遥感原理与应用RS课件：第5章+遥感图像的几何处理.ppt

1、第第5章章 遥感图像的几何处理遥感图像的几何处理 地地物物影影像像几何几何信息信息辐射辐射信息信息地物几何位置地物几何位置模型重建模型重建几何量测几何量测地物属性地物属性影像解译影像解译摄影测量与遥感的任务摄影测量与遥感的任务 5-1遥感传感器的构像方程遥感传感器的构像方程 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些参量进行误差分析的基础 图像的地物点图像的地物点 对应地面点对应地面点 (x,y) (X,Y,Z)构像方程共线方程 一一 遥感图像通用构像方程遥感图像通用构像方程 主要的坐标系主要的坐标系 S U V W X y OP

2、 Pf X Y O Z 地面坐标系地面坐标系OXYZ 像平面坐标系像平面坐标系oxy 传感器坐标系传感器坐标系SUVWp像空间平面坐标系像空间平面坐标系sxyz x y z 1 中心投影构像方程中心投影构像方程 X X x Y = Y +At y Z p Z s -f传感器投影中心和地物点之间关系的共线方程传感器投影中心和地物点之间关系的共线方程 共线方程的几何意义：共线方程的几何意义： 地物点地物点P、对应像点、对应像点p和投影中心和投影中心S位于同位于同一条直线上一条直线上 则共线方程可以简写为则共线方程可以简写为 : 2 全景摄影机的构像方程全景摄影机的构像方程 全景摄影机全景摄影机 -

3、 缝平行于飞行方向缝平行于飞行方向 缝缝 -像片面位于焦面上像片面位于焦面上 -缝所处胶片暴光缝所处胶片暴光 s 飞行方向飞行方向x 中心线 每条缝隙图像成像的像点坐标为每条缝隙图像成像的像点坐标为（x，0，f） 其构像方程为：其构像方程为： 其共线方程为：其共线方程为： (x)、(y)为等效的中心投影影像坐标为等效的中心投影影像坐标 s y f 3 缝隙式摄影机的构像方程缝隙式摄影机的构像方程 缝隙式摄影机缝隙式摄影机 缝垂直于飞行方向缝垂直于飞行方向 缝在缝在S正上正上(下下)方方胶片面s缝地面飞行方向每条缝隙图像成像的像点坐标为每条缝隙图像成像的像点坐标为（0，y，f） 其构像方程为：其

4、构像方程为： X X x X 0 Y = Y +At y = Y + At y Z p Z s -f Z s -f 其共线方程为其共线方程为： 4 CCD线阵列推扫式传感器线阵列推扫式传感器(spot) CCD线阵列推扫式成像与缝隙式摄影机成像类似线阵列推扫式成像与缝隙式摄影机成像类似, 不同不同的是在扫描时为获取立体像对的是在扫描时为获取立体像对,投影器可前、后、投影器可前、后、左、右倾左、右倾角角 构像方程为： X X 0 Y = Y +At R y Z p Z s -f 当推扫式传感器沿旁向倾斜固定角当推扫式传感器沿旁向倾斜固定角时，时， 其共线方程为其共线方程为： 当推扫式传感器作前后

5、视成像，前（后）视角为当推扫式传感器作前后视成像，前（后）视角为时时: 其共线方程为：其共线方程为： 5 点扫描式传感器点扫描式传感器(MSS 、 TM)的构像方程的构像方程 - 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像元都有自己的投影中心 - 扫描瞬间点成像（扫描瞬间点成像（x0，y0） - 成像面位于焦面上成像面位于焦面上 (0,0,-f) 构像方程为： 构像方程为： X X 0 Y = Y +At R 0 Z p Z s -f 式中R = 共线方程可表达为： S 6 侧视雷达图像的构像方程侧视雷达图像的构像方程 侧视雷

6、达具有侧视雷达具有斜距投影斜距投影的性质的性质 飞行方向 x=0 y=rsin ， 等效焦距f=rcos r=Rp/mr，mr为距离向上雷达图像比例尺分母 SP=Rp=H/COS sf f Y r r PP PPy H y 侧视雷达的构像方程侧视雷达的构像方程: X X 0 Y = Y +At rsin Z p Z s -rcos共线方程可表达为：共线方程可表达为： 52遥感图像的几何变形遥感图像的几何变形 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地图坐标系等参考坐标系统

7、中的对应坐标之间的差异。异。 变形误差可分为静态误差和动态误差变形误差可分为静态误差和动态误差 又可分为内部误差和外部误差两类又可分为内部误差和外部误差两类 本节主要讨论外部误差对图像变形的影响。此外本节主要讨论外部误差对图像变形的影响。此外把某些传感器特殊的成象方式所引起的图像变形，把某些传感器特殊的成象方式所引起的图像变形，如全景变形、斜距变形等也加以讨论如全景变形、斜距变形等也加以讨论 1 传感器传感器成像方式成像方式引起的图像变形引起的图像变形 (1)全景投影变形全景投影变形 点点P在全景面上的像点在全景面上的像点为为p，则，则p 在扫描线方在扫描线方向上的坐标向上的坐标yp yp=f

8、/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=ftg 从而可以得到全景变形公式： dy=yp- yp =f*(/ tg) xy 2 斜距投影变形 斜距投影图形上的影像坐标yp为 yp=RP=H/cos= f/cos= f sec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 =ftg斜距投影的变形误差: dy=ypyp=f（sectg） 斜距变形的图形变形情况如图 xy2 传感器传感器外方位元素变化外方位元素变化的影响的影响 外方位元素，是指传感器成像时的位置外方位元素，是指传感器成像时的位置（Xs,Ys,Zs）和姿态角（）和姿态角（ ， ，） 竖直摄影条

9、件下竖直摄影条件下 = =0 0 1 - - 1 - - A At t 1 - 1 - 1 1可以得到外方位元素变化所产生的像点位移为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)d-(xy/f)d+yd dy= -(f/H)dYS-(y/H)dZS -(xy/f)d -f(1+x2/f2) d-xd d、d、d和和d对整幅图像的综合对整幅图像的综合影响是使其产生平移、缩放和旋转等影响是使其产生平移、缩放和旋转等线性线性变化变化 只有只有d 、d才使图像产生才使图像产生非线性非线性变形变形 各单个外方位元素引起的图像变形 x=0

10、dx=-(f/H)dXS-(x/H)dZS-f(1+x2/f2)d-(xy/f)d+yd dy= -(f/H)dYS-(y/H)dZS -(xy/f)d -f(1+y2/f2)d-xd dx= -(f/H)dXS-fd+yd dy= -(f/H)dYS-(y/H)dZS -f(1+y2/f2)d 由于全景变形 分辨率 a=a0sec a=a0sec23 地形起伏地形起伏引起的像点位移引起的像点位移 投影误差投影误差 由地面起伏引起的像点由地面起伏引起的像点位移，当地形有起伏时，位移，当地形有起伏时，对于高于或低于某一基准对于高于或低于某一基准面的地面点，其在像片上面的地面点，其在像片上的像点与

11、其在基准面上垂的像点与其在基准面上垂直投影点在像片上的构像直投影点在像片上的构像点之间有直线位移。点之间有直线位移。 (1) 中心投影情形时中心投影情形时 在垂直摄影的条件下，在垂直摄影的条件下， = =0 0 ，地形起伏引起的像点位移为：地形起伏引起的像点位移为： h=rh/H xh=xh/H yh=yh/H 其中其中x、y为地面点对应的像点坐标，为地面点对应的像点坐标， x 、y 为由地形起伏引起的在为由地形起伏引起的在x、y方向上的像点位移方向上的像点位移 (2) 推扫式成像情形时推扫式成像情形时 由于由于x=0， xh=xh/H=0 而在而在y上方有：上方有： yh=yh/H 即投影差

12、只发生在即投影差只发生在y方向（扫描方向）方向（扫描方向） (3)逐点扫描仪成像情形时逐点扫描仪成像情形时 xh=xh/H=0 yh=yh cos2 = yh cos2 /H = f tg cos2h /H = f sin cosh /H yhyhHfh (4)侧视雷达成像时侧视雷达成像时 因地形起伏引起的图像图因地形起伏引起的图像图像的影响只发生在像的影响只发生在y方向，方向，其投影差近似公式为：其投影差近似公式为： xh=0 yh=(RP- RP0)/mr = -hcos/ mr 4 地球曲率地球曲率引起的图像变形引起的图像变形 可简化为：对中心投影图像的影响 hx= - hx= -Dx2

13、/2R0 = -(Hx/f) 2/2R0 hY= - hY = -DY2/2R0 = -(Hy/f) 2/2R0其中 因为 对中心投影影像 hx = - hx = -Dx2/2R0 = -(Hx/f) 2/2R0 hY= - hY = -DY2/2R0 = -(Hy/f) 2/2R0 对点扫描影像 y=ftg y=f hx= 0 hY= -(Hy/f) 2/2R0 =-H tg(y/f)2/2R0 对中心投影影像 hx = - hx = -Dx2/2R0 = -(Hx/f) 2/2R0 hY= - hY = -DY2/2R0 = -(Hy/f) 2/2R0 对SAR影像 y=ftg hx= 0

14、 hY= -(Hy/f) 2/2R0 =-H tg2/2R0 5 大气折射引起大气折射引起的图像变形的图像变形 大气层不是一个均大气层不是一个均匀的介质，使得电磁波匀的介质，使得电磁波的传播路径不是一条直的传播路径不是一条直线而变成了曲线，从而线而变成了曲线，从而引起像点的位移，这种引起像点的位移，这种像点位移就是大气层折像点位移就是大气层折射的影响。射的影响。 6 地球自转地球自转的影响的影响 当卫星由北向南运行的同时，地球表面也在由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

15、依次向间不同，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西平移，最终使得图像发生扭曲 图像底边中点的坐标位图像底边中点的坐标位移产生了图像底边中点移产生了图像底边中点的坐标位移的坐标位移x和和y，以及平均航偏角以及平均航偏角。 x =bbbb sinsin x x y =bbcosbbcos y y = y /l是卫星运行到图像中心点位置时的是卫星运行到图像中心点位置时的航向角；航向角； l是图像是图像x方向边长；方向边长； x和和y是图像是图像x和和y方向的比例尺。方向的比例尺。 bb=WLt WL-纬度处的地面自转线速度 WL=(RCOS)e bb=(RCOS)ete-

16、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 RCOS 其中其中 t=l/xeRe bb= (Recos ) et=(l/x)(e/s)cos 其中其中S为卫星沿轨道面运行的角速度为卫星沿轨道面运行的角速度 是图像底边中点的地理纬度是图像底边中点的地理纬度 sin =sin=sin/cos/cos 球面三角形球面三角形SQP cos =(cos=(cos2-sin2) )1/2 /cos/cos 为为轨道面的偏角轨道面的偏角 bb= (Recos )

17、 et=(l/x)(e/s)cossin=sin/coscos=(cos2-sin2)1/2 /cos x =bbbb sinsin x x y =bbcosbbcos y y = y /l令l=x（或y），则得到由地球自转引起的图像变形误差公式： 53 遥感图像的几何处理遥感图像的几何处理1几何处理的重要性几何处理的重要性: 各种专题图的生产各种专题图的生产,要求改正影像的几何要求改正影像的几何变形变形 处理、分析和综合利用多尺度的遥感数处理、分析和综合利用多尺度的遥感数据、多源遥感信息的表示、融合及混合像元据、多源遥感信息的表示、融合及混合像元的分解时，必须保证各不同数据源之间几何的分解时

18、，必须保证各不同数据源之间几何的一致性的一致性 利用遥感数据进行地图测图或更新利用遥感数据进行地图测图或更新123 2 手段手段 光学纠正光学纠正 数学纠正数学纠正 3 遥感图像的几何处理包括两个层次遥感图像的几何处理包括两个层次 第一是遥感图像的粗加工处理；第一是遥感图像的粗加工处理； 第二是遥感图像的精加工处理第二是遥感图像的精加工处理。12 4 遥感图像的粗加工处理遥感图像的粗加工处理 遥感图像的粗加工处理也称为粗纠正，遥感图像的粗加工处理也称为粗纠正，它仅做系统误差改正。它仅做系统误差改正。 辐射处理辐射处理 粗加工处理粗加工处理 几何处理几何处理:测定参数改正影像的系统误差测定参数改

19、正影像的系统误差 分幅注记分幅注记 LANDSAT卫星去斜纠正卫星去斜纠正法法:改正改正地球自转地球自转、像素地面尺寸在像素地面尺寸在x,y方向不等方向不等、以及、以及轨道面偏斜因素轨道面偏斜因素所引起的图像变形所引起的图像变形以及以及图像顶边不水平图像顶边不水平的因素所引的因素所引起的图像变形起的图像变形 x x y y 1 0 例例: MY=79/57=1.41 0 MY cos -sin sin=sin/cosB0 sin cos p115 -卫星轨道面偏角度卫星轨道面偏角度; B0 - 像幅中心星下点的地理纬度像幅中心星下点的地理纬度 1=M3 M2 M1 M0M3 =M 2= y=y

20、 + dy+ dy =y + + x y 1 0 y 1 y = dy/x=ecosB0Ret/ sRet =cosB0e/s s-卫星运行角速度 e -地球自转角速度=7.292X10-5 (rad/s) t -卫星运行时间 M1 =xXy yydy 测定参数法测定参数法: 如多光谱扫描仪如多光谱扫描仪,其成像的公式为构像方程为：其成像的公式为构像方程为： X X 0 Y = Y +At R 0 Z p Z s -f 式中式中 R = 对其图像的纠正就需要得到成象时投影中心的大地坐标对其图像的纠正就需要得到成象时投影中心的大地坐标X、Y、Z，扫描仪姿态角以确定旋转矩阵，扫描仪姿态角以确定旋转

21、矩阵At，扫描角，扫描角以及焦距以及焦距f。 2-为了确定投影中心的坐标为了确定投影中心的坐标 首先要确定卫星的坐标，卫星与传感器之间的相首先要确定卫星的坐标，卫星与传感器之间的相对位置是固定的，可以在地面测得。测定卫星坐标对位置是固定的，可以在地面测得。测定卫星坐标的方法有的方法有卫星星历表解算和全球定位系统测定两种卫星星历表解算和全球定位系统测定两种方法方法-传感器姿态角的测定传感器姿态角的测定 卫星姿态角的测定可以用姿态测量仪器测定，卫星姿态角的测定可以用姿态测量仪器测定，如如红外姿态测量仪、星相机、陀螺仪红外姿态测量仪、星相机、陀螺仪等，也可以通等，也可以通过过3个安装在卫星上个安装在

22、卫星上3个不同位置的个不同位置的GPS接收机测得接收机测得的数据来解求姿态角。的数据来解求姿态角。 -扫描角扫描角的测定的测定 根据传感器扫描周期根据传感器扫描周期T，扫描视场，扫描视场，可以计算，可以计算平均扫描角速度平均扫描角速度 ： = /(T /2) 则平均扫描角：则平均扫描角： 式中式中t为扫描为扫描时刻。 2 遥感图像的精纠正处理遥感图像的精纠正处理 在在粗加工粗加工处理的基础上处理的基础上,采用采用地面控制点地面控制点的方法的方法进一步提高影像的几何精度进一步提高影像的几何精度 控制点的要求和获取方法控制点的要求和获取方法: 要求要求: 影像上的明显地物点影像上的明显地物点 影像

23、中均匀分布影像中均匀分布 要满足一定的数量要求要满足一定的数量要求 123 niinjjiiiijnijnjjiiiijvubyvuax0000),(),(vufyvufxyx二次多项式间接法纠正变换公式为：二次多项式间接法纠正变换公式为： x i=a0+ a1XI + a2 YI+ a3 XIYI+ a4XI 2+ a5 YI 2 y i=b0+ b1XI + b2 YI+ b3 XIYI+ b4XI 2+ b5 YI 2 一次多项式一次多项式4个以上点个以上点 二次多项式二次多项式7个以上点个以上点 三次多项式三次多项式11个以上点个以上点 获取方法获取方法 GPS或野外测量或野外测量 地

24、形图上读取地形图上读取 两个环节：两个环节： 像素坐标的变换，即将图像坐标转变为地像素坐标的变换，即将图像坐标转变为地图或地面坐标图或地面坐标 对坐标变换后的像素亮度值进行重采样。对坐标变换后的像素亮度值进行重采样。 2121 数字图像纠正主要处理过程如下：数字图像纠正主要处理过程如下： 根据图像的成像方式确定影像坐标和地根据图像的成像方式确定影像坐标和地面坐标之间的数学模型。面坐标之间的数学模型。 根据所采用的数字模型确定纠正公式。根据所采用的数字模型确定纠正公式。 根据地面控制点和对应像点坐标进行平根据地面控制点和对应像点坐标进行平差计算变换参数，评定精度。差计算变换参数，评定精度。 对原

25、始影像进行几何变换计算，像素亮对原始影像进行几何变换计算，像素亮度值重采样。度值重采样。1243 （1）遥感图像的多项式纠正）遥感图像的多项式纠正v 多项式纠正多项式纠正回避回避成像的空间几何过程，直成像的空间几何过程，直接对图像变形的本身进行数字模拟。用一个接对图像变形的本身进行数字模拟。用一个适当的多项式来描述纠正前后图像相应点之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。间的坐标关系。v 本法对各种类型传感器图像的纠正是适用本法对各种类型传感器图像的纠正是适用的。的。v纠正方案纠正方案 直接法方案直接法方案:是是从原始图像阵列出发从原始图像阵列出发，按行列的，按行列的顺序依次对每

26、个原始像素点位求其在地面坐标系顺序依次对每个原始像素点位求其在地面坐标系（也是输出图像坐标系）中的正确位置（也是输出图像坐标系）中的正确位置 X=Fx(x,y) Y=FY(x,y) 缺点缺点:. 间接法方案间接法方案:是是从空白的输出图像阵列出发从空白的输出图像阵列出发，亦，亦按行列的顺序依次对每个输出像素点位反求原始图按行列的顺序依次对每个输出像素点位反求原始图像坐标中的位置像坐标中的位置 x=Gx(X,Y) y=Gy(X,Y)12 直接法和间接法纠正方案 abcdxyaXbYcd直接法F(x,y)间接法G(X,Y) 纠正具体步骤纠正具体步骤: 纠正后数字图像的边界范围的确定纠正后数字图像的

27、边界范围的确定v纠正后图像的边界范围，指的是在计算机存贮器中为输出图像所开出的纠正后图像的边界范围，指的是在计算机存贮器中为输出图像所开出的贮存空间大小，以及该空间边界（首行，首列，末行和末列）的地图贮存空间大小，以及该空间边界（首行，首列，末行和末列）的地图（或地面）坐标定义值。（或地面）坐标定义值。1 纠正后图像边界范围的确定过程如下：纠正后图像边界范围的确定过程如下： 把原始图像的四个角点把原始图像的四个角点a，b，c，d按纠正变换按纠正变换函数投影到地图坐函数投影到地图坐 标系统中去，得到标系统中去，得到8个坐标值：个坐标值： （Xa,a），（），（Xb,b），）， （Xc,c），（）

28、，（Xd,d） 对这对这8个坐标值按个坐标值按X和和Y两个坐标组分别求其最小两个坐标组分别求其最小值（值（X1，Y1）和最大值（）和最大值（X2，Y2） X1=min（Xa,Xb,Xc,Xd） X2=max（Xa,Xb,Xc,Xd） Y1=min（Ya,Yb, Yc,Yd） Y2=max（Ya,Yb, Yc,Yd） 并令并令X1，Y1，X2，Y2为纠正后图像范围四条边界的地图坐标为纠正后图像范围四条边界的地图坐标值。值。12（3 根据精度要求定义输出像素的地面尺寸根据精度要求定义输出像素的地面尺寸X和和Y 图像总的行列数图像总的行列数M和和N由下式确定由下式确定： M=(Y2-Y1 )/Y+1

29、 N=(X2-X1 )/X+1 行列号的取值范围可为： 3 地面坐标 输出图像坐标（x，y） 或者： 式中： ， 纠正后像素的地面坐标； ， 纠正后像素的图像坐标（行列号）。 4 直接法或间接法纠正直接法或间接法纠正 建立误差方程：建立误差方程： 二次多项式间接法纠正变换公式为：二次多项式间接法纠正变换公式为： x i=a0+ a1XI + a2 YI+ a3 XIYI+ a4XI 2+ a5 YI 2 y i=b0+ b1XI + b2 YI+ b3 XIYI+ b4XI 2+ b5 YI 2 误差方程为： V x i=a0 + a1XI + a2 YI+ a3 XIYI+ a4XI 2+

30、a5 YI 2 - x I V y i=b0 + b1XI + b2 YI+ b3 XIYI+ b4XI 2+ b5 YI 2 - y I 简化为： V x i=Aa-Lx V y i=Ab-Ly 21 1 XI YI XIYI XI 2 YI 2 A= 1 X2 Y2 X2Y2 X2 2 Y2 2 . 1T X n Y n XnY n Xn 2 Yn 2 Lx= x1 x2 . xn T Ly= y1 y2 . yn T V x I a Lx V y I b Ly=A- 建法方程：建法方程： A T A a= A T Lx A T A b b= A T Ly 解待定系数：解待定系数： a=

31、A T A -1 A T Lx b b= A T A -1 A T Ly 精度分析：精度分析： x= (V x T V x /n-f)1/2 y= (V y T V y /n-f)1/2 n-控制点数 f-多项式系数个数234 若若 说明有粗差说明有粗差 原因：看错同名点；原因：看错同名点； 量测坐标有误。量测坐标有误。 将误差超限的点去掉，重新迭代，直将误差超限的点去掉，重新迭代，直到到 按规范按规范的的限差限差为（为（平面）平面） 1 1：1010万影像图万影像图 50m50m 1 1：5 5万影像图万影像图 25m25m 1 1：1 1万影像图万影像图 5m5m 重采样重采样 最邻近像元

32、采样法最邻近像元采样法 该法实质是取距离被采样点最近的已知像素元该法实质是取距离被采样点最近的已知像素元素的（素的（N）亮度）亮度IN作为采样亮度作为采样亮度 采样法最简单，辐射保真度较好采样法最简单，辐射保真度较好, 但它将造成像但它将造成像点在一个像素范围内的位移，其几何精度较其他两点在一个像素范围内的位移，其几何精度较其他两种方法差。种方法差。 21 双线性内插法双线性内插法2 该法的重采样函数是对辛克函数的更粗略近似，可该法的重采样函数是对辛克函数的更粗略近似，可以用如图所示的一个三角形线性函数表达：以用如图所示的一个三角形线性函数表达： 当实施双线性内插时，需要有被采样点当实施双线性

33、内插时，需要有被采样点P周围周围4个已个已知像素的亮度值参加计算知像素的亮度值参加计算 xx21-x11y12-122211xx1y1xpy2ypxypwxcx1-x 该法的计算较为简单，并具有一定的亮度采样该法的计算较为简单，并具有一定的亮度采样精度，所以它是实践中常用的方法，但图像略变模精度，所以它是实践中常用的方法，但图像略变模糊。糊。 双三次卷积重采样法双三次卷积重采样法 该法用一个三次重采样函数来近似表示辛克函数该法用一个三次重采样函数来近似表示辛克函数 3 3 当利用三次函数对当利用三次函数对点亮度重采样时，需要点亮度重采样时，需要点邻近的点邻近的4*4个已知个已知像素的亮度值参加

34、计算。像素的亮度值参加计算。 内插点内插点的亮度值为：的亮度值为： I11 I12 I13 I14 I21 I22 I23 I24 I31 I32 I33 I34 I41 I42 I43 I44 ； I=5.45.4图像间的自动配准和数字镶嵌图像间的自动配准和数字镶嵌54 图像间的自动配准和数字镶图像间的自动配准和数字镶嵌嵌 图像间的自动配准图像间的自动配准 图像配准的实质就是前述的遥感图像的图像配准的实质就是前述的遥感图像的几何纠正，根据图像的几何畸变特点，采用几何纠正，根据图像的几何畸变特点，采用一种几何变换将图像归化到统一的坐标系中。一种几何变换将图像归化到统一的坐标系中。 图像之间的配

35、准一般有两种方式：图像之间的配准一般有两种方式： 图像间的匹配，即以多源图像中的一幅图图像间的匹配，即以多源图像中的一幅图像为参考图像，其他图像与之配准，其坐标像为参考图像，其他图像与之配准，其坐标系是任意的；系是任意的； 绝对配准，即选择某个地图坐标系，将多绝对配准，即选择某个地图坐标系，将多源图像变换到这个地图坐标系以后来实现坐源图像变换到这个地图坐标系以后来实现坐标系的统一。标系的统一。 12 配准的过程分两步：配准的过程分两步： 在多源图像上确定分布均匀，足够数量的在多源图像上确定分布均匀，足够数量的图像图像同名点同名点； 通过所选择的图像同名点确定几何变换通过所选择的图像同名点确定几

36、何变换的多项式系数，从而完成一幅图像对另一幅的多项式系数，从而完成一幅图像对另一幅图像的几何纠正。图像的几何纠正。 12 图像相关图像相关 利用两个信号的相关函数，评价它们的利用两个信号的相关函数，评价它们的相似性以确定同名点。相似性以确定同名点。 数字图像相关的过程如下：数字图像相关的过程如下： 先在参考图像上选取以目标点为中心，大先在参考图像上选取以目标点为中心，大小为小为NN的区域作为目标区域的区域作为目标区域T，并确保目，并确保目标点（最好是明显地物点）在区域的中间。标点（最好是明显地物点）在区域的中间。 将模板将模板T放入搜索区放入搜索区S内搜索同名点。从左内搜索同名点。从左至右、从

37、上到下，逐像素的移动搜索区来计至右、从上到下，逐像素的移动搜索区来计算目标区和搜索区之间的相关系数。取最大算目标区和搜索区之间的相关系数。取最大者为同名区域，其中心为同名点者为同名区域，其中心为同名点12 图像匹配的一些算法如下：图像匹配的一些算法如下： 相关系数测度相关系数测度 协方差函数除以两信号的方差即得相关系数协方差函数除以两信号的方差即得相关系数 (f,g)=cfg/(cff cgg)1/2 cfg是两信号的协方差 cff , cgg分别是信号f和信号g的方差1v而对两个离散的数字图像，其灰度数据而对两个离散的数字图像，其灰度数据T、S， 相关系数表达成为：相关系数表达成为： 差分测

38、度差分测度 对离散的数字图像，差分测度采用如下公式对离散的数字图像，差分测度采用如下公式： 2 图像特征提取与基于松弛法的整体图像匹图像特征提取与基于松弛法的整体图像匹配，全自动地获取密集同名点配，全自动地获取密集同名点 密集同名点对构成密集三角网（小面元）密集同名点对构成密集三角网（小面元） 利用小三角形面元进行微分纠正，实现图利用小三角形面元进行微分纠正，实现图像像 精确配准。精确配准。 3212 基于小面元微分纠正的图像间自动配准基于小面元微分纠正的图像间自动配准特点特点 快速匹配出密集、均匀分布的数万个乃至数十快速匹配出密集、均匀分布的数万个乃至数十万个同名点。万个同名点。 通过小面元

39、微分纠正，检测中误差一般不超过通过小面元微分纠正，检测中误差一般不超过1.5个像素。个像素。 解决山区因图像融合后出现的图像模糊与重影解决山区因图像融合后出现的图像模糊与重影问题，同时适用于平坦地区和丘陵地区图像的配准。问题，同时适用于平坦地区和丘陵地区图像的配准。 小面元微分纠正的算法如下：小面元微分纠正的算法如下： 图象特征点提取图象特征点提取 将目标图像中的明显点提取出来作为配准的控将目标图像中的明显点提取出来作为配准的控制点。这些点特征的提取是利用兴趣算子提取的。制点。这些点特征的提取是利用兴趣算子提取的。 预处理预处理 需要对图像进行平移、旋转与缩放等预处理，需要对图像进行平移、旋转

40、与缩放等预处理，以便于图像匹配。当图像的差异较大时，需要人工以便于图像匹配。当图像的差异较大时，需要人工选取一到三对同名点的概略位置，根据这些同名点选取一到三对同名点的概略位置，根据这些同名点解算图像间概略的平移、旋转与缩放等预处理参数。解算图像间概略的平移、旋转与缩放等预处理参数。 21 粗匹配粗匹配 以特征点为中心，取一矩形窗口作为目以特征点为中心，取一矩形窗口作为目标窗口。根据先验知识的预测，从图像中取标窗口。根据先验知识的预测，从图像中取一较大的矩形窗口作为搜索窗口。将目标窗一较大的矩形窗口作为搜索窗口。将目标窗口的灰度矩阵和搜索窗口中等大的子窗口灰口的灰度矩阵和搜索窗口中等大的子窗口

41、灰度矩阵进行比较。其中最相似的子窗口的中度矩阵进行比较。其中最相似的子窗口的中心为该特征点的同名点。心为该特征点的同名点。 3 粗匹配的结果将被作为控制，用于后续粗匹配的结果将被作为控制，用于后续的精匹配，因此具有较高的可靠性，其分布的精匹配，因此具有较高的可靠性，其分布应尽量均匀。为了检测其粗差，可对同名点应尽量均匀。为了检测其粗差，可对同名点的位置之差进行多项式拟合，将拟合残差大的位置之差进行多项式拟合，将拟合残差大的点剔除。为了提高可靠性，可以用由粗到的点剔除。为了提高可靠性，可以用由粗到细的匹配策略，特征提取与粗匹配按分层多细的匹配策略，特征提取与粗匹配按分层多级图象金字塔结构进行。级

42、图象金字塔结构进行。 几何条件约束的整体松弛匹配几何条件约束的整体松弛匹配 a 改正地面坡度产生的畸变改正地面坡度产生的畸变 以两相邻的特征作为左右两边构成窗口以两相邻的特征作为左右两边构成窗口。在评价相似性之前，先将搜索子窗口重采样，在评价相似性之前，先将搜索子窗口重采样，使其与目标窗口等大，然后再评价其相似性，使其与目标窗口等大，然后再评价其相似性，这样可以克服坡度引起的畸变差对匹配的不这样可以克服坡度引起的畸变差对匹配的不利影响。利影响。4b 几何约束条件几何约束条件 大部分的地表是连续光滑的，因此在匹配大部分的地表是连续光滑的，因此在匹配的过程中应先考虑连续光滑的几何约束条件。的过程中

43、应先考虑连续光滑的几何约束条件。第一第一：目标点的顺序与其同名点的顺序应相：目标点的顺序与其同名点的顺序应相 当，不应当有逆序；当，不应当有逆序； 第二第二:同名点的左右横坐标差不应由突变，有同名点的左右横坐标差不应由突变，有突突 变者，一般是粗差应剔除；变者，一般是粗差应剔除； 第三第三:同名点的左右横坐标应当相差不大，它同名点的左右横坐标应当相差不大，它们们 离一拟合曲面的距离不大。离一拟合曲面的距离不大。c 整体松弛匹配整体松弛匹配 传统的图像匹配是孤立的单点匹配，传统的图像匹配是孤立的单点匹配，它不考虑周围点的匹配结果的一致性。它不考虑周围点的匹配结果的一致性。同名点的判定必须借助其临

44、近的点，且同名点的判定必须借助其临近的点，且它们的影响是相互的。利用整体松弛匹它们的影响是相互的。利用整体松弛匹配法能较好的解决这个问题。配法能较好的解决这个问题。 小面元微分纠正小面元微分纠正 由以上方法，在一幅图像中，通常可以提由以上方法，在一幅图像中，通常可以提取数万至数十万对同名点，这些点分布在山取数万至数十万对同名点，这些点分布在山脊、山谷等特征线上，或者它们本身就是明脊、山谷等特征线上，或者它们本身就是明显的特征点。将其构成相互对应的三角网。显的特征点。将其构成相互对应的三角网。因为点数多，所以三角网的三角形面积都较因为点数多，所以三角网的三角形面积都较小。小。 5 关键是：关键是

45、： -如何在几何上将多幅不同的图像连接如何在几何上将多幅不同的图像连接在一起在一起,将所有参加镶嵌的图像纠正到统一的将所有参加镶嵌的图像纠正到统一的坐标系中坐标系中 -如何保证拼接后的图像反差一致，色如何保证拼接后的图像反差一致，色调相近调相近 -没有明显的接缝没有明显的接缝 5.45.4图像间的自动配准和数字镶嵌图像间的自动配准和数字镶嵌 过程如下：过程如下： 图像的几何纠正；图像的几何纠正； 搜索镶嵌边。先取图像重叠区的搜索镶嵌边。先取图像重叠区的1/2为镶嵌边；为镶嵌边；然后搜索最佳镶嵌边，即该边为左右图像上亮度然后搜索最佳镶嵌边，即该边为左右图像上亮度值最接近的连线，相对左右图像有值最

46、接近的连线，相对左右图像有12 亮度和反差调整亮度和反差调整 求接缝点左右图像平均亮度值求接缝点左右图像平均亮度值 Lave,Rave； 对右图像，按下式改变整幅图像基色：对右图像，按下式改变整幅图像基色： R= =R+(L+(Lave-Rave)其中其中R为右图像原始亮度值，为右图像原始亮度值，R为右图像改变后的亮度值为右图像改变后的亮度值。 求出左右图像在拼缝边上灰度的极值求出左右图像在拼缝边上灰度的极值 即即 Lmax,Lmin, Rmax,Rmin 3132 对整幅右图像作反差拉伸：对整幅右图像作反差拉伸： R =AR+ B A=(Lmax-Lmin)/ =(Rmax- Rmin )

47、B=-A Rmin+Lmin 平滑边界线平滑边界线 经过上述调整，两幅图像色调和反差已趋近，经过上述调整，两幅图像色调和反差已趋近，但仍有拼缝，必须进行边界线平滑。在边界点两边但仍有拼缝，必须进行边界线平滑。在边界点两边各选各选n个像元，这样平滑区有个像元，这样平滑区有2n1个像元个像元,计算每计算每一行上平滑后的亮度值一行上平滑后的亮度值Di： 44本章小结1 遥感传感器的构像方程及共线方程遥感传感器的构像方程及共线方程2 遥感图像的几何变形及几何处理遥感图像的几何变形及几何处理3 自动配准和数字镶嵌自动配准和数字镶嵌2-5章习题:1: 以以Landsat-1为例，说明遥感卫星轨道的四大特点

48、为例，说明遥感卫星轨道的四大特点及其在遥感中的作用。及其在遥感中的作用。2: 获得传感器姿态的方法有哪些？简述其原理。获得传感器姿态的方法有哪些？简述其原理。3: 对物面扫描的成像仪为什么会产生全景畸变？扫对物面扫描的成像仪为什么会产生全景畸变？扫描角为描角为时的影像的畸变多大？时的影像的畸变多大？4: 侧视雷达影像的分辨力、比例尺、投影性质和投侧视雷达影像的分辨力、比例尺、投影性质和投影差与中心投影航空或航天像片影像有何不同？影差与中心投影航空或航天像片影像有何不同？ 5: 写出写出TM 、SPOT(前倾前倾) 、侧视雷达影像构像方程、侧视雷达影像构像方程 和等效共线方程。和等效共线方程。6: 叙述遥感影像精纠正处理的过程叙述遥感影像精纠正处理的过程。