第四章遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理-影像校正.ppt

1、第四章遙感圖像預(yù)處理,遙感成像過(guò)程,圖像畸變的分類,輻射畸變：指遙感傳感器在接收來(lái)自地物的電磁波輻射能時(shí)，電磁波在大氣層中傳輸和傳感器測(cè)量中受到遙感傳感器本身特性、地物光照條件（地形影響和太陽(yáng)高度角影響）以及大氣作用等影響，而導(dǎo)致的遙感傳感器測(cè)量值與地物實(shí)際的光譜輻射率的不一致。 幾何畸變：當(dāng)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(dá)要求不一致時(shí)，就產(chǎn)生幾何畸變。,遙感輻射校正,輻射畸變的主要原因,傳感器本身的性能引起的輻射誤差 地形影響和光照條件變化引起的輻射誤差 大氣散射和吸收引起的輻射誤差,常見(jiàn)的遙感傳感器系統(tǒng)誤差,隨機(jī)壞像元 行或列缺失 行或列條紋,隨機(jī)壞像

2、元的判定和消除,由傳感器的噪聲或磁帶等部件的誤碼率造成的，其特點(diǎn)是孤立和分散的，往往和周圍的亮度值有明顯的差別，并且彼此不相關(guān)。斑點(diǎn)可以通過(guò)將圖像像元亮度值同它的鄰近像無(wú)亮度值進(jìn)行比較來(lái)判定。,行列缺失的判定和消除,在掃描圖像中出現(xiàn)的與輻射信息無(wú)關(guān)的線條噪聲，其表現(xiàn)為圖像上的部分掃描行或線段的亮度值不反映地物的輻射，并與上下的亮度截然不同。,列缺失,遙感圖像的大氣校正,地物發(fā)射的電磁能量波在經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，大氣對(duì)電磁波的吸收和散射對(duì)遙感圖像的影響，其中主要的影響因素是大氣散射 大氣校正是指大氣散射校正，即消除大氣散射對(duì)輻射失真的影響。包括大氣的消光（吸收和輻射）、天空光照射、路徑輻射。,絕對(duì)校正

3、示意圖,常用大氣輻射校正模型,相對(duì)輻射校正,適用范圍： 歸一化單時(shí)相遙感影像不同波段間的強(qiáng)度 將多時(shí)相影像遙感數(shù)據(jù)各個(gè)波段的強(qiáng)度歸一化到某一選定的標(biāo)準(zhǔn)影像上,直方圖校正方法 從圖像像元亮度值中減去一個(gè)輻射偏置量（LP），輻射偏置量等于圖像直方圖中最小的輻射亮度值。 前提（假設(shè)）：水體（或陰影）等物體的灰度值為0，大氣散射導(dǎo)致圖像上這些物體的灰度值不為0（輻射偏置量） 暗物體法（Dark-object method）,回歸分析法,原理：在遙感圖像上大山的陰影區(qū)或深大水體區(qū)域，各個(gè)波段的反射為零。同時(shí)，大氣散射主要影響短波部分，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波段幾乎不受影響，因此可用其校正其它波段數(shù)據(jù)。 方法：在不受

4、大氣影響的波段（如TM5或7）和待校正的某一波段圖像中，選擇一系列目標(biāo)，將每個(gè)目標(biāo)的兩個(gè)待比較的波段灰度值提取出來(lái)進(jìn)行回歸分析，建立線性回歸方程。,Y：待校正波段的圖像亮度值 X：不受大氣影響波段的圖像亮度值,怎么求a,b？,遙感幾何校正,中心投影,定義：凡空間任意點(diǎn)A（物點(diǎn)）與一固定點(diǎn)S（投影中心）連成的直線或延長(zhǎng)線（即中心光線）被一個(gè)平面（像平面）所截，則此直線與平面的交點(diǎn)a（像點(diǎn)）稱為A點(diǎn)的中心投影。,從投影上而言，航空像片（正片）的位置，等于以投影中心為圓心，以焦距f為半徑，將P旋轉(zhuǎn)至P（下圖），P即為正像的位置。,投影距離的影響,中心投影：投影距離不同或焦距不同則像片的比例尺也不同。

5、 垂直投影：投影距離不同與像片比例尺無(wú)關(guān)。（不存在焦距）,投影傾斜面的影響,中心投影：投影面的傾斜造成同一個(gè)像片不同部位比例尺的差異。 垂直投影：不存在投影面的傾斜。,地形起伏的影響,中心投影：地形起伏造成像點(diǎn)位移。 垂直投影：不存在像點(diǎn)位移。,幾何校正方法 圖像幾何校正的基本方法是先建立幾何校正的數(shù)學(xué)模型；其次利用已知條件確定模型參數(shù)；最后根據(jù)模型對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正。通常分兩步：,圖像空間坐標(biāo)變換；首先建立圖像像點(diǎn)坐標(biāo)（行、列號(hào)）和物方（或參考圖）對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)間的映射關(guān)系，解求映射關(guān)系中的未知參數(shù)，然后根據(jù)映射關(guān)系對(duì)圖像各個(gè)像素坐標(biāo)進(jìn)行校正； 確定各像素的灰度值（灰度內(nèi)插）。,數(shù)字圖像幾何糾正

6、的主要處理過(guò)程,準(zhǔn)備工作：圖像、地圖、大地測(cè)量資料、平臺(tái)軌道參數(shù)、傳感器參數(shù)、控制點(diǎn)的選擇；（具體內(nèi)容可選） 糾正變換函數(shù)建立：輸入和輸出圖像間的坐標(biāo)變換關(guān)系；如多項(xiàng)式法、共線方程法等。,遙感幾何校正-校正模型,校正模型,通用校正模型 幾何多項(xiàng)式 DLT模型(Direct Linear Transformation ) RPC模型(Rational Funtion) 物理校正模型 共線方程,多項(xiàng)式模型,根據(jù)影像變形情況選取校正模型，不同模型需要控制點(diǎn)數(shù)目不同，一階多項(xiàng)式幾何校正(理論最小值)：3個(gè)控制點(diǎn)； 二階多項(xiàng)式幾何校正(理論最小值)：6個(gè)控制點(diǎn)； 三階多項(xiàng)式幾何校正(理論最小值)：10個(gè)

7、控制點(diǎn)； 四階多項(xiàng)式幾何校正(理論最小值)：15個(gè)控制點(diǎn)； 五階多項(xiàng)式幾何校正(理論最小值)：21個(gè)控制點(diǎn)；,DLT模型,可以認(rèn)為是共線方程的變化式x=(a1+a2X+a3Y+a4Z)/(c1+c2X+c3Y+c4Z) y=(b1+b2X+b3Y+b4Z)/(c1+c2X+c3Y+c4Z),Rational Polynomial Camera (RPC) model,r = fr(,h)/gr(,h) c = fc(,h)/gc(,h) x normalised co-ordinates x = (x-x_offset)/x_scale,Rational polynomial function

8、s,usually, 3rd order polynomials are used fr = a1+a2+a3+a4h +a5+a6h+a7h+a82+a92+a10h2+a11 h+a123+a132+a14h2+a152+a163+a17 h2+a182h+a192+a20h3 gr = b1+b2+b3+b4h +b5+b6h+b7h+b82+b92+b10h2+b11 h+b123+b132+b14h2+b152+b163+b17 h2+b182h+b192+b20h3 similarly, RPC coefficients c1, , c20, d1, , d20 in functi

9、ons fc and gc,傳感器校正物理模型,航空影像 航空直接定向 SPOT衛(wèi)星影像 IKONOS/QuickBird衛(wèi)星影像,航空影像,以飛機(jī)、氣球等飛行于大氣層中的飛行器作為攝影平臺(tái)。 傳感器：框幅式相機(jī)、面陣CCD、線陣CCD,共線方程,X,Z,Y,Xs,Ys,D,S,x,z,y,X,Y,XA-Xs,YA-Ys,N,Z,A,ZA-Zs,Zs,a,地面點(diǎn) (XA-Xs, YA-Ys,ZA-Zs),像點(diǎn)（X,Y,Z）,共線方程 影像坐標(biāo)、地面坐標(biāo)以及外方位參數(shù)之間的關(guān)系： x,y:影像坐標(biāo)；X,Y,Z:地面坐標(biāo)；XsYsZs：攝影中心的地面坐標(biāo)。 f:像片主距。 a,b,c由三個(gè)角元素定

10、義的33旋轉(zhuǎn)矩陣的系數(shù)，目的將影像坐標(biāo)換成地面坐標(biāo)系統(tǒng)。,內(nèi)定向,膠片影像：消除像片保存過(guò)程中因存放以及數(shù)字化掃描引起的像片變形。根據(jù)相機(jī)框標(biāo)位置關(guān)系計(jì)算變換參數(shù) x=a1+a2X+a3Y y=b1+b2X+b3Y 數(shù)字相機(jī)：傳感器關(guān)系較為穩(wěn)定，直接形成數(shù)字影像，按照像元大小直接轉(zhuǎn)換為像平面坐標(biāo),外方位元素計(jì)算,利用一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，根據(jù)共線方程，反求像片的外方位元素。（已知像片的內(nèi)方位元素，至少三個(gè)地面點(diǎn)坐標(biāo)并測(cè)出相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)） 計(jì)算步驟： 1）計(jì)算的數(shù)學(xué)模型：共線方程按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，取一次項(xiàng)（線性化）。 2）在像片的四角選取四個(gè)或更多地面控制點(diǎn)，利用最小二乘法平差計(jì)算。,測(cè)區(qū)解算,空

11、三解算,遙感幾何校正-高程數(shù)據(jù)獲取,高程數(shù)據(jù)的獲取,地形圖矢量化獲取等高線 立體觀測(cè) Lidar數(shù)據(jù)直接獲取,生理視差是產(chǎn)生立體視覺(jué)和判斷景物遠(yuǎn)近的原因。 立體觀察是根據(jù)立體視覺(jué)原理進(jìn)行的。實(shí)施立體觀察，必須是在連續(xù)拍攝的兩張空中照片的重疊部分上進(jìn)行的。,人造立體視覺(jué)：空間景物在感光材料上構(gòu)像，再用人眼觀察構(gòu)像的像片產(chǎn)生生理視差，重建空間景物的立體視覺(jué)，所看的空間景物稱為立體影像，產(chǎn)生的立體視覺(jué)稱為人造立體視覺(jué)。 人造立體視覺(jué)必須符合自然界立體觀察的四個(gè)條件： （1）兩張像片必須是在兩個(gè)不同位置對(duì)同一景物攝取的立體像對(duì)； （2）兩只眼睛必須只能分別觀察像對(duì)的一張像片； （3）兩像片上相同景物（

12、同名像點(diǎn)）的連線與眼基線應(yīng)大致平行； （4）兩像片的比例尺相近（差別 15%）,Light Detection And Ranging,LIDAR data,Horizontal resolution: 2m Vertical accuracy: 2cm,遙感幾何校正-控制點(diǎn)選取,控制點(diǎn)的選取,在影像上可以分辨并能在地圖上精確定位的地表位置,控制點(diǎn)的選取來(lái)源,地形圖 幾何校正后的數(shù)字正射影像 GPS野外測(cè)量獲取GCP坐標(biāo),控制點(diǎn)的選擇,地面控制點(diǎn)（GCP，Ground Control Point）: 一些特定的像元，其地圖坐標(biāo)或其它輸出坐標(biāo)為已知 人工地物 線性地物交叉點(diǎn) 不易隨時(shí)間變化的目標(biāo)

13、 大比例尺的圖像：道路交叉點(diǎn)、機(jī)場(chǎng)跑道、建筑物 小比例尺的圖像：城區(qū)、一些線性地物交叉點(diǎn)（河流、道路） 分布：較均勻分布與圖像范圍內(nèi)，保證足夠數(shù)量,1. 多項(xiàng)式糾正法的精度與地面控制點(diǎn)（GCP）的精度、分布、數(shù)量及糾正范圍有關(guān)； GCP的位置精度越高，則幾何糾正的精度越高；GCP的個(gè)數(shù)不少于多項(xiàng)式的系數(shù)個(gè)數(shù)；適當(dāng)增加GCP的個(gè)數(shù)，可以提高幾何糾正的精度。 20-30個(gè)GCP，一般可以滿足需求 2 GCP分布應(yīng)盡可能在整幅圖像內(nèi)均勻分布，否則在GCP密集區(qū)精度較高，在GCP分布稀疏區(qū)出現(xiàn)較大誤差,控制點(diǎn)的選擇,配準(zhǔn)點(diǎn)的選取,控制點(diǎn)選取的標(biāo)準(zhǔn),校正模型約定控制點(diǎn)數(shù)目 控制點(diǎn)殘差評(píng)價(jià)控制點(diǎn)選取好壞,

14、遙感幾何校正-數(shù)據(jù)重采樣,影像重采樣,影像重采樣,影像重采樣,原始影像灰度表面 最近鄰內(nèi)插法,雙線性內(nèi)插法 三次內(nèi)插法,像素灰度內(nèi)插法效果比較,遙感配準(zhǔn)及鑲嵌,影像配準(zhǔn) (Matching) 是將同一地區(qū)的不同特性的相關(guān)影像(如不同傳感器，不同日期，不同波段或傳感器在不同位置獲取的同一地區(qū)地物)在幾何上互相匹配，即實(shí)現(xiàn)影像與影像間地理坐標(biāo)及像元空間分辨率上的統(tǒng)一。, 相對(duì)配準(zhǔn) 選擇某一衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為參考圖象，將其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)與之配準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱圖像對(duì)圖像的配準(zhǔn)。, 絕對(duì)配準(zhǔn) 將所有的圖像分別校正到地圖坐標(biāo)系下。,精糾正后SPOT,配準(zhǔn)后TM,DRG,SPOT與TM影像的配準(zhǔn),已有高精度糾正結(jié)果時(shí)：在對(duì)已有糾正圖像進(jìn)一步檢查的基礎(chǔ)上，以糾正好的、幾何精度高的數(shù)據(jù)為底圖，進(jìn)行配準(zhǔn)糾正。,監(jiān)測(cè)范圍較小時(shí)：高幾何分辨率全色SPOT 先幾何校正到地 圖坐標(biāo)系，再將TM 配準(zhǔn)到全色SPOT上。,監(jiān)測(cè)范圍較大時(shí)：先將高質(zhì)量的某一時(shí)相TM數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾 正，象元采樣成10米的地面分辨率，作為標(biāo)準(zhǔn)影象地圖；再 將其余衛(wèi)星數(shù)據(jù)以景為單元與其進(jìn)行相對(duì)配準(zhǔn)。,影像配準(zhǔn)或校正,配準(zhǔn)精度檢查,加密控制點(diǎn),選取控制點(diǎn),滿足,配準(zhǔn)結(jié)束,不滿足,滿足要求嗎？,快速融合結(jié)果