第04章 遙感圖像校正

遙感數(shù)字圖像處理第四章遙感圖像校正4,

20091.1為什么要校正？原因?4,

20094,

2009大氣影響太陽(yáng)輻射的衰減過(guò)程：30%被云層反射回；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達(dá)地面。大氣的透射率公式：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。4,

20091.2哪些校正？輻射校正由于遙感檢測(cè)系統(tǒng)、大氣散射和吸收等原因引起的圖像模糊失真、分辯率和對(duì)比度下降等輻射失真；幾何校正是由于搭載傳感器的遙感平臺(tái)飛行資態(tài)變化、地球自傳、地球曲率等原因引起的圖像幾何益畸變。4,

2009圖像畸變的分類輻射畸變：指遙感傳感器在接收來(lái)自地物的電磁波輻射能時(shí)，電磁波在大氣層中傳輸和傳感器測(cè)量中受到遙感傳感器本身特性、地物光照條件（地形影響和太陽(yáng)高度角影響）以及大氣作用等影響，而導(dǎo)致的遙感傳感器測(cè)量值與地物實(shí)際的光譜輻射率的不一致。

幾何畸變：當(dāng)原始圖像上各地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等特征與在參照系統(tǒng)中的表達(dá)要求不一致時(shí)，就產(chǎn)生幾何畸變。

4,

20091.3如何校正？理想遙感圖像：如實(shí)而毫不歪曲地反映地物的輻射能量分布和幾何特征的圖像圖像畸變：實(shí)際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)，即圖像畸變圖像恢復(fù)：對(duì)一個(gè)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)4,

20092.輻射校正什么是輻射校正？引起輻射畸變的因素？如何進(jìn)行輻射校正？輻射校正的基本步驟。4,

2009輻射校正基本概念輻射定標(biāo)：傳感器探測(cè)值的標(biāo)定過(guò)程，用以確定傳感器入口處的準(zhǔn)確輻射值。輻射校正：消除或改正遙感圖像成像過(guò)程中附加在傳感器輸出輻射能量中的各種噪聲。大氣校正：指大氣散射校正，即消除大氣散射對(duì)輻射失真的影響。包括大氣的消光（吸收和輻射）、天空光照射、路徑輻射。4,

2009輻射畸變的主要原因傳感器本身的性能引起的輻射誤差地形影響和光照條件變化引起的輻射誤差大氣散射和吸收引起的輻射誤差反射、散射、吸收4,

2009AbsorptionofEMenergybytheatmosphere4,

2009ScatteringofEMenergybytheatmosphere4,

2009RelationshipbetweenpathlengthofEMradiationandthelevelofatmosphericscatter4,

20094,

2009三種散射作用瑞利散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)，此時(shí)的散射稱為瑞利散射。散射率與波長(zhǎng)的四次方成反比，因此，瑞利散射的強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍(lán)光是4微米紅外線散射的1萬(wàn)倍。瑞利散射對(duì)可見(jiàn)光的影響較大，對(duì)紅外輻射的影響很小，對(duì)微波的影響可以不計(jì)。多波段中不使用藍(lán)紫光的原因：4,

2009顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長(zhǎng)0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.0無(wú)云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽(yáng)為什么都偏橘紅色？4,

2009米氏散射：當(dāng)微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)差不多時(shí)的大氣散射。云、霧的粒子大小與紅外線的波長(zhǎng)接近，所以云霧對(duì)對(duì)紅外線的米氏散射不可忽視。無(wú)選擇性散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)大得多時(shí)所發(fā)生的散射。符合無(wú)選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強(qiáng)度相同。水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？4,

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2009遙感圖像的大氣校正地物發(fā)射的電磁能量波在經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，大氣對(duì)電磁波的吸收和散射對(duì)遙感圖像的影響，其中主要的影響因素是大氣散射大氣校正是指大氣散射校正，即消除大氣散射對(duì)輻射失真的影響。包括大氣的消光（吸收和輻射）、天空光照射、路徑輻射。4,

2009遙感圖像大氣散射校正

大氣散射校正方法：輻射傳遞方程式計(jì)算法、野外波譜測(cè)度回歸分析法及多波段圖像的對(duì)比分析法。多波段分析法：回歸分析法和直方圖法4,

2009傳感器輻射校正輻射校正的方法：1）分析輻射失真的過(guò)程，建立輻射失真模型，利用逆過(guò)程校正；2）利用實(shí)地測(cè)量傳感器輻射校正的三個(gè)步驟：第一步進(jìn)行回歸運(yùn)算；第二步為逐次濾波處理；第三步進(jìn)行傳感器輻射校正。4,

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2009與衛(wèi)星掃描同步進(jìn)行野外波譜測(cè)試，將地面測(cè)量結(jié)果與衛(wèi)星影像對(duì)應(yīng)像元亮度值進(jìn)行回歸分析，回歸方程為：式中，LAi為衛(wèi)星觀測(cè)值； Ri為地面反射率；

a和b為回歸系數(shù)；一、公式法4,

2009系數(shù)a為大氣散射引起對(duì)輻射的干擾部分a=SiLBi

式中，Si為系統(tǒng)增益因素；Lbi為大氣路徑輻射率；b表示輻射率Lai隨地面反射率Ri遞增而增長(zhǎng)的程度大小；Ti為大氣透射率；Hi為太陽(yáng)輻照度；θ為太陽(yáng)天頂角；由于這個(gè)公式計(jì)算方法是對(duì)于各個(gè)波段分別進(jìn)行的，所以以上各參數(shù)都帶有i，代表各波段的序號(hào)。將上式代入可得：4,

2009上式說(shuō)明決定Lai的因素比較復(fù)雜，用這一公式計(jì)算Lai時(shí)需要獲得當(dāng)時(shí)具體氣象參數(shù)。由前面的公式可得：式中，L’Ai即為校正后圖像灰度值；a為大氣附加輻射部分。4,

2009用長(zhǎng)波數(shù)據(jù)來(lái)校正短波數(shù)。作法：在不受大氣影響的波段（如TM5）和待校正的某一波段圖像中，選擇由最亮至最暗的一系列目標(biāo)，將每一目標(biāo)的兩個(gè)待比較的波段灰度值提取出來(lái)進(jìn)行回歸分析。例如：式中，為T(mén)M5波段的亮度均值；為T(mén)M1亮度均值；二、回歸分析法4,

2009a1,b1計(jì)算如下：T1、T5表示TM1與TM5波段灰度值，為T(mén)M1波段校正后的灰度值。4,

2009輻射回歸分析圖：4,

2009通過(guò)灰度直方圖對(duì)比找出校正量。三、直方圖校正法4,

2009直方圖最小值去除法4,

20093.幾何校正幾何畸變：遙感圖像在獲取過(guò)程中由于多種原因?qū)е戮拔镏心繕?biāo)物相對(duì)位置的坐標(biāo)關(guān)系圖像中發(fā)生變化。4,

2009一、遙感圖像幾何畸變來(lái)源（一）傳感器成像幾何形態(tài)影響傳感器一般的成像幾何形態(tài)有中心投影、全影投影、斜距投影以及平行投影等幾種不同類型。1、全景投變形紅外機(jī)械掃描儀、CCD線陣推帚式傳感器。3.1幾何校正的原理與方法4,

20092、斜距投影變形側(cè)視雷達(dá)屬斜距投影，其成像變形規(guī)律如圖4,

2009（二）傳感器外方位元素變化畸變4,

2009（三）地球自轉(zhuǎn)的影響地球自轉(zhuǎn)對(duì)于瞬時(shí)光學(xué)成像遙感方式?jīng)]有影響，對(duì)于掃描成像則造成圖像平行錯(cuò)動(dòng)。為圖像錯(cuò)動(dòng)量；掃描整景圖像時(shí)間；該緯度的地球自轉(zhuǎn)線速度；圖幅地面長(zhǎng)度；地球平均半徑6378KM；衛(wèi)星運(yùn)行平均角速度；4,

2009（四）地球曲率影響1、在星下點(diǎn)視場(chǎng)角較小，曲率影響可忽略。2、產(chǎn)生的誤差原理與航空像片像點(diǎn)位移相同。4,

2009幾何校正的步驟①選擇控制點(diǎn)：在遙感圖像和地形圖上分別選擇同名控制點(diǎn)，以建立圖像與地圖之間的投影關(guān)系，這些控制點(diǎn)應(yīng)該選在能明顯定位的地方，如河流交叉點(diǎn)等。

②建立整體映射函數(shù)：根據(jù)圖像的幾何畸變性質(zhì)及地面控制點(diǎn)的多少來(lái)確定校正數(shù)學(xué)模型，建立起圖像與地圖之間的空間變換關(guān)系，如多項(xiàng)式方法、仿射變換方法等。

③重采樣內(nèi)插：為了使校正后的輸出圖像像元與輸入的未校正圖像相對(duì)應(yīng),根據(jù)確定的校正公式，對(duì)輸入圖像的數(shù)據(jù)重新排列。在重采樣中，由于所計(jì)算的對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)不是整數(shù)值，必須通過(guò)對(duì)周圍的像元值進(jìn)行內(nèi)插來(lái)求出新的像元值。4,

2009二、遙感圖像幾何校正原理遙感圖像幾何校正包括光學(xué)校正和數(shù)字糾正兩種方法。

數(shù)字糾正是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像每個(gè)像元逐個(gè)地解析糾正處理完成的，其包括兩方面：一是像元坐標(biāo)變換；二是像元灰度值重新計(jì)算（重采樣）。（一）坐標(biāo)變換的兩種方案首先要確定原始圖像和糾正后圖像之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。對(duì)其包括：

直接法：從原始圖像陣列出發(fā)，依次對(duì)其中每一個(gè)像元分別計(jì)算其在輸出（糾正后）圖像的坐標(biāo)，即：4,

2009式中，x,y為P點(diǎn)原始圖像的行數(shù)和列數(shù)；X，Y為P在新圖像中的坐標(biāo)（即地面坐標(biāo)系），并把P（x,y)的灰度值重新計(jì)算后送到P（X，Y）位置上去。間接法：從空白圖像陣列出發(fā)，依次計(jì)算每個(gè)像元P（X，Y）在原始圖像中的位置P（x,y），然后把該點(diǎn)的灰度值計(jì)算后返送給P(X,Y)。其糾正公式為：4,

2009(二）輸出圖像的邊界大小輸出圖像邊界的地面坐標(biāo)值是由包括糾正后圖像在內(nèi)的最小長(zhǎng)方形范圍來(lái)確定的。4,

20091、把原始圖像的4個(gè)角點(diǎn)按公式：投影到輸出坐標(biāo)系中來(lái)。2、獲取各自的最大和最小值（Xb、Yb和Xa、Ya）；3、令地面上坐標(biāo)（Yb、Xa）和(Ya、Yb)的點(diǎn)（圖像左上角點(diǎn)）為輸出圖像的第一行第一列像元，以dx和dy劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格代表輸出圖像的一個(gè)像元，在它輸出圖像陣列中的位置為：式中，X，Y為地面某網(wǎng)格中心的坐標(biāo)值；I，J為該網(wǎng)格位于輸出圖像陣列中的行列序號(hào)；dx,dy為輸出圖像陣列像元的地面尺寸；4,

2009（三）數(shù)字圖像灰度值的重采樣校正前后圖像的分辨率變化、像元點(diǎn)位置相對(duì)變化引起輸出圖像陣列中的同名點(diǎn)灰度值變化。

重采樣：P’的灰度值取決于周圍列陣點(diǎn)上像元的灰度值對(duì)其所作的貢獻(xiàn)，這就是灰度值重采樣4,

20091、最近鄰法用距離投影點(diǎn)最近像元灰度值代替輸出像元灰度值。2、雙線性內(nèi)插法投影點(diǎn)周圍4個(gè)相鄰像元灰度值，并根據(jù)各自權(quán)重計(jì)算輸出像元灰度值，公式簡(jiǎn)述為：4,

20093、雙三次卷積法獲取與投影點(diǎn)鄰近的16個(gè)像元灰度值計(jì)算輸出像元灰度值，公式為：4,

2009三、數(shù)字圖像幾何校正方法數(shù)字圖像幾何校正方法有多項(xiàng)式糾正法和共線方程糾正法。前者常用。多項(xiàng)式糾正法的基本思想：回避成像的空間幾何過(guò)程，而真接對(duì)圖像變形的本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。常用的二元齊次多項(xiàng)式糾正變換方程為：式中，x,y為某像元的原始圖像坐標(biāo)；X,Y為糾正后同名點(diǎn)的地面（或地圖）坐示；ai,bi為多項(xiàng)式系（i=0,1,2…4,

2009實(shí)際工作中，多項(xiàng)式系數(shù)求出后，根據(jù)上述公式可以求解原始圖像任一像元的坐標(biāo)，并對(duì)圖像灰度進(jìn)行內(nèi)插，獲取某種投影的糾正圖像。一般選擇最小控制點(diǎn)的數(shù)量為:(n+1)(n+2)/