第5章遥感图像的几何处理

河北联合大学第五章遥感图像的几何处理内容提纲遥感传感器的构像方程遥感图像的几何变形遥感图像的几何处理图像间的自动配准和数字镶嵌图像的裁剪5.1遥感传感器的构像方程遥感图像通用构像方程中心投影构像方程全景摄影机的构像方程推扫式传感器的构像方程扫描式传感器的构像方程侧视雷达图像的构像方程基于多项式的构像方程基于DLT的构像方程基于RFM的构像方程5.1.1遥感图像通用构像方程遥感图像的构像方程：指地物点在图像上的图像坐标(x，y)和其在地面对应点的大地坐标(X、Y、Z)之间的数学关系。根据摄影测量原理，这两个对应点和传感器成像中心成共线关系，可以用共线方程来表示。这个数学关系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。构像方程中的坐标系传感器坐标系S－UVW地面坐标系O－XYZ图像(像点)坐标系o－xyf传感器坐标系S-UVW：以传感器投影中心S为坐标原点，U轴方向为遥感平台的飞行方向；地面坐标系O-XYZ：主要采用地心坐标系统，以地心O为原点，X轴指向春分点；图像坐标系o-xyf：方向与S-UVW方向一致。通用构像方程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5.1.2中心投影构像方程中心投影（等比例缩放）5.1.2中心投影构像方程λp为成像比例尺分母f为摄影机主距旋转矩阵传感器的外方位元素，是指传感器成像时的位置（Xs,Ys,Zs）和姿态角（φ,ω,κ）。中心投影构像方程正算公式反算公式共线方程的意义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，正算公式和反算公式成立。5.1.3全景摄影机的构像方程全景摄影5.1.3全景摄影机的构像方程全景摄影机影像是由一条曝光缝隙沿旁向扫描而成，对于每条缝隙图像的形成，其几何关系等效于中心投影沿旁向倾斜一个扫描角θ后，以中心线成像的情况，此时像点坐标为（x，0，－f），所以其构像方程为：(a)倾斜角为0时的成像瞬间(b)倾斜角不为0时的成像瞬间全景摄影机成像瞬间的几何关系5.1.3全景摄影机的构像方程costancos/cossin0cossin0sincos0001ffxffxfx(x)、(y)为等效的中心投影影像坐标5.1.4推扫式传感器的构像方程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）。5.1.4推扫式传感器的构像方程推扫式传感器的构成方程为：5.1.4推扫式传感器的构像方程为获取立体像对，推扫式传感器要进行前后视倾斜θ和旁向倾斜固定角θ进行扫描航向倾斜旁向倾斜沿旁向倾斜固定角θffyffyfyffyfyfycossincossinsincos0cossinsincos00cossin0sincos0001前后视倾斜θ扫描cossectancossin0cos0sin010sin0cosfyffyffy5.1.5扫描式传感器的构像方程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θ后，以像幅中心（x＝0，y＝0）成像的几何关系。5.1.5扫描式传感器的构像方程5.1.5扫描式传感器的构像方程costan0cossin000cossin0sincos0001fffff5.1.6侧视雷达图像的构像方程斜距投影：5.1.6侧视雷达图像的构像方程雷达往返脉冲与铅垂线之间的夹角为θ，oy为等效的中心投影图像，f为等效焦距。侧视雷达图像成像转换为旋转了θ角的中心投影，此时像点坐标为x=0，y=rsinθ，等效焦距f=rcosθ。5.1.6侧视雷达图像的构像方程5.1.7基于多项式的构像方程多项式构像方程的基本思想：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重因素引起，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描述纠正前后图像相应点之间的坐标关系。5.1.7基于多项式的构像方程多项式构像方程的缺点不能真实的描述影像形成过程中的误差来源和地形起伏的变形。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。5.1.8基于DLT的构像方程直接线性变换（DirectLinearTransformation，DLT）：直接建立像点坐标和空间坐标之间关系的一种数学变换。它不需要外方位元素，表达形式简单，无需初值。可以用于CCD推扫式传感器成像模型。5.1.9基于RFM的构像方程共线方程描述图像的成像关系，理论上是严密的。但是需要知道传感器物理构造及成像方式，但是有些高性能的传感器参数、成像方式、卫星轨道是不公布的。因此需要有与具体传感器无关的、形式简单的传感器模型来取代共线方程模型。有理函数模型（RationalFunctionModel,RFM）：是一种能够获得与严格成像模型近似一致精度的、形式简单的概括模型。5.1.9基于RFM的构像方程5.1.9基于RFM的构像方程有理函数的系数（RationalFunctionCoefficient,RFC）：指多项式中的系数ai,bi,ci,di。（P,L,H）为正则化的地面坐标，（X,Y）为正则化的影像坐标，其值正则化到-1到1之间。RFC获得过程：先解算传感器模型参数，利用严格模型的定向结果反求有理函数的参数，最后将RFC作为影像原数据的一部分提供给用户。RFM实质是共线方程的扩展。5.2遥感图像的几何变形遥感图像成图时，由于各种因素的影响，图像本身的几何形状与其对应的地物形状往往是不一致的。遥感图像的几何变形是指原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时产生的形变。研究遥感图像几何变形的前提是必须确定一个图像投影的参照系统，即地图投影系统。5.2遥感图像的几何变形静态误差：传感器相对于地球表面呈静止状态时所具有的各种变形误差。动态误差：由于地球的旋转等因素所造成的图像变形误差。内部误差：由于传感器自身的性能技术指标偏移标称数值所造成的。外部变形误差：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，传感器介质不均匀，地球曲率，地形起伏以及地球旋转等因素引起的变形误差。5.2遥感图像的几何变形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像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。主要讨论以下几个方面：传感器成像方式引起的图像变形传感器外方位元素变化的影响地形起伏引起的像点位移地球曲率引起的图像变形大气折射引起的图像变形地球自转的影响5.2.1传感器成像方式引起的图像变形传感器的成像方式点中心投影、线中心投影、面中心投影正射投影中心投影全景投影斜距投影中心投影影像——作为基准中心投影：点中心投影、线中心投影、面中心投影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（并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。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，相当于全景摄影的投影面，称之为全景面。tan'fyydypp斜距投影变形侧视雷达属斜距投影类型传感器，S为雷达天线中心，Sy为雷达成像面，地物点P在斜距投影图像上的图像坐标为yp，它取决于斜距RP以及成像比例λ。tan'fypHfRrppsecfHRfryppptansec'fyydypp成像几何形态引起的图像变形5.2.2传感器外方位元素变化的影响传感器的外方位元素，是指传感器成像时的位置（Xs,Ys,Zs）和姿态角（φ,ω,κ）考虑到在竖直摄影条件下,φ=ω=κ≈0外方位元素变化所产生的像点位移5.2.2传感器外方位元素变化的影响dXs、dYs、dZs、dκ——线性变化dφ、dω——非线性变形dφdωdκ对推扫式成像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像点位移公式对扫描式成像外方位元素对成像的影响为x=0,y=ftanθ时的误差方程因此可以得到推扫式成像仪像点位移公式综合变形外方位元素随时间变化，产生很复杂的动态变形。整个图像的变形将是所有瞬间局部变形的综合结果。dXdYdZdφdωdκ对侧视雷达航向倾角dφ和方位旋角dκ将使雷达波瓣产生沿航向的平移和指向的旋转，引起雷达对地物点扫描时间上的偏移和斜距的变化，因而造成图像变形。旁向倾角dω不会改变斜距，只是地物反射信号的强度发生改变，并且使照射带的范围发生变化。对侧视雷达drdrdXHrdxSsincoscosSSdZHrdYHrdysincos5.2.3地形起伏引起的像点位移地形起伏导致局部像点的位移，地形高的点向图像外侧偏移，地形低的点向图像内侧偏移。地形起伏对侧视雷达图像的影响发生在y方向，且投影差的方向与中心投影相反。图5-135.2.4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。图5-165.2.4地球曲率引起的图像变形hhRD02202Rh022RDh5.2.4地球曲率引起的图像变形对中心投影图像的影响：对多光谱扫描仪图像的影响：对侧视雷达图像的影响：5.2.4地球曲率引起的图像变形•在考虑遥感影像的图像变形时，地球曲率引起的像点位移一般是不能忽略的。当利用共线方程进行几何校正时，由于已知控制点的大地坐标是以平面作为水准面的，而地球是个椭球体，所以需按上述方法对像点坐标进行改正，以解决两者之间的差异，使改正后的像点位置，投影中心和地面控制点坐标之间满足共线关系。5.2.5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。5.2.5大气折射引起的图像变形大气折射对框幅式像片上像点位移的影响在量级上要比地球曲率的影响小得多。对侧视雷达图像，大气折射的影响体现在两方向。第一是大气折射率的变化使得电磁波的传播路径改变；第二是电磁波的传播速度减慢，而改变了电磁波传播时间。大气折射引起的路程变化的影响极小，可忽略不计。而时间变化的影响，不能忽略，需加以改正。5.2.6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