遙感圖像校正演算法

㈠ 實驗十一 遙感圖像幾何精校正：Image to Image方式

一、實驗目的

通過對ENVI的Image to Image Registration功能命令操作，用帶地理坐標的遙感圖像校正幾何畸變的遙感圖像，從而消除後者的幾何畸變，成為帶地理坐標的遙感圖像，以加深對遙感圖像幾何校正的理解。

二、實驗內容

①圖像幾何校正控制點的選擇；②控制點坐標資料庫建立；③糾正模型選擇；④插值演算法選擇；⑤幾何校正後圖像與原始圖像比較分析。

三、實驗要求

①控制點的選擇必須是其所在位置具有清晰可辨的點位識別特徵，如點、兩線交叉點和單線銳角拐點等；②控制點在影像上要均勻分布；③全圖區內的控制點數量不能少於20個；④對校正前後的圖像進行比較分析。

四、技術條件

①微型計算機；②桂林市P6衛星影像Pan波段及多光譜波段數據；③ENVI軟體；④Photoshop軟體（ver.6.。以上）和ACDSee軟體（ver.4.0以上）。

五、實驗步驟

（1）在ENVI主菜單欄中選擇「File>OpenImage File」，出現文件目錄窗口，將桂林市P6影像數據調入「Available Bands List」窗口。

（2）選取地面控制點（GCPs）。選取地面控制點GCPs操作通常是在兩幅圖像（圖像一圖像配准需要打開兩幅圖像）的縮放窗口中進行的。

1）打開參考影像和待糾正影像，並將它們分別顯示於兩個主窗口中。

2）在ENVI主菜單欄中選擇「Map>Registration>Select GCPs: Image to Image」命令，彈出「Image to Image Registration」對話框，如圖11-1所示。

3）選擇參考影像和待糾正影像的顯示窗口。在「Base Image」列表中，選擇基影像（參照影像）。在「Warp Image」列表中，選擇待糾正的影像，如圖11-1所示。

4）點擊【OK】按鈕，彈出「Ground Control Point Selection」對話框，如圖11-2所示。

圖11-1 圖像對圖像配准對話框

圖11-2 地面控制點選擇對話框

5）選取地面控制點。通過在縮放窗口（Zoom）中定位同名像元位置，在參考影像和待糾正影像中選擇地面控制點，像元坐標信息被導入到「Ground Control Point Selection」對話框中（圖11-2）。

6）兩幅影像上的對應像元選擇完畢後，在「Ground Control Point Selection」對話框中點擊【Add Point】按鈕，將選擇的GCPs添加到X、Y（樣本、行）坐標對列表中。

7）如需瀏覽所選的GCPs列表，點擊【Show List】按鈕，彈出「Image to Image GCP List」對話框，如圖11-3所示，已經選取的GCPs將全部顯示在表格中。

圖11-3 GCPs列表

（3）圖像—圖像配准。在選擇GCPs完成之後，根據所選控制點執行影像糾正，具體操作步驟如下：

1）在「Ground Control Point Selection」對話框菜單欄中選擇「Options>Warp Displayed Band」命令，彈出「Registration Parmaeters」對話框，如圖11-4所示。

2）在「Mehtod」下拉列表中選擇糾正模型。

ENVI提供三個糾正模型：RST（旋轉、縮放和平移）、多項式和Delaunay 三角測量。RST糾正是最簡單的方法，需要三個或者更多的GCPs。多項式可以選擇1次到n次多項式糾正，可以選擇的次數依賴於所選的GCPs個數，即＃GCPs＞（多項式次數＋1）²。Delaunay 三角測量適用於三角到不規則空間GCPs和內插數值到輸出網格中。

3）在「Registration Parameters」對話框中的「Resamnpling」下拉列表框中選擇重采樣方式，可用的重采樣方法包括：最臨近、雙線性和三次卷積。最臨近重采樣運用沒有解譯的像元生成糾正圖像；雙線性重采樣使用4個像元進行線性內插，以對糾正圖像進行重采樣；三次卷積使用近似於正弦函數的16個像元，通過三次多項式對圖像進行重采樣。

圖11 -4「Registration Parameters」對話框

4）選擇輸出到「File」或「Memory」。點擊【OK】按鈕開始處理，結果將出現在可用波段列表中。

（4）由於將Pan波段作為基影像對多光譜波段進行了重采樣，配准後的多光譜波段還需要按照原來的空間解析度23.5m 進行重采樣。

1）在ENVI主菜單欄中選擇「Basic Tools>Resize Data」工具，將出現「Resize Data Input File」對話框，選擇需要重采樣的輸入文件，點擊【OK】按鈕，將會彈出「Resize Data Parameters」對話框，如圖11 -5所示。

2）點擊【Set Output Dims by Pixel Size】按鈕（圖11-5），將圖像像元解析度改為23.5。

3）在「Resampling」下拉列表框中選擇重采樣方式，然後選擇輸出到「File」或「Memory」。點擊【OK】按鈕開始處理，結果將出現在可用波段列表中。

（5）用Photoshop軟體將經過幾何校正的圖像與原始圖像並列打開，觀察比較幾何校正前後影像有何差異，用W ORD文檔記錄，取名為《幾何校正前後差異分析》，存入自己的工作文件夾。

圖11-5 調整數據參數對話框

六、實驗報告

（1）簡述實驗過程。

（2）回答問題：①Image to Image代表的含義是什麼？②影響幾何精校正精度的主要因素有哪些？③為何選擇控制點必須嚴格遵循如下原則：第一，控制點的選擇必須是其所在地物形態具有點狀或近似點狀、清晰顯著和易於識別的影像特徵；第二，控制點在影像上要均勻分布；第三，全圖區內的控制點數量不能少於20個？

實驗報告格式見附錄一。

㈡ 遙感圖像處理的圖像校正

遙感衛星的多光譜掃描儀每次掃描有6個光—電轉換器件平行工作，專題制圖儀每次掃描有16個光電器件平行工作。因此，一次掃描可得到6行或16行圖像數據。由於各個光—電轉換器件的特性差異和電路漂移，圖像中各像元（像素）的灰度值不能正確反映地物反射的電磁波強度，並且圖像上還會出現條紋。因此，需要對原始圖像數據的像元灰度值進行校正，這種校正稱為輻射校正。在多光譜掃描儀中，輻射校正是通過對各個敏感元件的增益和漂移進行校正來達到的。 多光譜掃描儀和專題制圖儀的圖像存在一系列幾何畸變。
這是因為它們不是瞬間掃描而是用連續掃描的方法取得圖像數據的。由於衛星的運動，掃描行並不垂直於運動軌跡方向，在掃描一幅圖像的時間內地球自轉一個角度而使圖像扭歪。在給定視場角下，掃描行兩側的像元對應的地面面積比中間的大，地球的曲率更加大了這一誤差。衛星的姿態變動和掃描速度不勻也使圖像產生畸變。因此必須對圖像進行幾何糾正。根據已知的儀器參數及遙測的衛星軌道和姿態參數進行圖像的幾何糾正，稱為系統糾正。需要用衛星圖像制圖時，系統糾正後的幾何精度仍不能滿足要求，則需要用地面控制點來進行圖像的幾何精糾正。若圖像的幾何誤差分布是平面的、二次或三次曲面的，就可以用相應次數的多項式來糾正。經過精糾正，圖像的幾何精度可達到均方誤差在半個像元以內。
衛星遙感圖像的輻射校正和幾何糾正有時稱為衛星圖像預處理。遙感衛星地面站通常可以向用戶提供經過預處理的圖像數據或圖片。也有很多用戶，寧願使用原始的磁帶數據而根據自己的應用要求進行處理。

㈢ 實驗二十 遙感圖像正射校正

一、實驗目的

通過運用ENVI軟體對灌陽地區QuickBird-2遙感影像作對傾斜改正和投影差改正，消除由於系統因素和地形引起的幾何畸變，將影像重采樣成正射影像，加深對遙感影像正射校正處理的理解，掌握其ENVI軟體操作要領。

二、實驗內容

①無控制點（Orthorectify感測器類型）正射校正；②有控制點（Orthorectify感測器類型with Ground Control）正射校正；③有控制點和無控制點正射校正結果差異對比。

三、實驗要求

①掌握無控制點的正射校正處理方法；②掌握有控制點的正射校正處理方法；③編寫實驗報告。

四、技術條件

①灌陽地區QuickBird遙感數據；②與灌陽地區QuickBird-2影像數據匹配的DEM數據；③灌陽地區地面控制點數據；④微型計算機；⑤ENVI軟體；⑥ACDSee軟體（ver.4.0以上）。

五、實驗步驟

ENVI支持的正射校正包括兩種模型：RPC有理多項式系數（Rational Polynomial Coeffciient）和嚴格軌道物理模型（Pushbroom Sensor）,ENVI也可以根據衛星數據提供的軌道參數，生成RPC文件進行正射校正（Map>Build RPCs）。

ENVI提供無控制點（Orthorectify感測器類型）和有控制點（Orthorectify感測器類型with Ground Control）兩種正射校正方式。其中無控制點（Orthorectify感測器類型）正射校正方式校正精度取決於RPC文件的定位精度和DEM 數據的解析度，而有控制點（Orthorectify感測器類型with Ground Control）正射校正方式校正精度不僅取決於RPC文件的定位精度和DEM 數據的解析度，還利用地面控制點參與正射校正提供了校正精度。具體操作步驟如下。

1.無控制點（Orthorectify感測器類型）正射校正

（1）在ENVI主菜單中，選擇「File>Open Exteranl File>QuickBird>GeoTIFF」，選擇待校正的灌陽地區QuickBird影像。這里需要注意，當對SPOT5數據作正射校正時，選擇數據格式時要選擇DIMAP格式。

（2）在ENVI 主菜單中，選擇「File>Open Image File」，打開灌陽地區DEM數據。

（3）選擇感測器校正模型：在ENVI主菜單中，選擇「Map>Orthorectifciation」，選擇對應的感測器模型及校正方式，這里我們選擇「QuickBird>Orthorectify QuickBird」，選擇待校正灌陽地區QuickBird影像，點擊【OK】按鈕，將出現「Orthorectification Parameters」對話框（圖20-1）。

圖20-1 Orhtorectification參數設置對話框

（4）在「Orthorectification Paramcters」對話框中，需要設置以下參數。

◎圖像重采樣方法（Image Resampling）：Bilinear。

◎背景值（Background）: 0。

◎輸入高程信息（Input Height）：有DEM 數據（DEM）和平均海拔（Fixed）兩種方式。本次實驗選擇DEM 方式，點擊【Select DEM File】按鈕，選擇打開的DEM數據。

◎DEM 重采樣方法（DEM Resampling）: Bilinear,ENVI自動對DEM 進行重采樣，生成與校正影像投影和解析度一致的數據。

◎高程修正系數（Geoid offset）: DEM 的高程值是絕對高程（地面點到大地水準面的距離），用於正射校正的RPC高程是位勢高度（Geopotential Height），這種高度之間相差不大，填寫修正參數可以提高一定的正射校正精度。修正參數可以根據圖像中心點的經緯度在網站http://www.ngs.noaa.gov/cgi-bin/GEOID STUFF/geoid99 promptl.prl中查詢。

◎設置輸出結果投影參數（Change Projection）：點擊【Change Projection】按鈕選擇需要的投影方式。

◎輸出像元大小（X Pixel Size、y Pixel Size）：輸入像元大小值。

（5）選擇輸出路徑及文件名，點擊【OK】按鈕完成正射校正。

2.有控制點（Orthorectify感測器類型with Ground Control）正射校正

（1）在ENVI主菜單中選擇「File>Open External File>QuickBird>GeoTIFF」，選擇待校正的灌陽地區QuickBird影像，並使之顯示在「Display」中。這里需要注意，當對SPOT5數據作正射校正時，選擇數據格式時要選擇DlMAP格式。

（2）在ENVI主菜單中選擇「File>Open Image File」，打開灌陽地區DEM數據。

（3）選擇感測器校正模型。在ENVI主菜單中選擇「Map>Orthorectification」，選擇對應的感測器模型及校正方式，這里選擇「QuickBird>Orthorectify QuickBird with Ground Control」，打開「Ground ControlPoints Selection」對話框（圖20-2）。

圖20-2 地面控制點選取對話框

（4）選擇地面控制坐標的方法可參考本書實驗十二中的實驗操作步驟。控制點的高程信息可以從DEM數據中讀取。

系統根據GCP（3個以上）自動計算RMS Error值，注意這里RMS Error值是以像素為單位。

（5）選擇完地面控制點後，在「Ground Control Points Selection」對話框中選擇「Option>Orthorectify File」，在文件選擇對話框中選擇待校正的QuickBird影像，點擊【OK】按鈕，打開「Orthorectification Parameters」對話框（圖20-1）。

（6）「Orthorectification Parameters」對話框參數設置方法同無控制點（Orthorectify感測器類型）的正射校正方法參數設置。

（7）選擇輸出路徑及文件名，點擊【OK】按鈕完成正射校正。

3.有控制點和無控制點正射校正結果差異對比

完成上述操作後，對灌陽地區QuickBird遙感影像作有控制點和無控制點正射校正，將有控制點校正和無控制點校正的結果分別在「Display」中顯示，利用「Geographic Link」功能對比查看兩個的結果差異，用WORD文檔記錄，取名為《有控制點和無控制點正射校正結果差異》，存入自己的工作文件夾。

六、實驗報告

（1）簡述實驗過程。

（2）回答問題：①為何要進行遙感影像正射校正？②通過Geographic Link功能，對比有控制點和無控制點進行正射校正遙感影像的差異，以及進行正射校正和不進行正射校正遙感影像的差異，分析差異產生的原因。

實驗報告格式見附錄一。