第4章遙感圖像處理4ppt課件

1、 當遙感圖像在幾何位置上發(fā)生了變化，產(chǎn)生諸如行列不均勻，像元大小與地面大小對應不準確，地物形狀不規(guī)則變化等畸變時，即說明遙感影像發(fā)生了幾何畸變。 遙感影像的總體變形相對于地面真實形態(tài)而言是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、偏扭、彎曲及其他變形綜合作用的結(jié)果。產(chǎn)生畸變的圖像給定量分析及位置配準造成困難，因此遙感數(shù)據(jù)接收后，首先由接收部門進行校正，這種校正往往根據(jù)遙感平臺、地球、傳感器的各種參數(shù)進行處理。而用戶拿到這種產(chǎn)品后，由于使用目的不同或投影及比例尺的不同，仍舊需要作進一步的幾何校正。 l遙感影像變形的原因 l遙感器的內(nèi)部畸變：由遙感器結(jié)構(gòu)引起的畸變。 l遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響 l地形起伏的影響l

2、地球表面曲率的影響l大氣折射的影響l地球自轉(zhuǎn)的影響l l遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響l 無論是衛(wèi)星還是飛機，運動過程中都會由于種種原因產(chǎn)生飛行姿勢的變化從而引起影像變形。l航高：當平臺運動過程中受到力學因素影響，產(chǎn)生相對于原標準航高的偏離，或者說衛(wèi)星運行的軌道本身就是橢圓的。航高始終發(fā)生變化，而傳感器的掃描視場角不變，從而導致圖像掃描行對應的地面長度發(fā)生變化。航高越向高處偏離，圖像對應的地面越寬 l遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響l航速：衛(wèi)星的橢圓軌道本身就導致了衛(wèi)星飛行速度的不均勻，其他因素也可導致遙感平臺航速的變化。航速快時，掃描帶超前，航速慢時，掃描帶滯后，由此可導致圖像在衛(wèi)星前進方

3、向上圖像上下方向的位置錯動。 l遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響l俯仰：遙感平臺的俯仰變化能引起圖像上下方向的變化，即星下點(地球中心與天體的連線在地球表面上的交點。)俯時后移，仰時前移，發(fā)生行間位置錯動。 l遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響l翻騰：遙感平臺姿態(tài)翻滾是指以前進方向為軸旋轉(zhuǎn)了一個角度?？蓪е滦窍曼c在掃描線方向偏移，使整個圖像的行向翻滾角引起偏離的方向錯動。 l遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響l偏航：指遙感平臺在前進過程中，相對于原前進航向偏轉(zhuǎn)了一個小角度，從而引起掃描行方向的變化，導致圖像的傾斜畸變。l地形起伏的影響 l 當?shù)匦未嬖谄鸱鼤r，會產(chǎn)生局部像點的位移，使原來本應是地面點

4、的信號被同一位置上某高點的信號代替。由于高差的原因，實際像點P距像幅中心的距離相對于理想像點P0距像幅中心的距離移動了r。高差引起的像點位移l地表曲率的影響l 地球是球體，嚴格說是橢球體，因此地球表面是曲面。這一曲面的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，一是像點位置的移動，當選擇的地圖投影平面是地球的切平面時，使地面點P0相對于投影平面點P有一高差h。 像點位移l地表曲率的影響l 二是像元對應于地面寬度的不等。由于傳感器通過掃描取得數(shù)據(jù)，在掃描過程中每一次取樣間隔是星下視場角的等分間隔。如果地面無彎曲，在地面瞬時視場寬度不大的清況下，L1，L2，L3，的差別不大。但由于地球表面曲率的存在，對應于地面的P1

5、，P2，P3，顯然P3-P1L3-L1，距星下點越遠畸變越大，對應地面長度越長。 像元對應于地面寬度的不等l地表曲率的影響l 全景畸變：即當傳感器掃描角度較大時，影響更加突出，造成邊緣景物在圖像顯示時被壓縮。假定原地面真實景物是一條直線，成像時中心窄、邊緣寬，但圖像顯示時像元大小相同，這時直線被顯示成反S形彎曲。 全景畸變導致S彎曲現(xiàn)象l大氣折射的影響l 大氣對輻射的傳播產(chǎn)生折射。由于大氣的密度分布從下向上越來越小，折射率不斷變化，因此折射后的輻射傳播不再是直線而是一條曲線，從而導致傳感器接收的像點發(fā)生位移 大氣折射的影響NPl地球自轉(zhuǎn)的影響l 衛(wèi)星前進過程中，傳感器對地面掃描獲得圖像時，地球

6、自轉(zhuǎn)影響較大，會產(chǎn)生影像偏離。因為多數(shù)衛(wèi)星在軌道運行的降段接收圖像，即衛(wèi)星自北向南運動，這時地球自西向東自轉(zhuǎn)。相對運動的結(jié)果，使衛(wèi)星的星下位置逐漸產(chǎn)生偏離。偏離方向如圖所示，所以衛(wèi)星圖像經(jīng)過校正后成為圖C的形態(tài)。 地球自轉(zhuǎn)引起偏離(a)獲得圖像（b實際對應的地面位置（c影像變形 從具有幾何畸變的圖像中消除畸變的過程。也可以說是定量地確定圖像上的像元坐標圖像坐標與目標物的地理坐標地圖坐標等的對應關系坐標變換式）。圖像糾正Rectification）：借助于一組地面控制點，對一幅圖像進行地理坐標的校正，又稱地理參照。 圖像配準Registration）：同一區(qū)域里一幅圖像對另一幅圖像的校準，以使兩

7、幅圖像中的同名像元配準。圖像正射校正Ortho-rectification）：借助地形高程模型DEM），對圖像中每個像元進行地形變形的校正，使圖像符合正射投影的要求。未校正圖像輸入圖像）（1確定校正方法（2確定校正公式幾何校正后的圖像輸出）（3檢驗校正方法校正式的有效性（4重采樣、內(nèi)插a)系統(tǒng)性校正b)非系統(tǒng)性校正c)復合校正l幾何校正的方法l系統(tǒng)性校正：當知道了消除圖像幾何畸變的理論校正公式時，可把該式中所含的與遙感器構(gòu)造有關的校準數(shù)據(jù)焦距等及遙感器的位置、姿態(tài)等的測量值代入到理論校正式中進行幾何校正。該方法對遙感器的內(nèi)部畸變大多是有效的?？墒窃诤芏嗲闆r下，遙感器的位置及姿態(tài)的測量值精度不高

8、，所以外部畸變的校正精度也不高。 l幾何校正的方法l非系統(tǒng)性校正：利用控制點的圖像坐標和地圖坐標的對應關系，近似地確定所給的圖像坐標系和應輸出的地圖坐標系之間的坐標變換式。l幾何校正的方法l復合校正：把理論校正式與利用控制點確定的校正式組合起來進行校正。 分階段校正的方法，即首先根據(jù)理論校正式消除幾何畸變?nèi)鐑?nèi)部畸變等），然后利用少數(shù)控制點，根據(jù)所確定的低次校正式消除殘余的畸變外部畸變等）； 提高幾何校正精度的方法，即利用控制點以較高的精度推算理論校正式中所含的遙感器參數(shù)、遙感器的位置及姿態(tài)參數(shù)。 幾何畸變有多種校正方法，但常用的是一種通用的精校正方法，適合于在地面平坦，不需考慮高程信息，或地面

9、起伏較大而無高程信息，以及傳感器的位置和姿態(tài)參數(shù)無法獲取的情況時應用。有時根據(jù)遙感平臺的各種參數(shù)已做過一次校正，但仍不能滿足要求，就可以用該方法作遙感影像相對于地面坐標的配準校正，遙感影像相對于地圖投影坐標系統(tǒng)的配準校正，以及不同類型或不同時相的遙感影像之間的幾何配準和復合分析，以得到比較精確的結(jié)果。l基本思路l 校正前的圖像看起來是由行列整齊的等間距像元點組成的，但實際上，由于某種幾何畸變，圖像中像元點間所對應的地面距離并不相等圖a）。校正后的圖像亦是由等間距的網(wǎng)格點組成的，且以地面為標準，符合某種投 影 的 均 勻 分 布圖b），圖像中格網(wǎng)的交點可以看作是像元的中心。校正的最終目的是確定校

10、正后圖像的行列數(shù)值，然后找到新圖像中每一像元的亮度值。 l具體步驟重采樣l找到一種數(shù)學關系，建立變換前圖像坐標x，y與變換后圖像坐標u，v的關系，通過每一個變換后圖像像元的中心位置u代表行數(shù)，v代表列數(shù)，均為整數(shù)計算出變換前對應的圖像坐標點x，y）。分析得知，整數(shù)u，v的像元點在原圖像坐標系中一般不在整數(shù)x，y點上，即不在原圖像像元的中心。l計算校正后圖像中的每一點所對應原圖中的位置x，y）。計算時按行逐點計算，每行結(jié)束后進入下一行計算，直到全圖結(jié)束。l具體步驟重采樣l重采樣的兩種方法l對輸入圖像的各個象元在變換后的輸出圖像坐標系上的相應位置進行計算，把各個象元的數(shù)據(jù)投影到該位置上。 l對輸出

11、圖像的各個象元在輸入圖像坐標系的相應位置進行逆運算，求出該位置上的象元數(shù)據(jù)。該方法是經(jīng)常采用的方法。 重采樣的方法l計算方法l建立兩圖像像元點之間的對應關系l （u,v) (x,y)，需求出12個系數(shù)，至少列出12個方程，即要找到6個已知的對應點控制點） l如果要提高精度，必須大大增加控制點的數(shù)目，用最小二乘法進行曲面擬合求系數(shù)。n0iin-0jijyn0iin-0jijxbv)(u,fyav)(u,fxiiiivuvu2022201101100020222011011000vbubuvbvbubbvauauvavauaayx實際計算時常采用2元2次多項式2元n次多項式l具體步驟內(nèi)插計算l計算

12、每一點的亮度值。由于計算后的x，y多數(shù)不在原圖的像元中心處，因此必須重新計算新位置的亮度值。一般來說，新點的亮度值介于鄰點亮度值之間，所以常用內(nèi)插法計算。 l計算方法l為了確定校正后圖像上每點的亮度值，只要求出其原圖所對應點x，y的亮度。通常有三種方法：l最近鄰法l雙向線性內(nèi)插法l三次卷積內(nèi)插法。 l計算方法l最近鄰法l 圖像中兩相鄰點的距離為1，即行間距x1，列間距y=1，取與所計算點(x,y)周圍相鄰的4個點，比較它們與被計算點的距離，哪個點距離最近，就取哪個的亮度值作為x,y點的亮度值fx，y）。設該最近鄰點的坐標為k,l）,那么k=Integer(x+0.5)l=Integer(y+0

13、.5)f(x,y)=f(k,l)幾何位置上的精度為0.5象元 最鄰近內(nèi)插法以距內(nèi)插點最近的觀測點的像元值為所求的像元值。該方法最大可產(chǎn)生0.5個像元的位置誤差，優(yōu)點是不破壞原來的像元值，處理速度快。 l計算方法l雙線性內(nèi)插法l 取x，y點周圍的4鄰點，在y方向或x方向內(nèi)插二次，再在x方向或y方向內(nèi)插一次，得到x，y點的亮度值f(x，y），該方法稱雙線性內(nèi)插法。設 4 個 鄰 點 分 別 為(i,j) ,(i,j+1),(i+1,j),l (i+1,j+1),過(x,y)作直線與x軸平行，與4鄰點組成的邊相交于點i,y)和(i+1,y)。先在y方向內(nèi)插,由f(i,j+1)和f(i,j)計算交點的

14、亮度fi,y)；由f(i+1,j+1)和f(i+1,j)計算交點的亮度f(i+1,y)。然后計算x方向，以f(i,y)和f(i+1,y)來內(nèi)插f(x,y)值。 雙線性內(nèi)插法使用內(nèi)插點周圍的4個觀測點的像元值，對所求的像元值進行線性內(nèi)插。缺點是破壞了原來的數(shù)據(jù)，但具有平均化的濾波效果。l計算方法l三次卷積內(nèi)插法l 增加鄰點來獲得最佳插值函數(shù)。取與計算點x，y周圍相鄰的16個點，與雙向線性內(nèi)插類似，可先在某一方向上內(nèi)插，每4個值依次內(nèi)插4次，求出f x ， j - 1 ） ，f(x,j)，f(x,j+1),f(x,j+2)，再根據(jù)這四個計算結(jié)果在另一方向上內(nèi)插，得到f(x，y）。 l 因這種三次多

15、項式內(nèi)插過程實際上是一種卷積，故稱三次卷積內(nèi)插。 3次卷積內(nèi)插法使用內(nèi)插點周圍的16個觀測點的像元值，用3次卷積函數(shù)對所求像元值進行內(nèi)插。缺點是破壞了原來的數(shù)據(jù)，但具有圖像的均衡化和清晰化的效果，可得到較高的圖像質(zhì)量。 l三種方法比較方法優(yōu)點缺點提醒最鄰近法簡單易用，計算量小處理后的圖像亮度具有不連續(xù)性，影響精確度雙線性內(nèi)插法精度明顯提高，特別是對亮度不連續(xù)現(xiàn)象或線狀特征的塊狀化現(xiàn)象有明顯的改善。 計算量增加，且對圖像起到平滑作用，從而使對比度明顯的分界線變得模糊。 鑒于該方法的計算量和精度適中，只要不影響應用所需的精度，作為可取的方法而常被采用。 3次卷積內(nèi)插更好的圖像質(zhì)量，細節(jié)表現(xiàn)更為清楚

16、。 計算量很大。欲以三次卷積內(nèi)插獲得好的圖像效果，就要求位置校正過程更準確，即對控制點選取的均勻性要求更高。 l控制點的選取l 幾何校正的第一步便是位置計算，首先是對所選取的二元多項式求系數(shù)。這時必須已知一組控制點坐標。 l控制點數(shù)目的確定l其最低限是按未知系數(shù)的多少來確定的。一次多項式有6個系數(shù)，就需要有6個方程來求解，需3個控制點的3對坐標值，即6個坐標數(shù)。 2次多項式有 12個系數(shù)，需求 12個方程6個控制點）。依次類推，n次多項式，控制點的最少數(shù)目為(n+1)(n+2)/2。l實際工作表明，選取最少數(shù)目的控制點來校正圖像，效果往往不好。在圖像邊緣處，在地面特征變化大的地區(qū)，如河流拐彎處等，由于沒有控制點，而靠計算推出對應點，會使圖像變形。因此，在條件允許的情況下，控制點數(shù)的選取都要大于最低數(shù)很多。l控制點的選取l控制點選取的原則l 控制點的選擇要以配準對象為依據(jù)。以地面坐標為匹配標準的，叫做地面控制點