遥感图像处理_几何校正

1、1 第三章第三章 遥感图像辐遥感图像辐 射校正与几何校正射校正与几何校正 2 3.1 3.1 辐射校正辐射校正 辐射误差辐射误差(rediometric error)(rediometric error)：利用传感器观测目标的利用传感器观测目标的 反射与辐射能量时，传感器所得到的测量值与目标的反射与辐射能量时，传感器所得到的测量值与目标的 光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量是不一致的。其光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量是不一致的。其 中包含了太阳位置条件、薄雾等大气条件、或因传感中包含了太阳位置条件、薄雾等大气条件、或因传感 器的性能不完备等条件所引起的失真。器的性能不完备等条件所引起的失真。

2、辐射校正辐射校正(rediometric calibration)(rediometric calibration)：为了正确评价目为了正确评价目 标的反射和辐射特性，消除图像中依附在辐射亮度中标的反射和辐射特性，消除图像中依附在辐射亮度中 的各种失真过程。的各种失真过程。 3 辐射误差产生的原因辐射误差产生的原因 v因传感器的响应特性引起的辐射误差因传感器的响应特性引起的辐射误差 v光学摄影机引起的辐射误差光学摄影机引起的辐射误差 v光电扫描仪引起的辐射误差光电扫描仪引起的辐射误差 v条带噪声、斑点噪声条带噪声、斑点噪声 v因大气影响的辐射误差因大气影响的辐射误差 v因太阳辐射引起的辐射误差

3、因太阳辐射引起的辐射误差 v太阳位置引起的辐射误差太阳位置引起的辐射误差 v地形起伏引起的辐射误差地形起伏引起的辐射误差 4 辐射校正辐射校正 v由遥感器的灵敏度特性引起的畸变校正由遥感器的灵敏度特性引起的畸变校正 由光学系统的特性引起的畸变校正：在使用透镜的光学系统由光学系统的特性引起的畸变校正：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象（边缘减光）。如果以光轴到摄象面边缘的视场角为， 则理想的光学系统中某点的光量与则理想的光学系统中某点的光量与coscos

4、n n几乎成正比，利用几乎成正比，利用 这一性质可以进行校正（这一性质可以进行校正（coscosn n校正）。校正）。 由光电变换系统的特性引起的畸变校正：由于光电变换系统由光电变换系统的特性引起的畸变校正：由于光电变换系统 的灵敏度特性通常有很高的重复性，所以可以定期地在地面的灵敏度特性通常有很高的重复性，所以可以定期地在地面 测定其特性，根据测定值进行校正。测定其特性，根据测定值进行校正。 条带噪声和斑点噪声条带噪声和斑点噪声 5 例：例：LandsatLandsat卫星光电转换系统特性引起的辐射误差校正卫星光电转换系统特性引起的辐射误差校正 min max minmax R D RR V

5、R maxmin RR和 max D 其中：其中：分别是探测器的最小、最大辐射亮度；分别是探测器的最小、最大辐射亮度； 对应对应MSS和和TM分别是分别是127和和255； R 绝对辐射亮度；绝对辐射亮度； )sr(mW/cm 2 V 数据值。数据值。 6 波段波段 1234567 Rmin/Rmax -0.0099 /1.004 -0.0227 /2.404 -0.0083 /1.410 -0.0194 /2.660 -0.00799 /0.5873 -0.00375 /0.3595 0.1534 /1.896 波段宽度波段宽度 0.0660.0810.0690.1290.2160.2501

6、.239 TM的最小、最大辐射亮度的最小、最大辐射亮度 MSS的最小、最大辐射亮度的最小、最大辐射亮度 波段波段 Landsat2Landsat3Landsat4Landsat5 4 0.08/2.630.04/2.500.04/2.380.04/2.38 5 0.06/1.760.03/2.000.04/1.640.04/1.64 6 0.06/1.520.03/1.650.05/1.420.05/1.42 7 0.11/3.910.03/4.500.12/3.490.12/3.49 7 例：条带噪声去除例：条带噪声去除 成像时，由于检测系统某一扫描线上故障造成扫描线成像时，由于检测系统某一

7、扫描线上故障造成扫描线 脱落。这时往往没有任何信息，在图像只显示一条黑线，有脱落。这时往往没有任何信息，在图像只显示一条黑线，有 时也会出现分段黑线，这些均称条带噪声。时也会出现分段黑线，这些均称条带噪声。 对于遥感图像可以直接在图像上目视观察条带是否存在，对于遥感图像可以直接在图像上目视观察条带是否存在， 但一般来说，则要设法让计算机自动查找条带了。采用公式但一般来说，则要设法让计算机自动查找条带了。采用公式 )( iij i ij mg D d MG 式中：式中：gij：某一像元被计算前的输入灰度值；某一像元被计算前的输入灰度值；M：整个图：整个图 像所有像元灰值的平均值；像所有像元灰值的

8、平均值；D：整个图像所有像元数灰度：整个图像所有像元数灰度 值的标准偏差；值的标准偏差；mi：每条扫描线上像元灰度平均值；：每条扫描线上像元灰度平均值；di： 每条扫描线上像元灰度的标准偏差每条扫描线上像元灰度的标准偏差 8 按照上面查找条带公式。如果第按照上面查找条带公式。如果第i i行是一个条带，由行是一个条带，由 于条带上所有像元都是零级灰值，故于条带上所有像元都是零级灰值，故m mi i和和d di i计算出来也计算出来也 为零值，最后计算的为零值，最后计算的G Gij ij的灰度值应该等于整个像幅灰度 的灰度值应该等于整个像幅灰度 值的平均值值的平均值M M，即计算出来第，即计算出来

9、第 i i 行的所有像元的灰值都行的所有像元的灰值都 相等（也即等于某一常数时），说明第相等（也即等于某一常数时），说明第 i i 行是一个条带，行是一个条带， 需进行去条带处理。需进行去条带处理。 (a) 原始图像 (b) 纵向条带去除后结果图 9 辐射校正辐射校正 v太阳高度及地形等引起的畸变校正太阳高度及地形等引起的畸变校正 视场角和太阳角的关系引起的亮度变化的校正：太阳光在地视场角和太阳角的关系引起的亮度变化的校正：太阳光在地 表反射、扩散时，其边缘更亮的现象叫太阳光点（表反射、扩散时，其边缘更亮的现象叫太阳光点（sun sun spotspot），太阳高度高时容易产生。太阳光点与边缘

10、减光等都），太阳高度高时容易产生。太阳光点与边缘减光等都 可以用推算阴影曲面的方法进行校正。阴影曲面是指在图像可以用推算阴影曲面的方法进行校正。阴影曲面是指在图像 的明暗范围内，由太阳光点及边缘减光引起的畸变部分。的明暗范围内，由太阳光点及边缘减光引起的畸变部分。 地形倾斜的影响校正：当地形倾斜时，经过地表扩散、反射地形倾斜的影响校正：当地形倾斜时，经过地表扩散、反射 再入射到遥感器的太阳光的辐射亮度就会依倾斜度而变化。再入射到遥感器的太阳光的辐射亮度就会依倾斜度而变化。 可以采取用地表的法线矢量和太阳光入射矢量的夹角进行校可以采取用地表的法线矢量和太阳光入射矢量的夹角进行校 正的方法，以及对

11、消除了光路辐射成分的图像数据采用波段正的方法，以及对消除了光路辐射成分的图像数据采用波段 间的比值进行校正的方法等。间的比值进行校正的方法等。 10 例：太阳高度角辐射误差校正例：太阳高度角辐射误差校正 太阳高度角引起的畸变校正是将太阳光线倾斜时获取的太阳高度角引起的畸变校正是将太阳光线倾斜时获取的 图像校正为太阳光线垂直照射时获取的图像。太阳的高度角图像校正为太阳光线垂直照射时获取的图像。太阳的高度角 可根据成像时刻的时间、季节和地理位置来确定：可根据成像时刻的时间、季节和地理位置来确定： tcoscoscossinsinsin t 式中，式中，为图像对应地区的地理纬度，为图像对应地区的地理

12、纬度， 为太阳赤纬（成像为太阳赤纬（成像时太阳直射点的地理纬度），时太阳直射点的地理纬度）， 为时角（地区经度与成像时太阳直射点地区经度的为时角（地区经度与成像时太阳直射点地区经度的 经差）。经差）。 11 ),(yxg),(yxf 太阳高度角的校正是通过调整一幅图像内的平均太阳高度角的校正是通过调整一幅图像内的平均 灰度来实现的，在太阳高度求出后，太阳以高度角灰度来实现的，在太阳高度求出后，太阳以高度角 斜射时得到的图像斜射时得到的图像与直射时得到的图像与直射时得到的图像 有如下关系：有如下关系： sin ),( ),( yxg yxf 如果不考虑天空光的影响，各波段图像可采用如果不考虑天空

13、光的影响，各波段图像可采用 相同的相同的角进行校正。角进行校正。 太阳方位角的变化也会改变光照条件，它也随成像太阳方位角的变化也会改变光照条件，它也随成像 季节、地理纬度的变化而变化。太阳方位角引起的图季节、地理纬度的变化而变化。太阳方位角引起的图 像辐射值误差通常只对图像细部特征产生影响，它可像辐射值误差通常只对图像细部特征产生影响，它可 以采用与太阳高度角校正相类似的方法进行处理。以采用与太阳高度角校正相类似的方法进行处理。 12 (a) 原始影像 (b) 太阳高度角辐射校正后影像 利用卫星影像头文件中提供的太阳高度角参数进利用卫星影像头文件中提供的太阳高度角参数进 行辐射校正。输出文件为

14、行辐射校正。输出文件为32位浮点影像数据。位浮点影像数据。 13 例：地形坡度引起的辐射误差校正例：地形坡度引起的辐射误差校正 o Ia I 太阳光线和地表作用以后再反射到传感器的太阳光的辐太阳光线和地表作用以后再反射到传感器的太阳光的辐 射亮度和地面倾斜度有关。如果光线垂直入射时水平地表射亮度和地面倾斜度有关。如果光线垂直入射时水平地表 受到的光照强度为受到的光照强度为 ，则光线垂直入射时倾斜角为，则光线垂直入射时倾斜角为 的坡面上入射点处的光强度的坡面上入射点处的光强度为：为： aII o cos a ),(yxg ),(yxf a yxg yxf cos ),( ),( 因此若处在坡度为

15、因此若处在坡度为的倾斜面上的地物影像为的倾斜面上的地物影像为 则校正后的图像则校正后的图像为为 14 由上式看出，地形地坡度引起的辐射校正方法需要有由上式看出，地形地坡度引起的辐射校正方法需要有 图像对应地区的图像对应地区的DEM数据。另外，此项校正也可采用比数据。另外，此项校正也可采用比 值图像来消除地形坡度所产生的辐射量误差。值图像来消除地形坡度所产生的辐射量误差。 利用同地区同分辨率利用同地区同分辨率DEM数据，建立影像区地形坡数据，建立影像区地形坡 度模型；而后利用像点地形坡度角进行影像辐射校正。度模型；而后利用像点地形坡度角进行影像辐射校正。 (a) 原始影像 （b）同分辨DEM数据

16、 (c)地形坡度角影像辐 射校正结果影像 15 辐射校正辐射校正 由遥感器引起的误差或由太阳高度引起的误差，一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。响引起的辐射畸变。 16 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射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和散射。和透射。其中对传感器接收

17、影响较大的是吸收和散射。 17 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 v无大气：无大气： 在没有大气存在时，传感器在没有大气存在时，传感器 接收的辐照度，只与太阳辐射到接收的辐照度，只与太阳辐射到 地面的辐照度和地物反射率有关。地面的辐照度和地物反射率有关。 设设E0为波长为波长的入射辐照度，的入射辐照度， 为入射方向的天顶角，当无大为入射方向的天顶角，当无大 气存在时，地面上单位面积的辐气存在时，地面上单位面积的辐 照度为：照度为： cos 0 EE 18 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 v假定地表面是朗伯体，假定地表面是朗伯体， 其表面为漫反射，则某方向物体的亮度为：其表面为漫反射，

18、则某方向物体的亮度为： 是地物反射率；是地物反射率； 是球面度（半球反射是球面度（半球反射） cos 00 E R E R L R 19 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 v传感器接收信号时传感器接收信号时 受仪器的影响还有一个系统增益因子受仪器的影响还有一个系统增益因子 ，这时进入传，这时进入传 感器的亮度值为：感器的亮度值为： S cos 0 0 SE R L 20 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 v由于大气的存在，辐射经过大气吸收和散射，透过率小于由于大气的存在，辐射经过大气吸收和散射，透过率小于1 1，从而减弱，从而减弱 了原信号的强度。同时大气的散射光也有一部分直接或经过地

19、物反射进了原信号的强度。同时大气的散射光也有一部分直接或经过地物反射进 入到传感器，这两部分辐射又增强了信号，但却不是有用的。在入射方入到传感器，这两部分辐射又增强了信号，但却不是有用的。在入射方 向有与入射天顶角向有与入射天顶角和波长和波长有关的透过率有关的透过率T T ；反射后，在反射方向 ；反射后，在反射方向 上有与反射大顶角上有与反射大顶角和波长和波长又有关的透过率又有关的透过率T T 。因此进入传感器的 。因此进入传感器的 亮度值为亮度值为 cos 01 STE TR L 21 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 v 大气对辐射散射后，大气对辐射散射后， 来自各个方向的散射又重新以

20、漫入射的形式照射地来自各个方向的散射又重新以漫入射的形式照射地 物，其辐照度为物，其辐照度为E ED D，经过地物的反射及反射路径上大气，经过地物的反射及反射路径上大气 的吸收进入传感器，其亮度值为（此值通常很小，有人的吸收进入传感器，其亮度值为（此值通常很小，有人 主张忽略不计）主张忽略不计） D ES TR L 2 22 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 v相当部分的散射光相当部分的散射光 向上通过大气直接进入传感器，这部分辐射称为程辐向上通过大气直接进入传感器，这部分辐射称为程辐 射度，亮度为射度，亮度为 。 p L 23 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 可见，由于大气影响的存

21、在，实际到达传感器的辐可见，由于大气影响的存在，实际到达传感器的辐 射亮度是前面所分析的三项之和，即射亮度是前面所分析的三项之和，即 p LLLL 21 pD SLETES RT L )cos( 0 24 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 比较以下两个公式：比较以下两个公式： 大气的主要影响是减少了图像的对比度，使大气的主要影响是减少了图像的对比度，使 原始信号和背景信号都增加了因子。原始信号和背景信号都增加了因子。 pD SLETES RT L )cos( 0 cos 0 0 SE R L 25 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 无大气时（无大气时（a)a)白处亮度值为白处亮度值为5

22、050，黑处亮度值为，黑处亮度值为0 0，则亮，则亮 度对比度对比C C1 1 = =（50500 0）50501 1。当有大气影响时。当有大气影响时(b)(b)，乘，乘 上透过率后假定减少上透过率后假定减少1010，亮度值减少到，亮度值减少到4545，而由于，而由于L L2 2和和 L Lp p 存在，黑白处亮度均增加存在，黑白处亮度均增加 1010，这样亮度对比变成，这样亮度对比变成 C C2 2 = =（55-10)/5555-10)/559/119/11。 可见，对比度可见，对比度 减小，图像质减小，图像质 量下降了量下降了 26 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 严格地说，去除大

23、气影响是将公式严格地说，去除大气影响是将公式 中的附加项和附加因子求出，最终求出地物反射率中的附加项和附加因子求出，最终求出地物反射率R R， 从而恢复遥感影像中地面目标的真实面目。当大气从而恢复遥感影像中地面目标的真实面目。当大气 透过率变化不大时，有时只要去掉含透过率变化不大时，有时只要去掉含E ED D和和L Lp p的数据项的数据项 就可修正图像的亮度，使图像中像元之间的亮度变就可修正图像的亮度，使图像中像元之间的亮度变 化真正反映不同像元地物反射率之间的变化关系。化真正反映不同像元地物反射率之间的变化关系。 这种对大气影响的纠正是通过纠正辐射亮度的办法这种对大气影响的纠正是通过纠正辐

24、射亮度的办法 实现的，因此也称作辐射校正。实现的，因此也称作辐射校正。 pD SLETES RT L )cos( 0 27 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 精确的校正公式需要找出每个波段像元亮度值与精确的校正公式需要找出每个波段像元亮度值与 地物反射率的关系。为此需得到卫星飞行时的大气参地物反射率的关系。为此需得到卫星飞行时的大气参 数，以求出透过率数，以求出透过率T T 、 、T T 等因子。如果不通过特别的 等因子。如果不通过特别的 观测，一般很难得到这些数据，所以，常常采用一些观测，一般很难得到这些数据，所以，常常采用一些 简化的处理方法，只去掉主要的大气影响，使图像质简化的处理方

25、法，只去掉主要的大气影响，使图像质 量满足基本要求。量满足基本要求。 28 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 粗略校正指通过比较简便的方法去掉式粗略校正指通过比较简便的方法去掉式 中的中的L Lp p，即程辐射度，从而改善图像质量。式中还有，即程辐射度，从而改善图像质量。式中还有 漫入射因子漫入射因子E ED D及其他如透过率等影响，这些因子都作及其他如透过率等影响，这些因子都作 为地物反射率的因子出现，直接相减不易去除，常用为地物反射率的因子出现，直接相减不易去除，常用 比值法或其他校正方法去除。严格地说，程辐射度的比值法或其他校正方法去除。严格地说，程辐射度的 大小与像元位置有关，随大

26、气条件、太阳照射方向和大小与像元位置有关，随大气条件、太阳照射方向和 时间变化而变化，但因其变化量微小而忽略。可以认时间变化而变化，但因其变化量微小而忽略。可以认 为，程辐射度在同一幅图像的有限面积内是一个常数，为，程辐射度在同一幅图像的有限面积内是一个常数， 其值的大小只与波段有关。其值的大小只与波段有关。 pD SLETES RT L )cos( 0 29 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 v直方图最小值去除法直方图最小值去除法 30 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 v直方图最小值去除法直方图最小值去除法 基本思想在于一幅图像中总可以找到某种或某基本思想在于一幅图像中总可以找到某

27、种或某 几种地物，其辐射亮度或反射率接近几种地物，其辐射亮度或反射率接近0 0，例如，地，例如，地 形起伏地区山的阴影处，反射率极低的深海水体处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等，这时在图像中对应位置的像元亮度值应为0 0。 实测表明，这些位置上的像元亮度不为零。这个值实测表明，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。就应该是大气散射导致的程辐射度值。 31 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 v直方图最小值去除法直方图最小值去除法 一般来说由于程一般来说由于程 辐射度主要来自米氏辐射度主要来自米氏 散射，其

28、散射强度随散射，其散射强度随 波长的增大而减小，波长的增大而减小， 到红外波段也有可能到红外波段也有可能 接近于零。接近于零。 32 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 v直方图最小值去除法直方图最小值去除法 具体校正方法十分简单，首先确定条件满足，即具体校正方法十分简单，首先确定条件满足，即 该图像上确有辐射亮度或反射亮度应为零的地区，则该图像上确有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增值。亮度最小值必定是这一地区大气影响的程辐射度增值。 校正时，将每一波段中每个像元的亮度值都减去本波校正时，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

29、像亮度动态范围得到改善，对比度段的最小值。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。增强，从而提高了图像质量。 33 例：例：直方图最小值去除法直方图最小值去除法 MSS-7 MSS-4 G 大气影响校正后的灰度直方图 MSS-7 MSS-4 G 大气影响的灰度直方图 原始影像 直方图法大气校正结果影像 34 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 v回归分析法回归分析法 假定某红外波段，存在程辐射为主的大气影响，假定某红外波段，存在程辐射为主的大气影响， 且亮度增值最小，接近于零，设为波段且亮度增值最小，接近于零，设为波段a a。现需要找到。现需要找到 其他波段相应的最小值

30、，这个值一定比其他波段相应的最小值，这个值一定比a a波段的最小值波段的最小值 大一些，设为波段大一些，设为波段b b，分别以，分别以a a，b b波段的像元亮度值为波段的像元亮度值为 坐标，作二维光谱空间，两个波段中对应像元在坐标坐标，作二维光谱空间，两个波段中对应像元在坐标 系内用一个点表示。由于波段之间的相关性，通过回系内用一个点表示。由于波段之间的相关性，通过回 归分析在众多点中一定能找到一条直线与波段归分析在众多点中一定能找到一条直线与波段b b的亮度的亮度 L Lb b轴相交，且轴相交，且 ab LL 35 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 v回归分析法回归分析法 ab LL

31、36 大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 v回归分析法回归分析法 是斜率：是斜率： 和和 分别为分别为a a、b b波段亮度的平均值。波段亮度的平均值。 是波是波 段段a a中的亮度为中的亮度为0 0处波段处波段b b中所具有的亮度。可以认中所具有的亮度。可以认 为为 就是波段就是波段b b的程辐射度。校正的方法是将波段的程辐射度。校正的方法是将波段b b 中每个像元的亮度值减去中每个像元的亮度值减去 ，来改善图像，去掉，来改善图像，去掉 程辐射。程辐射。 同理依次完成其他波段的校正。同理依次完成其他波段的校正。 2 _ _ )( )( aa bbaa LL LLLL _ a L _ b L

32、 ab LL 37 例题：例题： 111 222 333 333 555 777 红外波段红外波段可见光波段可见光波段 2 )( )( 2 _ _ aa bbaa LL LLLL 1 ab LL 2 _ a L5 _ b L 辐射校正后辐射校正后： 222 444 666 可见光波段可见光波段 38 例：基于回归分析法的大气校正例：基于回归分析法的大气校正 (a) 原始影像 (b) 基于参考波段的大气校正结果影像 39 3.2 3.2 几何校正几何校正 在利用遥感图像取信息的过程中，要求把所提取的在利用遥感图像取信息的过程中，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，以便进行信

33、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 与在参照系统中表达要求不一致时，就产生了图像几何变与在参照系统中表达要求不一致时，就产生了图像几何变 形问题。形问题。 40 几何校正的必要性：几何校正的必要性： 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。其重要性主要体现在以下三个方面：图像进行几何纠

34、正。其重要性主要体现在以下三个方面： 第一，对遥感原始图行几何变形改正后，才能对图像信息进行各种第一，对遥感原始图行几何变形改正后，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。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、地物特征的变化临测种同一地域复合图像数据来进行计算机自动分类、地物特征的变化临测 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或其他应用处

35、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。几何一致性。 第三，利用遥感图像进行地形图测图或更新对遥感图像的几何纠正第三，利用遥感图像进行地形图测图或更新对遥感图像的几何纠正 提出了更严格的要求。提出了更严格的要求。 41 遥感图像的几何变形误差的影响因素遥感图像的几何变形误差的影响因素 v遥感图像的几何变形误差可分为静态误差和动态误差两大类。遥感图像的几何变形误差可分为静态误差和动态误差两大类。 静态误差是指在成像过程中，传感器相对于地球表面呈静止状静态误差是指在成像过程中，传感器相对于地球表面呈静止状 态时所具有的各种变形误差；动态误差则主要是由于在成像过态时所具有的各

36、种变形误差；动态误差则主要是由于在成像过 程中地球的旋转所造成的图像变形误差。程中地球的旋转所造成的图像变形误差。 v静态误差又可分为内部误差和外部误差两类变形误差。内部误静态误差又可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，课堂内容不涉成的，它随传感器的结构不同而异，误差较小，课堂内容不涉 及。外部变形误差指的是传感器本身处在正常工作的条件下，及。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

37、器的外方位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、传感介质的有均匀、地球曲率、地形起（位置、姿态）变化、传感介质的有均匀、地球曲率、地形起 伏、地球旋转等因素所引起的变形误差等。伏、地球旋转等因素所引起的变形误差等。 42 (1).(1).传感器成像几何形态带来的变形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 投影以及平行投影等，在这几种不同的类型中，其中，平坦地区投影以及平行投影等，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

38、几何形态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，而变形的，因为中心投影图像本身与地面景物保持相似的关系，而 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。像相比较而获得。 43 (2) (2) 传感器外方位元素变化的

39、影响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和姿态角，传感器的外方位元素通常指的是传感器成像时的位置和姿态角， 对于侧视雷达而言，还包括其运行速度。当外方位元素偏离标准对于侧视雷达而言，还包括其运行速度。当外方位元素偏离标准 位置而出现变动进，就会使图像产生变形。这种变形的影响一般位置而出现变动进，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。方程得以解析。 (3) (3) 地球起伏的影响地球起伏的影响 地球表面的高低变化，将使影像点产生位

40、移。不过，具有方地球表面的高低变化，将使影像点产生位移。不过，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。是向内变动的。 44 (4) (4) 地球曲率的影响地球曲率

41、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。地球曲率引起的像点位移类似地形起伏引起的像点位移。 (5) (5) 大气折射的影响大气折射的影响 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。线而变成了曲线，进而引起了像点位移。 45 (6) (6) 地球自转的影响地球自转的影响 在静态传感器（常规框幅式摄影机）

42、成像的情况下，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。地球自转主要地对动态传感器的图像间一次曝光成像的。地球自转主要地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，当卫星由北向南运行的同时，地球表多光谱扫描仪为例，当卫星由北向南运行的同时，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

43、上的投影依次向西平移，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。最终使得图像发生扭曲。 46 3.1.2 3.1.2 遥感数字影像几何纠正的一般过程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 求的新图像。求的新图像。 从具有几何畸变的图像中消除畸变的过程。也可以从具有几何畸变的图像中消除畸变的过程。也可以 说是定量地确定图像上的像元坐标（图像坐标）与目标说是定量地确定图像上的像元坐标（图像

44、坐标）与目标 物的地理坐标（地图坐标等）的对应关系（坐标变换物的地理坐标（地图坐标等）的对应关系（坐标变换 式）。式）。 47 几何畸变校正方法几何畸变校正方法 v系统性校正：当知道了消除图像几何畸变的理论校正公式系统性校正：当知道了消除图像几何畸变的理论校正公式 时，可把该式中所含的与遥感器构造有关的校准数据（焦时，可把该式中所含的与遥感器构造有关的校准数据（焦 距等）及遥感器的位置、姿态等的测量值代入到理论校正距等）及遥感器的位置、姿态等的测量值代入到理论校正 式中进行几何校正。该方法对遥感器的内部畸变大多是有式中进行几何校正。该方法对遥感器的内部畸变大多是有 效的。可是在很多情况下，遥感

45、器的位置及姿态的测量值效的。可是在很多情况下，遥感器的位置及姿态的测量值 精度不高，所以外部畸变的校正精度也不高。精度不高，所以外部畸变的校正精度也不高。 48 几何畸变校正方法几何畸变校正方法 v基于控制点的几何精校正：利用控制点的图像坐标和地图基于控制点的几何精校正：利用控制点的图像坐标和地图 坐标的对应关系，近似地确定所给的图像坐标系和应输出坐标的对应关系，近似地确定所给的图像坐标系和应输出 的地图坐标系之间的坐标变换式。坐标变换式经常采用的地图坐标系之间的坐标变换式。坐标变换式经常采用1 1 次、次、2 2次等角变换式，次等角变换式，2 2次、次、3 3次投影变换式或高次多项式。次投影

46、变换式或高次多项式。 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。中根据最小二乘法求出。 49 几何畸变校正方法几何畸变校正方法 v复合校正：把理论校正式与利用控制点确定的校正式组合复合校正：把理论校正式与利用控制点确定的校正式组合 起来进行校正。起来进行校正。 分阶段校正的方法，即首先根据理论分阶段校正的方法，即首先根据理论 校正式消除几何畸变（如内部畸变等），然后利用少数控校正式消除几何畸变（如内部畸变等），然后利用少数控 制点，根据所确定的低次校正式消除残余的畸变（外部畸制点，根据所确定的低次校正式消除残余的

47、畸变（外部畸 变等）；变等）； 提高几何校正精度的方法，即利用控制点以提高几何校正精度的方法，即利用控制点以 较高的精度推算理论校正式中所含的遥感器参数、遥感器较高的精度推算理论校正式中所含的遥感器参数、遥感器 的位置及姿态参数。的位置及姿态参数。 50 几何精校正几何精校正 精校正方法，适合于在地面平坦，不需考虑高程信精校正方法，适合于在地面平坦，不需考虑高程信 息，或地面起伏较大而无高程信息，以及传感器的位置息，或地面起伏较大而无高程信息，以及传感器的位置 和姿态参数无法获取的情况时应用。有时根据遥感平台和姿态参数无法获取的情况时应用。有时根据遥感平台 的各种参数已做过一次校正，但仍不能满

48、足要求，就可的各种参数已做过一次校正，但仍不能满足要求，就可 以用该方法作遥感影像相对于地面坐标的配准校正，遥以用该方法作遥感影像相对于地面坐标的配准校正，遥 感影像相对于地图投影坐标系统的配准校正，以及不同感影像相对于地图投影坐标系统的配准校正，以及不同 类型或不同时相的遥感影像之间的几何配准和复合分析，类型或不同时相的遥感影像之间的几何配准和复合分析， 以得到比较精确的结果以得到比较精确的结果。 51 几何精校正的基本思路几何精校正的基本思路 v校正前的图像看起来是由校正前的图像看起来是由 行列整齐的等间距像元点行列整齐的等间距像元点 组成的，但实际上，由于组成的，但实际上，由于 某种几何

49、畸变，图像中像元点间所对应的地面距离并某种几何畸变，图像中像元点间所对应的地面距离并 不相等（图不相等（图a a）。校正后的图像亦是由等间距的网格点）。校正后的图像亦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组成的，且以地面为标准，符合某种投影的均匀分布 （图（图b b），图像中格网的交点可以看作是像元的中心。），图像中格网的交点可以看作是像元的中心。 校正的最终目的是确定校正后图像的行列数值，然后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。找到新图像中每一像元的亮度值。 52 几何精校正的一般步骤几何精校正的一般步骤 准准 备备 工工

50、 作作 输入输入 原始原始 数字数字 影像影像 建立建立 纠正纠正 变换变换 函数函数 确定确定 输出输出 影像影像 范围范围 像元像元 几何几何 位置位置 变换变换 像元像元 的灰的灰 度重度重 采样采样 输出输出 纠正纠正 数字数字 影像影像 利用控制点间的映利用控制点间的映 射关系，建立最小二乘射关系，建立最小二乘 下的变换函数下的变换函数 53 几何精校正重采样方法几何精校正重采样方法 找到一种数学关系，建立变换前图像坐标（找到一种数学关系，建立变换前图像坐标（x x，y y）与）与 变换后图像坐标（变换后图像坐标（u u，v v）的关系，通过每一个变换后图像）的关系，通过每一个变换后

51、图像 像元的中心位置（像元的中心位置（u u代表行数，代表行数，v v代表列数，均为整数）计代表列数，均为整数）计 算出变换前对应的图像坐标点（算出变换前对应的图像坐标点（x x，y y）。分析得知，整数）。分析得知，整数 （u u，v v）的像元点在原图像坐标系中一般不在整数（）的像元点在原图像坐标系中一般不在整数（x x，y y） 点上，即不在原图像像元的中心。点上，即不在原图像像元的中心。 计算校正后图像中的每一点所对应原图中的位置（计算校正后图像中的每一点所对应原图中的位置（x x， y y）。计算时按行逐点计算，每行结束后进入下一行计算，）。计算时按行逐点计算，每行结束后进入下一行计

52、算， 直到全图结束直到全图结束。 54 几何精校正重采样方法几何精校正重采样方法 v重采样的两种方法重采样的两种方法 （1 1）对输入图像的各个象元在变换后的输出图像坐标系）对输入图像的各个象元在变换后的输出图像坐标系 上的相应位置进行计算，把各个象元的数据投影到该位上的相应位置进行计算，把各个象元的数据投影到该位 置上。置上。 （2 2）对输出图像的各个象元在输入图像坐标系的相应位）对输出图像的各个象元在输入图像坐标系的相应位 置进行逆运算，求出该位置上的象元数据。该方法是经置进行逆运算，求出该位置上的象元数据。该方法是经 常采用的方法。常采用的方法。 55 几何精校正重采样方法几何精校正重

53、采样方法 重采样的方法重采样的方法 56 几何精校正计算方法几何精校正计算方法多项式几何精纠正多项式几何精纠正 v建立两图像像元点之间的对应关系建立两图像像元点之间的对应关系 （u,v) (x,y)u,v) (x,y)，需求出，需求出1212个系数，至少要找到个系数，至少要找到6 6个已知的个已知的 对应点（控制点）对应点（控制点） 如果要提高精度，必须大大增加控制点的数目，用最小如果要提高精度，必须大大增加控制点的数目，用最小 二乘法进行曲面拟合求系数。二乘法进行曲面拟合求系数。 n 0i i -n 0j ijy n 0i i -n 0j ijx bv)(u,fy av)(u,fx ji j

54、 vu vu i 2 02 2 2011011000 2 02 2 2011011000 vbubuvbvbubb vauauvavauaa y x 2元2次 2元n次 57 几何精校正重采样内插计算几何精校正重采样内插计算 v 计算每一点的亮度值。由于计算后的（计算每一点的亮度值。由于计算后的（x x，y y）多）多 数不在原图的像元中心处，因此必须重新计算新位置数不在原图的像元中心处，因此必须重新计算新位置 的亮度值。一般来说，新点的亮度值介于邻点亮度值的亮度值。一般来说，新点的亮度值介于邻点亮度值 之间，所以常用内插法计算。之间，所以常用内插法计算。 通常有三种方法：通常有三种方法： 最

55、近邻法最近邻法 双向线性内插法双向线性内插法 三次卷积内插法。三次卷积内插法。 58 内插计算内插计算- -最近邻法最近邻法 图像中两相邻点的距离为图像中两相邻点的距离为1 1， 即行间距即行间距x x1 1，列间距，列间距y=1y=1， 取与所计算点取与所计算点(x,y)(x,y)周围相邻的周围相邻的 4 4个点，比较它们与被计算点的个点，比较它们与被计算点的 距离，哪个点距离最近，就取距离，哪个点距离最近，就取 哪个的亮度值作为（哪个的亮度值作为（x,yx,y）点的）点的 亮度值亮度值f f（x x，y y）。设该最近邻）。设该最近邻 点的坐标为（点的坐标为（k,lk,l）, ,则则 k=

56、Integer(x+0.5) l=Integer(y+0.5) ) f(x,y)=f(k,l) 几何位置上的精度为几何位置上的精度为0.5象元象元 最邻近内插法以距内插点最近的最邻近内插法以距内插点最近的 观测点的像元值为所求的像元值。观测点的像元值为所求的像元值。 该方法最大可产生该方法最大可产生0.50.5个像元的位个像元的位 置误差，优点是不破坏原来的像置误差，优点是不破坏原来的像 元值，处理速度快。元值，处理速度快。 59 内插计算内插计算- -双线性内插法双线性内插法 取（取（x x，y y）点周围的）点周围的4 4邻点，在邻点，在y y 方向（或方向（或x x方向）内插二次，再在方

57、向）内插二次，再在x x方方 向（或向（或y y方向）内插一次，得到（方向）内插一次，得到（x x，y y） 点的亮度值点的亮度值f(xf(x，y y），该方法称双线），该方法称双线 性 内 插 法 。 设性 内 插 法 。 设 4 4 个 邻 点 分 别 为个 邻 点 分 别 为 (i,j),(i,j+1),(i+1,j),(i+1,j+1), ,(i,j),(i,j+1),(i+1,j),(i+1,j+1), , 过过(x,y)(x,y)作直线与作直线与x x轴平行，与轴平行，与4 4邻点组邻点组 成的边相交于点（成的边相交于点（i,y)i,y)和和(i+1,y)(i+1,y)。先。先 在

58、在y y方向内插方向内插, ,由由f(i,j+1)f(i,j+1)和和f(i,j)f(i,j)计计 算交点的亮度算交点的亮度f f（i,y)i,y)；由；由f(i+1,j+1)f(i+1,j+1) 和和f(i+1,j)f(i+1,j)计算交点的亮度计算交点的亮度f(i+1,y)f(i+1,y)。 然后计算然后计算x x方向，以方向，以f(i,y)f(i,y)和和f(i+1,y)f(i+1,y) 来内插来内插f(x,y)f(x,y)值。值。 双线性内插法使用内插点周围双线性内插法使用内插点周围 的的4 4个观测点的像元值，对所个观测点的像元值，对所 求的像元值进行线性内插。缺求的像元值进行线性内

59、插。缺 点是破坏了原来的数据，但具点是破坏了原来的数据，但具 有平均化的滤波效果。有平均化的滤波效果。 60 内插计算内插计算三次卷积内插法三次卷积内插法 v增加邻点来获得最佳插值函数。取增加邻点来获得最佳插值函数。取 与计算点（与计算点（x x，y y）周围相邻的）周围相邻的1616个个 点，与双向线性内插类似，可先在点，与双向线性内插类似，可先在 某一方向上内插，每某一方向上内插，每4 4个值依次内插个值依次内插 4 4次，求出次，求出f f（x x，j-1j-1），），f(x,j)f(x,j)， f(x,j+1),f(x,j+2)f(x,j+1),f(x,j+2)，再根据这四个，再根据这

60、四个 计算结果在另一方向上内插，得到计算结果在另一方向上内插，得到 f(xf(x，y y）。）。 因这种三次多项式内插过程实际上因这种三次多项式内插过程实际上 是一种卷积，故称三次卷积内插。是一种卷积，故称三次卷积内插。 3 3 次卷积内插法使用内插点周围次卷积内插法使用内插点周围 的的1616个观测点的像元值，用个观测点的像元值，用3 3次卷次卷 积函数对所求像元值进行内插。积函数对所求像元值进行内插。 缺点是破坏了原来的数据，但具缺点是破坏了原来的数据，但具 有图像的均衡化和清晰化的效果，有图像的均衡化和清晰化的效果， 可得到较高的图像质量。可得到较高的图像质量。 61 三种内插计算方法比