遥感技术与应用-04遥感图像校正

从遥感卫星地面站生产的数Βιβλιοθήκη Baidu产品影像头文件中获
取相关信息，比如地理经纬度和太阳高度角等，以 及DEM数据，来进行该误差的校正。
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几何畸变

几何畸变：遥感图像在几何位置上发生了变化，
产生诸如行列不均匀，像元大小与地面大小对
应不准确，地物形状不规则等变化；

几何畸变的成因包括遥感平台位置和运动状态

坐标变换式经常采用一阶、二阶、三阶高次多项式。坐标 变换式的系数可从控制点的图像坐标值和地图坐标值中根 据最小二乘法求出。

一阶多项式法可以纠正线性误差: 6 未知数，至少需要3 个GCP
X= aX1+ bY1+ c Y = dX1+ eY1+ f

二阶多项式法可以纠正非线性误差: 12 个未知数，至少需要6个GCP
球表面是曲面。这一曲面的影响主要表现在两个方面。

像点位置的移动，当 选择的地图投影平面 是地球的切平面时，
使地面点P0相对于投影
平面点P有一高差△h。
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几何畸变

像元对应于地面宽度的不等。由于传感器通过扫描取得数据，在扫 描过程中每一次取样间隔是星下视场角的等分间隔。如果地面无弯 曲，在地面瞬时视场宽度不 大的情况下，L1，L2，L3，…
俯时后移，仰时前移，发生行间位置错动。
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几何畸变

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。
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几何畸变

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。
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辐射校正

由传感器系统引起的辐射校正：一般来说，成
像系统造成的误差由传感器研制单位根据传感
器的相关参数、利用相关的传感器成像模型进
行校正，不需要用户自己校正.
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辐射校正

由光照条件差异引起的辐射误差：太阳高度角、
地面的倾斜所造成等。

太阳高度、地面的倾斜引起的畸变校正，用户可以
向高处偏离，图像对应的地面
越宽。
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几何畸变

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。
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几何畸变

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
进一步的处理，即几何精校正。
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几何校正

几何精校正包括光学校正和数字纠正两种方法。 数字纠正是通过计算机对图像每个像元逐个地 解析纠正处理完成的，其包括两方面：一是像 元坐标变换；二是像元灰度值重新计算（重采 样）。

坐标变换:确定原始图像和纠正后图像之间的坐标变
换关系。包括两种方案：直接法和间接法。
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几何校正

直接法：从原始图像阵列出发，依次对其中每一个像元分别计算其

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在输出（校正后）图像的坐标，坐标变换式为：
X Fx ( x , y ) Y Fy ( x , y )
式中，(x, y)为P点原始图像的行数和列数；(X, Y)为P在新图像中的坐 标（即地面坐标系），并把P(x, y)的灰度值重新计算后送到P(X, Y)位 置上去。

控制点的选取:几何校正的第一步便是位置计算，首先 是对所选取的二元多项式求系数。这时必须已知一组控 制点坐标。控制点的选择要以配准对象为依据。以地面 坐标为匹配标准的，叫做地面控制点（记作GCP）。有
时也用地图作地面控制点标准，或用遥感图像（如用航
空像片）作为控制点标准。
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几何校正
收系统收集到的电磁波信号需经光电转换系统变成电信号记录
下来，这一过程也会引起辐射量误差。

由光照条件差异引起的辐射误差：太阳高度角、地面的
倾斜所造成等
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辐射校正

辐射校正：消除图像数据中辐射畸变的过程； 大气层引起的辐射畸变校正：公式计算法、波 谱测试回归分析法、波段对照法

大气层对辐射的影响：进入大气的太阳辐射会发生
反射、折射、吸收、散射和透射。其中对传感器接
收影响较大的是吸收、折射和散射。另外，大气辐 射、邻域辐射以及 path radiance也会影响传感器 接收。
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遥感图像的辐射畸变
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遥感图像的辐射畸变

传感器引起的畸变
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几何畸变

地形起伏的影响:当地形存在起伏时，会产生局部像点的
位移，使原来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。
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几何畸变

地表曲率的影响:地球是球体，严格说是椭球体，因此地

方法：首先确定辐射亮度或反射亮度应为零的地区，则亮度最小值必定是 这一地区大气影响的程辐射度（Path Radiance）增值。校正时，从直方
图统计中，找到一幅图像中的最小亮度值；将每一波段中每个像元的亮度
值都减去本波段的最小值。使图像亮度动态范围得到改善，对比度增强， 从而提高了图像质量。
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像点发生位移。
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几何畸变

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。因为多
数卫星在轨道运行的降段接收图像，即卫星自北向南运动，
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。偏离方向如图所示，所以卫星图像经 过校正后成为 图C的形态。
或亮度间隔的像素数占总像素数的百分比。
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辐射校正

原理：一幅图像中总可以找到某种或某几种地物，其辐射亮度或反射率接 近零，例如，地形起伏地区山的阴影处，反射率极低的深海水体处等，这 时在图像中对应位置的像元亮度值应为零。实测表明，这些位置上的像元 亮度不为零。这个值就应该是大气散射导致的程辐射度值。
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θ
f
O N’
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遥感图像的辐射畸变

扫描成像系统中的辐射亮度不均匀：光线路径长短不同造成的，
扫描角越大时，光线路径越长，大气衰减越严重。星（机）下 点位置的地物辐射信息的光线路径最短，大气衰减所产生的影
响也最小。因此辐射量失真最小。

光电变换系统的特性引起的畸变：传感器的光谱响应特性和传 感器的输出有直接的关系。在扫描方式的传感器中，传感器接
的差别不大。但由于地球表面
曲率的存在，对应于地面的 P1，P2，P3 …的差别就大得多。距星下点
越远畸变越大，对应地面长
度越长。
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几何畸变

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 线而是一条曲线，从 而导致传感器接收的
遥感技术与应用
学年学期：2010-2011学年第二学期 学 班 教
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院：测绘与地理科学学院 级：城规081-2班 师：李 玉
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第四章 遥感图像校正
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内容简介

遥感图像的辐射畸变 (Radiometric Distortion)


遥感图像的辐射校正 (Correction of Radiometric Distortion)
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辐射校正

回归分析法

回归分析法：是在掌握大量观察数据的基础上，利用数理统计方法建立 因 变量与自变量之间的回归关系函数表达式（称回归方程式）。

方法：在不受大气影响的长波段（La）和待校正的某一短波段（Lb）图像中， 选择由最亮至最暗的一系列目标， 将每一目标的两个待比较的波段 灰度值提取出来进行回归分析。 是波段a中的亮度为0处波段b中所 具有的亮度。可以认为就是波段b 的程辐射度。校正的方法是将波段b 中每个像元的亮度值减去 ，来改 善图像，去掉程辐射。
X = aX22 + bY22 + cX2Y2 + dX2 + eY2 + f Y = gX22 + hY22 + iX2Y2 + jX2 + kY2 + m
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几何校正

三阶多项式法可以纠正非线性误差: 20 个未知数，至少需要10 GCP X = aX33 +bY33 +cX32 Y3 +dX3Y32 +eX32 +fY32 +gX3 Y3+hX3 +iY3 +j Y = kX33 +mY33 +nX32 Y3 +pX3Y32 +qX32 +rY32 +sX3 Y3+tX3 +uY3 +v
变化、地形起伏、地球表面曲率、大气折射、
地球自转。
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几何畸变

遥感平台位置和运动状态变化

航高：在遥感平台运动过程中，会产生相对于原标准航高的偏离。 另一方面，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，从而导致图像扫描行对应 的地面长度发生变化。航高越
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几何校正

间接法：从空白图像阵列出发，依次计算每个像元P(X，Y)在原始图

像中的位置P(x,y)。坐标变换式为：
x G x ( X ,Y ) y G y ( X ,Y )
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几何校正

坐标变换式经常采用一阶、二阶、三阶高次多项式。坐
标变换式的系数可从控制点的图像坐标值和地图坐标值 中根据最小二乘法求出。

特征变化大的地区应多选些。 图像边缘部分一定要选取控制点，以避免外推。 此外，尽可能满幅均匀选取，特征实在不明显的大面积区域（如沙 漠），可用求延长线交点的办法来弥补，但应尽可能避免这样做，以 避免造成人为的误差。
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几何校正

控制点数目的确定

其最低限是按未知系数的多少来确定的。一次多项式有6个系数， 就需要有6个方程来求解，需3个控制点的3对坐标值，即6个坐标数。 2次多项式有 12个系数，需要 12个方程（6个控制点）。依次类推， n次多项式，控制点的最少数目为(n+1)(n+2)/2。
遥感图像的几何畸变 (Geometric Distortion)
遥感图像的几何校正 (Correction of Geometric Distortion)
遥感图像配准 (Image Registration)
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遥感图像的辐射畸变

辐射畸变：图像数据中各种辐射亮度的失真；

引起辐射畸变的因素
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几何校正

几何校正：从具有几何畸变的图像中消除畸变的过
程，即定量地确定图像上像元坐标（图像坐标）与
目标物的地理坐标（地图坐标等）的对应关系（坐
标变换式）

几何校正一般包括几何粗校正和几何精校正。粗校
正及系统误差校正，一般由卫星地面站来完成。粗
校正处理后图像仍有较大的残差，需要对图像进行

实际工作表明，选取最少数目的控制点来校正图像，效果往往不好。 在图像边缘处，在地面特征变化大的地区，如河流拐弯处等，由于 没有控制点，而靠计算推出对应点，会使图像变形。因此，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。

公式计算法：公式计算法需知道具体天气条件下大 气路径辐射率等参数。如果不通过特别的观测，一
般很难得到这些数据。

波谱测试回归分析法：需要到野外进行与陆地卫星 同步的一致测试。
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辐射校正

波段对照法:直方图最小值去除法和回归分析法

直方图最小值去除法

直方图：以统计图的形式表示图像亮度值与像素数之间的关系。在 二维坐标系中，横坐标代表图像中像素的亮度纵坐标代表每一亮度
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几何校正

地面控制点（Ground Control Point - GCP）选取的原则

地面控制点就是在影像上可以精确测量地理坐标的已知点。 一般来说，控制点应选取图像上易分辨且较精细的特征点，这很容易 通过目视方法辨别，如道路交叉点、河流弯曲或分叉处、海岸线弯曲 处、湖泊边缘、飞机场、城廓边缘等。

由光学系统的特性引起的畸变：在使用透镜的光学系统中，由于镜
头光学特性的非均匀性，在其成像平面存在着边缘部分比中间部分
暗的现象（减光现象）。 光线以平行于主光轴的方向通过镜头到达像平面O点的光强度为 Eo，以与主光轴成θ 角的
N
P D S
方向通过镜头到
像平面P点的光强 度为Ep， Ep＝Eo·cos4θ 。