4第四章 遥感数字图像的几何处理

第四章图像校正遥感数字图像的几何处理鲁东大学地理与规划学院几何纠正 在利用遥感图像提取信息的过程中，要求把所提取的信息 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达在某一个规定的图像投影参照系统中，以便进行图像的几何量测、相互比较以及图像复合分析等处理。 当原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时，就需要校正。 在讨论遥感图像几何变形的基础上，介绍遥感数字图像几何纠正原理与方法。鲁东大学地理与规划学院第一节遥感数字图像几何处理概述 一、概述 遥感图像的几何处理就是解决遥感图像的几何变形的问题，对遥感图像进行几何纠正。 1、重要性 第一，对遥感原始图像进行几何变形改正后，才能对图像信息进行各种分析，制作满足量测和定位要求的各类地球资源及环境的遥感专题图。 第二，当应用不同传感方式、不同光谱范围以及不同成像时间的各种同一地域复合图像数据来进行计算机自动分类、地物特征的变化监测或其他应用处理时，必须进行图像间的几何配准，保证各不同图像间的几何一致性。 第三，利用遥感图像进行地形图测图或更新鲁东大学地理与规划学院 2、类型 光学纠正 通常不能对卫星遥感图像，特别是动态遥感图像进行严格的纠正； 数字纠正 是建立在严格的数学基础上，并可以远点(或远像素)地对图像进行纠正，因而原则上它可以对任何类型的传感器图像进行严格的纠正；鲁东大学地理与规划学院 二、几何变形的影响因素 遥感图像的几何变形误差类型 静态误差—— 分为内部误差和外部误差两类变形误差。 内部误差主要是由于传感器自身的性能、技术指标偏离标称数值所造成的，它随传感器的结构不同而异，误差较小，不做讨论。 例如，对于框幅式航空摄影机，有透镜焦距变动、像主点偏移、镜头光学畸变等误差；对于多光谱扫描仪(MSS)，有扫描线首末点成像时间差、不同波段相同扫描线的成像时间差、扫描镜旋转速度不均匀、扫描线的非直线性和非平行性、光电检测器的非对中等误差。 外部变形误差指的是传感器本身处在正常工作的条件下，由传感器以外的各因素所造成的误差。 例如传感器的外方位(位置、姿态)变化、传感介质的不均匀、地球曲率、地形起伏、地球旋转等因素所引起的变形误差等。 动态误差——鲁东大学地理与规划学院 几何校正 几何粗校正：针对畸变原因进行的 传感器：扫描速率不均匀 地球：曲率不同、自转影像 卫星运行：高度不恒定、速度不均一等 几何精校正：利用控制点进行的，用畸变模型实施校正鲁东大学地理与规划学院 影响因素： 1)传感器成像几何形态带来的变形 传感器一般的几何成像方式包括 中心投影 全景投影 斜距投影 平行投影 在这几种不同的类型中，其中，平坦地区的竖直摄影的中心投影和竖直情况下的平行投影是没有几何形态变形的，因为中心投影图像本身与地面景物保持相似的关系。 全景投影和斜距投影的结果，则产生图像变形。 通常把竖直摄影的中心投影和平行投影(正射投影)的图像视为基准图像，而全景投影和斜距投影变形规律可以通过与中心投影或正射投影的影像相比较而获得。鲁东大学地理与规划学院 I、全景投影变形 从右图可以看出红外机械扫描仪的成像面不是一个平面，而是一个圆柱面MON，相当于全景摄影机的投影面，称之为全景面。图中，地物点P在全景面上的像点P具有坐标yP，则yP=f·θ/ρ（4.1） 式中：f是焦距;θ为成像角(以度为单位)；ρ＝57．295度／弧度。鲁东大学地理与规划学院 设(L)是一个等效的中心投影成像面，P点在(L)上的像点P’具有坐标y´p，则y´p=f·tanθ(4．2) 从式(4．1)和式(4．2)可以得到全景图像坐标与等效中心投影图像坐标之间的相互转换关系 进而可推导出全景变形公式鲁东大学地理与规划学院 II、斜距投影变形 斜距投影类型传感器通常是指侧视雷达，如图，S为雷达天线中心。地物点P的图像坐标yP是雷达波束扫描方向的图像坐标，它取决于斜距RP以及成像比例尺λ： 式中：ν为雷达成像阴极射线管上亮点的扫描速度；C为雷达波在物方空间中的传播速度；H为传感器航高；f为等效焦距。鲁东大学地理与规划学院鲁东大学地理与规划学院 由于有 于是 此外，地面点P在等效的中心投影图像oy´上的成像点P´的坐标y´f可表达为鲁东大学地理与规划学院 可推导雷达图像坐标和等效中心投影图像坐标间的转换关系，即 则斜距投影的变形误差为鲁东大学地理与规划学院 全景投影和斜距投影两种成像方式对同一地物摄影成像的变形结果见图。鲁东大学地理与规划学院 2)、传感器外方位元素变化的影响 传感器的外方位元素通常指的是传感器成像时的位置(XS，YS，ZS)，(X，Y，Z)和姿态角(φ，ω，π)；对于侧视雷达而言，还包括其运行速度(vx，vy，vz)。当外方位元素偏离标准位置而出现变动时，就会使图像产生变形。 这种变形的影响一般是由地物点影像的坐标误差来表达的，并可以通过传感器的构像方程得以解析。鲁东大学地理与规划学院 3)、地球起伏的影响 地球表面的高低变化，将使影像点产生位移。 具有方向投影几何形态(中心投影、全景投影等)的传感器与具有斜距投影几何形态(侧视雷达)的传感器将有不同的地形起伏像点位移规律； 比如在高差同为正值的情况下，地形起伏在中心投影影像上造成的像点位移是远离原点向外移动的，而在雷达影像上则是向内变动的，如图这种投影差相反的特点，将使得我们对雷达影像进行立体现测时看到的是反立体。此外，高出地面物体的雷达影像还可能带有“阴影”，远景影像可能被近景影像的阴影所覆盖．这也是与中心投影影像不同之处。鲁东大学地理与规划学院鲁东大学地理与规划学院 4)、地球曲率的影响 地球曲率引起的像点位移类似地形起伏引起的像点位移。如图设地面点到传感器铅垂线SO的投影距离为D，地球的半径为R0，则根据因直径与弦线交割线段间的固定数学关系可得 考虑到Δh相对于2Ro是一个很小的数值，对上式简化后可得鲁东大学地理与规划学院鲁东大学地理与规划学院 5)、大气折射的影响 大气层是一个非均匀的介质，它的密度是随离地面的高度增加而递减的，所以电磁波在大气中传播的折射率也随高度而变，从而使电磁波传播的路径不是一条直线而变成了曲线，进而引起了像点位移。 大气折射对方向投影成像和距离投影成像的影响不一样。中心投影和全景投影等部属于方向投影，其成像点的位置取决于地物点入射光线的方向。如图所示。 在无大气折射影响时，地物点A通过直线光线成像于a0点；当有大气折射影响时，A点通过曲线光线成像于a1点，因此而引起像点位移鲁东大学地理与规划学院鲁东大学地理与规划学院 6)、地球自转的影响 在静态传感器(常规框幅式摄影机)成像的情况下，地球自转不会引起图像变形，因为其几何整幅图像是在瞬间一次曝光成像的。 地球自转主要是对动态传感器的图像产生变形影响，特别是对卫星遥感图像。 以陆地资源卫星多光谱扫描仪为例，当卫星北向南运行的同时，地球表面也在由西向东自转，由于卫星图像每条扫描线的成像时间不同，因而造成扫描线在地面上的投影依次向西平移．最终使得图像发生扭曲。图4．8显示了地球静止时的图像(oncba)与地球自转时的图像(Mc´b´a´)在地面上投影的情况。由此可见，由于地球自转的影响，产生了图像底边中点的坐标位移Δx和Δy，以及平均航偏角θ。鲁东大学地理与规划学院 遥感影像中，框幅式影像(包括美国陆地资源卫星的RBV影像)属于纯中心投影构像．全景影像属于多中心等焦距圆柱投影，多光谱影像属于多中心扫描投影，HRV影像属于多中心推扫扫描投影，合成孔径侧视雷达属于多中心斜距投影，由此可见，中心投影构像是遥感影像构像的基本原理。 中心投影构像的几何纠正目的是将中心投影影像纠正成正射投影影像。鲁东大学地理与规划学院 一中心投影构像原理 中心投影方式成像摄影是按小孔成像原理，在小孔处安装一个摄影物镜，在成像处放置感光材料．定时定位启闭快门．快门开启瞬间，被摄物体经摄影物镜成像于感光材料上，感光材料受投影光线的光化作用后，经摄影处理取得景物的光学影像，成像的各条光线汇聚于物镜中心O(如图3．16)，形成成像的几何特点，物镜中心称为摄影中心。鲁东大学地理与规划学院 已感光的底片经摄影处理后得到的是负片，利用负片接触晒印在相纸上，得到的是正片，负片与正片以摄影中心成几何对称(如图)。 在相片解析时，我们就可以将摄影成像缩小成一个模型，模型o为点光源，其发出的光按照摄影成像光线的逆方向通过正成像平面投影到模型的承影面，并将模型纳入设定的坐标系统中，如图3．17所示。此时，点O可换用字母S表示，称为投影中心(见图3．17)。由中心投影构像原理可以看出成像像片有以下特点(见图3．18)。 (1)地物通过摄影中心与其成像点共一条直线。 (2)投影中心到像平面的距离为物镜主距f。 (3)地面起伏使得各处影像比例尺不同。 (4)地物由于成像平面倾斜其成像会发生形变。 (5)具有高差的物体成像在相片上有投影差。鲁东大学地理与规划学院地物通过摄影中心与其成像点共一条直线投影中心到像平面的距离为物镜主距f具有高差的物体成像在相片上有投影差鲁东大学地理与规划学院 考虑到以上特点，在将中心投影影像纠正成正射投影影像时必须考虑到地面的高程信息。高程信息的获取有两种途径： 一是利用已知地面的高程，比加数字高程模型，通过单片纠正得到正射影像； 二是建立立体模型，利用形成立体模型的两张相片的左右视差来解算出地面高程，再通过单片纠正得到正射影像。 对于第一种情况，只需要进行单片解析就可以了；对于第二种情况，还需要立体模型的解算。鲁东大学地理与规划学院 实际工作中所拍摄的相片有倾斜和旋转，因此必须建立物体与相片之间的数学关系。 二空间直角变换 要建立物体与相片上相应影像的关系， 首先要确定摄影瞬间摄影中心与相片在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态，描述这些位置和姿态的参数称为相片的方位元素。 方位元素包括内方位元素和外方位元素 内方位元素是表示摄影中心与相片之间相关位置的参数， 外方位元素是表示摄影中心和相片在地面坐标系中的位置和姿态的参数。鲁东大学地理与规划学院 像平面坐标系的原点：成像相片上两两相对的框标连线的交点。 像主点：投影中心垂直投影到相片平面上的点； 理想情况是，像主点应与像平面坐标系的原点重合， 由于摄影像机安装造成的误差，像主点与像平面坐标系原点并不重合； 像主点在像平面坐标系中的坐标为xo,yo， 摄影中心到相片的垂距(主距)f构成了内方位元素的三个参数，内方位元素一般为已知值，由摄影机鉴定单位提供。鲁东大学地理与规划学院 像点在像空间坐标系和像空间辅助坐标系之间的变换关系式由传感器的方位元素得来，内方位元素和外方位元素6个参数得出构像方程解决像点的恢复，然后得出像点与物点之间的构像方程以纠正影像。鲁东大学地理与规划学院几何精校正 又称为几何配准 是把不同传感器具有几何精度的图像、地图或数据集中的相同地物元素精确地彼此匹配、叠加在一起的过程。 由用户进行。 重要性 第一，对遥感原始图像进行几何变形改正后，才能对图像信息进行各种分析，制作满足量测和定位要求的各类地球资源及环境的遥感专题图。 第二，当应用不同传感方式、不同光谱范围以及不同成像时间的各种同一地域复合图像数据来进行计算机自动分类、地物特征的变化监测或其他应用处理时，必须进行图像间的几何配准，保证各不同图像间的几何一致性。 第三，利用遥感图像进行地形图测图或更新鲁东大学地理与规划学院 基本原理 计算机对图像每个像素逐个的解析纠正处理完成的。 基本原理是回避成像的空间几何过程，直接利用地面控制点(GCP)数据对遥感图像的几何畸变本身进行数学模拟。 校正前后图像相应点的坐标关系可以用一个适当的数学模型来表示。 具体实现过程 GCP确定一个数学模型鲁东大学地理与规划学院 遥感数字影像几何纠正的一般过程 遥感数字影像的几何纠正的目的就是改正原始影像的几何变形，生成一幅符合某种地图投影或图形表达要求的新的图像，几何纠正的一般步骤见图。鲁东大学地理与规划学院 （1）准备工作。包括影像数据、地图资料、大地测量成果、航天器轨道参数和传感器姿态参数的收集与分析，所需控制点的选择和量侧等。如果影像为胶片影像，则需将其扫描数字。 （2）原始数字影像输入。技规定的格式将遥感数字影像用专门的程序谈入计算机。 （3）建立纠正变换函数。纠正变换函数用来建立影像坐标和地面(或地图)坐标问的数学关系．即输入影像与输出影像间的坐标变换关系。纠正的方法按照采用的数学模型而不同，一般有多项式法、共线方程法、随机场内的插值法等。纠正变换函数中有关的系数，可以利用控制点数据解算，也可以利用卫星轨道参数、传感器姿态参数、航空影像的内外方位元素等来直接构成。 （4）确定输出影像范围。输出影像范围定义不恰当时，会造成纠正后的影像未被该范围全部包括，面且还造成输出影像空白过多，如图3.10所示。如果定义的输出影像范围恰当，纠正后的影像就全部包括在定义的范围内．且能使空白影像面积尽可能少，如图3.11所示。鲁东大学地理与规划学院鲁东大学地理与规划学院 那么，怎样才能得到恰当的影像边界范围呢？ 把原始影像的四个角点a，b，c，d按照纠正变换函数投影到地图坐标系中，得到8个坐标值(4对坐标)，分别找出X、Y的最大值和最小值，并以此确定输出影像的范围。 （5）像元几何位置变换。像元几何位置变换是按选定的纠正变换函数把原始的数字影像逐个像元地变换到输出影像相应的位置上去，变换方法分直接法纠正和间接法纠正(或称正解法与反解法)，如图3.12。 两种方法除考虑影像坐标的出发点不一样外，纠正后影像像元的灰度赋值也不一样。直接法中，纠正后像元获取办法称为灰度重配置，面间接法称为灰度重采样。在实践中常采用间接法进行纠正。 （6）像元的灰度重采样。由于数字影像是客观连续世界或相片的离散化采样，鲁东大学地理与规划学院 重采样过程 像素位置变换 直接成图法 间接成图法 像素值变换 最近邻重采样 双线性内插重采样 三次卷及内插鲁东大学地理与规划学院该方法首先是从原始的畸变影像出发建立空间转换关系，即1)直接成图法式中：Fu、Fv为直接校正畸变函数。然后利用上式按行列的顺序依次求出原始影像的每个像元点(x，y)在校正影像空间(也就是输出影像坐标系)中的正确位置(u，v)，并把原始畸变影像的像元亮度值g(x，y)移到这个正确的位置上，即g(x，y)→f(u，v)。鲁东大学地理与规划学院鲁东大学地理与规划学院2)重采样成图法该方法首先是从空白的输出影像(校正后的影像)出发建立空间转换关系，即然后，利用上式按行列的顺序依次对校正影像空间中的每个待输出像元点(u，v)反求其在原始畸变影像空间中的共轭位置(x，y)，同时利用某种方法确定这一共轭位置的亮度值g(x，y)，并把此共轭位置的亮度值填入校正影像空间的f(u，v)位置，即g(x，y)→f(u，v)。式中：Fx，Fy为重采样校正畸变函数。鲁东大学地理与规划学院直接成图法和重采样成图法的比较直接成图法与重采样成图法本质上并无差别，主要的不同仅在于 所用的校正畸变函数不同，互为逆变换； 校正后像元获得亮度值的方法不同，对于直接成图法称为亮度重配置，而对于重采样成图法称为亮度重采样。鲁东大学地理与规划学院3）重采样后的内插方法①最邻近内插法(nearestneighbor，NN)：　取与内插点距离最近的观测点的像元值为所求的像元值。该方法最大可产生1／2像元的位置误差，优点是不破坏原来的像元值，处理速度快。②双线性内插法(bi-linear，BL)：　使用内插点周围的4个观测点的像元值，对所求的像元值进行线性内插。该方法的缺点是破坏了原来的数据，但具有平均化的滤波效果。③3次卷积内插法(cubicconvolution，CC)：　使用内插点周围的16个观测点的像元值，用3次卷积函数对所求像元值进行内插。该方法的缺点是破坏了原来的数据，但具有影像的均衡化和清晰化的效果，可得到较高的影像质量。鲁东大学地理与规划学院三种重采样方法的比较 内插方法 计算量 精度 对影像的影响 最邻近点内插 小 低 边缘平滑影确较小 双线性内插 中 中 有低通滤波效果，边缘受到一定的平滑作用 三次卷积内插 大 高 带有边缘增强的效果鲁东大学地理与规划学院4.几何校正的计算模型与采点模式遥感数字影像几何校正的计算模型主要的有7种，具体功能如下表其中，多项式变换(Polynomial)在卫星影像校正过程中应用较多，在调用多项式模型时，需要确定多项式的阶次方数(order)，通常整景影像选择3次方。阶次方数与所需要的最少控制点数是相关的，最少控制点数计算公式为[(m+1)*(m+2)]／2，式中m为阶次方数，即1次方需要3个控制点，2次方需要6个控制点，3次方需要10个控制点，依次类推。鲁东大学地理与规划学院