第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
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HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
像元排列 2
像元排列 1 = 输入 (有畸 变的)
像元排列 2 = 输出 (校正 后的)
像元排列 1 几何位置正确的输出像元的矩阵，叠加在初始有畸变的矩阵之上
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 3. 几何校正—多项式纠正
• 基本思想：图象变形规律可以看作为平移、缩放、 旋转、仿射、偏扭和弯曲等形变的合成。
• 基本过程：利用有限个地面控制点的已知坐标，解 求多项式的系数，然后将各像元的坐标代入多项式 进行计算，便可求得纠正后的坐标。
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
几何畸变的校正对遥感数字图像的定量分析及位置配准 具有重要意义。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 3. 几何校正--几何畸变产生的原因：
(1)遥感平台位置和运动状态变化的影响； (2)地形起伏的影响； (3)地球表面曲率的影响； (4)大气折射的影响； (5)地球自转的影响。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
瞬时视场角
扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小。 扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标地物的电 磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度被称为瞬时视场角。
• 重返周期（repeat cycle）
– 对同一地点进行第二次信息获取的时间间隔
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正（ radiometric correction ）
辐射校正：消除图像数据中依附在辐射 亮度中的各种失真的过程。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
辐射分辨率传感器接受波谱信号时，能分辨的最小辐射度
差，即遥感图象上每一个像元的辐射量化级。
1 bit
bits
1
2 bit
3 bit
8 bit 2
3
2 (number of bits) = number of grey levels4
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
大气辐射校正方法--波段对比分析法
根据大气粒子大小分布与散射和波长的关系的规律，
可知大气散射主要发生在VIS中的短波段，对NIR和 MIR几乎无影响。因此可以根据NIR的暗象素（Dark pixel）亮度值来估计VIS波段的程辐射值（改正值）。
具体方法有以下两种：
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正--光学镜头非均匀性引起的边缘减光
在使用透镜的光学系统中，例如在摄像面中，存在着 边缘部分比中心部分发暗的现象（边缘减光）。如果以 光轴到摄象面边缘的视场角为θ，则理想的光学系统中 某点的光量与cosnθ几乎成正比，利用这一性质可以进 行校正（cosnθ校正）。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 空间分辨率
Pixel（像元）是组成数字化影像的最小单元
TM band 4
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2. 辐射校正
辐射量误差的主要来源：
1、传感器的灵敏度特性引起的误差 光学镜头非均匀性引起的边缘减光现象
光电变换系统的灵敏度特性 2、光照条件的差异引起的误差
太阳高度、地面倾斜 3、大气条件引起的误差
大气散射和吸收
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
光线垂直入射到水平地表与光线垂直入射到倾斜 地表时，地表所受的光照强度不同。
I0
I0cos
f x, y gx, y
cos
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正—大气校正
由遥感器引起的误差或由太阳高度引起 的误差，一般在数据生产过程中由生产单位 根据遥感器参数进行校正，而不需要用户进 行自行处理。用户应该考虑大气影响引起的 辐射畸变。
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
第1 步：地面控制点（GCP）的选取 1）控制点的类型： 控制点的选择以配准对象为依据。 a以地面坐标为匹配标准的，叫地面控制。 b以地图作为地面控制点标准。 c以遥感影象作为控制点标准。
方法是在图像上找出最黑的小区域，比如完全接收 不到太阳光的高山的阴坡。这些区域的反射率应该 为零。在波段7和波段4图像上选定一些包括暗 像元的点，做成散点图(Scatter graph)。 由图可看出截距Bi即为波段4 的灰度改正值（即将波段 4的所有象素的灰度值减 去Bi）。具体计算可由线 性回归方法得到。对其他 线性相关波段亦如此进行。
ED
S
Lp
S
RT
S E0T
cos
ED LpS
忽略漫入射光 ED，则上述辐射传输方程可表示为地物发
射率R的线性函数：
L
STT E0
cos
R
LpS
测量出R以外的所有参数，即可计算出反射率R。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
i.回归分析法
实验表明某些波段的灰度值之间存在线性关系，如
MSS7与MSS4，5，6的灰度值关系即是。线性关系可
表示为：
gi Ai g7 Bi (i 4,5,6)
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
如：热噪声，电子元件发热引起，随机噪声，电源波动。
改正方法：
定期测量遥感器的特性，根据测量值进行校正。
V
Dm a x Rmax Rmin
(R Rmin )
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正--太阳高度引起的辐射误差校正
Ep Eo cos4
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
2. 辐射校正--光电变换系统的特性引起的误差
产生原因：
扫描方式的遥感器，在将收集到的电磁波信号转换成电 信号并记录下来的转换过程中引起辐射量误差。
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
主讲人：张立福 2011.04
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
主要内容
➢1．遥感图像特征 ➢2. 辐射校正 ➢3. 几何校正 ➢4. 遥感图像镶嵌 ➢5. 遥感图像增强
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
大气辐射校正方法--大气参数测量法（与遥感器同步测量）
根据辐射传输模型，进入遥感器的太阳辐射为太阳直射
光、大气漫入射光和程辐射三项之和：
L
RT
E0
T
S
cos
RT
图3-4图-1 回归法示意
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
ii.直方图法 仍以4波段为例。作出波段7和波段4的直方图如图3-42(b)、(a)，显然波段7中有全黑的象素，而波段4中没 有，说明波段4应向左平移，因此也就是波段4的灰度 改正值。有时波段7也有一定的偏移，如图3-4-2(c)中 表示为，此时波段4的改正值为：
gi gi 4 i (i 4,5,6)
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 3. 几何校正(Geometric correction)
图像上各像元的位置坐标与地图坐标系中的目标地物坐 标的差异，消除这种差异的过程称为几何校正。
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 空间分辨率
Pixel（像元）是组成数字化影像的最小单元
Zoom in
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 空间分辨率
Pixel（像元）是组成数字化影像的最小单元
Pixels
– 通过同一区域的重返周期
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
• Spatial resolution
• Spectral resolution
• Radiometric resolution
1/ • Temporal resolution (revisit time)
大气辐射校正方法--野外波谱测量法（与传感器同步测量） 选择同类仪器测量地面目标的辐射亮度，将其与对应的 遥感辐射亮度进行回归分析。设回归方程为：
L， a bR
式中L为卫星测量值，bR为地面测量值。
则 a L bR .即为遥感测量值的辐射改正值。
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太阳高度角的校正
将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光线 垂直照射时获取的图像。通过调整一幅图像内的平均灰 度来实现太阳高度角的校正。
f x, y gx, y
s in
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正--地形坡度引起的辐射误差校正
5
6
7
8
9
10
GL’s
2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024
range (b-w)
0-1 0-3 0-7 0-15 0-31 0-63 0-127 0-255 0-511 0-1203
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
不同辐射分辨率影像比较：
2 bits
8 bits
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 时间分辨率
• 周期（period）
– 完成一次轨道飞行需要的时间 – 800 km高度的遥感平台大约需 90 分钟
利用遥感器观测目标物辐射或反射的电磁能量时，从遥感 器得到的测量值与目标物的光谱反射率或光谱辐射亮度等 物理量是不一致的，为了正确评价目标物的反射特性及辐 射特性，必须消除这些失真。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
1. 遥感图像特征
• 光谱分辨率Spectral resolution
– 传感器所能分辨的最小波长间隔，即波段宽度
• 辐射分辨率Radiometric resolution
– 能分辨的最小辐射度差
• 空间分辨率Spatial resolution
– 像元的尺寸
• 时间分辨率Temporal resolution
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 3. 几何校正—校正原理
1）几何校正的实质： 确定校正后图象的行列数值，并找到新图象中每一 象元的亮度值。
2）数字纠正的步骤： A、输入图象与输出图象间的坐标变换。 B、纠正后数字图象灰度值的重采样。
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
像元排列 2
像元排列 1 = 输入 (有畸 变的)
像元排列 2 = 输出 (校正 后的)
像元排列 1 几何位置正确的输出像元的矩阵，叠加在初始有畸变的矩阵之上
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 3. 几何校正—多项式纠正
• 基本思想：图象变形规律可以看作为平移、缩放、 旋转、仿射、偏扭和弯曲等形变的合成。
• 基本过程：利用有限个地面控制点的已知坐标，解 求多项式的系数，然后将各像元的坐标代入多项式 进行计算，便可求得纠正后的坐标。
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几何畸变的校正对遥感数字图像的定量分析及位置配准 具有重要意义。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 3. 几何校正--几何畸变产生的原因：
(1)遥感平台位置和运动状态变化的影响； (2)地形起伏的影响； (3)地球表面曲率的影响； (4)大气折射的影响； (5)地球自转的影响。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
瞬时视场角
扫描仪瞬时视场所对应的地面实际大小。 扫描镜在一瞬时时间可以视为静止状态，此时，接受到的目标地物的电 磁波辐射，限制在一个很小的角度之内，这个角度被称为瞬时视场角。
• 重返周期（repeat cycle）
– 对同一地点进行第二次信息获取的时间间隔
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正（ radiometric correction ）
辐射校正：消除图像数据中依附在辐射 亮度中的各种失真的过程。
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
辐射分辨率传感器接受波谱信号时，能分辨的最小辐射度
差，即遥感图象上每一个像元的辐射量化级。
1 bit
bits
1
2 bit
3 bit
8 bit 2
3
2 (number of bits) = number of grey levels4
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
大气辐射校正方法--波段对比分析法
根据大气粒子大小分布与散射和波长的关系的规律，
可知大气散射主要发生在VIS中的短波段，对NIR和 MIR几乎无影响。因此可以根据NIR的暗象素（Dark pixel）亮度值来估计VIS波段的程辐射值（改正值）。
具体方法有以下两种：
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正--光学镜头非均匀性引起的边缘减光
在使用透镜的光学系统中，例如在摄像面中，存在着 边缘部分比中心部分发暗的现象（边缘减光）。如果以 光轴到摄象面边缘的视场角为θ，则理想的光学系统中 某点的光量与cosnθ几乎成正比，利用这一性质可以进 行校正（cosnθ校正）。
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 空间分辨率
Pixel（像元）是组成数字化影像的最小单元
TM band 4
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2. 辐射校正
辐射量误差的主要来源：
1、传感器的灵敏度特性引起的误差 光学镜头非均匀性引起的边缘减光现象
光电变换系统的灵敏度特性 2、光照条件的差异引起的误差
太阳高度、地面倾斜 3、大气条件引起的误差
大气散射和吸收
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光线垂直入射到水平地表与光线垂直入射到倾斜 地表时，地表所受的光照强度不同。
I0
I0cos
f x, y gx, y
cos
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正—大气校正
由遥感器引起的误差或由太阳高度引起 的误差，一般在数据生产过程中由生产单位 根据遥感器参数进行校正，而不需要用户进 行自行处理。用户应该考虑大气影响引起的 辐射畸变。
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
第1 步：地面控制点（GCP）的选取 1）控制点的类型： 控制点的选择以配准对象为依据。 a以地面坐标为匹配标准的，叫地面控制。 b以地图作为地面控制点标准。 c以遥感影象作为控制点标准。
方法是在图像上找出最黑的小区域，比如完全接收 不到太阳光的高山的阴坡。这些区域的反射率应该 为零。在波段7和波段4图像上选定一些包括暗 像元的点，做成散点图(Scatter graph)。 由图可看出截距Bi即为波段4 的灰度改正值（即将波段 4的所有象素的灰度值减 去Bi）。具体计算可由线 性回归方法得到。对其他 线性相关波段亦如此进行。
ED
S
Lp
S
RT
S E0T
cos
ED LpS
忽略漫入射光 ED，则上述辐射传输方程可表示为地物发
射率R的线性函数：
L
STT E0
cos
R
LpS
测量出R以外的所有参数，即可计算出反射率R。
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
i.回归分析法
实验表明某些波段的灰度值之间存在线性关系，如
MSS7与MSS4，5，6的灰度值关系即是。线性关系可
表示为：
gi Ai g7 Bi (i 4,5,6)
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
如：热噪声，电子元件发热引起，随机噪声，电源波动。
改正方法：
定期测量遥感器的特性，根据测量值进行校正。
V
Dm a x Rmax Rmin
(R Rmin )
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正--太阳高度引起的辐射误差校正
Ep Eo cos4
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
2. 辐射校正--光电变换系统的特性引起的误差
产生原因：
扫描方式的遥感器，在将收集到的电磁波信号转换成电 信号并记录下来的转换过程中引起辐射量误差。
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
主讲人：张立福 2011.04
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
主要内容
➢1．遥感图像特征 ➢2. 辐射校正 ➢3. 几何校正 ➢4. 遥感图像镶嵌 ➢5. 遥感图像增强
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
大气辐射校正方法--大气参数测量法（与遥感器同步测量）
根据辐射传输模型，进入遥感器的太阳辐射为太阳直射
光、大气漫入射光和程辐射三项之和：
L
RT
E0
T
S
cos
RT
图3-4图-1 回归法示意
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
ii.直方图法 仍以4波段为例。作出波段7和波段4的直方图如图3-42(b)、(a)，显然波段7中有全黑的象素，而波段4中没 有，说明波段4应向左平移，因此也就是波段4的灰度 改正值。有时波段7也有一定的偏移，如图3-4-2(c)中 表示为，此时波段4的改正值为：
gi gi 4 i (i 4,5,6)
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 3. 几何校正(Geometric correction)
图像上各像元的位置坐标与地图坐标系中的目标地物坐 标的差异，消除这种差异的过程称为几何校正。
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 空间分辨率
Pixel（像元）是组成数字化影像的最小单元
Zoom in
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 空间分辨率
Pixel（像元）是组成数字化影像的最小单元
Pixels
– 通过同一区域的重返周期
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
• Spatial resolution
• Spectral resolution
• Radiometric resolution
1/ • Temporal resolution (revisit time)
大气辐射校正方法--野外波谱测量法（与传感器同步测量） 选择同类仪器测量地面目标的辐射亮度，将其与对应的 遥感辐射亮度进行回归分析。设回归方程为：
L， a bR
式中L为卫星测量值，bR为地面测量值。
则 a L bR .即为遥感测量值的辐射改正值。
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
太阳高度角的校正
将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光线 垂直照射时获取的图像。通过调整一幅图像内的平均灰 度来实现太阳高度角的校正。
f x, y gx, y
s in
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 2. 辐射校正--地形坡度引起的辐射误差校正
5
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GL’s
2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024
range (b-w)
0-1 0-3 0-7 0-15 0-31 0-63 0-127 0-255 0-511 0-1203
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第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
不同辐射分辨率影像比较：
2 bits
8 bits
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 时间分辨率
• 周期（period）
– 完成一次轨道飞行需要的时间 – 800 km高度的遥感平台大约需 90 分钟
利用遥感器观测目标物辐射或反射的电磁能量时，从遥感 器得到的测量值与目标物的光谱反射率或光谱辐射亮度等 物理量是不一致的，为了正确评价目标物的反射特性及辐 射特性，必须消除这些失真。
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理
1. 遥感图像特征
• 光谱分辨率Spectral resolution
– 传感器所能分辨的最小波长间隔，即波段宽度
• 辐射分辨率Radiometric resolution
– 能分辨的最小辐射度差
• 空间分辨率Spatial resolution
– 像元的尺寸
• 时间分辨率Temporal resolution
HRS/Institute of Remote Sensing Applications, CAS
第二讲 高空间分辨率遥感图像预处理 3. 几何校正—校正原理
1）几何校正的实质： 确定校正后图象的行列数值，并找到新图象中每一 象元的亮度值。
2）数字纠正的步骤： A、输入图象与输出图象间的坐标变换。 B、纠正后数字图象灰度值的重采样。