遥感数字图像的几何处理

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。
–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。
• 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。
• 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。
• 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。
–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——
• 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
– (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。
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
• 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
• 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。
–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。
– （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。
• 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
• 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
• 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。
• 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。
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
• 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
• 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
• 6)、地球自转的影响
• 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。
• 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，
–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。
• 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。
• 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。
地物通过摄影 中心与其成像 点共一条直线
• 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。
• 几何精校正：利用控制点进行的，用畸变模型实施 校正
Hale Waihona Puke • 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。
• 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。
• 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。
• 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）
– GCP确定一个数学模型
• 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。
– （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。
• 式中：f是焦距; θ为成像角 (以度为单位)；ρ＝57．295 度／弧度。
• 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
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。
• 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。
• 由于有
• 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)。
• 第三，利用遥感图像进行地形图测图或更新
–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；
• 二、几何变形的影响因素
–遥感图像的几何变形误差类型
• 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。