遙感數(shù)字圖像處理

1、遙感數(shù)字圖像處理Remote Sensing Digital Image Processing潘竟虎西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院2009年3月西北師范大學(xué)GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心3.1 概述1.遙感圖像的幾何變形有兩層含義一是指衛(wèi)星在運(yùn)行過程中,由于姿態(tài)、地球曲率、地形起伏、地球旋轉(zhuǎn)、大氣折射、以及傳感器自身性能所引起的幾何位置偏差。二是指圖像上像元的坐標(biāo)與地圖坐標(biāo)系統(tǒng)中相應(yīng)坐標(biāo)之間的差異。定義:遙感圖像上各地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等特征與在參照系統(tǒng)中的表達(dá)要求不一致時(shí),即說明遙感圖像發(fā)生了幾何畸變。注:遙感圖像的總體變形是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、偏扭、彎曲及其他變形綜合作用的結(jié)果。2 幾何

2、變形誤差的影響因素西北師范大學(xué)GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心(1 遙感器本身引起的畸變遙感器本身引起的幾何畸變與遙感器的結(jié)構(gòu)、特性和工作方式不同而異。這些因素主要包括:y1透鏡的輻射方向畸變像差;y2透鏡的切線方向畸變像差;y3透鏡的焦距誤差;y4透鏡的光軸與投影面不正交;y5圖像的投影面非平面;y6探測(cè)元件排列不整齊;y7采樣速率的變化;y8采樣時(shí)刻的偏差;y9 掃描鏡的掃描速度變化。西北師范大學(xué)GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心例如掃描形式成像的MSS,產(chǎn)生的幾何畸變主要是由于掃描鏡的非線性振動(dòng)和其它一些偶然因素引起的。在地面上影響可達(dá)395米。全景畸變:(2 外部因素引起的畸變西北師范大學(xué)GIS開發(fā)應(yīng)用研究

3、中心1地球自傳引起的誤差地球自轉(zhuǎn)對(duì)于瞬時(shí)光學(xué)成像遙感方式?jīng)]有影響,對(duì)于掃描成像則造成圖像平行錯(cuò)動(dòng)。如圖所示:y e :圖像錯(cuò)動(dòng)量;t e :掃描整景圖像時(shí)間t e =L/R ;v :緯度為時(shí)該點(diǎn)地球自轉(zhuǎn)線速度;L :像幅地面長度;R :地球平均半徑6378km ;:衛(wèi)星運(yùn)行平均角速度。V t y e e =GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心2地球曲率的影響設(shè)OA 0為成像基準(zhǔn)面,A 為地表一點(diǎn)。在考慮地球曲率影響情況下,A 與OA 0存在著由地球曲率引起的高差h ,A 在OA 0代表的平面上投影點(diǎn)為A 0,由于高差h 的存在使得A 點(diǎn)在像平面Fa 0上產(chǎn)生象點(diǎn)位移。一般來說,在星下點(diǎn)視場(chǎng)角比較小、掃描范圍

4、又比較小時(shí)地球曲率影響可以忽略,此時(shí)可以看成近垂直投影。hh R O A 2(020=0202/R O A h GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心3地形起伏的影響在高差同為正值的情況下,地形起伏在中心投影影像上造成的像點(diǎn)位移是遠(yuǎn)離原點(diǎn)向外移動(dòng),而在斜距投影(雷達(dá)影像上則是向內(nèi)變動(dòng)的(page.64。因此,在雷達(dá)影像上看到的是反立體。此外,高出地面物體的雷達(dá)影像可能帶有“陰影”,遠(yuǎn)景影像可能被近景影像所覆蓋。地面起伏引起投影點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)面上垂直投影點(diǎn)的像點(diǎn)產(chǎn)生的直線位移稱為地面起伏引起的像點(diǎn)位移,也叫投影差。H r h h =r 稱為向徑,像點(diǎn)至像底點(diǎn)的距離。h 為相對(duì)于基準(zhǔn)面的高程差。GIS開發(fā)應(yīng)用研究中

5、心傳感器一般的成像幾何形態(tài)有中心投影、全景投影、斜距投影以及平行投影等幾種不同類型。其中,全景和斜距投影產(chǎn)生圖像變形規(guī)律可以通過與正射投影的圖像相比較獲得。a .全景投影變形紅外機(jī)械掃描儀以及采用CCD 直線陣列作為檢測(cè)器的推帚式傳感器的每一條掃描線都相當(dāng)于中心投影,其成像面相當(dāng)全景縫隙攝影機(jī)的投影面,是一個(gè)圓柱面,稱之為全景面(page.61。因此,掃描視場(chǎng)角越大邊緣變形越大。誤差:PP P P P P y f y f f y f y f y y dy =/arctan(/(/tan(tan /(f 是焦距,為成像角,GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心b. 斜距投影變形側(cè)視雷達(dá)屬斜距投影,其成像變形規(guī)律

6、如圖3.2所示。誤差:(P P P P y f y f y y dy /arccos sin 1tan cos /1(=兩種成像方式對(duì)同一地物攝影成像的變形結(jié)果如下:GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心5傳感器外方位元素變化的影響內(nèi)方位元素:表示攝影中心與相片之間相關(guān)位置的參數(shù),如像主點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)x0,y,攝影中心到相片的垂距f。內(nèi)方位元素一般為已知值,由攝影機(jī)鑒定單位提供。外方位元素:確定攝影光束在攝影瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù),即6個(gè)自由度:三軸方向(X、Y、Z及姿態(tài)角(j、。GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心6個(gè)自由度其中任何一個(gè)發(fā)生變化,都會(huì)給遙感圖像帶來不同變形,這種畸變是成像瞬間的綜合影響。對(duì)于

7、不同類型的傳感器,外方位元素變化帶來的畸變可能不盡相同。位移變化速度變化高度變化側(cè)翻變化偏航變化俯仰變化GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心多光譜掃描圖像6個(gè)自由度變化對(duì)地面一個(gè)方格網(wǎng)圖像成像后帶來畸變的表現(xiàn)形式GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心整個(gè)大氣層不是一個(gè)均勻的介質(zhì),因此電磁波在大氣層中傳播時(shí)的折射率也隨高度的變化而變化,使電磁波傳播的路徑不是一條直線而變成了曲線,從而引起像點(diǎn)的位移,這種像點(diǎn)移位就是大氣折光差。側(cè)視雷達(dá)是按斜距投影原理成像的。雷達(dá)電磁波在大氣中傳播時(shí),一方面會(huì)因大氣折射率的變化而產(chǎn)生路徑彎曲,使傳播路徑變長;另一方面使電磁波傳播速度減慢,傳播時(shí)間增加。GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心遙感圖像再處理過程中

8、產(chǎn)生的誤差,主要是由于處理設(shè)備產(chǎn)生的噪聲引起的。y傳輸、復(fù)制y光學(xué)y數(shù)字GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心y遙感圖象的幾何粗處理和精處理。y遙感圖像的幾何糾正按照處理方式分為光學(xué)糾正和數(shù)字糾正。y遙感圖像的幾何糾正就是將含有畸變的圖像納入到某種地圖投影。對(duì)地面覆蓋范圍不大的單幅圖像,一般以正射投影方式使其改正到地球切平面上。y光學(xué)糾正主要用于早期的遙感圖像的處理中,現(xiàn)在的應(yīng)用已經(jīng)不多。除了對(duì)框幅式的航空照片(中心投影可以進(jìn)行比較嚴(yán)密的糾正以外,對(duì)于大多數(shù)動(dòng)態(tài)獲得的遙感影像只能進(jìn)行近似的糾正。y主要介紹數(shù)字圖像的幾何糾正,能夠較精確地改正線性和非線性變形誤差。GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心 GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心準(zhǔn)

9、備工作輸入原始圖象建立糾正函數(shù)確定輸出圖象的范圍逐個(gè)像元進(jìn)行幾何變化灰度的重采樣輸出糾正后的圖象效果評(píng)價(jià)兩個(gè)基本環(huán)節(jié):像元坐標(biāo)變換和像元灰度值重采樣GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心數(shù)字圖象幾何糾正:通過計(jì)算機(jī)對(duì)離散結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像中的每一個(gè)像元逐個(gè)進(jìn)行糾正處理的方法。這種方法能夠精確地改正動(dòng)態(tài)掃描圖像所具備的各種誤差?；驹?利用圖像坐標(biāo)和地面坐標(biāo)(另一圖像坐標(biāo)、地圖坐標(biāo)等之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,即輸入圖像和輸出圖像間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)現(xiàn)幾何校正。,(p p X p y x F X =,(p p Y p y x F Y =,(P P x p Y X f x =,(P P y p Y X f y =其中,(x p

10、,y p (X P ,Y P 分別是任意一個(gè)像元在原始圖像和糾正后圖像中的坐標(biāo)。直接法:正解變換公式間接法:反解變換公式GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心直接糾正方法:從原始圖像陣列出發(fā),按行列的順序依次對(duì)每個(gè)原始圖像像元點(diǎn)位用變換函數(shù)F(正解變換公式求得它在新圖像中的位置,并將該像元灰度值移置到新圖像的對(duì)應(yīng)位置上。間接糾正法:從空白的新圖像陣列出發(fā),按行列的順序依次對(duì)新圖像中每個(gè)像元點(diǎn)位用變換函數(shù)f ( (反解變換公式凡求其它在原始圖像中的位置,然后把算得的原始圖像點(diǎn)位上的灰度值賦予空白新圖像相應(yīng)的像元。GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心(2 確定新的圖像的邊界y糾正后圖像和原始圖像的形狀、大小、方向都不一樣。所以

11、在糾正過程的實(shí)施之前,必須首先確定新圖像的大小范圍。GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心根據(jù)正解變換公式求出原始圖像四個(gè)角點(diǎn)(a, b, c, d在糾正后圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)(a, b, c, d的坐標(biāo)(Xa,Ya(Xb,Yb (Xc,Yc (Xd,Yd,然后求出最大值和最小值。X= min (Xa, Xb, Xc, Xd1X= max (Xa, Xb, Xc, Xd2Y= min (Ya, Yb, Yc, YXd1Y= max (Ya, Yb,Yc, Yd2GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心(3 確定新圖像的分辨率y 目的是把邊界范圍轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)中糾正后圖像的儲(chǔ)存數(shù)組空間。y 必須在新圖像的范圍內(nèi),劃分網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)就是

12、一個(gè)像元。y 根據(jù)精度要求,定義輸出像元的地面尺寸X,Y ,并以邊界范圍左上角A 點(diǎn)為輸出圖像的坐標(biāo)原點(diǎn)。x軸(AC 表示圖像行號(hào),y(AB表示圖像列號(hào)。y 新圖像的行數(shù)M =(Y 2-Y 1/Y+1;y 新圖像的列數(shù)N =(X 2-X 1/X+1;y 新圖像在A-xy坐標(biāo)系的任意一個(gè)像元的坐標(biāo)由它的行列號(hào)唯一確定。y 行列號(hào)范圍:x=1,2,M ;y=1,2,Ny 任意一個(gè)輸出圖像坐標(biāo)(行列號(hào)與大地坐標(biāo)的關(guān)系為:y 式中:,為糾正后像元P 的地面坐標(biāo)y,為糾正后像元P 的圖像坐標(biāo)(行列號(hào)12+=Y Y Y x P p 11+=X X X y P p X y X X pP +=1(1Y x Y

13、 Y p P =1(2GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心(4 灰度的重采樣y糾正后的新圖像的每一個(gè)像元,根據(jù)變換函數(shù),可以得到它在原始圖像上的位置。如果求得的位置為整數(shù),則該位置處的像元灰度就是新圖像的灰度值。y如果位置不為整數(shù),則像元灰度值需根據(jù)周圍陣列像元的灰度確定,這種方法稱為灰度重采樣(這是相對(duì)遙感圖像獲取時(shí)已進(jìn)行過一次采樣而言。y常用的方法:1最近鄰法2雙線性內(nèi)插法3三次卷積法GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心1最近鄰法:距離實(shí)際位置最近的像元的灰度值作為輸出圖像像元的灰度值;GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心2雙線性法:以實(shí)際位置臨近的4個(gè)像元值,確定輸出像元的灰度值。公式為:=+=4141432144332211,

14、i ii ii n m pgp p p p p g p g p g p g p g (G2 G3G4G1GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心3三次卷積法以實(shí)際位置臨近的16個(gè)像元值,確定輸出像元的灰度值。公式為:=161161,i ii i i n m pg p g (GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心目的:將中心投影影像糾正成正射投影影像。航片的成像特點(diǎn):1.地物通過攝影中心與其成像點(diǎn)共一條直線;2.投影中心到像平面的距離為物鏡主距f;3.地面起伏使得各處影像比例尺不同;4.地物由于成像平面傾斜其成像會(huì)發(fā)生形變;5.具有高差的物體成像在相片上有投影差。將中心投影影像糾正到正射投影影像時(shí)必須考慮到地面的高程信息:利用已

15、知DEM;建立立體模型,利用左右視差解算出地面高程。中心投影構(gòu)像方程GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心 GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心中心投影構(gòu)像方程(The Collinearity Equation GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心航片的立體模型航空攝影中需要在同一照相高度,從兩個(gè)不同角度對(duì)同一地區(qū)拍攝的兩張像片(一個(gè)立體像對(duì)才能構(gòu)成立體模型。同一物體在兩張空中照片上,呈現(xiàn)出互有差別的影像,并具有不同的左右視差,假若用兩眼代替鏡頭,分別各看一張照片,則各像點(diǎn)在眼睛網(wǎng)膜上所形成的影像,同樣會(huì)形成不同的生理視差而獲得物體的立體效應(yīng)。GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心航片的立體模型 GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心航片測(cè)量高程差像對(duì)上同名地物點(diǎn)的

16、橫坐標(biāo)差稱為左右視差(橫坐標(biāo)差,如圖所示,地面點(diǎn)A 在左右兩像片上的影像分別為a 1 、a 2,A 點(diǎn)在左像片上的橫坐標(biāo)為X a1,在右像片上的橫坐標(biāo)為X a2,A 點(diǎn)左右視差P a = a 1+a 2。同樣,C 點(diǎn)的左右視差P c = c 1+c 2。地面上A C 兩點(diǎn)的高差h = H a H c (以A 為基準(zhǔn)點(diǎn),S 1S 2為攝影基線實(shí)長,P a = a 1+a 2和P c = c 1+c 2,表示A 點(diǎn)和C 點(diǎn)的左右視差。根據(jù)它們的幾何關(guān)系(圖中S 1a2a 2與S 2A S 1,用相似三角形對(duì)應(yīng)邊的比可推導(dǎo)得到高差與左右視差的關(guān)系公式,即:h = p.H A /(b+p式中:h 為C

17、 點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)A 的高(程差;p 為A 、C 兩像點(diǎn)間的左右視差較(P C -P a ,即C 像點(diǎn)的左右視差相對(duì)A 像點(diǎn)的左右視差的差數(shù)。b 為像片上攝影基線長(同一航片上兩個(gè)像主點(diǎn)距離,H A 為航高。GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心多中心投影影像的構(gòu)像方程=S A S A S A T T Z Z Y Y X X R R f y 00=0000cos sin 0sin cos 0001R =S A S A S A T T Z Z Y Y X X R R f y 00=0000cos 0sin 010sin 0cos 0R 1. CCD 推帚式傳感器(1.旁向傾斜(2.航向傾斜2. 全景攝影機(jī)=S A S A S A T T Z Z Y Y X X R R f x 0=cos sin 0sin cos 0001R 3. 紅外和多光譜掃描儀=S A S A T T Z Z Y Y X X R R f 00=cos sin 0sin cos 0001RGIS開發(fā)應(yīng)用研究中心 GIS開發(fā)應(yīng)用研究中心5、正射雷達(dá)圖