遙感數(shù)字圖像的幾何處理

遙感數(shù)字圖像的幾何處理2023/6/141第一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四本章教學(xué)要求及教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)要求：1、掌握遙感數(shù)字圖像幾何畸變的原因2、掌握遙感圖像幾何校正的過程教學(xué)重點(diǎn)：

遙感圖像幾何校正過程2023/6/142第二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四圖像退化與復(fù)原遙感是通過對反映地物電磁波信息的處理分析與解譯來進(jìn)行地物識別和專題研究的。理想的遙感圖像是：能如實(shí)、不扭曲地反映地物的輻射能量分布和幾何特征的圖像。而實(shí)際上，這種情況是不存在的。在實(shí)際工作中，我們所得到的圖像都在不同程度上與地物的輻射能量或亮度分布有差異，即存在著畸變和降質(zhì)，如成像、感測、傳輸及顯示等過程都會造成圖像的降質(zhì)。2023/6/143第三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四通常將造成圖像質(zhì)量下降的這類問題稱為圖像畸變，或稱為退化（degradetion）。對一個退化的圖像進(jìn)行處理，使它恢復(fù)到原始目標(biāo)的狀態(tài)稱為圖像復(fù)原(Restoration)，它是處理由于一個或多個質(zhì)量降級原因而記錄下來的影像，使處理后的圖像能更好地接近原始景物。在遙感數(shù)字圖像處理中，為了取得良好的處理效果，所處理的圖像必須經(jīng)過幾何校正（幾何粗校正和幾何精校正）、輻射校正以及噪聲抑制等處理后，才能根據(jù)實(shí)際待研究問題的需要進(jìn)行諸如圖像增強(qiáng)、分類的處理。

遙感圖像的降質(zhì)主要可以歸結(jié)為兩大類：輻射失真和幾何畸變。圖像退化與復(fù)原2023/6/144第四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四圖像復(fù)原的特點(diǎn)：（1）圖像的退化是對整幅圖像描述的，因而求解也是對整幅圖像而言。（2）為構(gòu)造的模型求算一個最佳結(jié)果，數(shù)學(xué)上要求比較嚴(yán)謹(jǐn)。（3）通過對原始目標(biāo)比較來評價復(fù)原的結(jié)果。2023/6/145第五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)遙感圖像的幾何畸變一、引言二、引起遙感圖像幾何變形的影響因素2023/6/146第六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四一、引言幾何畸變：圖像像元在圖像中的坐標(biāo)與其在地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)之間的差異。按照圖像畸變的性質(zhì)劃分，幾何畸變可分為系統(tǒng)性畸變和隨機(jī)性畸變。系統(tǒng)性畸變（內(nèi)部）是指遙感系統(tǒng)造成的畸變，這種畸變一般有一定的規(guī)律性，并且其大小事先能夠預(yù)測，例如掃描鏡的結(jié)構(gòu)方式和掃描速度等造成的畸變。隨機(jī)性畸變（外部）是指大小不能預(yù)測，其出現(xiàn)帶有隨機(jī)性質(zhì)的畸變，例如地形起伏造成的隨地形而異的幾何偏差。2023/6/147第七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四2023/6/148第八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四2023/6/149第九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四二、引起遙感圖像幾何變形的影響因素1、傳感器成像投影方式帶來的變形傳感器有中心投影，全景投影，斜距投影以及平行投影等幾種成像方式。地形平坦地區(qū)的中心投影和垂直投影沒有幾何畸變，但對全景投影和斜距投影則產(chǎn)生圖像變形。常把中心投影和平行投影（正射投影）的圖像視為基準(zhǔn)圖像，而全景投影和斜距投影變形規(guī)律可以通過與中心投影或正射投影的影像相比較而獲得。因此，航空像片的解譯理論是各種遙感圖像的解譯基礎(chǔ)。2023/6/1410第十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四（1）全景投影（線中心投影）變形由于全景相機(jī)的像距保持不變，而物距隨掃描角的增大而增大，因此出現(xiàn)兩側(cè)影像變形較大的現(xiàn)象，使整個影像產(chǎn)生全景畸變。比例尺？2023/6/1411第十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四（2）斜距投影變形斜距變形側(cè)視雷達(dá)采用斜距投影，它與攝像機(jī)中心投影方式完全不同。斜距投影的變形誤差為：2023/6/1412第十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四無變形

全景變形斜距變形第十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四航高航速俯仰翻滾航偏2、傳感器外方位元素變化的影響傳感器成像時的位置和姿態(tài)角第十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四3、地形起伏的影響R地形起伏對中心投影造成的像點(diǎn)位移是遠(yuǎn)離原點(diǎn)向外變動，在雷達(dá)影像上是向內(nèi)變動的。第十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四4、地球表面曲率的影響R第十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四5、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到上越來越小，折射率不斷變化，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(diǎn)發(fā)射位移。R1R2R3R4斜向的電磁波經(jīng)歷的是一條彎曲的傳輸路線aa0aa0第十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四6、地球自轉(zhuǎn)的影響地球始終在自轉(zhuǎn)，而且在不同的緯度，地球轉(zhuǎn)動的線速度不同。地球資源衛(wèi)星完成一景圖像的掃描，在此期間，地球已經(jīng)轉(zhuǎn)過一定的角度，所以，圖像記錄的并非一個正方形的地面區(qū)域，而是一個存在扭曲的四邊形區(qū)域。第十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四地球自轉(zhuǎn)的影響左圖顯示了地球靜止的圖像(oncba)與地球自轉(zhuǎn)的圖像(oncba)在地面上投影的情況。由圖可見，由于地球自轉(zhuǎn)的影響，產(chǎn)生了圖像底邊中點(diǎn)的坐標(biāo)位移x和y，以及平均航偏角。2023/6/1419第十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)遙感圖像的幾何校正一、幾何校正的分類二、幾何校正的一般過程三、幾何校正的方案四、幾何校正的算法2023/6/1420第二十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四幾何校正的重要性：為了解決遙感圖像與地圖投影的匹配問題，其重要性如下：1、只有進(jìn)行校正后，才能對圖像信息進(jìn)行分析，制作滿足測量和定位要求的各類遙感專題圖。2、在同一地域，應(yīng)用不同傳感器、不同光譜范圍及不同成像時間的各種圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)自動分類、地物特征的變化監(jiān)測或其它應(yīng)用處理時，必須進(jìn)行圖像間的空間配準(zhǔn)，保證不同圖像間的幾何一致性；3、利用遙感圖像進(jìn)行地形圖測圖或更新時，要求圖像具有較高的地理坐標(biāo)精度。2023/6/1421第二十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四一、幾何校正的分類幾何校正一般在遙感信息提取之前進(jìn)行。幾何校正就是校正成像過程中造成的各種幾何畸變，分為2類：1、

幾何粗校正:針對引起遙感系統(tǒng)畸變的原因而進(jìn)行的校正.2、

幾何精校正（幾何配準(zhǔn)）：把不同傳感器具有幾何精度的圖像、地圖或數(shù)據(jù)中的相同地物元素精確地彼此匹配、疊加在一起的過程。2023/6/1422第二十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四幾何精校正幾何精校正是以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集作為參照，選取控制點(diǎn)進(jìn)行幾何校正。此校正不考慮引起畸變的原因。若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集是圖像，該過程叫相對校正，即以一景圖像作為基礎(chǔ)，，是圖像－－圖像校正；若以地圖為基礎(chǔ)校正其他圖像，則叫絕對校正，是圖像－－地圖校正，常用于GIS中。一般地,來自與相同平臺位置和傳感器的多光譜圖像容易校正。2023/6/1423第二十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四二、幾何校正的一般過程輸入原始數(shù)字影像像元灰度重采樣輸出糾正數(shù)字影像遙感數(shù)字影像幾何校正的一般過程確定工作范圍選擇地面控制點(diǎn)選擇地圖投影匹配地面控制點(diǎn)與像元位置選擇校正函數(shù)和相關(guān)參數(shù)2023/6/1424第二十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四1、準(zhǔn)備工作。收集和分析影像數(shù)據(jù)、地圖資料、大地測量成果、航天器軌道參數(shù)和傳感器姿態(tài)參數(shù)，所需控制點(diǎn)的選擇和量測等。2、原始數(shù)字影像輸入。按規(guī)定的格式將遙感數(shù)字影像用專門的程序讀入計算機(jī)。3、確定工作范圍并裁剪一般裁剪范圍要大于工作范圍。4、選擇地面控制點(diǎn)（直接影響圖像最后的校正精度）根據(jù)圖像特征和地區(qū)情況，結(jié)合野外調(diào)查和地形圖選擇地面控制點(diǎn)。5、選擇地圖投影，確定合適的相關(guān)投影參數(shù)。第二十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四6、匹配地面控制點(diǎn)和像素位置地面控制點(diǎn)與相應(yīng)像素為同名地物點(diǎn)，應(yīng)清晰無誤地進(jìn)行匹配。7、評估校正精度中低分辨率圖像的精度以像素為單位，平均精度在1個像元內(nèi)；高分辨率圖像的精度以米為單位。校正后，一般應(yīng)求出平均誤差（均方根誤差RMSE，即平均誤差平方和的平方根）和地面控制點(diǎn)的最大誤差。8、坐標(biāo)變換校正變換函數(shù)用來建立影像坐標(biāo)和地面（地圖）坐標(biāo)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即輸入影像和輸出影像間的坐標(biāo)變換關(guān)系。糾正方法一般有多項(xiàng)式法、共線方程法、隨機(jī)場內(nèi)的插值法等。第二十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四9、像元的灰度重采樣。因數(shù)字影像是相片的離散化采樣，當(dāng)想知道非采樣點(diǎn)的灰度值時，就需要由采樣點(diǎn)（已知像素）內(nèi)插，稱為重采樣。其附近像素（采樣點(diǎn)）的灰度值對被采樣點(diǎn)的影響的大小可以用重采樣函數(shù)來表達(dá)。常用的方法有四種：（下面具體介紹）（1）鄰近像元法：最簡單，精度低（2）雙線性插值法：最常用（3）三次卷積插值法：精度高但速度慢（4）雙像素重采樣法：對一個像素在x,y方向均擴(kuò)大1倍，然后再對放大了1倍的影像重采樣。精度較好。10、輸出糾正數(shù)字影像。第二十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四原始影像糾正后影像注：地面控制點(diǎn)（GCP）是幾何校正中用來建立糾正方程的基礎(chǔ)，是最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。第二十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四注意：控制點(diǎn)選擇問題1）控制點(diǎn)數(shù)目：最少控制點(diǎn)數(shù)目N=(n+1)(n+2)/2,其中n為二元多項(xiàng)式的次數(shù);但控制點(diǎn)個數(shù)都大于最低數(shù)目（有時為6倍），一般地，都多選取20－30個控制點(diǎn)。2）選擇目標(biāo)：控制點(diǎn)分布均勻，邊界、四角要有，以避免圖像校正不能滿幅，地形起伏大的區(qū)域要多選；所選點(diǎn)在圖像上要易辨認(rèn)且目標(biāo)較小，如道路的交叉點(diǎn)、河流的分叉處或彎曲處、飛機(jī)場等，而且這些特征在研究時間范圍內(nèi)沒有變化。2023/6/1429第二十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四可以通過地形圖或現(xiàn)場實(shí)測獲取。地形圖與圖像獲取日期應(yīng)盡量接近。影像分辨率與相應(yīng)比例尺的地形圖配準(zhǔn)，如：LandsatTM（30米，彩色），1:10萬地形圖SPOT5(10米，彩色)，1:5萬地形圖Quickbird（彩色，2.44米）1:5千地形圖還可以使低精度圖像與高精度圖像配準(zhǔn)(在高精度圖像上選點(diǎn))3）地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的確定2023/6/1430第三十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四GPS測控制點(diǎn)：TM數(shù)據(jù)（30米），GPS精度應(yīng)在10－20米之間；SPOT數(shù)據(jù)（5－10米），GPS精度應(yīng)在亞米級；更高的校正精度要求，宜用差分GPS來獲取坐標(biāo)。但使用GPS測量要注意投影問題。GPS使用的是WGS84經(jīng)緯度投影，在使用前可能要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。地面控制點(diǎn)的地理坐標(biāo)必須與投影要求一致，否則會帶來較大誤差。2023/6/1431第三十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四三、幾何校正的方案像元空間坐標(biāo)變換是按選定的校正函數(shù)把原始的數(shù)字影像逐個像元地變換到輸出影像相應(yīng)的坐標(biāo)上去，變換方法有2種：（一）直接校正法（二）間接校正法2023/6/1432第三十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四（一）直接校正法直接法：由x,y求出X,Y設(shè)任意像元在原始圖像和糾正后圖像中的坐標(biāo)分別為(x,y)和(X,Y),即(x,y)為原始坐標(biāo)，(X,Y)為糾正后坐標(biāo):從原始圖像出發(fā)，按一定的換算關(guān)系求出變換后的圖像。2023/6/1433第三十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四但用直接法（正解法）得到的糾正圖像上的像點(diǎn)不是規(guī)則排列，有的可能重復(fù)，有的可能無像點(diǎn)，難以獲取規(guī)則排列的數(shù)字圖像，所以常采用間接法（反解法）糾正圖像。2023/6/1434第三十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四（二）間接校正法間接法:由X,Y求出x,y設(shè)任意像元在原始圖像和糾正后圖像中的坐標(biāo)分別為(x,y)和(X,Y),即(x,y)為原始坐標(biāo)，(X,Y)為糾正后坐標(biāo):從校正后圖像出發(fā)，按一定換算關(guān)系反求算出原始圖像上像點(diǎn)坐標(biāo).2023/6/1435第三十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四灰度內(nèi)插：不管是直接法還是間接法，求出新的像點(diǎn)位置后，都要通過灰度內(nèi)插法求出該位置的灰度值。灰度內(nèi)插：利用像元周圍多個像點(diǎn)的灰度值求出該像元灰度值的過程。2023/6/1436第三十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四2023/6/1437第三十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四單株立木校正前后對比2023/6/1438第三十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四四、幾何校正的算法（計算模型）（一）共線方程校正法（二）多項(xiàng)式校正法2023/6/1439第三十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四共線方程原理鏡頭中心、像點(diǎn)、地面點(diǎn)位于同一直線上，稱為三點(diǎn)共線。（一）共線方程校正法2023/6/1440第四十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四共線方程糾正法是建立在對傳感器成像時的位置和姿態(tài)進(jìn)行模擬和解算的基礎(chǔ)上，即構(gòu)像瞬間的像點(diǎn)與相應(yīng)的地面點(diǎn)應(yīng)位于通過傳感器投影中心的一條直線上。共線方程的參數(shù)可以預(yù)測給定，也可以按最小二乘法原理求解，得到各像點(diǎn)的改正數(shù)，以達(dá)到校正目的。2023/6/1441第四十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四共線方程法與多項(xiàng)式法相比，理論上嚴(yán)密，因考慮了地物點(diǎn)高程的影響，因此，在地形起伏較大的情況下較為優(yōu)越。但此法需要高程信息，且在一幅圖像中，受傳感器位置和姿態(tài)的影響，其外方位元素的變化規(guī)律只能近似表達(dá)，因此有一定的局限性，使其在理論上的嚴(yán)密性難以嚴(yán)格保證，所以相對于多項(xiàng)式法，其精度提高并不明顯，而且計算量較大。2023/6/1442第四十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四第四十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四（二）多項(xiàng)式校正法多項(xiàng)式校正法原理直觀、計算簡單，適用于地勢平坦地區(qū)。此方法適用于多種圖像。原理：選擇一個多項(xiàng)式近似描述校正前后相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系，利用控制點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和參考坐標(biāo)系中的理論坐標(biāo)按最小二乘法原理求解出多項(xiàng)式的系數(shù)，然后以此多項(xiàng)式對圖像進(jìn)行幾何校正。2023/6/1444第四十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四第一步：位置計算兩個圖像之間的關(guān)系，可用數(shù)學(xué)關(guān)系描述:x=fx(u,v)

y=fy(u,v)首先尋找兩個圖像已知的對應(yīng)點(diǎn)，稱作控制點(diǎn)GCP，這些控制點(diǎn)在兩個圖像上的坐標(biāo)分別已知，使用最小二乘法和已知控制點(diǎn)坐標(biāo)求出未知的系數(shù)aij和bij，于是找到了兩種圖像間的數(shù)學(xué)關(guān)系。然后，依次代入校正后圖像的每個像元點(diǎn)的坐標(biāo)，求出相應(yīng)的X和Y值，完成位置計算。上述數(shù)學(xué)關(guān)系常表示為二元多項(xiàng)式（一次、二次、三次或更高次）表達(dá)，其中二元二次多項(xiàng)式可以表示為：2023/6/1445第四十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四注意：1）多形式校正的精度與地面控制點(diǎn)的精度、分布和數(shù)量及校正的范圍有關(guān)。地面控制點(diǎn)的精度越高、分布越均勻、數(shù)量越多，幾何校正的精度越高。2）采用多項(xiàng)式校正時，即使平均誤差較小，并不能保證圖像各點(diǎn)的誤差都小。3）多項(xiàng)式階數(shù)的確定，取決于圖像的幾何變形程度，若變形不大，用1階多項(xiàng)式也可，并非階數(shù)越高越好。2023/6/1446第四十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四第二步：亮度值內(nèi)插計算（灰度重采樣）由于位置計算后找到的對應(yīng)的x和y值，大多不在原來像元的中心，因此，必須重新計算新位置的亮度值。一般地，新點(diǎn)的亮度值介于鄰點(diǎn)亮度值最大和最小值之間，常采用最近鄰法進(jìn)行重采樣。2023/6/1447第四十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四最近鄰法：取被計算點(diǎn)周圍相鄰的4個點(diǎn)，比較它們與被計算的點(diǎn)的距離，哪個點(diǎn)距離最近，就取哪個點(diǎn)的亮度值做為被計算點(diǎn)的亮度值。特點(diǎn)：最近鄰法計算簡單，節(jié)省計算機(jī)機(jī)時。在幾何位置上誤差為±0.5像元。但原圖像中的某些線性特征會被扭曲或變粗成塊，影響了精確度。1、最近鄰點(diǎn)內(nèi)插法2023/6/1448第四十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期四2、雙線性內(nèi)插法雙線性內(nèi)插法：取被計算點(diǎn)周圍相鄰的4個點(diǎn)，在y方向（x方向）內(nèi)插2次，再在x方向上內(nèi)插1次，得到所求的亮度值。