第四章遙感圖像校正

1、四、遙感圖像的校正 （RS Image Correction）影響遙感圖像的因素（influential factor of RS Image）：1、引起幾何畸變的因素 衛(wèi)星衛(wèi)星的姿態(tài)、高度、速度變化及其前進(jìn)運(yùn)動(dòng)；MSSMSS掃描鏡掃描速度不均，檢測器采樣延遲誤差，波段間配準(zhǔn)誤差及全景畸變；地球地球自轉(zhuǎn)、曲率、高程的影響等2、引起輻射失真的因素如：大氣大氣的吸收、散射；地面及傳感器系統(tǒng)中的儀器儀器在接收、轉(zhuǎn)換、傳送、處理圖像信息過程中性能不穩(wěn)性能不穩(wěn)；非線性和非一致性故障故障及不可避免引入的噪聲噪聲 這些畸變和失真影響了圖像的質(zhì)量和應(yīng)用，必須進(jìn)行消除圖像恢復(fù)。 圖像恢復(fù)（Image Resto

2、ration） 又叫圖像復(fù)原，是指改正或補(bǔ)償在成像過程中造成的輻射失真、系統(tǒng)噪聲和隨機(jī)噪聲、幾何畸變以及高頻信息的損失。圖像恢復(fù)主要包括兩大部分： 輻射校正（Radiometric Correction） 幾何校正（Geometric Correction） 圖像恢復(fù)一） 遙感圖像的輻射校正1、概念： 輻射校正輻射校正(Radiometric Correction) 是指消除圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度中的各種失真的過程。2、內(nèi)容： 1）由傳感器的靈敏度特性引起的畸變校正 2）由太陽高度角及地形等引起的畸變校正 3）由大氣的散射和吸收引起的輻射校正4.1.1光學(xué)鏡頭的非均勻性引起的邊緣減光現(xiàn)象的改

3、正減光現(xiàn)象（減光現(xiàn)象（Dim Light PhenomenonDim Light Phenomenon） 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。NONPSDff/cos鏡頭的輻射畸變 如上圖所示，如果光線以平行于主光軸的方向通過鏡頭到達(dá)像平面O點(diǎn)的光強(qiáng)度為Eo，以與主光軸成角的方向通過鏡頭到達(dá)像平面P點(diǎn)的光強(qiáng)度為Ep，則：。利用這一性質(zhì)可以進(jìn)行邊緣減光現(xiàn)象造成的輻射畸變校正。 另外，對于視場較大的成像光譜儀圖像在掃描方向上也存在明顯的輻射亮度不均勻的現(xiàn)象。這種輻射誤差主要是光線路徑長短不同造成的，掃描角越大時(shí)，光線路徑越長，大氣衰減越

4、嚴(yán)重。 星（機(jī)）下點(diǎn)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。4.1.2光電變換系統(tǒng)的特性引起的 輻射誤差校正 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(hào)需經(jīng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成電信號(hào)記錄下來，這一過程也會(huì)引起輻射量誤差。 光電變換系統(tǒng)的靈敏度特性有很高的 重復(fù)性，故可以定期在地面測量其特性，根 據(jù)測量值可以對其進(jìn)行輻射畸變校正。 例如：對于Landsat衛(wèi)星的MSS圖像和TM圖像可以按下式對傳感器輸出的輻射亮度（R）進(jìn)行校正。 V=RV=Rmaxmax/(R/(Rmaxmax-R-Rminmin)

5、 (R-R) (R-Rmin min ) ) 式中R是傳感器輸出的輻射亮度； V是已校正過的數(shù)據(jù)； Rmax和Rmin分別為探測器能夠輸出 的最大和最小輻射亮度。4.1.3太陽高度引起的輻射誤差校正 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。 太陽高度角可由下式計(jì)算： 式中，為圖像對應(yīng)的地理緯度，為太陽赤緯(成像時(shí)太陽直射點(diǎn)的地理緯度）， 為時(shí)角（地區(qū)經(jīng)度與成像時(shí)太陽直射點(diǎn)地區(qū)經(jīng)度的經(jīng)差）。 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，太陽以高度角斜射時(shí)得到的圖像g g（x x，y y）與直射時(shí)得到的圖像f（x，y)有如下關(guān)系： 如

6、果不考慮天空光的影響，則各波段可采用相同的角進(jìn)行校正。4.1.4地形坡度引起的輻射誤差校正 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)。如果光線垂直入射時(shí)水平地表受到的光照強(qiáng)度為，則光線垂直入射時(shí)傾斜角為的坡面上入射點(diǎn)處的光線強(qiáng)度 為： I II Io ocoscos因此，若處在坡度為的傾斜面上的地物影像為g（x，y），則校正后圖像f（x，y）為： f f（x x，y y）g g（x x，y)/cosy)/cos4.1.5大氣校正 大氣校正（大氣校正（Atmospheric CorrectionAtmospheric Correction） Image-proces

7、sing procedure that compensates for effects of selectivity scattered light in multispectral images. 是清除衛(wèi)星遙感圖象在大氣傳輸中所引起的退化因素的一種圖像處理方法。 在大氣影響中，我們主要研究大氣散射的影響。大氣散射是大氣中分子和微小粒子多次作用的結(jié)果。它隨電磁波的波長和散射體的大小不同而不同。 大氣散射的校正一般有三種方法： 1）公式計(jì)算法（Formula)； 2）野外波譜測試回歸分析法 (Spectrum Test)； 3）波段對照法(Waveband Comparison) 公式計(jì)算法需

8、知道具體天氣條件下大氣路徑輻射率等參數(shù)，野外波譜測試回歸分析法需要到野外進(jìn)行與陸地衛(wèi)星同步的一致測試，這些與波段對照法相比，都相對困難，因此，我們一般采用波段對照法波段對照法。 n大氣散射的校正波段對比法大氣散射校正 大氣選擇散射對短波段影響大，長波段影響小。因此，就Landsat來說，4波段受散射影響最嚴(yán)重，其次為5、6波段，而7波段受影響最小，一般認(rèn)為不受影響。1.回歸分析法2.直方圖法改正數(shù)：12 7波段與其他波段比較，找出最黑區(qū)域，再抽出幾個(gè)像元進(jìn)行回歸分析，得到一條擬合直線。1.回歸分析法（Regression Analysis） 2.直方圖法（Histogram）二）遙感圖像的幾何

9、畸變與幾何校正n幾何畸變 geometric distortion 圖像中的幾何圖形與該物體在所選定投影中幾何圖形的差異。幾何畸變主要由于遙感器姿態(tài)角的變化，物鏡系統(tǒng)的光學(xué)畸變，掃描速度不穩(wěn)定，地球自轉(zhuǎn)，地球曲率，地面起伏及地圖投影等因素所引起。幾何畸變使圖像產(chǎn)生幾何形式或位置的失真，主要表現(xiàn)為仿射、偏扭、彎曲及其它更高階的歪曲。幾何畸變表現(xiàn)為像元相對地面實(shí)際位置發(fā)生擠壓、伸展、扭曲或偏移。圖像的幾何畸變可通過幾何校正消除。幾何畸變的原因：幾何畸變的原因：1）遙感器的內(nèi)部畸變：由遙感器結(jié)構(gòu)引起2）遙感器的外部畸變：由圖像投影方式的 幾何學(xué)引起 可分為 平臺(tái)引起的畸變 目標(biāo)物引起的畸變（地球自轉(zhuǎn)

10、）3）圖像坐標(biāo)系的定義方式不同引起的畸變4）地圖投影方法的不同引起的畸變2.幾何校正幾何校正（geometric correction）是指從具有幾何畸變的圖像中消除畸變的過程，即定量地確定圖像上像元坐標(biāo)（圖像坐標(biāo)）與目標(biāo)物的地理坐標(biāo)（地圖坐標(biāo)等）的對應(yīng)關(guān)系（坐標(biāo)變換式）。幾何校正的過程未校正圖像（輸入圖像）a系統(tǒng)性校正b非系統(tǒng)性校正c復(fù)合校正確定校正方法確定校正式 檢驗(yàn)校正方法 校正式的有效性幾何校正后圖像（輸出圖像）重采樣，內(nèi)插 從遙感衛(wèi)星地面站得到的CCT圖像一般均是經(jīng)過幾何粗校正處理的圖像。因此，下面重點(diǎn)研究幾何精校正。幾何校正可分為：幾何粗校正針對幾何畸變的原因進(jìn)針對幾何畸變的原因進(jìn)

11、 行的幾何校正。行的幾何校正。幾何精校正利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行的利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行的 幾何校正。幾何校正。1）幾何精校正的原理與方法n A.原理原理：幾何精校正是利用地面控制點(diǎn)（Ground Control Point，簡稱GCP）進(jìn)行的。它通過GCP數(shù)據(jù)對原始衛(wèi)星圖像的幾何畸變過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，建立原始的畸變圖像空間與地理制圖用的標(biāo)準(zhǔn)空間（亦即校正空間）之間的某種對應(yīng)關(guān)系，然后利用這種對應(yīng)關(guān)系把畸變圖像空間中的全部元素變換到校正圖像空間中去，從而實(shí)現(xiàn)幾何精校正。校正空間在我國為高斯克里格投影空間。 B.方法方法:設(shè)原始的二維圖象空間為設(shè)原始的二維圖象空間為F， 其縱坐標(biāo)軸為其縱坐標(biāo)軸為x（衛(wèi)星前

12、進(jìn)方向），橫坐標(biāo)軸為（衛(wèi)星前進(jìn)方向），橫坐標(biāo)軸為y（掃描方向）；（掃描方向）；校正后二維圖象空間為校正后二維圖象空間為G， 其縱坐標(biāo)軸為其縱坐標(biāo)軸為（南北方向）（南北方向），橫坐標(biāo)軸為，橫坐標(biāo)軸為（東西（東西方向）；方向）；L是某種變換關(guān)系；是某種變換關(guān)系； f（X，Y）為）為F空間中像元空間中像元F（X，Y）的亮度值，）的亮度值， g（，）為該像元在）為該像元在G空間中對應(yīng)像元空間中對應(yīng)像元G（，）的亮度值的亮度值通?？捎袃煞N方法實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)空間的轉(zhuǎn)換 （1）直接轉(zhuǎn)換）直接轉(zhuǎn)換首先求出原始圖象空間F中各像元F（X，Y）在G空間中的對應(yīng)位置G（，），然后將相應(yīng)的亮度值搬移過去。即G（，）L F（

13、X，Y）f（X，Y） g（，） （2）重采樣技術(shù)）重采樣技術(shù)首先反求出校正圖象空間中各像元G（，）在原始圖象空間中的共軛點(diǎn)位置F（X，Y）見下圖，然后再利用某種方法（下面詳細(xì)談到）確定這一共軛點(diǎn)位置的亮度值f（X，Y），最后再將該亮度值搬移到校正空間中取。即 F（X，Y）L1 G（ ，） 求 f（X，Y）f（X，Y） （ ，）我們希望校正后的數(shù)字圖象是一個(gè)均勻（指像元分布均勻）的二維圖象空間矩陣，這在利用計(jì)算機(jī)的寬行打印機(jī)輸出時(shí)尤其是這樣。由于原始圖象空間與校正圖象空間之間的對應(yīng)是非線性的，則幾乎不可能兩個(gè)圖象空間的網(wǎng)格像元在各自的空間都均勻分布。在原始圖象空間中一組均勻分布的網(wǎng)點(diǎn)在校正圖象空

14、間中對應(yīng)著一組不均勻分布的網(wǎng)點(diǎn)。因此在使用直接法時(shí)要特別注意這一點(diǎn)；重采樣法由于是從校正空間中的一組均勻分布網(wǎng)點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行的。這一問題自然就獲得了解決。2）幾何精校正的步驟A：幾何位置轉(zhuǎn)換B：亮度值確定A：幾何位置轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型的建立（1）三角形線性法（2）二元多項(xiàng)式法n（1）三角形線性法圖象的幾何失真一般是非線性的，但是在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)可以認(rèn)為是線性失真?；谶@一假設(shè), 我們可以利用GCP構(gòu)成一系列的小三角形區(qū)域,并使它們的全體覆蓋整個(gè)待校正區(qū)域;利用原始空間和校正空間每一對三角形區(qū)域的三個(gè)GCP（處于三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，求出每對三角形范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。n（2）二元多項(xiàng)式法 該方法以二元n

15、次多項(xiàng)式來描述幾何失真的情況，在多項(xiàng)式系數(shù)求解時(shí)，一般用最小二乘法。B：亮度值確定通常有三種方法：（1）最近鄰點(diǎn)法（2）雙向線性插值法（3）三次卷積法（1）最近鄰點(diǎn)法 該方法取離共軛點(diǎn)最近的像元的亮度值作為該網(wǎng)格的亮度值。特點(diǎn)：計(jì)算量小，具有一定的精度，是一種簡單而有效的方法。但處理后圖像的亮度具有明顯的不連續(xù)性。最近鄰點(diǎn)法 又稱一級內(nèi)插法，它使用內(nèi)插點(diǎn)周圍的4個(gè)觀測點(diǎn)的像元值，對所求的像元值進(jìn)行線性內(nèi)插。（2）雙線性內(nèi)插法特點(diǎn)：具有圖像均衡化和清晰化的效果，可得到較高的圖像質(zhì)量，但破壞了原有數(shù)據(jù)，使高頻分量受損，圖像輪廓模糊。 ), 1()1 () 1, ()1 (), ()1)(1 (),

16、(jiPtsjitPsjiPtsvuQ) 1, 1(jistPn（3）三次卷積法利用多項(xiàng)式來逼近理論上的最佳插值函數(shù)函數(shù)。0|5|84,|21)(3232wwwwwwS2|2|11|wwwn特點(diǎn)：計(jì)算量大，但可以克服前種方法的缺點(diǎn)，而且精度較高。 2）幾何精校正的幾個(gè)關(guān)鍵問題A：建立原始圖像空間坐標(biāo)系B：建立校正圖像空間坐標(biāo)系C：GCP的確定D：圖像的輸出nA：建立原始圖像空間坐標(biāo)系nB：建立校正圖像空間坐標(biāo)系n該坐標(biāo)系的建立很簡單，取要校正的數(shù)字圖象最左上角的點(diǎn)（象元）作為坐標(biāo)原點(diǎn)。掃描線號(hào)作為x軸坐標(biāo)值，采樣號(hào)數(shù)作為y軸坐標(biāo)值。n校正圖象空間坐標(biāo)原點(diǎn)仍取在圖象的左上角，以表示縱方向（南北方

17、向）坐標(biāo)，表示橫方向（東西方向）坐標(biāo)，坐標(biāo)以校正空間的網(wǎng)格為單位。網(wǎng)格大小由具體的圖象輸出設(shè)備和輸出圖象的比例尺來確定，網(wǎng)格大小就是以后重采樣的間隔。C：GCP的確定（1）GCP的對象 GCP應(yīng)是在原始CCT圖像中可尋找出來的，在地形圖上可精確定位的一些特征點(diǎn)、特征線等自然要素和人文要素。（2）GCP的檢測定位 人工目視檢測法；人工目視檢測法； 計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測定位（3）GCP的數(shù)量 適量增加適量增加可提高幾何校正精度，但不宜過多。 二元n次多項(xiàng)式：LL（n n1 1）（）（n n2 2）/2/2（4）GCP的分布 均勻（5）GCP的精度 GCP的位置精度越高，幾何校正的效果越好； 對于三角形線

18、性法，當(dāng)GCP不落在三角形頂點(diǎn)時(shí)， 影響不大。對于二次多項(xiàng)式擬合法， 當(dāng)L（n1）（n2）/2時(shí)，影響不大。D：圖像的輸出寬行打印機(jī)：數(shù)字圖像繪圖機(jī)/電視顯示屏：模擬圖像n數(shù)字圖象的優(yōu)點(diǎn) 便于進(jìn)行定量分析 缺點(diǎn) 不直觀n模擬圖象直觀醒目，常將之與地形圖進(jìn)行 比較，評價(jià)校正精度。三） 遙感圖像的配準(zhǔn)1、多圖像包括對地面同一景物的一組遙感圖像多時(shí)相圖像：由一個(gè)傳感器在不同時(shí)間對地面同一景物進(jìn)行構(gòu)像多傳感器圖像：由不同傳感器在同一時(shí)間對地面同一景物進(jìn)行構(gòu)像多波段圖像：由同一時(shí)間、同一傳感器的不同波段對地面同一景物進(jìn)行構(gòu)像 圖像配準(zhǔn)（Image registration）將兩組或更多組圖像進(jìn)行幾何對準(zhǔn)，使得同一地區(qū)的各個(gè)像元可以在數(shù)字上或視覺上被疊加起來。2、圖像配準(zhǔn)的定義注：被配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可以是多圖像的任 意一種。3、圖像配準(zhǔn)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(jìn)行比較和分析，例如：圖像的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)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(gè)測量向量是由一個(gè)