《4第四章 遙感數(shù)字圖像的幾何處理》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《4第四章 遙感數(shù)字圖像的幾何處理（44頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,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,2024/11/20,1,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,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(dá)在某一個(gè)規(guī)定的圖像投影參照系統(tǒng)中，以便進(jìn)行圖像的幾何量測(cè)、相互比較以及圖像復(fù)合分析等處理。,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。,2024/11/20,2,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,第一節(jié),遙感數(shù)字

2、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，對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何糾正。,1,、重要性,第一，對(duì)遙感原始圖像進(jìn)行幾何變形改正后，才能對(duì)圖像信息進(jìn)行各種分析，制作滿足量測(cè)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(dāng)應(yīng)用不同傳感方式、不同光譜范圍以及不同成像時(shí)間的各種同一地域復(fù)合圖像數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類、地物特征的變化監(jiān)測(cè)或其他應(yīng)用處理時(shí)，必須進(jìn)行圖像間的幾何配準(zhǔn)，保證各不同圖像間的幾何一致性。,第三，利用遙感圖像進(jìn)行地形圖測(cè)圖或更新,2024/11/20,3,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,2,、類型,光學(xué)糾正,通常不能對(duì)衛(wèi)星遙感圖像，特別是動(dòng)態(tài)遙感圖像進(jìn)行

3、嚴(yán)格的糾正；,數(shù)字糾正,是建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，并可以遠(yuǎn)點(diǎn),(,或遠(yuǎn)像素,),地對(duì)圖像進(jìn)行糾正，因而原則上它可以對(duì)任何類型的傳感器圖像進(jìn)行嚴(yán)格的糾正；,2024/11/20,4,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,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(biāo)偏離標(biāo)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(duì)于框幅式航空攝影機(jī)，有透鏡焦距變動(dòng)、像主點(diǎn)偏移、鏡頭光學(xué)畸變等誤差；對(duì)于多光譜掃描儀,(MSS),，有掃描線首末點(diǎn)成像時(shí)間差、不同波段相同掃描線的成像時(shí)間差、掃描鏡旋轉(zhuǎn)速度

4、不均勻、掃描線的非直線性和非平行性、光電檢測(cè)器的非對(duì)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(dòng)態(tài)誤差,2024/11/20,5,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,幾何校正,幾何粗校正：針對(duì)畸變?cè)蜻M(jìn)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(yùn)行：高度不恒定、速度不均一等,幾何精校正：利用控制點(diǎn)進(jìn)行的，用畸變模型實(shí)施校正,2024/11/20,6,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,影響因素：,1),傳感器成像幾何形態(tài)帶來的

5、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?yàn)橹行耐队皥D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(zhǔn)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。,2024/11/20,7,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,I,、全景投影變形,從右圖可以看出紅外機(jī)械掃描儀的成像面不是一個(gè)平面，而是一個(gè)圓柱面,MON,，相當(dāng)于全景攝影機(jī)的投影面，稱之為全

6、景面。圖中，地物點(diǎn),P,在全景面上的像點(diǎn),P,具有坐標(biāo),yP,，則,yP,=,f,/,（,4.1,）,式中：,f,是焦距,;,為成像角,(,以度為單位,),；,57,295,度弧度。,2024/11/20,8,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,設(shè),(L),是一個(gè)等效的中心投影成像面，,P,點(diǎn)在,(L),上的像點(diǎn),P,具有坐標(biāo),y,p,，則,y,p,=,f,tan,(4,2),從式,(4,1),和式,(4,2),可以得到全景圖像坐標(biāo)與等效中心投影圖像坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,進(jìn)而可推導(dǎo)出全景變形公式,2024/11/20,9,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,II,、斜距投影變形,斜距投影類型傳感器通常是指?jìng)?cè)視雷達(dá)，

7、如圖，,S,為雷達(dá)天線中心。地物點(diǎn),P,的圖像坐標(biāo),yP,是雷達(dá)波束掃描方向的圖像坐標(biāo)，它取決于斜距,RP,以及成像比例尺,：,式中：,為雷達(dá)成像陰極射線管上亮點(diǎn)的掃描速度；,C,為雷達(dá)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。,2024/11/20,10,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,2024/11/20,11,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,由于有,于是,此外，地面點(diǎn),P,在等效的中心投影圖像,oy,上的成像點(diǎn),P,的坐標(biāo),y,f,可表達(dá)為,2024/11/20,12,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,可推導(dǎo)雷達(dá)圖像坐標(biāo)和等效中心投影圖像坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即,則斜距投影的變形誤差為,2024

8、/11/20,13,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,全景投影和斜距投影兩種成像方式對(duì)同一地物攝影成像的變形結(jié)果見圖。,2024/11/20,14,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,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(shí)的位置,(X,S,，,Y,S,，,Z,S,),，,(X,，,Y,，,Z),和姿態(tài)角,(,，,，,),；對(duì)于側(cè)視雷達(dá)而言，還包括其運(yùn)行速度,(,vx,，,vy,，,vz,),。當(dāng)外方位元素偏離標(biāo)準(zhǔn)位置而出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，就會(huì)使圖像產(chǎn)生變形。,這種變形的影響一般是由地物點(diǎn)影像的坐標(biāo)誤差來表達(dá)的，并可以通過傳感器的構(gòu)像方程得以解析。,2024/11/20,15,魯東大學(xué)地

9、理與規(guī)劃學(xué)院,3),、地球起伏的影響,地球表面的高低變化，將使影像點(diǎn)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(dá),),的傳感器將有不同的地形起伏像點(diǎn)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(diǎn)位移是遠(yuǎn)離原點(diǎn)向外移動(dòng)的，而在雷達(dá)影像上則是向內(nèi)變動(dòng)的，如圖這種投影差相反的特點(diǎn)，將使得我們對(duì)雷達(dá)影像進(jìn)行立體現(xiàn)測(cè)時(shí)看到的是反立體。此外，高出地面物體的雷達(dá)影像還可能帶有,“,陰影,”,，遠(yuǎn)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。,2024/11/20,16,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,2024

10、/11/20,17,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,4),、地球曲率的影響,地球曲率引起的像點(diǎn)位移類似地形起伏引起的像點(diǎn)位移。如圖設(shè)地面點(diǎn)到傳感器鉛垂線,SO,的投影距離為,D,，地球的半徑為,R,0,，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(duì)于,2Ro,是一個(gè)很小的數(shù)值，對(duì)上式簡(jiǎn)化后可得,2024/11/20,18,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,2024/11/20,19,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,5),、大氣折射的影響,大氣層是一個(gè)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(jìn)而引起

11、了像點(diǎn)位移。,大氣折射對(duì)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(diǎn)的位置取決于地物點(diǎn)入射光線的方向。如圖所示。,在無大氣折射影響時(shí)，地物點(diǎn),A,通過直線光線 成像于,a0,點(diǎn)；當(dāng)有大氣折射影響時(shí)，,A,點(diǎn)通過曲線光線 成像于,a1,點(diǎn)，因此而引起像點(diǎn)位移,2024/11/20,20,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,2024/11/20,21,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,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(jī),),成像的情況下，地球自轉(zhuǎn)不會(huì)引起圖像變形，因?yàn)槠鋷缀握鶊D像是在瞬間一次曝光成像的。,地球自轉(zhuǎn)主要是對(duì)動(dòng)態(tài)傳感器的圖像產(chǎn)生變形影響，特別

12、是對(duì)衛(wèi)星遙感圖像。,以陸地資源衛(wèi)星多光譜掃描儀為例，當(dāng)衛(wèi)星北向南運(yùn)行的同時(shí)，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(shí)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,4,8,顯示了地球靜止時(shí)的圖像,(,oncba,),與地球自轉(zhuǎn)時(shí)的圖像,(,Mc,b,a,),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(diǎn)的坐標(biāo)位移,x,和,y,，以及平均航偏角,。,2024/11/20,22,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,遙感影像中，框幅式影像,(,包括美國(guó)陸地資源衛(wèi)星的,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

13、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(dá)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。,2024/11/20,23,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,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(gè)攝影物鏡，在成像處放置感光材料定時(shí)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,3,16),，形成成像的幾何特點(diǎn)，物鏡中心稱為攝影中心。,20

14、24/11/20,24,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,已感光的底片經(jīng)攝影處理后得到的是負(fù)片，利用負(fù)片接觸曬印在相紙上，得到的是正片，負(fù)片與正片以攝影中心成幾何對(duì)稱,(,如圖,),。,在相片解析時(shí)，我們就可以將攝影成像縮小成一個(gè)模型，模型,o,為點(diǎn)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(biāo)系統(tǒng)中，如圖,3,17,所示。此時(shí)，點(diǎn),O,可換用字母,S,表示，稱為投影中心,(,見圖,3,17),。由中心投影構(gòu)像原理,可以看出成像像片有以下特點(diǎn),(,見圖,3,18),。,(1),地物通過攝影中心與其成像點(diǎn)共一條直線。,(2),投影中心到像平面的距離為物鏡主

15、距,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(huì)發(fā)生形變。,(5,),具有高差的物體成像在相片上有投影差。,2024/11/20,25,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,地物通過攝影中心與其成像點(diǎn)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,2024/11/20,26,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,考慮到以上特點(diǎn)，在將中心投影影像糾正成正射投影影像時(shí),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

16、來解算出地面高程，再通過單片糾正得到正射影像。,對(duì)于第一種情況，只需要進(jìn)行單片解析就可以了；對(duì)于第二種情況，還需要立體模型的解算。,2024/11/20,27,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,實(shí)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(biāo)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(biāo)系中的位置和姿態(tài)的參數(shù)。,2024/11/20,28,魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院,像平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)：成像相片上兩兩相對(duì)的框標(biāo)連線的交點(diǎn)。,像主點(diǎn)：投影中心垂直投影到相片平面上的點(diǎn)；,理想情況是，像主點(diǎn)應(yīng)與像平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，,由于攝影像機(jī)安裝造成的誤差，像主點(diǎn)與像平面坐標(biāo)系原點(diǎn)并不重合；,像主點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為,x,o,y,o,，,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(gè)參數(shù)，內(nèi)方位元素一般為已知值，