第四章遥感图像校正

1、四、遥感图像的校正 （RS Image Correction）影响遥感图像的因素（influential factor of RS Image）：1、引起几何畸变的因素 卫星卫星的姿态、高度、速度变化及其前进运动；MSSMSS扫描镜扫描速度不均，检测器采样延迟误差，波段间配准误差及全景畸变；地球地球自转、曲率、高程的影响等2、引起辐射失真的因素如：大气大气的吸收、散射；地面及传感器系统中的仪器仪器在接收、转换、传送、处理图像信息过程中性能不稳性能不稳；非线性和非一致性故障故障及不可避免引入的噪声噪声 这些畸变和失真影响了图像的质量和应用，必须进行消除图像恢复。 图像恢复（Image Resto

2、ration） 又叫图像复原，是指改正或补偿在成像过程中造成的辐射失真、系统噪声和随机噪声、几何畸变以及高频信息的损失。图像恢复主要包括两大部分： 辐射校正（Radiometric Correction） 几何校正（Geometric Correction） 图像恢复一） 遥感图像的辐射校正1、概念： 辐射校正辐射校正(Radiometric Correction) 是指消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程。2、内容： 1）由传感器的灵敏度特性引起的畸变校正 2）由太阳高度角及地形等引起的畸变校正 3）由大气的散射和吸收引起的辐射校正4.1.1光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象的改

3、正减光现象（减光现象（Dim Light PhenomenonDim Light Phenomenon） 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。NONPSDff/cos镜头的辐射畸变 如上图所示，如果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，以与主光轴成角的方向通过镜头到达像平面P点的光强度为Ep，则：。利用这一性质可以进行边缘减光现象造成的辐射畸变校正。 另外，对于视场较大的成像光谱仪图像在扫描方向上也存在明显的辐射亮度不均匀的现象。这种辐射误差主要是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

4、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。4.1.2光电变换系统的特性引起的 辐射误差校正 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。 光电变换系统的灵敏度特性有很高的 重复性，故可以定期在地面测量其特性，根 据测量值可以对其进行辐射畸变校正。 例如：对于Landsat卫星的MSS图像和TM图像可以按下式对传感器输出的辐射亮度（R）进行校正。 V=RV=Rmaxmax/(R/(Rmaxmax-R-Rminmin)

5、 ) (R-R(R-Rminmin ) ) 式中R是传感器输出的辐射亮度； V是已校正过的数据； Rmax和Rmin分别为探测器能够输出 的最大和最小辐射亮度。4.1.3太阳高度引起的辐射误差校正 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。 太阳高度角可由下式计算： 式中，为图像对应的地理纬度，为太阳赤纬(成像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经差）。 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，太阳以高度角斜射时得到的图像g g（x x，y y）与直射时得到的图像f（x，y)有如下关系： 如果

6、不考虑天空光的影响，则各波段可采用相同的角进行校正。4.1.4地形坡度引起的辐射误差校正 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受到的光照强度为，则光线垂直入射时倾斜角为的坡面上入射点处的光线强度 为： I II Io ocoscos因此，若处在坡度为的倾斜面上的地物影像为g（x，y），则校正后图像f（x，y）为： f f（x x，y y）g g（x x，y)/cosy)/cos4.1.5大气校正 大气校正（大气校正（Atmospheric CorrectionAtmospheric Correction） Image-process

7、ing procedure that compensates for effects of selectivity scattered light in multispectral images. 是清除卫星遥感图象在大气传输中所引起的退化因素的一种图像处理方法。 在大气影响中，我们主要研究大气散射的影响。大气散射是大气中分子和微小粒子多次作用的结果。它随电磁波的波长和散射体的大小不同而不同。 大气散射的校正一般有三种方法： 1）公式计算法（Formula)； 2）野外波谱测试回归分析法 (Spectrum Test)； 3）波段对照法(Waveband Comparison) 公式计算法需知

8、道具体天气条件下大气路径辐射率等参数，野外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，这些与波段对照法相比，都相对困难，因此，我们一般采用波段对照法波段对照法。 n大气散射的校正波段对比法大气散射校正 大气选择散射对短波段影响大，长波段影响小。因此，就Landsat来说，4波段受散射影响最严重，其次为5、6波段，而7波段受影响最小，一般认为不受影响。1.回归分析法2.直方图法改正数：12 7波段与其他波段比较，找出最黑区域，再抽出几个像元进行回归分析，得到一条拟合直线。1.回归分析法（Regression Analysis） 2.直方图法（Histogram）二）遥感图像的几何畸

9、变与几何校正n几何畸变 geometric distortion 图像中的几何图形与该物体在所选定投影中几何图形的差异。几何畸变主要由于遥感器姿态角的变化，物镜系统的光学畸变，扫描速度不稳定，地球自转，地球曲率，地面起伏及地图投影等因素所引起。几何畸变使图像产生几何形式或位置的失真，主要表现为仿射、偏扭、弯曲及其它更高阶的歪曲。几何畸变表现为像元相对地面实际位置发生挤压、伸展、扭曲或偏移。图像的几何畸变可通过几何校正消除。几何畸变的原因：几何畸变的原因：1）遥感器的内部畸变：由遥感器结构引起2）遥感器的外部畸变：由图像投影方式的 几何学引起 可分为 平台引起的畸变 目标物引起的畸变（地球自转）

10、3）图像坐标系的定义方式不同引起的畸变4）地图投影方法的不同引起的畸变2.几何校正几何校正（geometric correction）是指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）。几何校正的过程未校正图像（输入图像）a系统性校正b非系统性校正c复合校正确定校正方法确定校正式 检验校正方法 校正式的有效性几何校正后图像（输出图像）重采样，内插 从遥感卫星地面站得到的CCT图像一般均是经过几何粗校正处理的图像。因此，下面重点研究几何精校正。几何校正可分为：几何粗校正针对几何畸变的原因进针对几何畸变的原因进

11、行的几何校正。行的几何校正。几何精校正利用地面控制点进行的利用地面控制点进行的 几何校正。几何校正。1）几何精校正的原理与方法n A.原理原理：几何精校正是利用地面控制点（Ground Control Point，简称GCP）进行的。它通过GCP数据对原始卫星图像的几何畸变过程进行数学模拟，建立原始的畸变图像空间与地理制图用的标准空间（亦即校正空间）之间的某种对应关系，然后利用这种对应关系把畸变图像空间中的全部元素变换到校正图像空间中去，从而实现几何精校正。校正空间在我国为高斯克里格投影空间。 B.方法方法:设原始的二维图象空间为设原始的二维图象空间为F， 其纵坐标轴为其纵坐标轴为x（卫星前进

12、方向），横坐标轴为（卫星前进方向），横坐标轴为y（扫描方向）；（扫描方向）；校正后二维图象空间为校正后二维图象空间为G， 其纵坐标轴为其纵坐标轴为（南北方向）（南北方向），横坐标轴为，横坐标轴为（东西（东西方向）；方向）；L是某种变换关系；是某种变换关系； f（X，Y）为）为F空间中像元空间中像元F（X，Y）的亮度值，）的亮度值， g（，）为该像元在）为该像元在G空间中对应像元空间中对应像元G（，）的亮度值的亮度值通常可有两种方法实现这两个空间的转换 （1）直接转换）直接转换首先求出原始图象空间F中各像元F（X，Y）在G空间中的对应位置G（，），然后将相应的亮度值搬移过去。即G（，）L F（X

13、，Y）f（X，Y） g（，） （2）重采样技术）重采样技术首先反求出校正图象空间中各像元G（，）在原始图象空间中的共轭点位置F（X，Y）见下图，然后再利用某种方法（下面详细谈到）确定这一共轭点位置的亮度值f（X，Y），最后再将该亮度值搬移到校正空间中取。即 F（X，Y）L1 G（ ，） 求 f（X，Y）f（X，Y） （ ，）我们希望校正后的数字图象是一个均匀（指像元分布均匀）的二维图象空间矩阵，这在利用计算机的宽行打印机输出时尤其是这样。由于原始图象空间与校正图象空间之间的对应是非线性的，则几乎不可能两个图象空间的网格像元在各自的空间都均匀分布。在原始图象空间中一组均匀分布的网点在校正图象空间

14、中对应着一组不均匀分布的网点。因此在使用直接法时要特别注意这一点；重采样法由于是从校正空间中的一组均匀分布网点出发进行的。这一问题自然就获得了解决。2）几何精校正的步骤A：几何位置转换B：亮度值确定A：几何位置转换数学模型的建立（1）三角形线性法（2）二元多项式法n（1）三角形线性法图象的几何失真一般是非线性的，但是在一个小区域内可以认为是线性失真。基于这一假设, 我们可以利用GCP构成一系列的小三角形区域,并使它们的全体覆盖整个待校正区域;利用原始空间和校正空间每一对三角形区域的三个GCP（处于三角形的三个顶点，求出每对三角形范围内的转换关系，进行转换。n（2）二元多项式法 该方法以二元n次

15、多项式来描述几何失真的情况，在多项式系数求解时，一般用最小二乘法。B：亮度值确定通常有三种方法：（1）最近邻点法（2）双向线性插值法（3）三次卷积法（1）最近邻点法 该方法取离共轭点最近的像元的亮度值作为该网格的亮度值。特点：计算量小，具有一定的精度，是一种简单而有效的方法。但处理后图像的亮度具有明显的不连续性。最近邻点法 又称一级内插法，它使用内插点周围的4个观测点的像元值，对所求的像元值进行线性内插。（2）双线性内插法特点：具有图像均衡化和清晰化的效果，可得到较高的图像质量，但破坏了原有数据，使高频分量受损，图像轮廓模糊。 ), 1()1 () 1, ()1 (), ()1)(1 (),(

16、jiPtsjitPsjiPtsvuQ) 1, 1(jistPn（3）三次卷积法利用多项式来逼近理论上的最佳插值函数函数。0|5|84,|21)(3232wwwwwwS2|2|11|wwwn特点：计算量大，但可以克服前种方法的缺点，而且精度较高。 2）几何精校正的几个关键问题A：建立原始图像空间坐标系B：建立校正图像空间坐标系C：GCP的确定D：图像的输出nA：建立原始图像空间坐标系nB：建立校正图像空间坐标系n该坐标系的建立很简单，取要校正的数字图象最左上角的点（象元）作为坐标原点。扫描线号作为x轴坐标值，采样号数作为y轴坐标值。n校正图象空间坐标原点仍取在图象的左上角，以表示纵方向（南北方向

17、）坐标，表示横方向（东西方向）坐标，坐标以校正空间的网格为单位。网格大小由具体的图象输出设备和输出图象的比例尺来确定，网格大小就是以后重采样的间隔。C：GCP的确定（1）GCP的对象 GCP应是在原始CCT图像中可寻找出来的，在地形图上可精确定位的一些特征点、特征线等自然要素和人文要素。（2）GCP的检测定位 人工目视检测法；人工目视检测法； 计算机自动检测定位（3）GCP的数量 适量增加适量增加可提高几何校正精度，但不宜过多。 二元n次多项式：LL（n n1 1）（）（n n2 2）/2/2（4）GCP的分布 均匀（5）GCP的精度 GCP的位置精度越高，几何校正的效果越好； 对于三角形线性

18、法，当GCP不落在三角形顶点时， 影响不大。对于二次多项式拟合法， 当L（n1）（n2）/2时，影响不大。D：图像的输出宽行打印机：数字图像绘图机/电视显示屏：模拟图像n数字图象的优点 便于进行定量分析 缺点 不直观n模拟图象直观醒目，常将之与地形图进行 比较，评价校正精度。三） 遥感图像的配准1、多图像包括对地面同一景物的一组遥感图像多时相图像：由一个传感器在不同时间对地面同一景物进行构像多传感器图像：由不同传感器在同一时间对地面同一景物进行构像多波段图像：由同一时间、同一传感器的不同波段对地面同一景物进行构像 图像配准（Image registration）将两组或更多组图像进行几何对准，使得同一地区的各个像元可以在数字上或视觉上被叠加起来。2、图像配准的定义注：被配准的数据可以是多图像的任 意一种。3、图像配准的必要性 在许多遥感图像处理应用中，需要对多图象数据进行比较和分析，例如：图像的统计模式识别、变化检测等，这就要求多图像之间在几何上是相互匹配的，即是说多图象上的一个测量向量是由一个