第9章遥感图像校正处理

第9章遥感图像校正处理第一页，共89页。目录11.1遥感图像的辐射量校正11.2遥感图像的几何变形11.3遥感图像的几何校正11.4图像的镶嵌处理第二页，共89页。

由于遥感成像过程中多种因素影响，致使遥感图像质量的衰减。遥感图像数据的校正处理就是消除遥感图像因辐射度失真、大气消光和几何畸变等造成的图像质量的衰减。遥感图像质量衰减产生的原因和作用结果都不相同，因此一般采用不同的校正处理方法。第三页，共89页。4.1.1造成遥感图像辐射畸变的因素辐射误差：传感器观测目标的反射或辐射能量时，所得到的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度物理量之间的差值。辐射误差造成了遥感图像的失真，影响人们对遥感图像的判读、解译，因此必须进行消除或减弱。11.1遥感图像的辐射量校正

针对遥感图像辐射失真或辐射畸变进行的图像校正。由于这种校正是通过纠正辐射亮度的办法来实现的，因此称作辐射校正。第四页，共89页。第五页，共89页。引起图像辐射畸变的原因(1)由遥感器的灵敏度特性引起的辐射误差(2)太阳高度及地形引起的辐射误差(3)因大气影响引起的辐射误差(4)其它原因引起的辐射误差第六页，共89页。吸收、散射的影响遥感器校正太阳高度地形校正大气校正光学光电转换系统灵敏度特性的偏差边缘减光等太阳高度的影响地形倾斜的影响辐射量校正辐射校正的类型第七页，共89页。大气吸收传感器大气散射大气辐射目标物反射目标物辐射透射地表辐射目标物吸收目标卫星传感器接收电磁能情况第八页，共89页。11.1.2辐射校正的方法

总的来说，辐射校正的方法有两种：一是分析辐射失真的过程，建立辐射失真的数学模型，然后对此数学模型求逆过程，用此逆过程求得遥感图像失真前的图像；二是利用实地测量的地物的真实辐射值，寻找实测值与失真之后的图像之间的经验函数关系，从而得到辐射校正的方法。显然，第一种校正方法是与失真过程有关的，第二种校正方法是与失真过程无关的。第九页，共89页。1.因传感器的灵敏度特性引起的辐射误差校正1）光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象的校正DfθpN’NSofcosθ镜头的辐射畸变2）光电变换系统的特性引起的辐射误差校正在传感器接收系统收集到的电磁波信号时需经过光电转换系统变成电信号记录下来的过程中引起的辐射量误差。因为光电转换系统的灵敏度通常有很高的重复性，故可以定期测定其特性，进而进行校正。3）探测器增益变化引起的辐射误差校正（采用楔校准处理方法)成像平面上存在着边缘部分比中间部分暗的现象叫边缘减光第十页，共89页。2.因大气影响引起的辐射误差校正1）野外波谱测试回归分析法

在获取地面目标图像的同时，预先在地面设置反射率已知的标志或事先测出若干地面目标的反射率，把由此得到的地面实况数据和遥感器的输出值进行比较，以消除大气的影响。优点：准确性高；缺点：适用于研究特定区域，不能普及。第十一页，共89页。大气影响的回归分析法纠正

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a。现需要找到其他波段相应的最小值，这个值一定比a波段的最小值大一些，设为波段b，分别以a，b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b的亮度Lb轴相交，且

第十二页，共89页。回归分析法

第十三页，共89页。回归分析法

是斜率：

和分别为a、b波段亮度的平均值。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，来改善影像，去掉程辐射。同理依次完成其他波段的校正。

第十四页，共89页。2）辐射传递方程计算法

测量大气参数，按理论公式求得大气干扰辐射量。若地面目标的辐射能量为E0，它通过高度为H的大气层后，遥感器接收系统所能收集到的电磁波能量为E，则有辐射传递方程可得：通过近似求解，可获取地面目标的真实辐射能量E0。缺点：操作难度大，得到的只是近似值大气衰减系数第十五页，共89页。近似求解的原因：在可见光和近红外区——气溶胶的散射在热红外区——水蒸气的吸收同一搭载平台上同时搭载地物传感器和气溶胶、水蒸气传感器。第十六页，共89页。3）波段对比法

大气对电磁波的散射主要表现在短波上，对长波影响较小，尤其是5波段以上的影响最小，因此采用波段对比分析法更为常用和操作简单。校正时，利用某些不受大气影响或影响很小的波段来校正其它波段。常用的方法包括回归分析法和直方图法。第十七页，共89页。1）回归分析法在不受大气影响的波段和待校正的某一波段图像中，选择最黑区域（通常为高山阴影区）中的一系列目标，将每一目标的两个待比较的波段亮度值提取出来进行回归分析。例如：TM3和TM7第十八页，共89页。3.因太阳辐射引起的辐射误差校正1）太阳高度引起的辐射误差校正

①公式法

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。太阳的高度角θ可根据成像时刻的时间、季节和地理位置来确定。第十九页，共89页。校正时，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θ斜射时得到的图像g(x,y)在(x,y)像元点的灰度值于直射时得到的图像f(x,y)在(x,y)像元点的灰度值有如下关系：通过该公式，可获得实际的辐射量。第二十页，共89页。②波段比值法

图像上的阴影通常也是由太阳高度角引起的，一般情况下图像上地形和地物的阴影是难以消除的，但在多光谱图像上的阴影可以通过图像之间的比值来消除或减弱。在多光谱图像上，地物阴影区的灰度值可以认为是无阴影时的影像灰度值再加上对各波段影响相同的阴影亮度值，所以当两个波段相除时，阴影的影响再比值图像上基本消除了。第二十一页，共89页。2）地形起伏引起的辐射误差校正太阳光线和地表作用以后再反射到遥感器的太阳光的辐射亮度和地面倾斜度有关。设光线垂直入射时水平地表受到的光照强度为I0，则光线垂直入射时倾斜角为a的坡面上入射点处的光照强度I为:因此，若处在坡度为a的倾斜面上的地物图像为g(x,y),则校正后的图像f(x,y)为：第二十二页，共89页。4.其它辐射误差校正1）斑点误差校正斑点是由遥感器的噪声或磁带等部件的误码率造成的，其特点是孤立和分散，因此往往和周围的亮度值由明显的差别，并且彼此不相关。2）条纹误差校正条纹是指扫描图像中出现的与辐射信息无关的线条噪声，其表现为图像上的部分扫描行或线段的亮度值不反映地物的辐射，并与上下的亮度截然不同。条纹误差判定和消弱的方法主要有：平均值法、直方图法和在垂直扫描线方向上采用最近邻点法或三次褶积法。见下图。第二十三页，共89页。3）数字影像的灰度一致化（直方图匹配）由于影像不是在同一时间拍摄的，因此天气、植被、日照条件等均会发生变化，因而存在灰度状况不一致的问题。为了图像镶嵌后的一致性，要对影像做灰度一致化处理。第二十四页，共89页。条纹误差校正校正前校正后第二十五页，共89页。灰度一致化校正前标准图像第二十六页，共89页。11.2遥感图像的几何变形11.2.1遥感数字图像几何处理1.几何形变

在利用遥感图像提取信息的过程中，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，以便进行图像的几何测量、相互比较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、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时，就产生了图像几何变形问题。第二十七页，共89页。2.几何校正的重要性1.对遥感原始图像进行几何校正后，才能对图像信息进行各种分析，制作满足测量和定位要求的各类遥感专题图像；2.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、地物特征的变化监测或其它应用处理时，必须进行图像间的几何配准，保证各不同图像间的几何一致性。3.利用遥感图像进行地形图测图或更新对遥感图像的几何校正提出了更严格的要求。几何校正手段：光学校正和数字校正第二十八页，共89页。11.2.2遥感图像的几何变形误差的影响因素误差分类静态误差动态误差内部误差外部误差传感器自身性能、技术指标变化传感器的外方位（位置、姿态）变化、介质不均匀、地球曲率等地球旋转影像投影面及地图投影法的选取第二十九页，共89页。（1）遥感器的内部畸变：透镜的辐射方向畸变像差透镜的切线方向畸变像差透镜的焦距误差透镜的光轴与投影面的非正交性图象投影面的非平面性探测元件排列的不整采样速率的变化采样时刻的偏差扫描镜的扫描速度的变化第三十页，共89页。

（2）遥感平台运动状态变化

航高：当平台运动过程中受到力学因素影响，产生相对于原标准航高的偏离，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，从而导致影像扫描行对应的地面长度发生变化。航高越向高处偏离，影像对应的地面越宽。

（外部误差）第三十一页，共89页。

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，由此可导致影像在卫星前进方向上（影像上下方向）的位置错动。

第三十二页，共89页。俯仰：遥感平台的俯仰变化能引起影像上下方向的变化，即星下点俯时后移，仰时前移，发生行间位置错动。

第三十三页，共89页。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，使整个影像的行向翻滚角引起偏离的方向错动。

第三十四页，共89页。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，导致影像的倾斜畸变。第三十五页，共89页。

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。高差引起的像点位移（3）地球本身对遥感影像的影响第三十六页，共89页。

地表曲率的影响（1）

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，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。

像点位移第三十七页，共89页。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清况下，L1，L2，L3，…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，…，显然P3-P1＞L3-L1，距星下点越远畸变越大，对应地面长度越长。

像元对应于地面宽度的不等

地表曲率的影响（2）第三十八页，共89页。

全景畸变：即当传感器扫描角度较大时，影响更加突出，造成边缘景物在影像显示时被压缩。假定原地面真实景物是一条直线，成像时中心窄、边缘宽，但影像显示时像元大小相同，这时直线被显示成反S形弯曲。全景畸变导致S弯曲现象第三十九页，共89页。

地球自转的影响

卫星前进过程中，传感器对地面扫描获得影像时，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影像，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，所以卫星影像经过校正后成为图C的形态。

地球自转引起偏离(a)获得影像（b）实际对应的地面位置（c）影像变形第四十页，共89页。纯中心投影框幅式影像（基准图像）多中心等焦距圆柱投影全景影像多中心扫描投影多光谱影像多中心推扫扫描投影HRV影像多中心斜距投影合成孔径侧视雷达影像全景投影斜距投影平行投影（正射投影基准图像）中心投影（4）成像投影类型的影响第四十一页，共89页。1.传感器成像几何形态带来的变形1）全景投影变形(L)OSPNMpyy’θp'地物点P在全景面上的像点p具有坐标全景投影等效中心投影转换公式：红外扫描仪的成像面MON（全景面）等效的中心投影成像面11.2.3几何变形的校正第四十二页，共89页。2).斜距投影变形斜距投影类型通常是指侧视雷达，如下图所示：地面点P斜距投影坐标：地面点P在等效的中心投影图oy′上的成像点p′坐标：斜距投影变形误差为：SHƒyprpRpy'pYOy'yP'Pθ第四十三页，共89页。成像几何形态引起的图像变形示意图全景投影无变形图像全景投影图像变形结果斜距投影图像变形结果斜距投影OOyyxx第四十四页，共89页。2.传感器外方位元素变化的影响主要是指传感器成像时的位置（XS,YS,ZS）,(X,Y,Z)和姿态角（ψ，ω，к），对侧视雷达而言，还包括其运行速度（vx,vy,vz）。3.地球起伏的影响摄影机中心投影情况(像点位移是远离原点向外移动）斜距投影情况（像点位移向内移动）正立体雷达反立体覆盖区第四十五页，共89页。4.地球曲率的影响5.地球自转的影响正常图像畸变图像地球自转主要会对动态传感器的成像产生变形影响，这是因为当卫星等载体由北向南运行的同时，地球表面也在由西向东自转，又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上的投影依次向西平移，从而引起图像变形。第四十六页，共89页。

6.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像点发生位移

大气折射的影响NP第四十七页，共89页。11.3影像的几何校正11.3.1几何校正的概念

几何校正就是校正成像过程中所造成的各种几何畸变，就是将图像数据投影到平面上，使其符合地图投影系统的过程；而将地图坐标系统赋予图像数据的过程，称为地理参考。由于所有地图投影系统都遵循于一定的地图坐标系统，所以几何校正过程都包含了地理参考过程。第四十八页，共89页。11.3.2几何校正分类1.几何粗校正几何粗校正是针对引起畸变原因而进行的校正，由于这种畸变是按照比较简单和相对固定的几何关系分布在图像中的，因而它比较容易校正。进行校正时，只需将遥感器的校准数据、遥感平台的位置以及卫星运行姿态等一系列数据代入理论校正公式即可。第四十九页，共89页。2.几何精校正

几何精校正一般是利用地面控制点（GCP）对原图像（包括航片和各种卫片）的几何畸变过程进行某种数学模拟，以建立原始的、畸变了的图像与地理制图所用的标准空间（即校正空间）之间的某种对应关系，然后利用这种对应关系将畸变了图像空间中的象素变换到校正空间图像中，从而实现几何精校正。第五十页，共89页。

几何精校正的原理是回避成像的空间几何过程，而直接对影像变形的本身进行数学模拟，它认为遥感图像的总体变形可看作是平移、缩放、仿射、偏扭、弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结果，因此变换前后影像相应点之间的坐标关系可用一个适当的数学模型来表示。

具体实现是：首先利用地面控制点数据确立一个模拟几何畸变的数学模型，以此来建立原始畸变图像空间与标准空间（如地理制图空间）的某种对应关系；其次是利用这种对应关系把畸变空间中的全部元素变换到标准空间（即校正图像空间）中去，从而实现图像的几何校正。11.3.3几何校正的原理第五十一页，共89页。第五十二页，共89页。T1T2T3S1S2S3参考图像校正图像几何校正原理图第五十三页，共89页。（1）常用的像元重采样的方法：1）双线性差值法2）双三次卷积法3）最邻近像元法4）双像素重采样法这几种方法的几何精度基本相同，只是辐射精度有差别，特别是对比例尺变化特别大的图像差别很大。因此对于输入、输出的比例尺变化不大的图像，使用邻近点插值法完全可以满足精度要求，且其选法速度比其它方法快2－3倍，是我们首选的重采样方法。11.3.4几何校正模型的确立第五十四页，共89页。第五十五页，共89页。原始图像纠正后图像（最邻近插值）第五十六页，共89页。第五十七页，共89页。第五十八页，共89页。双线性插值原始图像纠正（双线性插值）第五十九页，共89页。第六十页，共89页。第六十一页，共89页。原始图像几何纠正（三次卷积）第六十二页，共89页。第六十三页，共89页。（2）几何校正变换函数的建立1）多项式校正法

多项式校正法的基本思想是回避成像的空间几何过程，而直接对影像变形的本身进行数学模拟，认为图像变形规律可以看作为平移、缩放、旋转、仿射、偏扭和弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结果。该方法对各种类型传感器的校正都是普遍适用的，尽管它存在着不同程度的近似性；同时该方法不仅用于影像对地面（或地图）系统的校正，还常用于不同类型影像之间的几何配准，以满足计算机分类、地物监测等处理的需要。第六十四页，共89页。1）多项式公式2）多项式扩充公式其中第六十五页，共89页。总结：多项式校正的基本过程似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，从而求得校正后的坐标。多项式校正法必须首先选择控制点，这些控制点在整幅图像中应均匀分布，点的数量应超过多项式系数的个数；多项式校正的精度预地面控制点的精度、分布和数量及校正范围有关，地面控制点的精度越高、分布均匀、数量越多，则几何校正的精度就越高；采用多项式校正时，在确定系数处的控制点拟合较好，但在其它内插点可能有明显偏离，而且与相邻控制点的协调性较差。第六十六页，共89页。2）共线方程校正法该方法是建立在对传感器成像时的位置合姿态进行模拟合解算的基础上，即成像瞬间的像点与相应地面点应位于通过传感器投影中心的一条直线上。共线方程的参数可以预测给定，也可以根据控制点按最小二乘原理求解，进而可求得各像点的校正值。与多项式校正法比较，理论上严密，同时考虑了地物点高程的影响，因此在地形起伏较大的情况下，这种方法较好，但需要地面的高程信息，受其它因素影响，校正时有一定的局限性。第六十七页，共89页。11.3.5遥感图像几何校正的一般过程准备工作输入原始数字图像建立校正变换函数确定输出图像范围像元几何位置变换像元的灰度重采样输出校正数字图像第六十八页，共89页。准备工作：包括图像数据、地图资料、大地测量成果、航天器轨道参数和传感器参数的收集分析及所需控制点的选择和量测等。原始图像输入时，若是卫星图像磁带数据，可按规定的格式用专门的程序读入计算机；若是硬拷贝透明像片，则要利用数字化的扫描装置按选定的取样间隔对图像数字化扫描后，输入计算机系统。转换模型的建立是建立图像坐标和地面（地图）坐标间的数学关系，即输入图像与输出图像间的坐标变换关系。转换模型中的有关系数一般可用控制点数据来求取。纠正后图像的输出可利用图像输出装置直接从计算机产生各种形式的输出图像，亦可将数字图像记录在磁带上以供他用。第六十九页，共89页。11.3.6图像几何校正实例1.ERDAS几何校正的一般流程

打开图像文件启动几何校正模型采集地面控制点检验校正结果启动图像重采样结束计算转换模型开始第七十页，共89页。2.几何校正的步骤：第一步：显示图像文件

打开两个视窗(Viewer#1/Viewer#2)，在其中分别打开LandsatTM图像和SPOT图像。第二步：启动几何校正模块

Viewer#1菜单条：Raster—GeometricCorrection第三步：启动控制点工具打开GCPToolReferenceSetup对话框第四步：采集地面控制点

第五步：图像重采样过程在GeoCorrectionTools对话框中选择ImageResample图标第六步：保存几何校正模式

第七十一页，共89页。LandsatTM图像（无地理坐标）第七十二页，共89页。SPOT图像

（有地理坐标）第七十三页，共89页。校正后的TM图像（有地理坐标）第七十四页，共89页。雷达图像几何精校正

校正前校正后第七十五页，共89页。几何精校正的经验总结：1.控制点的选择2.控制点的布局3.控制点的个数4.人的因素第七十六页，共89页。11.4遥感图像的数字镶嵌处理

遥感图像的数字镶嵌处理是将具有地理参考坐标的若干相邻图像合并成一幅或一组图像，需要镶嵌的输入图像必须含有地图投影信息，或者说输入图像必须经过几何校正处理或进行过校正标定。虽然所有的输入图像可以具有不同的投影类型、不同的像元大小，但必须具有相同的波段数。在进行图像镶