第3章 遥感影像预处理

第三章遥感影像预处理遥感成像时，由于各种因素的影响，使得遥感影像存在一定的几何畸变、大气消光、辐射量失真等现象。这些畸变和失真现象影响了影像的质量和应用，必须进行消除。这种操作叫做遥感数据的预处理。预处理工作的承担者：地面站根据成像原理、系统参数等，利用常规方法进行系统粗处理。用户从实际情况出发，找到可行的方法，进行精确处理。多种具体方法与算法，不存在普遍适用。本章内容几何变形几何纠正一.几何变形1.几何变形2.几何畸变的类型3.几何变形的原因一.几何变形1.几何变形（几何畸变）由于遥感平台运动状况变化、地形起伏、地球表面曲率的影响等，遥感影像出现了总体变形，即几何位置上发生变化，行列不均匀，像元大小与地面大小对应不准确，地物形状不规则变化等。表现为影像地物的形状相对于真实地物形态产生了：平移、缩放、旋转、弯曲、形状不规则变化及其他变形综合作用的结果。原始影像具有几何变形几何变形纠正后的影像一.几何变形2.几何变形的原因成像投影方式的影响传感器的内部误差工作平台轨道位置和姿态变化地球自转影响地球表面曲率影响大气折射影响地形起伏影响……卫星姿态引起的影像变形虚线为：所得影像形状实线为：影像实际对应的地面形状俯仰变化位移变化侧翻变化速度变化偏航变化高度变化航高航高发生变化，而扫描视角不变，导致扫描行对应地面长度发生变化。航高越向高处偏离，影像对应地面越宽。航速航速快，扫描带超前，各条扫描行影像地面不连续；航速慢，扫描带滞后，各条扫描行影像地面重叠；由此可导致影像在卫星前进方向上（影像上下方向）位置错动。俯仰遥感平台的俯仰变化，使得影像上下方向的变化，发生行间位置错动。翻滚遥感平台以前进方向为轴旋转了一个角度，导致星下点在扫描方向偏移。偏航遥感平台比原先的航向偏转了一个小角度，引起扫描行方向变化，导致影像的倾斜畸变。二.几何纠正几何纠正几何纠正的含义几何纠正的分类几何精确纠正（重要）几何纠正的重要性二.几何纠正（GeometricCorrection）几何纠正的含义：对所获遥感影像进行形状上的纠正，使之与标准影像或地图几何整合。是遥感影像增强、处理前的必须步骤几何纠正后影像形状得到了纠正像元对应的相等大小的地面坐标同时还具备了地面坐标二.几何纠正几何纠正的分类系统纠正（几何粗纠正）非系统纠正（几何精纠正）……二.几何纠正几何系统纠正（几何粗纠正）地面接收站在提供给用户资料前，针对几何畸变的原因，根据卫星姿态、传感器性能指标、扫描特征等参数，代入到理论较正式对影像几何变形进行的校正。几何非系统纠正（几何精校正、影像配准、影像纠正）利用地面控制点改正原始影像的几何变形，产生一幅符合某种地图投影或图件表达要求的新影像。(1)几何精纠正基本思想改正原始影像的几何变形，生成一幅符合某种地图投影或图形表达要求的新影像建立原始影像坐标和标准坐标（参考影像坐标、经纬度、平面投影坐标）之间的数学关系几何精纠正方案建立关系式的方法根据变换函数F(X，Y)依次找到原始影像每个像元在新影像中的位置，将灰度值赋给新影像的对应位置上。称为“直接法”。或：根据变换函数f（x,y），依次找到新影像中每个像元在原始影像中的位置，将原始影像的灰度值赋予新影像的像元。称为“间接法”。间接法建立关系式的优点保证图像空间像元的均匀分布二.几何纠正(2)间接法几何精纠正的步骤1.输入原始影像2.选择若干控制点控制点(GroundControlPoint):影像上的一些已知点，这些点在原始影像和标准影像上的坐标已知。也叫“同名点”。控制点在标准影像上的坐标可以来源于：地图资料，实地测量，无变形的标准影像等3.建立纠正变换函数（坐标变换函数式）X=fx(x,y);Y=fy(x,y)fx,fy一般选择多项式，也可以是其他函数形式4.代入控制点求出坐标变换函数式的系数，确立坐标变换函数式5.确定新影像的大小范围求出原始影像四个角点（a,b,c,d）在纠正后影像中的对应点（a’,b’,c’,d’）的坐标（xa’,ya’）(xb’,yb’)(xc’,yc’)(xd’,yd’)求出最大值和最小值(xmin,xmax,ymin,ymax)6.确定新影像分辨率，划分网格根据精度要求，在新影像的范围内，划分网格，每个网格点就是一个像元。7.取得新影像各像元的值重采样：新影像像元多数情况下会落在原影像阵列的几个像元之间，需根据它周围若干原像元值，对该点的灰度值贡献累积进行计算，计算结果作为输出的新影像像元值，这个过程称为重采样。进行重采样的原因：新影像像元在原影像中的位置落入情况不同①原影像某像元中心时，直接将原影像上该像元值赋给对应的新影像像元。②原影像若干像元中心之间时，必须考虑原影像中该点附近若干像元的值，考虑每个邻近像元值对该点的影响程度，采用适当的方法计算该点在新影像上对应像元的值。常见重采样方法：最近邻法双线性内插法三次卷积法•三种重采样方法对比：•最近邻法：计算量最小，处理后的影像的亮度具有不连续性，线性地物易产生锯齿状。•双线性内插法：精度和计算量适中，并带有平均化的效果，细节信息丢失•三次卷积法：精度高计算量大，且带有边缘增强的效果，平滑噪声•实际应用中，当几何变形不大时，可使用双线性内插或最近邻法，以节省计算量，但当变形比较大时，则应使用三次卷积法，以保证质量。二.几何纠正补充：控制点GCP的选择准则选择都容易识别定位的明显地物如道路交叉点，标志物，水域的边界，山顶，小岛中心，机场等控制点要在影像上均匀分布控制点要有一定的数量，应当超过空间变换公式的系数个数，如多项式：（(n+1)*(n+2)/2）根据常见坐标转换方程：当M=1，即一次多项式，有6个系数，需要3个GCP点；当M=2，即二次多项式，有12个系数，需要6个GCP点；当M=3，即三次多项式，有20个系数，需要5个GCP点控制点选择的RMS误差（均方根）：RMS是GCP所期望输出的坐标与实际输出的坐标之间的偏差计算RMS误差后，可能的选择：1)剔除具有最高RMS误差的点，用剩下的GCP计算但是，如果在影像的某一特殊区域只有一个GCP，那么剔除它可能导致更大的误差。2)只选择最有把握的点。3)提高坐标转换函数的阶，进行更复杂的几何转换4)增大RMS误差的允许值。几何纠正例子1三、运用Erdas进行几何纠正开始显示图像文件启动几何校正模块采集地名控制点计算转换模型图像重采样检验校正结果结束1、加载图形文件（1）在ERDAS图标面板中点击Viewer图表两次，打开两个视窗（Viewer1/Viewer2）；（2）在Viewer1中打开需要校正的图像needmatchqdh.img；在Viewer2中打开作为地理参考的图像：biaozhunqdh.img2、启动几何校正模块（1）Viewer1菜单条：Raster→GeometricCorrection；（2）打开SetGeometricModel对话框→选择多项式几何校正模型：Polynomial→OK→打开GCPToolReferenseSetup对话框。①定义多项式次方（PolynomialOrder）:2②Apply→Close①ExistingViewer→OK3、启动控制点工具在GCPToolReferenseSetup对话框中选择采点模式：→打开ViewerSelectionInstructions指示器→在显示作为地理参考图像biaozhunqdh.img的Viewer2中点击左键→打开referenceMapInformation提示框→OK；→此时，整个屏幕将自动变化为如图所示的状态，表明控制点工具被启动，进入控制点采点状态。4、采集地面控制点①在GCP工具对话框中，点击SelectGCP图标，进入GCP选择状态；②在GCP数据表中，将输入GCP的颜色（Color）设置为比较明显的黄色；③在Viewer1中移动关联方框位置，寻找明显的地物特征点，作为输入GCP；④在GCP对话框中，点击SelectGCP图标，重新进入GCP选择状态；⑤在GCP数据表中，将参考GCP的颜色（Color）设置为比较明显的蓝色；4、采集地面控制点⑥在Viewer2中，移动关联方框位置，寻找对应的地物特征点，作为参考GCP；⑦在GCP工具对话框中，点击CreateGCP图标，系统将自动将参考点的坐标（X、Y）显示在GCP数据表中；⑧在GCP对话框中，点击SelectGCP图标，重新进入GCP选择状态，并将光标移回到Viewer1中，准备采集另一个输入控制点；⑨不断重复1-8，采集若干控制点GCP，直到满足所选定的几何模型为止。而后，每采集一个InputGCP，系统就自动产生一个Ref.GCP，通过移动Ref.GCP可以优化校正模型。控制点对话框和控制点属性表5、采集地面检查点以上采集的GCP的类型均为控制点，用于控制计算，建立转换模型及多项式方程。如果采集的GCP类型是检查点（CheckPoint）则可用于检查所建立转换方程的精度和实用性。6、计算转换模型在控制点采集过程中，一般是设置为自动转换计算模型。所以随着控制点采集过程的完成，转换模型就自动计算生成。在Geo-CorrectionTools对话框中，点击DisplayModelProperties图标，可以查阅模型。转换模型属性对话框7、图像重采样①在Geo-CorrectionTools对话框中选择ImageResample图标；②在ImageResample对话框中，定义重采样参数：→输出图像文件名（OutputFile）:rectify.img→选择重采样方法（ResampleMethod）:NearestNeighbor→定义输出图像范围：→定义输出像元的大小：→设置输出统计中忽略零值:即选中lgnoreZeroinStats复选框→定义重新计算输出缺省值：→OK8、保存几何校正模型在Geo-CorrectionTools对话框中点击Exit按钮，推出几何校正过程，按照系统提示，选择保存图像几何校正模式，并定义模式文件（.gms文件），以便下一次直接利用。9、检验校正结果基本方法：同时在两个视窗中打开两幅图像，一幅是校正正以后的图像rectify.img，一幅是当时的参考图像biaozhunqdh.img，通过视窗地理连接功能(①rectify图像上点击鼠标右键→GeoLink/Unlink②在biaozhunqdh图像上单击)，及查询光标功能进行目视定性检验。