[工学]第五章+遥感图像的几何处理.pdf

1 1第五章 遥感图像的几何处理第五章 遥感图像的几何处理5.1 遥感传感器的构像方程 5.2 遥感图像的几何变形 5.3 遥感图像的几何处理 5.4 图像间的自动配准和数字镶嵌2 2要点?各类传感器的构像方程 •物理模型 •通用模型?图像的变形情况?图像纠正原理?图像纠正具体过程3 3思考?为什么要进行图像的几何处理？?几何处理的内容是什么？?几何纠正有哪些模型？4 4遥感图像的几何处理5 55.1 遥感传感器的构像方程?表达像点与地面点之间关系 图像中的模型重建 几何信息几何量测地物几何位置6 6原始图像图像上任 意一点的 位置可以 表示： i*7070+j（0，7070）7 7地理编码图像692368.50，3436838.81876259.78，3410631.03735.18，3269545.799842626.46，3244211.608 8遥感图像通用的构像方程其中主要的坐标系有： 其中主要的坐标 系有：?1．传感器坐标系．传感器坐标系S－ UVW?2. 地面坐标系 ．地面坐标系O—XYZ?3. 图像(像点)坐标系o－xyf9 9遥感图像通用的构像方程构像方程中的坐标系1010遥感图像通用的构像方程A=f(ϕ,ω,κ) ϕ :俯角 ω:翻滚角 κ:航偏角1111中心投影构像方程根据中心投影特点，图像坐标（x，y，-f）和传 感器系统坐标(Ｕ，Ｖ，Ｗ)P之间有如下关系：1212中心投图像点坐标与地面点大地坐标的关 系即构像方程为：中心投影构像方程1313旋转矩阵1414旋转矩阵各参数1515正算公式?由像点坐标可以解算大地（平面）坐 标，称为正算公式：1616反算公式当已知大地坐标，可以反求象点坐标，称 为反算公式：1717共线方程公式描述了像点、对应地物点和传感器投 影中心之间关系的共线方程。

为表达方便，设：1818共线方程?则共线方程可以简写为：共线方程的几何意义：当地物点P、对应像点 p和投影中心S位于同一条直线上时，上式成 立作用：像点像点p1919推扫式传感器的构像方程?推扫式传感器的构像关系垂直对地成像2020推扫式传感器的构像方程2121推扫式传感器倾斜成像旁向倾斜航向倾斜2222推扫式传感器旁向倾斜的构像方程1.当推扫式传感器沿旁向倾斜固定角θ时共线方程为：2323推扫式传感器前后视的构像方程2.当推扫式传感器作前后视成像，前（后） 视角为θ时：共线方程为：2424扫描式传感器的构像方程传感器沿旁向扫描,扫描角在随时间在变 化其选择矩阵为:共线方程为:2525扫描式传感器的构像方程θ=0 θ≠02626扫描成像过程和红外扫描仪的分辨率扫描2727侧视雷达图像的构像方程θ可以将侧视雷达图像成像 转换为旋转了角的中心投 影，可以得到侧视雷达的 构像方程，此时像点坐标 为可以将侧视雷达图像成像 转换为旋转了角的中心投 影，可以得到侧视雷达的 构像方程，此时像点坐标 为x=0，，y=r sin ，等效 焦距，等效 焦距f=r cosθθ2828真实孔径雷达构像方程29295.2遥感图像的几何变形?遥感图像的几何变形是指图像上像 元在图像坐标系中的坐标与其在地 图坐标系等参考坐标系统中的对应 坐标之间的差异。

30305.2遥感图像的几何变形?遥感图像的变形误差可分为静态误 差 和动态误差两大类 –静态误差 –动态误差3131?变形误差又可分为内部误差和外部误差 两类–内部误差 –外部变形5.2遥感图像的几何变形32321 传感器成像方式引起的图像 变形?全景投影变形与变形公式ρθfyp='rado/2957.57=ρθtanfyp=3333全景投影变形图形34341 .传感器成像方式引起的图像变形?斜距投影变形与变形公式3535雷达图像斜距变形36362 .传感器外方位元素变化的影响.?传感器外方位元素，是指传感器成像时 的位置 (XS YS ZS)和和姿态角?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一 般由地物点图像的坐标误差来表达，并 可以通过传感器的构像方程推出.37372 .传感器外方位元素变化的影响3838像点位移公式以外方位元素为自变量对下式微分，同时考虑到在竖直摄影条件下，有：可以得到外方位元素变化所产生的像点位移为：39394040推扫式成像仪图像?一条图像线与中心投影相同，但x=0， 因此可以得到推扫式成像仪的像点位移 公式：?不同的行，其外方位元素是不同的，随 时间变化，因而产生很复杂的动态变形。

4141扫描式成像仪图像?外方位元素对图像 的影响为 x→0,y=tgθ*f时 的误差方程式，得 到像点位移公式θθθθθ2 00 secsecayaaxa==θθθθθθ2cos11cos11myad ymmxad xm====θ角时的分辨率：θ角时的比例尺：4242扫描式成像仪图像像点位移公式式中:θ为对应于某像点的扫描角故可以得到扫描式成像的像点位移公式：43432 .传感器外方位元素变化的影响44442 .传感器外方位元素变化的影响真实孔径侧视雷达姿态变化的影响45453. 地形起伏引起的像点位移?中心投影：投影误差 是由地面起伏引起的 像点位移，当地形有 起伏时，对于高于或 低于某一基准面的地 面点，其在像片上的 像点与其在基准面上 垂直投影点在像片上 的构像点之间有直线 位移46463 .地形起伏引起的像点位移?对中心投影，在垂直摄影的条件下，地形起 伏引起的像点位移为：?•在像片坐标系中，在x、y两个方向上的分量 为：47473 .地形起伏引起的像点位移?对于推扫式成像仪，由于x=0，所以＝ ０，而在y上方有：即投影差只发生在y方向（扫描方向）48483 .地形起伏引起的像点位移?对于逐点扫描仪成像，因地形起伏引起 的图像变形发生在y方向，如图，得到 地形起伏引起的逐点扫描仪图像的投影 差公式：4949?侧视雷达成像高差产生的投影差亦与中心投 影图像投影差位移的方向相反，位移量也不 同。

投影差3 .地形起伏引起的像点位移其中θ为侧视角， １／mr为雷达图像的比例尺因子50504 .地球曲率引起的图像变形?地球曲率引起的像点位移与地形起伏引 起的像点位移类似只要把地球表面 （把地球表面看成球面）上的点到地球 切平面的正射投影距离看作是一种系统 的地形起伏，就可以利用前面介绍的像 点位移公式来估计地球曲率所引起的像 点位移关键要求得Δh5151地球曲率的影响?设地球的半径Ｒ0，Ｐ为地面点，地面点Ｐ到传感器与地心连线的 投影距离为D，P点在地球切平面上的点为P0，并且弧OP的长度D等 于ＯP0的长度考虑到R0很大，把PP0O看作直角，OO＇ˊ=PP0 根据圆的直径与弦线交割线的数学关系可得：因为上式可简化为5252地球曲率的影响地球曲率对中心投影图像的影响有：其中：地球曲率对多光谱扫描仪图像的影响有：其中：y是等效中心投影图像坐标，y¹为全景图 像坐标地球曲率对侧视雷达图像的影响有：53535 .大气折射引起的图像变形?大气层不是一个均匀 的介质，它的密度是 随离地面高度的增加 而递减，因此电磁波 在大气层中传播时的 折射率也随高度而变 化，使得电磁波的传 播路径不是一条直线 而变成了曲线，从而 引起像点的位移，这 种像点位移就是大气 层折射的影响。

大气层不是一个均匀 的介质，它的密度是 随离地面高度的增加 而递减，因此电磁波 在大气层中传播时的 折射率也随高度而变 化，使得电磁波的传 播路径不是一条直线 而变成了曲线，从而 引起像点的位移，这 种像点位移就是大气 层折射的影响54546. 地球自转的影响?在常规框幅摄影机成像的情况下，地球自 转不会引起图像变形，因为其整幅图像是 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 是对卫星遥感图像当卫星由北向南运行 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5555地球自转 的影响5656地球自转的影响5757地球自转的影响?图像底边中点的坐标位移△x和△y，以 及平均航偏角θ58585.3 遥感图像的几何处理遥感图像的几何处理是遥感信息处理过 程中的重要环节遥感数据接受后，首先由 接受部门进行校正，这种校正往往根据遥感 平台、地球、传感器的各种参数进行处理 （粗加工）遥感图像的粗加工处理仅做系 统误差的改正，即把与传感器有关的测定的 校正数据带入相应的构像方程。

59595.3 遥感图像的几何处理粗加工处理对传感器内部畸变的改正 很有效，但是处理后仍有很大的残差（系 统误差和偶然误差），而用户拿到这种产 品后，由于使用的目的不同或投影及比例 尺不同，仍旧进一步做几何校正（几何精 校正）60605.3 遥感图像的几何处理1 .遥感图像的粗加工处理遥感图像的粗加工处理–投影中心坐标的测定和解算投影中心坐标的测定和解算 –传感器姿态角的测定传感器姿态角的测定 –扫描角θ的测定扫描角θ的测定6161TM图像的粗纠正处理6262遥感图像的粗加工处理?扫描角θ的测定 – 根据传感器扫描周期T，扫描视场α，可以 计算平均扫描角速度：则平均扫描角:式中：t为扫描时刻由于扫描仪速度的不均匀性，按下式计算扫描 角的误差：6363?扫描角可用下式求得：扫描仪的焦距f 可以在地面测定，是已知值 粗加工处理对传感器内部畸变的改正很 有效但处理后图像仍有较大的残差（偶然 误差和系统误差）因此必须对遥感图像做 进一步的处理即精加工处理64642 .遥感图像的精加工处理概念：消除图像中的几何变形，产生一幅 符合某种地图投影或图形表达要求的新 图像65652. 遥感图像的精加工处理包括两个环节：包括两个环节： –一是像素坐标的变换；一是像素坐标的变换； –二是对坐标变换后的像素亮度值进行 重采样。

二是对坐标变换后的像素亮度值进行 重采样常用的纠正方法：多项式法，共线方程 法，有理函数法等6666多项式模型?回避成像的空间几何过程，直接对图像 变形的本身进行数学模拟遥感图像的 几何变形由多种因素引起，其变化规律 十分复杂为此把遥感图像的总体变形 看作是平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲 以及更高次的基本变形的综合作用结 果，难以用一个严格的数学表达式来描 述，而是用一个适当的多项式来描述纠 正前后图像相应点之间的坐标关系6767常用的多项式有二维或三维模型6868二维多项式缺点?不能真实的描述图像形成过程中的误差 来源和地形起伏引起的变形应用限于变形小的图像：垂直，小范 围，地面平坦三维多项式是二维的扩展，增加了与地形 起伏有关的Z坐标69692 .遥感图像的精加工处理多项式法?基本思想7070多项式形式一般多项式纠正变换公式为(以二次项为例)：其中：x，y为某像素原始图像坐标； X，Y为同名像素的地面（或地图）坐标7171多项式次数 与曲线模拟7272纠正内容?一次项纠正：改正图像因平移、旋转、 比例尺变化等引起的线性变形二次项纠正：在改正一次项各种变形的 基础上，改正二次非线性变形。

三次项纠正：改正更高次的非线性变形73732 .遥感图像的精加工处理?多项式法————求系数?例如，采用最小二乘法，根据控制 点数据进行二次曲面拟合求12个系数7474对控制点的要求①在图像上为明显的地物点，易于判读 ②在图像上均匀分布 ③数量足够GCP如何获取?7575控制点的选择待纠正图像参考图像7676控制点选择待纠正图像参考图像7777选择控制点选择图像与图像对应点7878控制点的选择地图与图像对应点7979图像和矢量8080多项式的系数ai, bi可根据同名点的坐标通 过最小二乘法原理求解8181多项式系数求解过程1）列误差方程式8282各项参数的含义8383多项式系数求解过程2)构成法方程3）计算多项式系数8484多项式系数求解过程4）精度评定8585多项式系数求解。