图像几何校正与辐射校正.ppt

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1、1,遥感数字图像校正与增强,2,本章主要内容,数字图像基础图像辐射校正几何校正原理与方法图像增强处理,3,8.3 几何校正,遥感图象几何畸变遥感图象几何纠正方法,4,为什么要进行几何纠正,遥感调查分析结果：一般是要求能满足量测和定位 要求的各类专题地图。,利用多源数据进行计算机自动分类、地物特征的变化 监测等应用处理时，必须保证不同图像间的几何一致 性。,几何误差的存在,5,定义：遥感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，即说明遥感图像发生了几何畸变。遥感图像的总体变形（相对于地面真实形态而言）是平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲及其他变形综合作用的结果。,

2、8.1 遥感图像的几何变形,按照畸变的性质划分几何畸变可分为系统性畸变和随机性畸变。,一、基本概念,6,系统性畸变是指遥感系统造成的畸变，这种畸变一般有一定的规律性，并且大小事先能够预测，例如扫描镜的结构方式和扫描速度等造成的畸变。,随机性畸变是指大小不能事先预测、其出现带有随机性质的畸变，例如地形起伏造成的随地而异的几何偏差。,7,几何校正就是要校正成像过程所造成的各种几何畸变。几何校正分为两种：几何粗校正和几何精校正。,几何粗校正是针对引起畸变原因而进行的校正，这种畸变按照比较简单和相对固定的几何关系分布在图像中的，校正时只需将传感器原校准数据、遥感平台的位置以及卫星运行姿态等一系列测量数

3、据代入理论校正公式即可。几何粗校正主要校正系统畸变。,几何精校正是利用控制点进行的几何校正，它是用一种数学模型来近似描述遥感图像的几何畸变过程，并利用畸变的遥感图像与标准地图之间的一些对应点（即控制点（GCP）求得这个几何畸变模型，然后利用此模型进行几何畸变校正，这种校正不考虑畸变的具体形成原因，而只考虑如何利用畸变模型来校正遥感图像。,几何粗纠正,几何精纠正,8,几何畸变,遥感器本身引起的畸变 外部因素引起的畸变 处理过程中引起的畸变,二、几何变形的类型,8.2 遥感图像的几何变形,根据畸变产生的原因：,9,1、传感器本身引起的畸变,传感器本身引起的几何畸变与遥感器的结构、特性和工作方式不同

4、而异。这些因素主要包括：1）透镜的辐射方向畸变像差；2）透镜的切线方向畸变像差；3）透镜的焦距误差；4）透镜的光轴与投影面不正交；5）图像的投影面非平面；6）探测元件排列不整齐；7）采样速率的变化；8）采样时刻的偏差;9)扫描镜的扫描速度变化。,二、几何变形的类型,10,MSS 举例:,例如扫描形式成像的MSS，产生的几何畸变主要是由于扫描镜的非线性振动和其它一些偶然因素引起的。在地面上影响可达395米。,全景畸变：,11,全景畸变的图形变化情况,12,2、外部因素引起的畸变,遥感平台位置和运动状态变化的影响地形起伏的影响地球表面曲率的影响大气折射的影响地球自转的影响,二、几何变形的类型,13

5、,1）遥感平台位置和运动状态变化的影响,航高：当平台运动过程中受到力学因素影响标，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，从而导致图像扫描行对应的地面长度发生变化。航高越向高处偏离，图像对应的地面越宽。,2、外部因素引起的畸变,14,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。,俯仰：遥感平台的俯仰变化能引起图像上下方向的变化，即星下点俯时后移，仰时前移，发生行间位置错动.,15,翻滚：遥感平台姿态翻滚是指以

6、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。,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,16,2）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,2、外部因素引起的畸变,17,3）地球表面曲率的影响,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，二是像

7、元对应于地面宽度的不等。,2、外部因素引起的畸变,18,4）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条曲线从而导致传感器接收的像点发生位移r.,大气折射影响,2、外部因素引起的畸变,19,5）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。偏离方向如下图所示，所以卫星图像经过校正后成为图c的形态。,地球自转引起偏离,2、外部因素引起的畸变,20,遥感图像再处理过程中产生的误差

8、，主要是由于处理设备产生的噪声引起的。传输、复制 光学 数字,3、处理过程中引起的畸变,21,遥感图像的几何校正按照处理方式分为光学纠正和数字纠正。遥感图像的几何纠正就是将含有畸变的图像纳入到某种地图投影。对地面覆盖范围不大的单幅图像，一般以正射投影方式使其改正到地球切平面上。光学纠正主要用于早期的遥感图像的处理中，现在的应用已经不多。除了对框幅式的航空照片（中心投影）可以进行比较严密的纠正以外，对于大多数动态获得的遥感影像只能进行近似的纠正。主要介绍数字图像的几何精纠正。,三 遥感图像的几何校正方法,1、基本概念,22,两个基本环节：像元坐标变换和像元灰度值重采样,校正思路(技术流程):,2

9、3,校正前的图像，由于某种几何畸变，图像中像元点间所对应的地面距离并不相等。校正后的图像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，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，然后找到新图像中每一像元的亮度值。,两个基本环节：像元坐标变换和像元灰度值重采样,24,(1)确定输入图像和输出图像的坐标变换关系(2)确定新的图像的边界(3)确定新图像的分辨率(4)灰度的重采样,2、校正过程,25,数字图象几何纠正：通过计算机对离散结构的数字图像中的每一个像元逐个进行纠正处理的方法。这种方法能够精确地改正动态扫描图像所具备的各种误差。基本原理

10、：利用图像坐标和地面坐标（另一图像坐标、地图坐标等）之间的数学关系，即输入图像和输出图像间的坐标转换关系实现几何校正。,(1)确定输入图像和输出图像的坐标变换关系,2、校正过程,26,几何校正包括两个方面的内容图像空间像元坐标的变换变换后的标准图像空间的各像元灰度值的计算。,27,直接纠正方法:从原始图像阵列出发，按行列的顺序依次对每个原始图像像元点位用变换函数 F（x,y）（正解变换公式）求得它在新图像中的位置，并将该像元灰度值移置到新图像的对应位置上。间接纠正法:从空白的新图像阵列出发，按行列的顺序依次对新图像中每个像元点位用变换函数f(X,Y)（反解变换公式）求其在原始图像中的位置，然后

11、把算得的原始图像点位上的灰度值赋予空白新图像相应的像元。,纠正方法:,28,图中（xp,yp）（XP,YP）分别是任意一个像元在原始图像和纠正后图像中的坐标。,直接法(正解):,间接法(反解):,29,2.3.5 遥感数字图像的多项式纠正,多项式纠正的基本思想：图像的变性规律可以看作是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲等形变的合成。一般的公式为：,2)直接法,1)间接法,利用有限的控制点的已知坐标，解求多项式的系数，确定变换函数。然后将各个像元带入多项式进行计算，得到纠正后的坐标。,30,实际计算时常采用二元二次多项式：,在这个方程组中有12个系数，需列12个方程才能解出，因此需要6个已知的对

12、应点，即这6个点的（u，v)与（x，y）均已知，这些已知坐标的对应点称为控制点（GCP）,6个点只是解算方程组的理论最低数，实际工作中为提高校正精度需大量增加控制点数，这时就有了多余条件，可采用最小二乘法求解。,3、遥感数字图像的多项式纠正,31,控制点的选取,1）数目确定,控制点数目的最低限是按未知系数的多少来确定的。求二次多项式有12个系数，需要12个方程(6个控制点)。依次类推，三次多项式至少需要10个控制点，n次多项式，控制点的最少数目为(n+1)(n+2)2。,实际工作中，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。,3、遥感数字图像的多项式纠正,32,1)表征空间位置的可

13、靠性，道路交叉点，标志物，水域的边界，山顶，小岛中心，机场等。同名控制点要在图像上均匀分布；清楚辨认；数量应当超过多项式系数的个数（(n+1)*(n+2)/2）。当控制点的个数超过多项式的系数个数时，采用最小2乘法进行系数的确定，使得到的系数最佳。,2.3.5 遥感数字图像的多项式纠正（续1）,控制点的选择原则:,33,（2）确定新的图像的边界,纠正后图像和原始图像的形状、大小、方向都不一样。所以在纠正过程的实施之前，必须首先确定新图像的大小范围。,34,（2）确定新的图像的边界（续1）,X1=min(Xa,Xb,Xc,Xd)X2=max(Xa,Xb,Xc,Xd)Y1=min(Ya,Yb,Yc

14、,YXd)Y2=max(Ya,Yb,Yc,Yd),35,（3）确定新图像的分辨率,目的是确定新图像宽度和高度；根据精度要求，在新图像的范围内，划分网格，每个网格点就是一个像元。新图像的行数 M(Y2-Y1)/Y+1;新图像的列数 N(X2-X1)/X+1;新图像的任意一个像元的坐标由它的行列号唯一确定。,36,（4）灰度的重采样,纠正后的新图像的每一个像元，根据变换函数，可以得到它在原始图像上的位置。如果求得的位置为整数，则该位置处的像元灰度就是新图像的灰度值。如果位置不为整数，则有几种方法：1)最近邻法2)双线性内插法3）三次卷积法,37,2.3.4 灰度的重采样（续1）,1)最近邻法：距离

15、实际位置最近的像元的灰度值作为输出图像像元的灰度值；,38,原始图像,纠正后图像（最邻近插值）,最邻近法纠正效果,39,2.3.4 灰度的重采样（续2）,2）双线性法：以实际位置临近的4个像元值，确定输出像元的灰度值。公式为：,式中，g(m,n)为输出像元灰度值gi为邻近点i的灰度值pi为邻近点对投影点的权重(pi=1/di,di表示邻近点到投影点的距离，最近者权重最大,40,双线性插值效果,原始图像,纠正（双线性插值）,41,2.3.4 灰度的重采样（续3）,3）三次卷积法以实际位置临近的16个像元值，确定输出像元的灰度值。公式为：,三次样条函数,式中，g(m,n)为输出像元灰度值gi为邻近

16、点i的灰度值pi为邻近点对投影投影点的权重(pi=1/di,di表示邻近点到投影点的距离，最近者权重最大),42,原始图像,几何纠正（三次卷积）,三次卷积法处理效果,43,2.3.4 灰度的重采样（续4）,几种采样方法的优缺点：,1）最近邻法：算法简单且保持原光谱信息不变；缺点是几何精度较差，图像灰度具有不连续性，边界出现锯齿状。2)双线性插值：计算较简单，图像灰度具有连续性且采样精度比较精确；缺点是细节丧失3)三次卷积法：计算量大，图像灰度具有连续性且采样精度比较精确,44,数字图象的纠正过程,总上所述：,纠正的函数可有多种选择：多项式方法、共线方程方法、随机场内插方法等等。其中多项式方法的

17、应用最为普遍。,45,四 几何校正类型,从影像到地图的校正地图控制点获取方法：简单的直尺、数字化地图、校正后的数字正射影像、GPS从影像到影像的校正同名地物进行匹配混合,46,五、几何校正操作过程,选择合适的参考平面图采集地面控制点评价全部控制点的误差RMSE，确定最优几何校正系数利用坐标变换和灰度重采样方法输出校正后图像,47,开始,显示图形文件,启动几何校正模型,采集地面控制点,计算转换模型,图像重采样,检验校正结果,结束,几何校正流程图,48,补充：最小二乘法,最小二乘法最早称为回归分析法。由著名的英国生物学家、统计学家道尔顿（F.Gallton）所创。(道尔顿研究英国男子中父亲们的身高

18、与儿子们的身高之间的关系时，创立了回归分析法。)探索变量之间关系最重要的方法，用以找出变量之间关系的具体表现形式。后来，回归分析法从其方法的数学原理误差平方和最小（二乘是平方的意思）出发，改称为最小二乘法。,49,2.3.6 最小二乘法（续1）,1.为了精确地描述Y与X之间的关系，必须使用这两个变量的所有观察值，才不至于以“点”概面（作到同步与全面）。2Y与X之间是否是直线关系（用协方差或相关系数衡量）？若是，将用一条直线描述它们之间的关系。3在Y与X的散点图上画出直线的方法很多。任务？找出一条能够最好地描述Y与X（代表所有点）之间关系的直线。4什么是最好？找出判断“最好”的原则。最好指的是找

19、这么一条直线，使得所有点到该直线的纵向距离的和（平方和）最小。5三种距离,50,点到直线的距离点到直线的垂直线的长度。横向距离点沿（平行）X轴方向到直线的距离。纵向距离点沿（平行）Y轴方向到直线的距离。也就是实际观点的Y坐标减去根据直线方程计算出来的Y的拟合值。,2.3.6 最小二乘法（续2）,51,纵向距离是Y的实际值与拟合值之差，差异大拟合不好，差异小拟合好。将所有纵向距离平方后相加，即得误差平方和。所以，“最好”直线就是使误差平方和最小的直线。运用求极值的原理，将求最好拟合直线问题转换为求误差平方和最小的问题。,2.3.6 最小二乘法（续3）,52,2.3.6 最小二乘法（续3）,53,

20、2.3.6 最小二乘法（续4）,最小二乘法的性质:,之一：即拟合直线过y和x的平均数点。,之二：残差与自变量x的乘积和等于0，即残差与自变量x两者不相关。,54,遥感图像的辐射纠正,1 为什么要进行辐射纠正？1）传感器本身的特性，2）大气对于电磁辐射的衰减；（散射、反射和吸收）3）地形因子的影响阴影4)其它生态环境因子 形成“同物异谱，异物同谱”现象。图像不能全部真实地反映不同地物地特征，影响了数字图像的质量。,55,56,2 辐射纠正类型,1）遥感器纠正：遥感器的设计2）大气辐射纠正：3）地形辐射纠正：需要DEM,57,大气校正后，图像的亮度显著降低；对比度增强,58,2.1 遥感探测器系统

21、误差校正,比较常见的遥感系统引入的辐射误差有：随机坏像元行起始/终止问题行或列缺失行或列部分缺失行或列条纹,59,2.1 遥感探测器系统误差校正,随机坏像元使用简单的阈值法判断坏像元（比如等于0或小于0）使用周围8像元的均值代替坏像元,60,2.1 遥感探测器系统误差校正,行起始/终止问题造成扫描线错位，不是系统性的，需要手工进行移位。,61,2.1 遥感探测器系统误差校正,行或列缺失行或列部分缺失利用上下相邻两行的平均值代替缺失行的像元值,62,2.1 遥感探测器系统误差校正,行或列条纹确定误定标扫描行，即明显过亮或过暗的行利用相同地物有相同的辐射等级的原理，采用线性定标法调整所有坏扫描行的

22、辐射值。DN好 DN坏 A+B,63,2.2 大气辐射纠正方法,一、绝对大气辐射校正1辐射传输过程2辐射传输模型3经验线定标法二、相对大气辐射校正1直方图最小值去除法（DOS）2回归法三、坡度坡向影响校正1、余弦法2、C校正3、统计经验校正,64,1基于辐射传输过程的绝对辐射校正方法,传感器记录的总辐射根据传输过程根据图像像元值,65,遥感系统接收的多种程辐射,研究目标反射,邻域反射,1,3,5,1,3,5,2,4,太阳辐照度,天空漫射辐照度,66,2基于辐射传输模型的大气校正,ATCOR（The ATmospheric CORrection）FLAASH（Fast Line-of-sight

23、 Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes）ATREM（The ATmospheric REMovel）ACORN（The Atmospheric CORrection Now）,67,2基于辐射传输模型的大气校正,辐射传输模型所需参数遥感影像的经纬度遥感数据采集的日期和时间影像获取高度影像景的平均高度（如：海拔200m）大气模式（如：中纬度夏季，中纬度冬季，热带）辐射定标后的影像数据（即数据单位必须是）各个波段的信息（波段均值和半幅全宽）获取遥感数据时的当地大气能见度（如：10km）,68,2基于辐射传输模型的大气校正,ATCOR（The Atm

24、ospheric CORrection）包括ACTOR2用于平坦地区 ACTOR3用于山区 ACTOR4用于亚轨道遥感系统获取的数据用MODTRAN4+辐射传输代码计算大气校正函数（程辐射、大气透射、太阳的直射、漫射辐射通量）ERDAS软件扩展模块,69,2基于辐射传输模型的大气校正,FLAASH（Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes）用MODTRAN4+辐射传输代码对影像逐像元地校正大气中的水汽、氧气、二氧化碳、甲烷、臭氧、气溶胶等散射的影响。ENVI软件里自带,70,2基于辐射传输模型的大气校正,ATR

25、EM（The ATmospheric REMovel）采用6S辐射传输模型和用户指定的气溶胶模型计算分子散射利用大气模式（温度、压力、水汽垂直分布）计算大气吸收水汽总量通过水汽波段和三通道比值方法从高光谱数据中逐像元获得得用以上值获得经验辐射校正后的表面反射率值,71,3 经验线性定标法,经验线性定标公式DN，像元灰度值，像元表面反射率，K，波段A通常称为增益、B称为偏移量利用与图像同时获取的地面定标物体的反射率，带入公式得到A和B，定标物体通常是地面布置的白板和黑体，或者是沙堆和较深的平静湖水,72,二、相对辐射校正,1）直方图最小值去除法（DOS）基本思想：影像中总有一些地物，其辐射亮度或

26、反射率接近0，则这些地物的像元值应该为零；但是实际影像中，这些地物的像元不为零；认为该值是大气散射、反射等进入的程辐射值。洁净并且具有一定深度和面积的水体深暗地形阴影,73,1）直方图最小值去除法（DOS）作出影像直方图找出直方图最小值（影像最小值）每个像元值都减去本波段的最小值,74,2）回归法,基本思想：以红外波段最低值校正可见光波段。随波长增长，大气散射作用减弱，红外波段受大气影响最小。可以把红外图象当作无散射的标准图象，将其他波段图像与之比较，其差值就是需要矫正的散射辐射值。选择可见光和红外波段进行2维散点图，建立线性回归方程。,75,2）回归法（续1）,76,三、地形辐射纠正,需要DEM余弦校正统计经验校正法C校正太阳天顶角，i太阳入射角，LH,水平面辐射，LT坡面辐射，c,调整因子,坡,遥感系统,i,90,77,三、地形辐射纠正,简单的处理方法比值法：有效消除阴影的影响。,