遥感图像几何校正课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,*,ppt课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,*,ppt课件,*,第二节 遥感数字图像的几何校正,第一部分 遥感图像的几何畸变,第二部分 遥感图像的几何校正,1,ppt课件,第二节 遥感数字图像的几何校正第一部分 遥感图像的几何畸,本章教学要求及教学重点,教学要求：,1,、掌握遥感数字图像几何畸变的原因,2,、掌握遥感图像几何校正的过程,教学重点：,遥感图像几何校正过程,2,ppt课件,本章教学要求及教学重点教学要求：2ppt课件,图像退化与复原,遥感是通过对反映地物电磁波信息的处理分析与解译来进行地物识别和专题研究的。,理想的遥感图像,是：能如实、不扭曲地反映地物的辐射能量分布和几何特征的图像。而实际上，这种情况是不存在的。,在实际工作中，我们所得到的图像都在不同程度上与地物的辐射能量或亮度分布有差异，即存在着畸变和降质，如成像、感测、传输及显示等过程都会造成图像的降质。,3,ppt课件,图像退化与复原遥感是通过对反映地物电磁波信息的处理分析与解译,通常将造成图像质量下降的这类问题称为,图像畸变,，或称为,退化（,degradetion,）,。对一个退化的图像进行处理，使它恢复到原始目标的状态称为,图像复原,(Restoration),，,它是处理由于一个或多个质量降级原因而记录下来的影像，使处理后的图像能更好地接近原始景物。,在遥感数字图像处理中，为了取得良好的处理效果，所处理的图像必须经过,几何校正,（几何粗校正和几何精校正）、,辐射校正以及噪声抑制,等处理后，才能根据实际待研究问题的需要进行诸如图像增强、分类的处理,。,遥感图像的降质主要可以归结为两大类：,辐射失真,和,几何畸变,。,图像退化与复原,4,ppt课件,通常将造成图像质量下降的这类问题称为图像畸变，或称为退化（d,图像复原的特点：,（,1,）图像的退化是对整幅图像描述的，因而求解也是对整幅图像而言。,（,2,）为构造的模型求算一个最佳结果，,数学上要求比较严谨,。,（,3,）通过对原始目标比较来评价复原的结果。,5,ppt课件,图像复原的特点：（1）图像的退化是对整幅图像描述的，因而求解,第一部分 遥感图像的几何畸变,一、引言,二、引起遥感图像几何变形的影响因素,6,ppt课件,第一部分 遥感图像的几何畸变一、引言6ppt课件,一、引言,几何畸变,：图像像元在图像中的坐标与其在地图坐标系中的坐标之间的差异。,按照图像畸变的性质划分，几何畸变可分为,系统性畸变,和,随机性畸变,。,系统性畸变,（内部）,是指遥感系统造成的畸变，这种畸变一般有一定的规律性，并且其大小事先能够预测，,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,（外部）,是指大小不能预测，其出现带有随机性质的畸变，,例如地形起伏造成的随地形而异的几何偏差。,7,ppt课件,一、引言 几何畸变：图像像元在图像中的坐标与其在地图坐标系中,8,ppt课件,8ppt课件,9,ppt课件,9ppt课件,二、引起遥感图像几何变形的影响因素,1,、传感器成像投影方式带来的变形,传感器有,中心投影，全景投影，斜距投影以及平行投影,等几种成像方式。地形平坦地区的中心投影和垂直投影没有几何畸变，但对全景投影和斜距投影则产生图像变形。,常把,中心投影,和,平行投影（正射投影）,的图像视为基准图像，而全景投影和斜距投影变形规律可以通过与中心投影或正射投影的影像相比较而获得。因此，,航空像片的解译理论是各种遥感图像的解译基础,。,10,ppt课件,二、引起遥感图像几何变形的影响因素1、传感器成像投影方式带来,（,1,）全景投影（线中心投影）变形,由于全景相机的像距保持不变，而物距随扫描角的增大而增大，因此出现,两侧影像变形较大,的现象，使整个影像产生全景畸变。,比例尺？,11,ppt课件,（1）全景投影（线中心投影）变形由于全景相机的像距保持不变，,（,2,）斜距投影变形,斜距变形,侧视雷达,采用斜距投影，它与摄像机中心投影方式完全不同。,斜距投影的变形误差为：,12,ppt课件,（2）斜距投影变形斜距变形 侧视雷达采用斜距投影，它与摄像机,无变形,全景变形,斜距变形,13,ppt课件,无变形 全景变形 斜距变形 13ppt课件,航高,航速,俯仰,翻滚,航偏,2,、传感器,外方位元素,变化的影响,传感器成像时的位置和姿态角,14,ppt课件,航高2、传感器外方位元素变化的影响传感器成像时的位置和姿态角,3,、地形起伏的影响,R,地形起伏对中心投影造成的像点位移是,远离原点向外变动,，在雷达影像上是,向内变动,的。,15,ppt课件,3、地形起伏的影响R地形起伏对中心投影造成的像点位移是远离原,4,、地球表面曲率的影响,R,16,ppt课件,4、地球表面曲率的影响R16ppt课件,5,、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到上越来越小，折射率不断变化，折射后的辐射传播不再是直线而是一条曲线，从而导致传感器接收的像点发射位移。,R1,R2,R3,R4,斜向的电磁波经历的是一条弯曲的传输路线,a,a,0,a,a,0,17,ppt课件,5、大气折射的影响 大气对辐射的传播产生折射。,6,、地球自转的影响,地球始终在自转，而且在不同的纬度，地球转动的线速度不同。地球资源卫星完成一景图像的扫描，在此期间，地球已经转过一定的角度，所以，图像记录的并非一个正方形的地面区域，而是一个存在扭曲的四边形区域。,18,ppt课件,6、地球自转的影响 地球始终在自转，而且在不同,地球自转的影响,左图显示了地球静止的图像,(oncba),与地球自转的图像,(onc,b,a,),在地面上投影的情况。由图可见，由于地球自转的影响，产生了,图像底边中点的坐标位移,x,和,y,，以及,平均航偏角,。,19,ppt课件,地球自转的影响 左图显示了地球静止的图像,第二部分 遥感图像的几何校正,一、几何校正的分类,二、几何校正的一般过程,三、几何校正的方案,四、几何校正的算法,20,ppt课件,第二部分 遥感图像的几何校正一、几何校正的分类20pp,几何校正的重要性：,为了解决遥感图像与地图投影的匹配问题，其重要性如下：,1,、只有进行校正后，才能对图像信息进行分析，制作满足测量和定位要求的各类遥感,专题图,。,2,、在同一地域，应用不同传感器、不同光谱范围及不同成像时间的各种图像数据进行,计算机自动分类、地物特征的变化监测或其它应用处理时，必须进行图像间的空间配准,，保证不同图像间的几何一致性；,3,、利用遥感图像进行地形图测图或更新时，要求图像具有较高的地理坐标精度。,21,ppt课件,几何校正的重要性：为了解决遥感图像与地图投影的匹配问题，其重,一、几何校正的分类,几何校正一般在遥感信息提取之前进行。,几何校正,就是校正成像过程中造成的各种几何畸变，分为,2,类：,1,、,几何粗校正,:,针对引起遥感系统畸变的原因而进行的校正,.,2,、,几何精校正（几何配准）：,把不同传感器具有几何精度的图像、地图或数据中的相同地物元素精确地彼此匹配、叠加在一起的过程。,22,ppt课件,一、几何校正的分类几何校正一般在遥感信息提取之前进行。22p,几何精校正,几何精校正是以,基础数据集,作为参照，选取,控制点,进行几何校正。此校正不考虑引起畸变的原因。,若基础数据集是图像，该过程叫,相对校正,，即以一景图像作为基础，是,图像图像校正,；,若以地图为基础校正其他图像，则叫,绝对校正,，是,图像地图校正,，常用于,GIS,中。,一般地,来自与相同平台位置和传感器的多光谱图像容易校正。,23,ppt课件,几何精校正几何精校正是以基础数据集作为参照，选取控制点进行几,二、几何校正的一般过程,输,入,原,始,数,字,影,像,像,元,灰,度,重,采,样,输,出,纠,正,数,字,影,像,遥感数字影像几何校正的一般过程,确,定,工,作,范,围,选,择,地,面,控,制,点,选,择,地,图,投,影,匹,配,地,面,控,制,点,与,像,元,位,置,选,择,校,正,函,数,和,相,关,参,数,24,ppt课件,二、几何校正的一般过程输像输遥感数字影像几何校正的一般过程确,1,、准备工作。,收集和分析影像数据、地图资料、大地测量成果、航天器轨道参数和传感器姿态参数，所需控制点的选择和量测等。,2,、原始数字影像输入。,按规定的格式将遥感数字影像用专门的程序读入计算机。,3,、确定工作范围并裁剪,一般裁剪范围要大于工作范围。,4,、选择地面控制点,（直接影响图像最后的校正精度）,根据图像特征和地区情况，结合野外调查和地形图选择地面控制点。,5,、选择地图投影,，确定合适的相关投影参数。,25,ppt课件,1、准备工作。25ppt课件,6,、匹配地面控制点和像素位置,地面控制点与相应像素为同名地物点，应清晰无误地进行匹配。,7,、评估校正精度,中低分辨率图像的精度以,像素,为单位，平均精度在,1,个像元内,；,高分辨率图像的精度以,米,为单位。校正后，一般应求出,平均误差,（均方根误差,RMSE,，即平均误差平方和的平方根）,和地面控制点的最大误差,。,8,、坐标变换,校正变换函数用来建立影像坐标和地面（地图）坐标间的数学关系，即输入影像和输出影像间的坐标变换关系。,纠正方法一般有,多项式法、共线方程法、随机场内的插值法,等。,26,ppt课件,6、匹配地面控制点和像素位置26ppt课件,9,、像元的灰度重采样。,因数字影像是相片的离散化采样，当想知道非采样点的灰度值时，就需要由采样点（已知像素）内插，称为,重采样,。,其附近像素（采样点）的灰度值对被采样点的影响的大小可以用重采样函数来表达。,常用的方法有四种：,（下面具体介绍）,（,1,）邻近像元法：最简单，精度低,（,2,）双线性插值法：最常用,（,3,）三次卷积插值法：精度高但速度慢,（,4,）双像素重采样法：对一个像素在,x,y,方向均扩大,1,倍，然后再对放大了,1,倍的影像重采样。精度较好。,10,、输出纠正数字影像。,27,ppt课件,9、像元的灰度重采样。27ppt课件,原始影像 纠正后影像,注：地面控制点（,GCP,）是几何校正中用来建立纠正方程,的基础，是最关键的数据。,28,ppt课件,原始影像,注意：控制点选择问题,1,）控制点数目：,最少控制点数目,N=(n+1)(n+2)/2 ,其中,n,为二元多项式的次数,;,但控制点个数都大于最低数目（有时为,6,倍），一般地，都多选取,20,30,个控制点。,2,）选择目标：,控制点分布均匀，边界、四角要有，以避免图像校正不能满幅，地形起伏大的区域要多选；,所选点在图像上要易辨认且目标较小，如道路的交叉点、河流的分叉处或弯曲处、飞机场等，而且这些特征在研究时间范围内没有变化。,29,ppt课件,注意：控制点选择问题1）控制点数目： 29ppt课件,可以通过,地形图或现场实测,获取。地形图与图像获取日期应尽量接近。,影像分辨率与相应比例尺的地形图配准，如：,Landsat TM,（,30,米，彩色），,1:10,万 地形图,SPOT5(10,米，彩色,),，,1:5,万 地形图,Quickbird,（彩色，,2.44,米）,1:5,千 地形图,还可以使,低精度图像与高精度图像配准,(,在高精度图像上选点,),3,）地面控制点坐标的确定,30,ppt课件,可以通过地形图或现场实测获取。地形图与图像获取日期应尽量接近,GPS,测控制点：,TM,数据（,30,米），,GPS,精度应在,10,20,米之间；,SPOT,数据（,5,10,米），,GPS,精度应在亚米级；,更高的校正精度要求，宜用差分,GPS,来获取坐标。,但使用,GPS,测量,要注意投影问题,。,GPS,使用的是,WGS84,经纬度投影，在使用前可能要进行投影转换。,地面控制点的地理坐标必须与投影要求一致,，否则会带来较大误差。,31,ppt课件,GPS测控制点：TM数据（30米），GPS精度应在1020,三、几何校正的方案,像元空间坐标变换,是按选定的校正函数把原始的数字影像逐个像元地变换到输出影像相应的坐标上去，变换方法有,2,种：,（一）直接校正法,（二）间接校正法,32,ppt课件,三、几何校正的方案像元空间坐标变换是按选定的校正函数把原始的,（一）直接校正法,直接法：由,x,y,求出,X,Y,设任意像元在原始图像和纠正后图像中的坐标分别为,(x,y),和,(X,Y),即,(x,y),为原始坐标，,(X,Y),为纠正后坐标,:,从原始图像出发,，按一定的换算关系求出变换后的图像。,33,ppt课件,（一）直接校正法直接法：由x,y求出X,Y设任意像元在原始图,但用,直接法,（正解法）得到的纠正图像上的像点不是规则排列，有的可能重复，有的可能无像点，难以获取规则排列的数字图像，所以常采用,间接法,（,反解法）,纠正图像。,34,ppt课件,但用直接法（正解法）得到的纠正图像上的像点不是规则排列，有的,（二）间接校正法,间接法,:,由,X,Y,求出,x,y,设任意像元在原始图像和纠正后图像中的坐标分别为,(x,y),和,(X,Y),即,(x,y),为原始坐标，,(X,Y),为纠正后坐标,:,从,校正后图像,出发，按一定换算关系反求算出原始图像上像点坐标,.,35,ppt课件,（二）间接校正法间接法:由X,Y求出x,y设任意像元在原始图,灰度内插：,不管是直接法还是间接法，求出新的像点位置后，都要通过灰度内插法求出该位置的灰度值。,灰度内插,：,利用像元周围多个像点的灰度值求出该像元灰度值的过程。,36,ppt课件,灰度内插：不管是直接法还是间接法，求出新的像点位置后，都要通,37,ppt课件,37ppt课件,单株立木校正前后对比,38,ppt课件,单株立木校正前后对比38ppt课件,四、几何校正的算法（计算模型）,（一）共线方程校正法,（二）多项式校正法,39,ppt课件,四、几何校正的算法（计算模型）（一）共线方程校正法39ppt,共,线,方,程,原,理,镜头中心、像点、地面点位于同一直线上，称为三点共线。,（一）共线方程校正法,40,ppt课件,共镜头中心、像点、地面点位于同一直线上，称为三点共线。（一）,共线方程纠正法,是建立在对传感器成像时的,位置和姿态,进行模拟和解算的基础上，即构像瞬间的像点与相应的地面点应位于通过传感器投影中心的一条直线上。,共线方程的参数可以预测给定，也可以按,最小二乘法原理,求解，得到各像点的改正数，以达到校正目的。,41,ppt课件,共线方程纠正法是建立在对传感器成像时的位置和姿态进行模拟和解,共线方程法与多项式法相比，,理论上严密,，因考虑了地物点高程的影响，因此，在,地形起伏较大的情况,下较为优越。,但此法,需要高程信息,，且在一幅图像中，受传感器位置和姿态的影响，其外方位元素的变化规律只能近似表达，因此有一定的局限性，使其在理论上的严密性难以严格保证，所以相对于多项式法，其,精度提高并不明显，而且计算量较大,。,42,ppt课件,共线方程法与多项式法相比，理论上严密，因考虑了地物点高程的影,43,ppt课件,43ppt课件,（二）多项式校正法,多项式校正法原理直观、计算简单，适用于,地势平坦地区,。此方法适用于多种图像。,原理：,选择一个,多项式,近似描述校正前后相应点的坐标关系，利用控制点的图像坐标和参考坐标系中的理论坐标按,最小二乘法原理,求解出多项式的系数，然后以此多项式对图像进行几何校正。,44,ppt课件,（二）多项式校正法多项式校正法原理直观、计算简单，适用于地势,第一步：位置计算,两个图像之间的关系，可用数学关系描述,:,x=f,x,(u,v),y=f,y,(u,v),首先寻找两个图像已知的对应点，称作,控制点,GCP,，这些控制点在两个图像上的坐标分别已知，使用,最小二乘法,和已知控制点坐标求出未知的系数,aij,和,b,ij,，于是找到了两种图像间的数学关系。然后，依次代入校正后图像的每个像元点的坐标，求出相应的,X,和,Y,值，完成位置计算。,上述数学关系常表示为二元多项式（一次、二次、三次或更高次）表达，其中二元二次多项式可以表示为：,45,ppt课件,第一步：位置计算两个图像之间的关系，可用数学关系描述:x=f,注意：,1,）多形式校正的精度与地面控制点的精度、分布和数量及校正的范围有关。,地面控制点的精度越高、分布越均匀、数量越多，几何校正的精度越高。,2,）采用多项式校正时，即使平均误差较小，并不能保证图像各点的误差都小。,3,）多项式阶数的确定，取决于图像的几何变形程度，,若变形不大，用,1,阶多项式也可，并非阶数越高越好。,46,ppt课件,注意：1）多形式校正的精度与地面控制点的精度、分布和数量及校,第二步：亮度值内插计算（灰度重采样）,由于位置计算后找到的对应的,x,和,y,值，大多不在原来像元的中心，因此，必须重新计算新位置的亮度值。,一般地，新点的亮度值介于邻点亮度值最大和最小值之间，常采用,最近邻法,进行重采样。,47,ppt课件,第二步：亮度值内插计算（灰度重采样）由于位置计算后找到的对应,最近邻法,：取被计算点周围相邻的,4,个点，比较它们与被计算的点的距离，哪个点距离最近，就取哪个点的亮度值做为被计算点的亮度值。,特点：,最近邻法,计算简单，节省计算机机时。在几何位置上误差为,0.5,像元。但原图像中的某些线性特征会被扭曲或变粗成块，影响了精确度。,1,、最近邻点内插法,48,ppt课件,最近邻法：取被计算点周围相邻的4个点，比较它们与被计算的点的,2,、双线性内插法,双线性内插法：,取被计算点周围相邻的,4,个点，在,y,方向（,x,方向）内插,2,次，再在,x,方向上内插,1,次，得到所求的亮度值。,实际计算时，先对全副图像沿行依次计算每一个点，再沿列逐行计算，直到全部点计算完毕。,评价：与最近邻法相比，,计算量增加但精度提高,；但是对图像起到“,平滑,”作用，使对比度明显的分界线变得模糊。此法计算量和精度适中，只要不影响应用需要的精度，作为可取的方法常被采用。,49,ppt课件,2、双线性内插法双线性内插法：取被计算点周围相邻的4个点，在,3,、三次卷积内插法,取被计算点周围相邻的,16,个点的像元值，用,3,次卷积函数,f(x),对所求的像元值进行内插。,三次卷积法的内插精度较高，但是运算量很大。,注意：,若想选三次卷积法获取来好的图像效果，就要求位置校正过程更准确，即对控制点选取的均匀性要求更高。若前面的工作没做好，三次卷积也得不到好的结果。,50,ppt课件,3、三次卷积内插法取被计算点周围相邻的16个点的像元值，用3,应用实例,下图是使用不同控制点产生的,TM,图像的校正结果，都是使用,1,阶多项式和最近邻重采样。,51,ppt课件,应用实例下图是使用不同控制点产生的TM图像的校正结果，都是使,1)4,个控制点且集中分布，变形大,;,2)11,个控制点，分布均匀，误差仍大，因为控制点越多，不能准确定位的控制点也越多，但结果比上面的好,.,52,ppt课件,1)4个控制点且集中分布，变形大;52ppt课件,3)5,个控制点均匀分布，图像基本合要求；,4,）,9,个控制点，平均误差减小，但校正结果没显著差异。,53,ppt课件,3)5个控制点均匀分布，图像基本合要求；53ppt课件,小结,:,因此，,控制点数目不如控制点的分布对校正结果的影响大,。,只有在符合空间均匀分布要求的情况下，增加控制点数目才可能提高校正精度。,软件提供的校正误差只是平均误差，仅供参考，不能因此认为校正后每个像素的误差都小于该误差值，某些位置校正后的误差值可能远高于平均误差。,54,ppt课件,小结:因此，控制点数目不如控制点的分布对校正结果的影响大。只,小结：几何精校正步骤,1,、调入图像，比较观察；,2,、确定二元多项式的次数 ；,3,、确定,GCP,的个数；,4,、选取,GCP,，尽可能均匀分布在图像上；,5,、重采样计算，得到校正后的新图像；,6,、核实校正过程精度，使总误差控制在一个像元内。,注：关于几何精校正的步骤和内容部分一定要掌握！,55,ppt课件,小结：几何精校正步骤1、调入图像，比较观察；55ppt课件,