图像几何校正与辐射校正 课件

x ? a0 0? a1 u0 ? a0 v1 ? a1 u1v ? a2 u0 2 ? a0 v2 2 y ? b0 0? b1 u0 ? b0 v1 ? b1 u1v ? b2 u0 2 ? b0 v2 2
在这个方程组中有12个系数，需列12个方程才能解出，因 此需要6个已知的对应点，即这6个点的（u，v)与（x，y）均已 知，这些已知坐标的对应点称为控制点（GCP）
17
2、外部因素引起的畸变
4）大气折射的影响
? 大气对辐射的传播产生
折射。由于大气的密度分
布从下向上越来越小，折
射率不断变化．因此折射
后的辐射传播不再是直线
而是—条曲线．从而导致
传感器接收的像点发生位
移?r.
? 大气折射影响
18
2、外部因素引起的畸变
5）地球自转的影响
? 卫星前进过程中，传感器对地面扫描获得图像时，地球自转 影响较大，会产生影像偏离。因为卫星自北向南运动，这时地 球自西向东自转。相对运动的结果，使卫星的星下位置逐渐产 生偏离。偏离方向如下图所示，所以卫星图像经过校正后成为 图c的形态。
基本原理：利用图像坐标和地面坐标（另一图像坐 标、地图坐标等）之间的数学关系，即输入图像和输出 图像间的坐标转换关系实现几何校正。
25
几何校正包括两个方面的内容 ◆图像空间像元坐标的变换 ◆变换后的标准图像空间的各像元灰度值的计算。
26
纠正方法:
直接纠正方法 :从原始图像阵列出发，按行列的顺序 依次对每个原始图像像元点位用变换函数 F（x,y） （正解变换公式）求得它在新图像中的位置，并将该 像元灰度值移置到新图像的对应位置上。
? 校正的最终目的是确定校正后图像的行列数值，然后找到 新图像中每一像元的亮度值。
23
2、校正过程
(1) 确定输入图像和输出图像的坐标变换关系 (2) 确定新的图像的边界 (3) 确定新图像的分辨率 (4) 灰度的重采样
24
2、校正过程
(1) 确定输入图像和输出图像的坐标变换关系
数字图象几何纠正 ：通过计算机对离散结构的数字 图像中的每一个像元逐个进行纠正处理的方法。这种方 法能够精确地改正动态扫描图像所具备的各种误差。
xp ? fx( XP,YP)
yp ? fy( XP,YP)
直接法(正解):
Xp ? FX ( xp, yp) Yp ? FY ( xp, yp)
28
2.3.5 遥感数字图像的多项式纠正
? 多项式纠正的基本思想：图像的变性规律可以看作是 平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲等形变的合成。 一般的公式为：
6
遥感图像 几何畸变
系统畸变 随机畸变
几何粗纠正 几何精纠正
?几何校正就是要校正成像过程所造成的各种几何畸变。
几何校正分为两种：几何粗校正和几何精校正。 ?几何粗校正是针对引起畸变原因而进行的校正，这种畸变按照比较简单 和相对固定的几何关系分布在图像中的，校正时只需将传感器原校准数 据、遥感平台的位置以及卫星运行姿态等一系列测量数据代入理论校正 公式即可。几何粗校正主要校正系统畸变。
31
2.3.5 遥感数字图像的多项式纠正 （续1）
控制点的选择原则:
1) 表征空间位置的可靠性，道路交叉点，标志物， 水域 的边界，山顶，小岛中心，机场等。
? 同名控制点要在图像上均匀分布； ? 清楚辨认； ? 数量应当超过多项式系数的个数（(n+1)*(n+2)/2 ）。
当控制点的个数超过多项式的系数个数时，采用最小 2 乘法进行系数的确定，使得到的系数最佳。
遥感数字图像校正与增强
1
本章主要内容
1. 数字图像基础 2. 图像辐射校正 3. 几何校正原理与方法 4. 图像增强处理
2
8.3 几何校正
?遥感图象几何畸变 ?遥感图象几何纠正方法
3
? 为什么要进行几何纠正 ? 几何误差的存在
? 遥感调查分析结果：一般是要求能满足量测和定位 要求的各类专题地图。
灰度的 重采样
输出纠正后 的图象
两个基本环节： 像元坐标变换和像元灰度值重采样
效果 评价
22
两个基本环节：像元坐标变换和像元灰度值重采样
? 校正前的图像，由于某种几何畸 变，图像中 像元点间所对应的地 面距离并不相等 。
? 校正后的图像是由 等间距的网格 点组成的，且以地面为标准，符 合某种投影的均匀分布，图像中 格网的交点可以看作是像元的中 心；
? 利用多源数据进行计算机自动分类、地物特征的变化 监测等应用处理时，必须保证不同图像间的几何一致
性。
4
8.1 遥感图像的几何变形
一、基本概念
? 定义：遥感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，即说明 遥感图像发生了几何畸变。
? 遥感图像的总体变形（相对于地面真实形态而言）是平 移、缩放、旋转、偏扭、弯曲及其他变形综合作用的结 果。
34
（3） 确定新图像的分辨率
? 目的是确定新图像 宽度和高度； ? 根据精度要求，在新图像的范围内，划分网格，
每个网格点就是一个像元。
? 新图像的行数 M＝(Y2-Y1)/△Y+1; ? 新图像的列数 N＝(X2-X1)/△X+1;
? 新图像的任意一个像元的坐标由它的行列号唯 一确定。
35
（4） 灰度的重采样
全景畸变：
10
全景畸变 的图形变化情况
11
二、几何变形的类型
2、外部因素引起的畸变
遥感平台位置和运动状态变化的影响 地形起伏的影响 地球表面曲率的影响 大气折射的影响 地球自转的影响
12
2、外部因素引起的畸变
1）遥感平台位置和运动状态变化的影响
?航高：当平台运动过程中受到力学因 素影响标，或者说卫星运行的轨道本 身就是椭圆的。航高始终发生变化， 而传感器的扫描视场角不变，从而导
32
（ 2 ） 确定新的图像的边界
? 纠正后图像和原始图像的形状、大小、方向都不一样。 所以在纠正过程的实施之前，必须首先确定新图像的 大小范围。
33
（2） 确定新的图像的边界（续 1）
?X1 = min (Xa', Xb', Xc', Xd') ?X2 = max (Xa', Xb', Xc', Xd') ?Y1 = min (Ya', Yb', Yc', YXd') ?Y2 = max (Ya', Yb',Yc', Yd')
? 当地形存在起伏时，会产 生局部像点的位移,使原本 应是地面点的信号被同一 位置上某高点的信号代替。 由于高差的原因，实际像 点P距像幅中心的距离相 对于理想像点P0 。距像幅 中心的距离移动了?r
高差引起的像点位移
16
2、外部因素引起的畸变
3）地球表面曲率的影响
? 地球是球体，严格 说是椭球体，因此 地球表面是曲面。 这一曲面的影响主 要表现在两个方面， 一是像点位置的移 动，二是像元对应 于地面宽度的不等。
? 纠正后的新图像的每一个像元，根据变换函数，可 以得到它在原始图像上的位置。如果求得的位置为 整数，则该位置处的像元灰度就是新图像的灰度值。
? 如果位置不为整数，则有几种方法： ? 1) 最近邻法 ? 2) 双线性内插法 ? 3）三次卷积法
36
2.3.4 灰度的重采样（续 1）
1) 最近邻法： 距离实际位置最近的像元的灰度值作为
?按照畸变的性质划分 几何畸变可分为系统性畸变和随机性畸变。
5
遥感图像 几何畸变
系统畸变 随机畸变
?系统性畸变 是指遥感系统造成的畸变，这种畸 变一般有一定的规律性，并且大小事先能够预测， 例如扫描镜的结构方式和扫描速度等造成的畸变。
?随机性畸变 是指大小不能事先预测、其出现 带有随机性质的畸变，例如地形起伏造成的随 地而异的几何偏差。
? 光学纠正主要用于早期的遥感图像的处理中，现在的 应用已经不多。除了对框幅式的航空照片（中心投影） 可以进行比较严密的纠正以外，对于大多数动态获得 的遥感影像只能进行近似的纠正。
? 主要介绍数字图像的几何精纠正。
21
校正思路( 技术流程):
准备
输入原
建立纠
确定输出图象
工作
始图象
正函数
的范围
逐个像元进 行几何变化
3） 透镜的焦距误差；
4） 透镜的光轴与投影面不正交；
5） 图像的投影面非平面；
6） 探测元件排列不整齐；
7） 采样速率的变化；
8） 采样时刻的偏差;
9) 扫描镜的扫描速度变化 。
9
MSS 举例:
例如扫描形式成像的 MSS，产生的 几何畸变主要是由于扫描镜的非线 性振动和其它一些偶然因素引起的。 在地面上影响可达395米。
6个点只是解算方程组的理论最低数，实际工作中为提高 校正精度需大量增加控制点数，这时就有了多余条件，可采 用最小二乘法求解。
30
3、遥感数字图像的多项式纠正 控制点的选取
1）数目确定 控制点数目的最低限是按未知系数的多少来确定的。 求二次多项式有12个系数，需要12个方程(6个控制点)。 依次类推，三次多项式至少需要10个控制点，n次多项 式，控制点的最少数目为(n+1)(n+2)／2。 实际工作中，在条件允许的情况下，控制点数的选取 都要大于最低数很多。
19
地球自转引起偏离
3、处理过程中引起的畸变
? 遥感图像再处理过程中产生的误差，主 要是由于处理设备产生的噪声引起的。
? 传输、复制 ? 光学 ? 数字
20
三 遥感图像的几何校正方法 1、基本概念
? 遥感图像的几何校正按照处理方式分为 光学纠正 和数 字纠正 。
? 遥感图像的 几何纠正 就是将 含有畸变的图像 纳入 到某 种地图投影 。对地面覆盖范围不大的单幅图像，一般 以正射投影方式使其改正到地球切平面上。
输出图像像元的灰度值；
37
最邻近法纠正效果
原始图像
纠正后图像（最邻近插值）
38
?几何精校正是利用控制点进行的几何校正，它是用一种数学模型来近似 描述遥感图像的几何畸变过程，并利用畸变的遥感图像与标准地图之间的 一些对应点（即控制点（GCP））求得这个几何畸变模型，然后利用此模 型进行几何畸变校正，这种校正不考虑畸变的具体形成原因，而只考虑如 何利用畸变模型来校正遥感图像。
7
8.2 遥感图像的几何变形
1) 间接法 2) 直接法
xi ? fx(Xi,Yi) ? c0 ? c1Xi ? c2Yi ? c3XiYi ? c4Xi2 ? c5Yi2 ? .. yi ? fy(Xi,Yi) ? d0 ? d1Xi ? d2Yi ? d3XiYi ? d4Xi2 ? d5Yi2 ? ..
Xi ? Fx(xi,yi)? c0?c1xi ?c2yi ?c3xiyi ?c4xi2 ?c5yi2 ? ..
间接纠正法 :从空白的新图像阵列出发，按行列的顺 序依次对新图像中每个像元点位用变换函数 f (X,Y) （反解变换公式） 求其在原始图像中的位置，然后 把算得的原始图像点位上的灰度值赋予空白新图像相 应的像元。
27
图中（xp ,yp）（XP,YP）分别是任意一个像元在原始图像和纠 正后图像中的坐标。 间接法(反解):
二、几何变形的类型
根据畸变产生的原因：
遥感器本身引起的畸变 几何畸变 外部因素引起的畸变
处理过程中引起的畸变
8
二、几何变形的类型
1、传感器本身引起的畸变
? 传感器本身引起的几何畸变与遥感器的结构、特性和 工作；
2） 透镜的切线方向畸变像差；
Yi ? Fy(xi, yi) ? d0 ? d1xi ? d2 yi ? d3xiyi ? d4xi2 ? d5yi2 ? ..
利用有限的控制点的已知坐标，解求多项式的系数，确定变换 函数。然后将各个像元带入多项式进行计算，得到纠正后的坐标。
29
3、遥感数字图像的多项式纠正
实际计算时常采用二元二次多项式：
14
翻滚：遥感平台姿态翻滚是指以前进方向 为轴旋转了一个角度。可导致星下点在扫 描线方向偏移，使整个图像的行向翻滚角 引起偏离的方向错动。
偏航：指遥感平台在前进过程中，相 对于原前进航向偏转了一个小角度， 从而引起扫描行方向的变化，导致图 像的倾斜畸变
15
2、外部因素引起的畸变
2）地形起伏的影响
致图像扫描行对应的地面长度发生变
化。航高越向高处偏离，图像对应的 地面越宽。
13
航速：卫星的椭圆轨道本身就导致了卫星飞行 速度的不均匀，其他因素也可导致遥感平台航 速的变化。航速快时，扫描带超前，航速慢时， 扫描带滞后，由此可导致图像在卫星前进方向 上(图像上下方向)的位置错动。
俯仰：遥感平台的俯仰变化能引起图像上下 方向的变化，即星下点俯时后移，仰时前移， 发生行间位置错动.