校正与增强 1部分讲解.ppt

1,,第6章 遥感图像校正与增强 6.1 遥感图像的几何校正,2,要点,􀂄各类传感器的构像方程 􀂄 物理模型 􀂄 通用模型 􀂄图象的变形情况 􀂄图象纠正原理与具体过程,3,地物,,影像,,4,思考,􀂄为什么要进行图象的几何处理? 􀂄几何处理的内容是什么? 几何纠正的模型有哪些？,5,6.2.1 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6,分类：,变形误差： 静态误差 动态误差（由地球旋转引起） 又可分为 内部误差 外部误差,7,,1)内部误差：传感器自身的性能技术指标偏移标称数值所造成的内部误差随传感器的结构不同而异，其数据和规律可以在地面通过检校的方式测定，其误差值不大 2)外部变形误差是在传感器本身处在正常工作的条件下，由传感器以外的各种因素所造成的误差，如传感器的外方位元素变化，传播介质不均匀，地球曲率，地形起伏以及地球旋转等因素引起的变形误差 􀂄本节主要讨论外部误差对图像变形的影响 􀂄,8,1 传感器成像方式引起的图像变形,中心投影，全景投影，斜距投影以及平行投影等几种。

中心投影可分为点中心投影、线中心投影和面中心投影三种由于中心投影图像在垂直摄影和地面平坦的情况下，地面物体与其影像之间具有相似性（不考虑摄影本身产生的图像变形），不存在由成像方式所造成的图像变形，因此把中心投影的图像作为基准图像来讨论其他方式投影图像的变形规律9,,,1 传感器成像方式引起的图像变形,(1)全景投影变形 全景投影的影像面不是一个平面，而是一个圆柱面，如图所示的圆柱面MON，相当于全景摄影的投影面，称之为全景面 点P在全景面上的像点为p'，则p' 在扫描线方向上的坐标y'p y'p=fθ/ρ,10,设L是一个等效的中心投影成像面，P点在oy上的像点p，其坐标 yp=f·tgθ 从而可以得到全景变形公式： dy=y'p- yp =f*(θ/ ρ －tgθ),11,全景畸变的影响,12,2 斜距投影变形 斜距投影图形上的影像坐标yp为 y''p=λRP=λH/cosθ= f/cosθ= f secθ 而地面上P点在等效中心投影图像oy上的像点p的坐标yp yp =f·tgθ,13,,斜距投影的变形误差: dy=y‘’p－yp=f·（secθ－tgθ） 斜距变形的图形变形情况如图,,,,,,,,,,x,y,14,2 传感器外方位元素变化的影响,外方位元素，是指传感器成像时的位置（Xs,Ys,Zs）和姿态角（φ ， ω ，κ） 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。

这种变形一般是由地物点图像的坐标误差来表达的，并可以通过传感器的构像方程推出 1.中心投影根据摄影测量学原理，常规的框幅摄影机的构像几何关系可用共线方程来表达，以外方位元素为自变量，对共线方程微分，同时考虑到在竖直摄影条件下，三个姿态角≈0，,15,,竖直摄影条件下 φ = ω =κ≈0 1 -κ -φ At ≈ κ 1 -ω φ ω 1,,16,可以得到外方位元素变化所产生的像点位移为：,dx= -(f/H)dXS-(x/H)dZS-[f(1+x2/f2)]dφ-(xy/f)dω+ydκ dy= -(f/H)dYS-(y/H)dZS -(xy/f)dφ -[f(1+x2/f2)] dω-xdκ dＸＳ、dＹＳ、dＺＳ和dκ对整幅图像的综合影响是使其产生平移、缩放和旋转等线性变化 只有dφ 、dω才使图像产生非线性变形,,17,各单个外方位元素引起的图像变形,18,,2. 一条影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19,,3 扫描式成像仪 外方位元素对图像的影响为x→0,y=tgθ*f时的误差方程式，代入式可以得到像点位移公式，它与推扫式成像的像点位移公式类似。

实际上由于扫描式成像存在全景畸变，因此其像点位移与推扫式像点位移有如下关系,20,,故可以得到扫描式成像的像点位移公式,21,,需要注意的是:动态扫描时的构像方程都是对应于一个扫描瞬间（相应于某一像素或某条一扫描线）而建立的，不同成像瞬间的传感器外方位元素可能各不相同，因而相应的变形误差方程式只能表达为该扫描瞬间像幅上相应点、线所在位置的局部变形，整个图像的变形将是所有瞬间局部变形的综合结果例如在一幅多光谱扫描图像内，假设各条扫描行所对应的各外方位元素，是从第一扫描行起按线性递增的规律变化的，则地面上一个方格网图（a）成像后，将出现如图(b)所示的综合变形各个外方位元素单独造成的图像变形将分别由图(c)～(h)所示,22,,外方位元素引起的动态扫描图像的变形,23,3 地形起伏引起的像点位移,投影误差 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24,(1) 中心投影情形时 在垂直摄影的条件下， φ = ω =κ≈0 ，地形起伏引起的像点位移为： δh=rh/H δxh=xh/H δyh=yh/H 其中x、y为地面点对应的像点坐标， δx 、δy 为由地形起伏引起的在x、y方向上的像点位移,,25,,(2) 推扫式成像情形时 由于x=0， δxh=xh/H=0 而在y上方有： δyh=yh/H 即投影差只发生在y方向（扫描方向） (3)逐点扫描仪成像情形时 δxh′=xh/H=0 δyh′=δyh cos2 θ = yh cos2 θ /H = f tgθ cos2θh /H = f sinθ cosθh /H,δyh′,δyh,,,,,,,,,,,,,,,,H,f,θ,h,26,(4)侧视雷达成像时 因地形起伏引起的图像图像的影响只发生在y方向，其投影差近似公式为： δxh=0 δyh=(RP- RP0)/mr = -hcosθ/ mr,27,4 地球曲率引起的图像变形,可简化为： 对中心投影图像的影响 hx= -Δ hx= -Dx2/2R0 = -(Hx/f) 2/2R0 hY= -Δ hY = -DY2/2R0 = -(Hy/f) 2/2R0 其中,因为,28,5 大气折射引起的图像变形,大气层不是一个均匀的介质，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。

29,6 地球自转的影响,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,地球自转的影响,31,图像底边中点的坐标位移产生了图像底边中点的坐标位移△x和△y，以及平均航偏角θ △x =bb′ sinɑ λx △y =bb′cosɑ λy θ= △y /l α是卫星运行到图像中心点位置时的航向角； l是图像x方向边长； λx和λy是图像x和y方向的比例尺32,bb′=WLt WL----纬度Ф处的地面自转线速度 WL=(ReCOSФ)ωe bb′=(ReCOSФ)ωet ωe----地球自转角速度(常数=360°/天) 例: MSS一幅2340行 每次扫描6行,用时73.42 ms (1000ms=1秒) 一幅的时间 t= 73.42 ms * 2340/6=28.6秒,,,,,R,ReCOSФ,Ф,,,33,其中 t=l/λxωeRe bbˊ= (Recos φ) ωet=(l/λx)(ωe/ωs)cosφ 其中ωS为卫星沿轨道面运行的角速度 φ 是图像底边中点的地理纬度 sinɑ=sinε/cosφ 球面三角形△SQP cosɑ=(cos2φ-sin2ε)1/2 /cosφ ε为轨道面的偏角,34,,bbˊ= (Recos φ) ωet=(l/λx)(ωe/ωs)cosφ sinɑ=sinε/cosφ cosɑ=(cos2φ-sin2ε)1/2 /cosφ △x =bb′ sinɑ λx △y =bb′cosɑ λy θ= △y /l,,35,遥感图像的构像方程：是对任何类型传感器成像进行几何纠正和对某些参量进行误差分析的基础 图像的地物点 对应地面点 (x,y) (X,Y,Z),构像方程,共线方程,6.2.2 遥感传感器的构像方程,36,一 遥感图像通用构像方程 主要的坐标系,,,,,,,,,,,,,,,,S,U,V,W,X,y,O,P,f,X,Y,O,Z,地面坐标系O－XYZ,像平面坐标系o－xy,传感器坐标系S－UVW,p,,,像空间平面坐标系s－xyz,x,y,z,37,,上述坐标系统都是三维空间坐标系，而最基本的坐标系统是图像坐标系统o-xy和地图坐标系统Om-XmYm，它们是二维的平面坐标系统，是遥感图像几何处理的出发点和归宿。

在地面坐标系与传感器坐标系之间建立的转换关系称为通用构像方程设地面点P在地面坐标系中的坐标为(X，Y，Z)P，P在传感器坐标系中的坐标为(U，V，W)P，传感器投影中心S在地面坐标系中的坐标为(X，Y，Z)s，传感器的姿态角为（ϕ，ω，κ），则通用构像方程为：,38,,,,,U V W,X Y Z,p,X Y Z,S,A,=,+,p,式中：A为传感器坐标系相对地面坐标系的旋转矩阵，是传感器姿态角的函数 􀂄 A=f(ϕ,ω,κ) ϕ:俯角 ω:翻滚角 κ:航偏角,39,二 中心投影构像方程 中心投影像点坐标与地面点大地坐标的关系即构像方程为： X X x Y = Y +λAt y Z p Z s -f,,,,40,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：,41,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：,42,共线方程的几何意义： 地物点P、对应像点p和投影中心S位于同一条直线上 则共线方程可以简写为 :,43,三 CCD线阵列推扫式传感器(spot) 推扫式传感器是行扫描动态传感器在垂直成像的情况下，每一条线的成像属于中心投影，在时刻t时像点p的坐标为（0、y、-f），因此推扫式传感器的构成方程为： 构像方程为：,44,,上式可以表达为,45,,为获取立体像对，推扫式传感器要进行倾斜扫描，此时的构像方程为：,式中：Rθ即为由倾斜角θ引起的旋转矩阵。

􀂄 立体像对获取有两种倾斜方式，航向和旁向，倾斜方式不用Rθ的表达形式也不同的46,1 当推扫式传感器沿旁向倾斜固定角θ时， 其共线方程为：,47,,2 当推扫式传感器作前后视成像，前（后）视角为θ时，航向倾角为θ : 其共线方程为：,48,四 点扫描式传感器(MSS 、 TM)的构像方程 扫描式传感器获得的图像属于多中心投影，每个像元都有自己的投影中心，随着扫描镜的旋转和平台的前进来实现整幅图像的成像由于扫描式传感器的光学聚焦系统有一个固定的焦距，因此地面上任意一条线的图像是一条圆弧，整幅图像是一个等效的圆柱面，所以该类传感器成像亦具有全景投影成象的特点任意一个像元的构像，等效于中心投影朝旁向旋转了扫描角后，以像幅中心（x＝0，y＝0）成像的几何关系49,,----- 扫描式传感器获得的图像属于多中心投影，每个 像元都有自己的投影中心 ----- 扫描瞬间点成像（x＝0，y＝0） ----- 成像面位于焦面上 (0,0,-f),50,构像方程为： 构像方程为： X X 0 Y = Y +λAt Rθ 0 Z p Z s -f 式中Rθ = 共线方程可表达为：,,,,,51,S,五 侧视雷达图像的构像方程 侧向平面扫描方式工作时，侧视雷达具有斜距投影的性质,52,飞行方向 x=0 y=rsinθ ， 等效焦距f=rcosθ r=Rp。