4第四章 遥感数字图像的几何处理

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,第四级,第五级,*,鲁东大学地理与规划学院,*,第四章 图像校正,遥感数字图像的几何处理,2024/11/20,1,鲁东大学地理与规划学院,几何纠正,在利用遥感图像提取信息的过程中，要求把所提取的信息表达在某一个规定的图像投影参照系统中，以便进行图像的几何量测、相互比较以及图像复合分析等处理。,当原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时，就需要校正。,在讨论遥感图像几何变形的基础上，介绍遥感数字图像几何纠正原理与方法。,2024/11/20,2,鲁东大学地理与规划学院,第一节,遥感数字图像几何处理概述,一、概述,遥感图像的几何处理就是解决遥感图像的几何变形的问题，对遥感图像进行几何纠正。,1,、重要性,第一，对遥感原始图像进行几何变形改正后，才能对图像信息进行各种分析，制作满足量测和定位要求的各类地球资源及环境的遥感专题图。,第二，当应用不同传感方式、不同光谱范围以及不同成像时间的各种同一地域复合图像数据来进行计算机自动分类、地物特征的变化监测或其他应用处理时，必须进行图像间的几何配准，保证各不同图像间的几何一致性。,第三，利用遥感图像进行地形图测图或更新,2024/11/20,3,鲁东大学地理与规划学院,2,、类型,光学纠正,通常不能对卫星遥感图像，特别是动态遥感图像进行严格的纠正；,数字纠正,是建立在严格的数学基础上，并可以远点,(,或远像素,),地对图像进行纠正，因而原则上它可以对任何类型的传感器图像进行严格的纠正；,2024/11/20,4,鲁东大学地理与规划学院,二、,几何变形的影响因素,遥感图像的几何变形误差类型,静态误差,分为内部误差和外部误差两类变形误差。,内部误差主要是由于传感器自身的性能、技术指标偏离标称数值所造成的，它随传感器的结构不同而异，误差较小，不做讨论。,例如，对于框幅式航空摄影机，有透镜焦距变动、像主点偏移、镜头光学畸变等误差；对于多光谱扫描仪,(MSS),，有扫描线首末点成像时间差、不同波段相同扫描线的成像时间差、扫描镜旋转速度不均匀、扫描线的非直线性和非平行性、光电检测器的非对中等误差。,外部变形误差指的是传感器本身处在正常工作的条件下，由传感器以外的各因素所造成的误差。,例如传感器的外方位,(,位置、姿态,),变化、传感介质的不均匀、地球曲率、地形起伏、地球旋转等因素所引起的变形误差等。,动态误差,2024/11/20,5,鲁东大学地理与规划学院,几何校正,几何粗校正：针对畸变原因进行的,传感器：扫描速率不均匀,地球：曲率不同、自转影像,卫星运行：高度不恒定、速度不均一等,几何精校正：利用控制点进行的，用畸变模型实施校正,2024/11/20,6,鲁东大学地理与规划学院,影响因素：,1),传感器成像几何形态带来的变形,传感器一般的几何成像方式包括,中心投影,全景投影,斜距投影,平行投影,在这几种不同的类型中，其中，平坦地区的竖直摄影的中心投影和竖直情况下的平行投影是没有几何形态变形的，因为中心投影图像本身与地面景物保持相似的关系。,全景投影和斜距投影的结果，则产生图像变形。,通常把竖直摄影的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。,2024/11/20,7,鲁东大学地理与规划学院,I,、全景投影变形,从右图可以看出红外机械扫描仪的成像面不是一个平面，而是一个圆柱面,MON,，相当于全景摄影机的投影面，称之为全景面。图中，地物点,P,在全景面上的像点,P,具有坐标,yP,，则,yP,=,f,/,（,4.1,）,式中：,f,是焦距,;,为成像角,(,以度为单位,),；,57,295,度弧度。,2024/11/20,8,鲁东大学地理与规划学院,设,(L),是一个等效的中心投影成像面，,P,点在,(L),上的像点,P,具有坐标,y,p,，则,y,p,=,f,tan,(4,2),从式,(4,1),和式,(4,2),可以得到全景图像坐标与等效中心投影图像坐标之间的相互转换关系,进而可推导出全景变形公式,2024/11/20,9,鲁东大学地理与规划学院,II,、斜距投影变形,斜距投影类型传感器通常是指侧视雷达，如图，,S,为雷达天线中心。地物点,P,的图像坐标,yP,是雷达波束扫描方向的图像坐标，它取决于斜距,RP,以及成像比例尺,：,式中：,为雷达成像阴极射线管上亮点的扫描速度；,C,为雷达波在物方空间中的传播速度；,H,为传感器航高；,f,为等效焦距。,2024/11/20,10,鲁东大学地理与规划学院,2024/11/20,11,鲁东大学地理与规划学院,由于有,于是,此外，地面点,P,在等效的中心投影图像,oy,上的成像点,P,的坐标,y,f,可表达为,2024/11/20,12,鲁东大学地理与规划学院,可推导雷达图像坐标和等效中心投影图像坐标间的转换关系，即,则斜距投影的变形误差为,2024/11/20,13,鲁东大学地理与规划学院,全景投影和斜距投影两种成像方式对同一地物摄影成像的变形结果见图。,2024/11/20,14,鲁东大学地理与规划学院,2),、传感器外方位元素变化的影响,传感器的外方位元素通常指的是传感器成像时的位置,(X,S,，,Y,S,，,Z,S,),，,(X,，,Y,，,Z),和姿态角,(,，,，,),；对于侧视雷达而言，还包括其运行速度,(,vx,，,vy,，,vz,),。当外方位元素偏离标准位置而出现变动时，就会使图像产生变形。,这种变形的影响一般是由地物点影像的坐标误差来表达的，并可以通过传感器的构像方程得以解析。,2024/11/20,15,鲁东大学地理与规划学院,3),、地球起伏的影响,地球表面的高低变化，将使影像点产生位移。,具有方向投影几何形态,(,中心投影、全景投影等,),的传感器与具有斜距投影几何形态,(,侧视雷达,),的传感器将有不同的地形起伏像点位移规律；,比如在高差同为正值的情况下，地形起伏在中心投影影像上造成的像点位移是远离原点向外移动的，而在雷达影像上则是向内变动的，如图这种投影差相反的特点，将使得我们对雷达影像进行立体现测时看到的是反立体。此外，高出地面物体的雷达影像还可能带有,“,阴影,”,，远景影像可能被近景影像的阴影所覆盖这也是与中心投影影像不同之处。,2024/11/20,16,鲁东大学地理与规划学院,2024/11/20,17,鲁东大学地理与规划学院,4),、地球曲率的影响,地球曲率引起的像点位移类似地形起伏引起的像点位移。如图设地面点到传感器铅垂线,SO,的投影距离为,D,，地球的半径为,R,0,，则根据因直径与弦线交割线段间的固定数学关系可得,考虑到,h,相对于,2Ro,是一个很小的数值，对上式简化后可得,2024/11/20,18,鲁东大学地理与规划学院,2024/11/20,19,鲁东大学地理与规划学院,5),、大气折射的影响,大气层是一个非均匀的介质，它的密度是随离地面的高度增加而递减的，所以电磁波在大气中传播的折射率也随高度而变，从而使电磁波传播的路径不是一条直线而变成了曲线，进而引起了像点位移。,大气折射对方向投影成像和距离投影成像的影响不一样。中心投影和全景投影等部属于方向投影，其成像点的位置取决于地物点入射光线的方向。如图所示。,在无大气折射影响时，地物点,A,通过直线光线 成像于,a0,点；当有大气折射影响时，,A,点通过曲线光线 成像于,a1,点，因此而引起像点位移,2024/11/20,20,鲁东大学地理与规划学院,2024/11/20,21,鲁东大学地理与规划学院,6),、地球自转的影响,在静态传感器,(,常规框幅式摄影机,),成像的情况下，地球自转不会引起图像变形，因为其几何整幅图像是在瞬间一次曝光成像的。,地球自转主要是对动态传感器的图像产生变形影响，特别是对卫星遥感图像。,以陆地资源卫星多光谱扫描仪为例，当卫星北向南运行的同时，地球表面也在由西向东自转，由于卫星图像每条扫描线的成像时间不同，因而造成扫描线在地面上的投影依次向西平移最终使得图像发生扭曲。图,4,8,显示了地球静止时的图像,(,oncba,),与地球自转时的图像,(,Mc,b,a,),在地面上投影的情况。由此可见，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,。,2024/11/20,22,鲁东大学地理与规划学院,遥感影像中，框幅式影像,(,包括美国陆地资源卫星的,RBV,影像,),属于纯中心投影构像全景影像属于多中心等焦距圆柱投影，多光谱影像属于多中心扫描投影，,HRV,影像属于多中心推扫扫描投影，合成孔径侧视雷达属于多中心斜距投影，由此可见，,中心投影构像是遥感影像构像的基本原理。,中心投影构像的几何纠正目的是将中心投影影像纠正成正射投影影像。,2024/11/20,23,鲁东大学地理与规划学院,一,中心投影构像原理,中心投影方式成像摄影是按小孔成像原理，在小孔处安装一个摄影物镜，在成像处放置感光材料定时定位启闭快门快门开启瞬间，被摄物体经摄影物镜成像于感光材料上，感光材料受投影光线的光化作用后，经摄影处理取得景物的光学影像，,成像的各条光线汇聚于物镜中心,O(,如图,3,16),，形成成像的几何特点，物镜中心称为摄影中心。,2024/11/20,24,鲁东大学地理与规划学院,已感光的底片经摄影处理后得到的是负片，利用负片接触晒印在相纸上，得到的是正片，负片与正片以摄影中心成几何对称,(,如图,),。,在相片解析时，我们就可以将摄影成像缩小成一个模型，模型,o,为点光源，其发出的光按照摄影成像光线的逆方向通过正成像平面投影到模型的承影面，并将模型纳入设定的坐标系统中，如图,3,17,所示。此时，点,O,可换用字母,S,表示，称为投影中心,(,见图,3,17),。由中心投影构像原理,可以看出成像像片有以下特点,(,见图,3,18),。,(1),地物通过摄影中心与其成像点共一条直线。,(2),投影中心到像平面的距离为物镜主距,f,。,(3),地面起伏使得各处影像比例尺不同。,(4),地物由于成像平面倾斜其成像会发生形变。,(5,),具有高差的物体成像在相片上有投影差。,2024/11/20,25,鲁东大学地理与规划学院,地物通过摄影中心与其成像点共一条直线,投影中心到像平面的距离为物镜主距,f,具有高差的物体成像在相片上有投影差,2024/11/20,26,鲁东大学地理与规划学院,考虑到以上特点，在将中心投影影像纠正成正射投影影像时,必须考虑到地面的高程信息,。高程信息的获取有两种途径：,一是利用已知地面的高程，比加数字高程模型，通过单片纠正得到正射影像；,二是建立立体模型，利用形成立体模型的两张相片的左右视差来解算出地面高程，再通过单片纠正得到正射影像。,对于第一种情况，只需要进行单片解析就可以了；对于第二种情况，还需要立体模型的解算。,2024/11/20,27,鲁东大学地理与规划学院,实际工作中所拍摄的相片有倾斜和旋转，因此必须建立物体与相片之间的数学关系。,二 空间直角变换,要,建立物体与相片上相应影像的关系,，,首先要确定摄影瞬间,摄影中心与相片,在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态，描述这些位置和姿态的参数称为相片的方位元素。,方位元素包括内方位元素和外方位元素,内方位元素是表示摄影中心与相片之间相关位置的参数，,外方位元素是表示摄影中心和相片在地面坐标系中的位置和姿态的参数。,2024/11/20,28,鲁东大学地理与规划学院,像平面坐标系的原点：成像相片上两两相对的框标连线的交点。,像主点：投影中心垂直投影到相片平面上的点；,理想情况是，像主点应与像平面坐标系的原点重合，,由于摄影像机安装造成的误差，像主点与像平面坐标系原点并不重合；,像主点在像平面坐标系中的坐标为,x,o,y,o,，,摄影中心到相片的垂距,(,主距,)f,构成了内方位元素的三个参数，内方位元素一般为已知值，