遙感數(shù)字圖像的幾何處理.ppt

1、2020/9/7,1,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,第四章 圖像校正遙感數(shù)字圖像的幾何處理,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,2,幾何糾正,在利用遙感圖像提取信息的過程中，要求把所提取的信息表達在某一個規(guī)定的圖像投影參照系統(tǒng)中，以便進行圖像的幾何量測、相互比較以及圖像復(fù)合分析等處理。 當原始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)中的表達要求不一致時，就需要校正。 在討論遙感圖像幾何變形的基礎(chǔ)上，介紹遙感數(shù)字圖像幾何糾正原理與方法。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,3,第一節(jié) 遙感數(shù)字圖像幾何處理概述,一、概述 遙感圖像的幾何處理就是解決遙感圖像的幾何變形的問題，

2、對遙感圖像進行幾何糾正。 1、重要性 第一，對遙感原始圖像進行幾何變形改正后，才能對圖像信息進行各種分析，制作滿足量測和定位要求的各類地球資源及環(huán)境的遙感專題圖。 第二，當應(yīng)用不同傳感方式、不同光譜范圍以及不同成像時間的各種同一地域復(fù)合圖像數(shù)據(jù)來進行計算機自動分類、地物特征的變化監(jiān)測或其他應(yīng)用處理時，必須進行圖像間的幾何配準，保證各不同圖像間的幾何一致性。 第三，利用遙感圖像進行地形圖測圖或更新,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,4,2、類型 光學(xué)糾正 通常不能對衛(wèi)星遙感圖像，特別是動態(tài)遙感圖像進行嚴格的糾正； 數(shù)字糾正 是建立在嚴格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，并可以遠點(或遠像素)地對圖像進行糾正

3、，因而原則上它可以對任何類型的傳感器圖像進行嚴格的糾正；,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,5,二、幾何變形的影響因素 遙感圖像的幾何變形誤差類型 靜態(tài)誤差 分為內(nèi)部誤差和外部誤差兩類變形誤差。 內(nèi)部誤差主要是由于傳感器自身的性能、技術(shù)指標偏離標稱數(shù)值所造成的，它隨傳感器的結(jié)構(gòu)不同而異，誤差較小，不做討論。 例如，對于框幅式航空攝影機，有透鏡焦距變動、像主點偏移、鏡頭光學(xué)畸變等誤差；對于多光譜掃描儀(MSS)，有掃描線首末點成像時間差、不同波段相同掃描線的成像時間差、掃描鏡旋轉(zhuǎn)速度不均勻、掃描線的非直線性和非平行性、光電檢測器的非對中等誤差。 外部變形誤差指的是傳感器本身處在正常工作的

4、條件下，由傳感器以外的各因素所造成的誤差。 例如傳感器的外方位(位置、姿態(tài))變化、傳感介質(zhì)的不均勻、地球曲率、地形起伏、地球旋轉(zhuǎn)等因素所引起的變形誤差等。 動態(tài)誤差,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,6,幾何校正 幾何粗校正：針對畸變原因進行的 傳感器：掃描速率不均勻 地球：曲率不同、自轉(zhuǎn)影像 衛(wèi)星運行：高度不恒定、速度不均一等 幾何精校正：利用控制點進行的，用畸變模型實施校正,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,7,影響因素： 1)傳感器成像幾何形態(tài)帶來的變形 傳感器一般的幾何成像方式包括 中心投影 全景投影 斜距投影 平行投影 在這幾種不同的類型中，其中，平坦地區(qū)的豎直攝影的

5、中心投影和豎直情況下的平行投影是沒有幾何形態(tài)變形的，因為中心投影圖像本身與地面景物保持相似的關(guān)系。 全景投影和斜距投影的結(jié)果，則產(chǎn)生圖像變形。 通常把豎直攝影的中心投影和平行投影(正射投影)的圖像視為基準圖像，而全景投影和斜距投影變形規(guī)律可以通過與中心投影或正射投影的影像相比較而獲得。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,8,I、全景投影變形 從右圖可以看出紅外機械掃描儀的成像面不是一個平面，而是一個圓柱面MON，相當于全景攝影機的投影面，稱之為全景面。圖中，地物點P在全景面上的像點P具有坐標yP，則 yP=f/ （4.1） 式中：f是焦距; 為成像角(以度為單位)；57295度弧度。,

6、2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,9,設(shè)(L)是一個等效的中心投影成像面，P點在(L)上的像點P具有坐標yp，則yp = ftan (42) 從式(41)和式(42)可以得到全景圖像坐標與等效中心投影圖像坐標之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系 進而可推導(dǎo)出全景變形公式,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,10,II、斜距投影變形 斜距投影類型傳感器通常是指側(cè)視雷達，如圖，S為雷達天線中心。地物點P的圖像坐標yP是雷達波束掃描方向的圖像坐標，它取決于斜距RP以及成像比例尺： 式中：為雷達成像陰極射線管上亮點的掃描速度；C為雷達波在物方空間中的傳播速度；H為傳感器航高；f為等效焦距。,2020/9/

7、7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,11,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,12,由于有 于是 此外，地面點P在等效的中心投影圖像oy上的成像點P的坐標yf可表達為,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,13,可推導(dǎo)雷達圖像坐標和等效中心投影圖像坐標間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即 則斜距投影的變形誤差為,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,14,全景投影和斜距投影兩種成像方式對同一地物攝影成像的變形結(jié)果見圖。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,15,2)、傳感器外方位元素變化的影響 傳感器的外方位元素通常指的是傳感器成像時的位置(XS，YS，ZS)，(X，Y，Z)和姿態(tài)角(，)；對于側(cè)視雷

8、達而言，還包括其運行速度(vx，vy，vz)。當外方位元素偏離標準位置而出現(xiàn)變動時，就會使圖像產(chǎn)生變形。 這種變形的影響一般是由地物點影像的坐標誤差來表達的，并可以通過傳感器的構(gòu)像方程得以解析。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,16,3)、地球起伏的影響 地球表面的高低變化，將使影像點產(chǎn)生位移。 具有方向投影幾何形態(tài)(中心投影、全景投影等)的傳感器與具有斜距投影幾何形態(tài)(側(cè)視雷達)的傳感器將有不同的地形起伏像點位移規(guī)律； 比如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位移是遠離原點向外移動的，而在雷達影像上則是向內(nèi)變動的，如圖這種投影差相反的特點，將使得我們對雷達影像

9、進行立體現(xiàn)測時看到的是反立體。此外，高出地面物體的雷達影像還可能帶有“陰影”，遠景影像可能被近景影像的陰影所覆蓋這也是與中心投影影像不同之處。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,17,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,18,4)、地球曲率的影響 地球曲率引起的像點位移類似地形起伏引起的像點位移。如圖設(shè)地面點到傳感器鉛垂線SO的投影距離為D，地球的半徑為R0，則根據(jù)因直徑與弦線交割線段間的固定數(shù)學(xué)關(guān)系可得 考慮到h相對于2Ro是一個很小的數(shù)值，對上式簡化后可得,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,19,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,20,5)、大氣折射的影響 大

10、氣層是一個非均勻的介質(zhì)，它的密度是隨離地面的高度增加而遞減的，所以電磁波在大氣中傳播的折射率也隨高度而變，從而使電磁波傳播的路徑不是一條直線而變成了曲線，進而引起了像點位移。 大氣折射對方向投影成像和距離投影成像的影響不一樣。中心投影和全景投影等部屬于方向投影，其成像點的位置取決于地物點入射光線的方向。如圖所示。 在無大氣折射影響時，地物點A通過直線光線 成像于a0點；當有大氣折射影響時，A點通過曲線光線 成像于a1點，因此而引起像點位移,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,21,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,22,6)、地球自轉(zhuǎn)的影響 在靜態(tài)傳感器(常規(guī)框幅式攝影機)成像的

11、情況下，地球自轉(zhuǎn)不會引起圖像變形，因為其幾何整幅圖像是在瞬間一次曝光成像的。 地球自轉(zhuǎn)主要是對動態(tài)傳感器的圖像產(chǎn)生變形影響，特別是對衛(wèi)星遙感圖像。 以陸地資源衛(wèi)星多光譜掃描儀為例，當衛(wèi)星北向南運行的同時，地球表面也在由西向東自轉(zhuǎn)，由于衛(wèi)星圖像每條掃描線的成像時間不同，因而造成掃描線在地面上的投影依次向西平移最終使得圖像發(fā)生扭曲。圖48顯示了地球靜止時的圖像(oncba)與地球自轉(zhuǎn)時的圖像(Mcba)在地面上投影的情況。由此可見，由于地球自轉(zhuǎn)的影響，產(chǎn)生了圖像底邊中點的坐標位移x和y，以及平均航偏角。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,23,遙感影像中，框幅式影像(包括美國陸地資源衛(wèi)星的

12、RBV影像)屬于純中心投影構(gòu)像全景影像屬于多中心等焦距圓柱投影，多光譜影像屬于多中心掃描投影，HRV影像屬于多中心推掃掃描投影，合成孔徑側(cè)視雷達屬于多中心斜距投影，由此可見，中心投影構(gòu)像是遙感影像構(gòu)像的基本原理。 中心投影構(gòu)像的幾何糾正目的是將中心投影影像糾正成正射投影影像。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,24,一 中心投影構(gòu)像原理 中心投影方式成像攝影是按小孔成像原理，在小孔處安裝一個攝影物鏡，在成像處放置感光材料定時定位啟閉快門快門開啟瞬間，被攝物體經(jīng)攝影物鏡成像于感光材料上，感光材料受投影光線的光化作用后，經(jīng)攝影處理取得景物的光學(xué)影像，成像的各條光線匯聚于物鏡中心O(如圖31

13、6)，形成成像的幾何特點，物鏡中心稱為攝影中心。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,25,已感光的底片經(jīng)攝影處理后得到的是負片，利用負片接觸曬印在相紙上，得到的是正片，負片與正片以攝影中心成幾何對稱(如圖)。 在相片解析時，我們就可以將攝影成像縮小成一個模型，模型o為點光源，其發(fā)出的光按照攝影成像光線的逆方向通過正成像平面投影到模型的承影面，并將模型納入設(shè)定的坐標系統(tǒng)中，如圖317所示。此時，點O可換用字母S表示，稱為投影中心(見圖317)。由中心投影構(gòu)像原理可以看出成像像片有以下特點(見圖318)。 (1)地物通過攝影中心與其成像點共一條直線。 (2)投影中心到像平面的距離為物鏡主距

14、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發(fā)生形變。 (5)具有高差的物體成像在相片上有投影差。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,26,地物通過攝影中心與其成像點共一條直線,投影中心到像平面的距離為物鏡主距f,具有高差的物體成像在相片上有投影差,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,27,考慮到以上特點，在將中心投影影像糾正成正射投影影像時必須考慮到地面的高程信息。高程信息的獲取有兩種途徑： 一是利用已知地面的高程，比加數(shù)字高程模型，通過單片糾正得到正射影像； 二是建立立體模型，利用形成立體模型的兩張相片的左右視差來解算出地面高程，再通過單片

15、糾正得到正射影像。 對于第一種情況，只需要進行單片解析就可以了；對于第二種情況，還需要立體模型的解算。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,28,實際工作中所拍攝的相片有傾斜和旋轉(zhuǎn)，因此必須建立物體與相片之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。 二 空間直角變換 要建立物體與相片上相應(yīng)影像的關(guān)系， 首先要確定攝影瞬間攝影中心與相片在地面設(shè)定的空間坐標系中的位置與姿態(tài)，描述這些位置和姿態(tài)的參數(shù)稱為相片的方位元素。 方位元素包括內(nèi)方位元素和外方位元素 內(nèi)方位元素是表示攝影中心與相片之間相關(guān)位置的參數(shù)， 外方位元素是表示攝影中心和相片在地面坐標系中的位置和姿態(tài)的參數(shù)。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,29,

16、像平面坐標系的原點：成像相片上兩兩相對的框標連線的交點。 像主點：投影中心垂直投影到相片平面上的點； 理想情況是，像主點應(yīng)與像平面坐標系的原點重合， 由于攝影像機安裝造成的誤差，像主點與像平面坐標系原點并不重合； 像主點在像平面坐標系中的坐標為xo,yo， 攝影中心到相片的垂距(主距)f構(gòu)成了內(nèi)方位元素的三個參數(shù)，內(nèi)方位元素一般為已知值，由攝影機鑒定單位提供。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,30,像點在像空間坐標系和像空間輔助坐標系之間的變換關(guān)系式由傳感器的方位元素得來，內(nèi)方位元素和外方位元素6個參數(shù)得出構(gòu)像方程解決像點的恢復(fù)，然后得出像點與物點之間的構(gòu)像方程以糾正影像。,2020

17、/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,31,幾何精校正,又稱為幾何配準 是把不同傳感器具有幾何精度的圖像、地圖或數(shù)據(jù)集中的相同地物元素精確地彼此匹配、疊加在一起的過程。 由用戶進行。 重要性 第一，對遙感原始圖像進行幾何變形改正后，才能對圖像信息進行各種分析，制作滿足量測和定位要求的各類地球資源及環(huán)境的遙感專題圖。 第二，當應(yīng)用不同傳感方式、不同光譜范圍以及不同成像時間的各種同一地域復(fù)合圖像數(shù)據(jù)來進行計算機自動分類、地物特征的變化監(jiān)測或其他應(yīng)用處理時，必須進行圖像間的幾何配準，保證各不同圖像間的幾何一致性。 第三，利用遙感圖像進行地形圖測圖或更新,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,32,基

18、本原理 計算機對圖像每個像素逐個的解析糾正處理完成的。 基本原理是回避成像的空間幾何過程，直接利用地面控制點(GCP)數(shù)據(jù)對遙感圖像的幾何畸變本身進行數(shù)學(xué)模擬。 校正前后圖像相應(yīng)點的坐標關(guān)系可以用一個適當?shù)臄?shù)學(xué)模型來表示。 具體實現(xiàn)過程 GCP確定一個數(shù)學(xué)模型,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,33,遙感數(shù)字影像幾何糾正的一般過程 遙感數(shù)字影像的幾何糾正的目的就是改正原始影像的幾何變形，生成一幅符合某種地圖投影或圖形表達要求的新的圖像，幾何糾正的一般步驟見圖。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,34,（1）準備工作。包括影像數(shù)據(jù)、地圖資料、大地測量成果、航天器軌道參數(shù)和傳感器姿

19、態(tài)參數(shù)的收集與分析，所需控制點的選擇和量側(cè)等。如果影像為膠片影像，則需將其掃描數(shù)字。 （2）原始數(shù)字影像輸入。技規(guī)定的格式將遙感數(shù)字影像用專門的程序談入計算機。 （3）建立糾正變換函數(shù)。糾正變換函數(shù)用來建立影像坐標和地面(或地圖)坐標問的數(shù)學(xué)關(guān)系即輸入影像與輸出影像間的坐標變換關(guān)系。糾正的方法按照采用的數(shù)學(xué)模型而不同，一般有多項式法、共線方程法、隨機場內(nèi)的插值法等。糾正變換函數(shù)中有關(guān)的系數(shù)，可以利用控制點數(shù)據(jù)解算，也可以利用衛(wèi)星軌道參數(shù)、傳感器姿態(tài)參數(shù)、航空影像的內(nèi)外方位元素等來直接構(gòu)成。 （4）確定輸出影像范圍。輸出影像范圍定義不恰當時，會造成糾正后的影像未被該范圍全部包括，面且還造成輸出影

20、像空白過多，如圖3.10所示。如果定義的輸出影像范圍恰當，糾正后的影像就全部包括在定義的范圍內(nèi)且能使空白影像面積盡可能少，如圖3.11所示。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,35,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,36,那么，怎樣才能得到恰當?shù)挠跋襁吔绶秶兀?把原始影像的四個角點a，b，c，d按照糾正變換函數(shù)投影到地圖坐標系中，得到8個坐標值(4對坐標)，分別找出X、Y的最大值和最小值，并以此確定輸出影像的范圍。 （5）像元幾何位置變換。像元幾何位置變換是按選定的糾正變換函數(shù)把原始的數(shù)字影像逐個像元地變換到輸出影像相應(yīng)的位置上去，變換方法分直接法糾正和間接法糾正(或稱正解法

21、與反解法)，如圖3.12。 兩種方法除考慮影像坐標的出發(fā)點不一樣外，糾正后影像像元的灰度賦值也不一樣。直接法中，糾正后像元獲取辦法稱為灰度重配置，面間接法稱為灰度重采樣。在實踐中常采用間接法進行糾正。 （6）像元的灰度重采樣。由于數(shù)字影像是客觀連續(xù)世界或相片的離散化采樣，,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,37,重采樣過程 像素位置變換 直接成圖法 間接成圖法 像素值變換 最近鄰重采樣 雙線性內(nèi)插重采樣 三次卷及內(nèi)插,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,38,該方法首先是從原始的畸變影像出發(fā)建立空間轉(zhuǎn)換關(guān)系，即,1)直接成圖法,式中：Fu、Fv為直接校正畸變函數(shù)。,然后利用上式按

22、行列的順序依次求出原始影像的每個像元點(x，y)在校正影像空間(也就是輸出影像坐標系)中的正確位置(u，v)，并把原始畸變影像的像元亮度值g(x，y)移到這個正確的位置上，即g(x，y)f(u，v)。,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,39,2020/9/7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,40,2)重采樣成圖法 該方法首先是從空白的輸出影像(校正后的影像)出發(fā)建立空間轉(zhuǎn)換關(guān)系，即,然后，利用上式按行列的順序依次對校正影像空間中的每個待輸出像元點(u，v)反求其在原始畸變影像空間中的共軛位置(x，y)，同時利用某種方法確定這一共軛位置的亮度值g(x，y)，并把此共軛位置的亮度值填入校正影像空間的f(u，v)位置，即g(x，y) f(u，v) 。,式中：Fx，F(xiàn)y為重采樣校正畸變函數(shù)。,2020/9/7