀、激光圖像記錄儀光圖像記錄儀 專用處理設(shè)備專

5、用處理設(shè)備 圖像計算機、陣列處理機圖像計算機、陣列處理機 外存設(shè)備外存設(shè)備 磁盤、磁帶、光盤磁盤、磁帶、光盤 顯示器顯示器 軟件部分軟件部分 系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件（圖像處理軟件）系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件（圖像處理軟件）11 圖像處理系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)12二、輻射校正二、輻射校正 由于由于傳感器傳感器響應(yīng)特性和響應(yīng)特性和大氣大氣的吸收、散的吸收、散射及其它隨機因素影響，導致圖像模糊射及其它隨機因素影響，導致圖像模糊失真，造成圖像分辨率和對比度相對下失真，造成圖像分辨率和對比度相對下降，稱為輻射畸變。這些畸變都需要通降，稱為輻射畸變。這些畸變都需要通過輻射校正復原。過輻射校正復原。 引起輻射畸變原因：傳感器

6、本身產(chǎn)生的引起輻射畸變原因：傳感器本身產(chǎn)生的誤差（生產(chǎn)單位進行校正）；大氣對輻誤差（生產(chǎn)單位進行校正）；大氣對輻射的影響（用戶自行校正）。射的影響（用戶自行校正）。13 遙感傳感器感測的信息，是地物對遙感傳感器感測的信息，是地物對太陽光的反射或地物發(fā)射的電磁波經(jīng)過太陽光的反射或地物發(fā)射的電磁波經(jīng)過大氣層傳輸并與大氣發(fā)生作用后的結(jié)果。大氣層傳輸并與大氣發(fā)生作用后的結(jié)果。由于大氣的散射作用，傳感器在接收地由于大氣的散射作用，傳感器在接收地物輻射信息的同時，也接收了散射所造物輻射信息的同時，也接收了散射所造成的非地物輻射能，從而使得遙感圖像成的非地物輻射能，從而使得遙感圖像對比度下降，導致圖像猶如蒙

7、上了一層對比度下降，導致圖像猶如蒙上了一層薄紗一樣不清晰。薄紗一樣不清晰。 大氣校正大氣校正大氣校正的原因：大氣校正的原因：141516（1）大氣影響的定量分析）大氣影響的定量分析地面上單位面積的輻照度為（無大氣）地面上單位面積的輻照度為（無大氣） cos0EE 假定地表面是朗伯體，其表面為漫反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射，則某方向物體的亮度為 cos00ERERL儀器系統(tǒng)增益系數(shù)因子儀器系統(tǒng)增益系數(shù)因子 ，進入傳，進入傳感器的亮度值感器的亮度值 Scos00SERL無大氣影響狀況無大氣影響狀況0E0Lj17(1) 大氣影響的定量分析大氣影響的定量分析cos01S

8、TETRLDESTRL2PDSLSETRSTETRLcos0受入射方向透過率 和反射方向透過率 的影響，進入傳感器的亮度值為：TT漫入射輻照度為ED，反射后進入傳感器的亮度值為：散射光向上直接進入傳感器的輻射亮度為LP（程輻射度）總輻射亮度:18(1) 大氣影響的定量分析大氣影響的定量分析PDSLSETRSTETRLcos0大氣的影響主要是減少了圖像的對比度，使原始信號和背景信大氣的影響主要是減少了圖像的對比度，使原始信號和背景信號都增加了因子。號都增加了因子。19(2) 大氣影響的粗略校正大氣影響的粗略校正精確校正：找出每個波段像元亮度值與地物反射率精確校正：找出每個波段像元亮度值與地物反射

9、率的關(guān)系。的關(guān)系。粗略校正：通過比較簡便的方法去掉式中的粗略校正：通過比較簡便的方法去掉式中的LP，從，從而改善圖像質(zhì)量。而改善圖像質(zhì)量。 PDSLSETRSTETRLcos0輻射校正：對大氣影響的糾正是通過糾正輻射亮度輻射校正：對大氣影響的糾正是通過糾正輻射亮度的辦法實現(xiàn)的。的辦法實現(xiàn)的。20（2）大氣影響的粗略校正）大氣影響的粗略校正 直方圖最小值去除法直方圖最小值去除法 回歸分析法回歸分析法 21灰度直方圖灰度直方圖用平面直角坐標系表示一幅灰度范圍為用平面直角坐標系表示一幅灰度范圍為0-n的的數(shù)字圖像像元灰度分布狀態(tài)。數(shù)字圖像像元灰度分布狀態(tài)。橫軸表示灰度級，橫軸表示灰度級，縱軸（縱軸（

10、Pi=mi/M)表示灰度級為表示灰度級為gi的的像元個數(shù)像元個數(shù)mi占像占像元總數(shù)的百分元總數(shù)的百分比。將比。將2n個個Pi繪于繪于圖上，所形成的圖上，所形成的統(tǒng)計直方圖叫灰統(tǒng)計直方圖叫灰度直方圖。度直方圖。22通過灰度直方圖可以直觀地了解圖像的質(zhì)量。通過灰度直方圖可以直觀地了解圖像的質(zhì)量。23不同反差特征的圖像不同反差特征的圖像24 直方圖校正方法直方圖校正方法前提（假設(shè)）：深海水體處（或山的陰影）等物體前提（假設(shè)）：深海水體處（或山的陰影）等物體的亮度值為的亮度值為0，大氣散射導致圖像上這些物體的灰度，大氣散射導致圖像上這些物體的灰度值不為值不為0（輻射偏置量）。（輻射偏置量）。 從圖像像

11、元亮度值中減去一個輻射偏置量（從圖像像元亮度值中減去一個輻射偏置量（LP），），輻射偏置量等于圖像直方圖中最小的輻射亮度值。輻射偏置量等于圖像直方圖中最小的輻射亮度值。暗物體法（暗物體法（Dark-object method）25反差增強反差增強26調(diào)整前直方圖調(diào)整后直方圖27回歸分析法回歸分析法 原理原理：在遙感圖像上大山的陰影區(qū)或深大水體區(qū)域，：在遙感圖像上大山的陰影區(qū)或深大水體區(qū)域，各個波段的反射為零。同時，大氣散射主要影響短各個波段的反射為零。同時，大氣散射主要影響短波部分，波長較長的波段幾乎不受影響，因此可用波部分，波長較長的波段幾乎不受影響，因此可用其校正其它波段數(shù)據(jù)。其校正其它波

12、段數(shù)據(jù)。 方法方法：在不受大氣影響的波段（如：在不受大氣影響的波段（如TM5或或7）和待）和待校正的某一波段圖像中，選擇一系列目標，將每個校正的某一波段圖像中，選擇一系列目標，將每個目標的兩個待比較的波段灰度值提取出來進行回歸目標的兩個待比較的波段灰度值提取出來進行回歸分析，建立線性回歸方程。分析，建立線性回歸方程。abLbaLLb：待校正波段的圖像亮度值：待校正波段的圖像亮度值La：不受大氣影響波段的圖像亮度值：不受大氣影響波段的圖像亮度值28回歸分析法回歸分析法怎么求怎么求a,b？abLbaL29a, b計算如下：計算如下：)L(L)L)(LL(LbaabbaaabbLLa可以認為，可以認

13、為，a就是波段就是波段b程輻射值，將波段程輻射值，將波段b中每個像元的亮度值減去中每個像元的亮度值減去a，來改善圖像，來改善圖像，去掉程輻射值。去掉程輻射值。30 由于遙感傳感器、遙感平臺以及地由于遙感傳感器、遙感平臺以及地球自轉(zhuǎn)等因素的影響，遙感成像時往往球自轉(zhuǎn)等因素的影響，遙感成像時往往會引起難以避免的幾何畸變。幾何校正會引起難以避免的幾何畸變。幾何校正就是要校正成像過程中所造成的各種幾就是要校正成像過程中所造成的各種幾何畸變。何畸變。 幾何校正可分為兩種：幾何校正可分為兩種：幾何粗校正幾何粗校正和幾何精校正。和幾何精校正。 三、幾何校正三、幾何校正幾何校正的原因：幾何校正的原因：31 幾

14、何變形：遙感圖像的幾何位置發(fā)生變幾何變形：遙感圖像的幾何位置發(fā)生變化，產(chǎn)生諸如行列不均勻，像元大小與地化，產(chǎn)生諸如行列不均勻，像元大小與地面對應(yīng)不準確，地物形狀不規(guī)則變化等。面對應(yīng)不準確，地物形狀不規(guī)則變化等。32遙感影像變形的原因遙感影像變形的原因（1 1）遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響）遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響33遙感影像變形的原因遙感影像變形的原因（2 2）地形起伏影響）地形起伏影響34遙感影像變形的原因遙感影像變形的原因（3 3）地球表面曲率的影響）地球表面曲率的影響 像點位置的移動像元對應(yīng)于地面寬度的不等35遙感影像變形的原因遙感影像變形的原因（3 3）地球表面曲率的影響）

15、地球表面曲率的影響 36遙感影像變形的原因遙感影像變形的原因（4 4）大氣折射的影響）大氣折射的影響 37遙感影像變形的原因遙感影像變形的原因（5 5）地球自轉(zhuǎn)的影響）地球自轉(zhuǎn)的影響 38 幾何粗校正幾何粗校正是針對引起畸變的原因而進行的是針對引起畸變的原因而進行的校正。進行校正時，只需將傳感器的校準數(shù)據(jù)、校正。進行校正時，只需將傳感器的校準數(shù)據(jù)、遙感平臺的位置以及衛(wèi)星運行姿態(tài)等一系列測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(jù)代入理論校正公式即可。量數(shù)據(jù)代入理論校正公式即可。 幾何精校正幾何精校正是利用控制點進行的幾何校正。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

16、的幾它是用一種數(shù)學模型來近似描述遙感圖像的幾何畸變過程，求得這個幾何畸變模型，然后利何畸變過程，求得這個幾何畸變模型，然后利用此模型對遙感圖像進行幾何校正，無需考慮用此模型對遙感圖像進行幾何校正，無需考慮引起畸變的具體原因。引起畸變的具體原因。 幾何校正方法：幾何校正方法：39幾何畸變校正基本思路幾何畸變校正基本思路40幾何畸變校正幾何畸變校正 通過計算機對圖象每個象元逐個地解析糾正處通過計算機對圖象每個象元逐個地解析糾正處理完成，可以較精確改正線性和非線性變形誤理完成，可以較精確改正線性和非線性變形誤差。差。 包括兩個方面（基本環(huán)節(jié)）：包括兩個方面（基本環(huán)節(jié)）： （1 1）像）像元坐標變換；

17、元坐標變換； （2 2）像元灰度值重新計算（重采樣）。）像元灰度值重新計算（重采樣）。41數(shù)字圖像幾何糾正的主要處理過程數(shù)字圖像幾何糾正的主要處理過程準備工作輸入原始數(shù)字影像建立建立糾正糾正變換變換函數(shù)函數(shù)確定確定輸出輸出影像影像范圍范圍像元像元坐標坐標變換變換像元像元亮度亮度值重值重采樣采樣輸出糾正后的圖像準備工作準備工作：圖像、地圖、大地測量資料、平臺軌道參數(shù)、傳感器參數(shù)、控制點的選擇。（具體內(nèi)容可選）糾正變換函數(shù)建立糾正變換函數(shù)建立：輸入和輸出圖像間的坐標變換關(guān)系：如多項式法、共線方程法等。42 幾何精校正技術(shù)關(guān)鍵：幾何精校正技術(shù)關(guān)鍵：地面控制點（地面控制點（ GCP GCP ）的）的選

18、取、地面控制點的數(shù)目及校正方程的次數(shù)。選取、地面控制點的數(shù)目及校正方程的次數(shù)。 校正步驟：校正步驟：、調(diào)入圖像，比較觀察；、調(diào)入圖像，比較觀察； 、確定二元多項式的次數(shù)、確定二元多項式的次數(shù) 、確定、確定GCPGCP的個數(shù)；的個數(shù)； 、選取、選取GCPGCP，盡可能均勻分布在，盡可能均勻分布在 圖像上；圖像上； 、再采樣計算，得到校正后的、再采樣計算，得到校正后的 新圖像。新圖像。具體步驟具體步驟43數(shù)字圖像幾何校正方法數(shù)字圖像幾何校正方法(函數(shù)的建立函數(shù)的建立)多項式糾正法多項式糾正法：常用的方法：常用的方法基本原理基本原理：不考慮成像的空間幾何過程，而直接對圖不考慮成像的空間幾何過程，而直

19、接對圖象變形的本身進行數(shù)學模擬。把遙感圖象的總體變形象變形的本身進行數(shù)學模擬。把遙感圖象的總體變形看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲及更高看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲及更高次的基本變形的綜合作用結(jié)果，因此，將糾正前后圖次的基本變形的綜合作用結(jié)果，因此，將糾正前后圖像相應(yīng)點間的坐標關(guān)系用一適當?shù)亩囗検奖磉_像相應(yīng)點間的坐標關(guān)系用一適當?shù)亩囗検奖磉_一般取一般取2次，可以滿足精度要求次，可以滿足精度要求需要地面控制點需要地面控制點： 分布、數(shù)量分布、數(shù)量44確定糾正后圖像的邊界范圍確定糾正后圖像的邊界范圍 糾正后圖像的邊界范圍，指在計算機存儲器中為輸出影像所糾正后圖像的邊界范圍，指在

20、計算機存儲器中為輸出影像所開出的存儲空間大小，以及該空間邊界范圍（首行、首列、開出的存儲空間大小，以及該空間邊界范圍（首行、首列、末行、末列）的地圖（或地面）坐標定義值；末行、末列）的地圖（或地面）坐標定義值； 糾正后圖像和原始圖像的形狀、大小、方向都不一樣。所以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。在糾正過程的實施之前，必須首先確定新圖像的大小范圍。45n 先求出原始圖像四個角點（先求出原始圖像四個角點（a, b, c, da, b, c, d）在糾正后圖像中）在糾正后圖像中的對應(yīng)點（的對應(yīng)點（a, b, c, da, b,

21、c, d）的坐標（）的坐標（Xa,YaXa,Ya）(Xb,Yb) (Xc,Yc) (Xd,Yd)(Xb,Yb) (Xc,Yc) (Xd,Yd)；然后求出最大值和；然后求出最大值和最小值。最小值。n 為了將該邊界范圍轉(zhuǎn)換為計算機糾正后的存儲數(shù)組空間，為了將該邊界范圍轉(zhuǎn)換為計算機糾正后的存儲數(shù)組空間，須在其中劃分出網(wǎng)格，每個網(wǎng)格代表一個輸出像元；須根據(jù)須在其中劃分出網(wǎng)格，每個網(wǎng)格代表一個輸出像元；須根據(jù)精度要求精度要求確定輸出像元的地面尺寸確定輸出像元的地面尺寸；確定糾正后圖像的邊界范圍確定糾正后圖像的邊界范圍46確定糾正后圖像的邊界范圍確定糾正后圖像的邊界范圍l X1 = min (Xa, Xb

22、, Xc, Xd)lX2 = max (Xa, Xb, Xc, Xd)lY1 = min (Ya, Yb, Yc, Yd)lY2 = max (Ya, Yb,Yc, Yd)47坐標變換坐標變換確定原始圖像和糾正后圖像間的坐標變換關(guān)系確定原始圖像和糾正后圖像間的坐標變換關(guān)系（x, y）- ( X, Y ) ( X行數(shù)行數(shù), Y列數(shù)列數(shù), 均為整數(shù)均為整數(shù) )有兩種方案：有兩種方案：直接糾正方案和間接糾正方案直接糾正方案和間接糾正方案直接糾正方案直接糾正方案：從原始圖像陣列出發(fā)，依次對其中每：從原始圖像陣列出發(fā)，依次對其中每一個像元一個像元P(x，y)分別計算其在輸出（糾正后）圖像分別計算其在輸出

23、（糾正后）圖像的坐標的坐標P(X，Y)，并計算，并計算P(X，Y)的灰度值的灰度值;間接糾正方案間接糾正方案：從空白圖像陣列出發(fā)，依次計算每個：從空白圖像陣列出發(fā)，依次計算每個像元像元P(X，Y)在原始圖象中的位置在原始圖象中的位置P(x，y)，然后把該，然后把該點的灰度值依次計算后返送給點的灰度值依次計算后返送給P(X，Y). 二者間并無本質(zhì)差別，二者間并無本質(zhì)差別，互為逆變換互為逆變換48坐標關(guān)系坐標關(guān)系),(ppXpyxFX ),(ppYpyxFY ),(PPxpYXfx ),(PPypYXfy （xp ,yp）（）（XP,YP）分別是任意一個像元在原）分別是任意一個像元在原始圖像和糾正

24、后圖像中的坐標。始圖像和糾正后圖像中的坐標。直接直接間接間接49直接糾正方法與直接糾正方法與間接糾正法間接糾正法: :二者并無本質(zhì)區(qū)別，互為逆變換坐標變換坐標變換50圖像灰度值的重采樣圖像灰度值的重采樣 幾何校正過程中，由于校正前后圖像的幾何校正過程中，由于校正前后圖像的像元大小可能變化、像元點位置的相對像元大小可能變化、像元點位置的相對變化等，不能簡單用原圖像像元灰度值變化等，不能簡單用原圖像像元灰度值代替輸出像元灰度值。代替輸出像元灰度值。 因此，需要插值（重采樣）因此，需要插值（重采樣） 三種插值方法：三種插值方法：最鄰近法、雙線性法、最鄰近法、雙線性法、三次卷積法三次卷積法51灰度值重

25、采樣示意圖灰度值重采樣示意圖52最鄰近法（最鄰近法（nearest neighbor） 用距離投影點用距離投影點(采樣點采樣點)最近像元灰度值代替輸最近像元灰度值代替輸出像元灰度值。出像元灰度值。 簡單、省時，保留原始圖象的值簡單、省時，保留原始圖象的值 處理后圖像的亮度具有不連續(xù)性，邊緣出現(xiàn)鋸處理后圖像的亮度具有不連續(xù)性，邊緣出現(xiàn)鋸齒狀齒狀53該最近鄰點的坐標為：K=integer（x+0.5） L=integer（y+0.5）54原始圖像原始圖像糾正后圖像（最鄰近插值）糾正后圖像（最鄰近插值）55雙線性內(nèi)插法雙線性內(nèi)插法?。ㄈ。▁，y）點周圍的）點周圍的4個鄰點，在個鄰點，在y方向內(nèi)插兩次

26、，再在方向內(nèi)插兩次，再在x方方向內(nèi)插一次，得到（向內(nèi)插一次，得到（x，y）點的亮度值）點的亮度值 f (x，y)，該方法稱，該方法稱雙線性內(nèi)插法。雙線性內(nèi)插法。56 雙線性內(nèi)插法比起最近鄰法雖然計算量增加，但精度明顯提高，特別是對亮度不連續(xù)現(xiàn)象或線性特征的塊狀化現(xiàn)象有明顯的改善。 但是這種內(nèi)插法會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。雙線性內(nèi)插法雙線性內(nèi)插法57雙線性插值雙線性插值原始圖像糾正（雙線性插值）58三次卷積法三次卷積法(cubic convolution)(cubic convolution) 取與投影點（取與投影點（x x，y y）鄰近的）鄰近的1616個像元灰度值，先個像元灰度值，先在某一方向上內(nèi)插，每四個值依次內(nèi)插四次，