遥感图像校正算法

㈠ 实验十一 遥感图像几何精校正：Image to Image方式

一、实验目的

通过对ENVI的Image to Image Registration功能命令操作，用带地理坐标的遥感图像校正几何畸变的遥感图像，从而消除后者的几何畸变，成为带地理坐标的遥感图像，以加深对遥感图像几何校正的理解。

二、实验内容

①图像几何校正控制点的选择；②控制点坐标数据库建立；③纠正模型选择；④插值算法选择；⑤几何校正后图像与原始图像比较分析。

三、实验要求

①控制点的选择必须是其所在位置具有清晰可辨的点位识别特征，如点、两线交叉点和单线锐角拐点等；②控制点在影像上要均匀分布；③全图区内的控制点数量不能少于20个；④对校正前后的图像进行比较分析。

四、技术条件

①微型计算机；②桂林市P6卫星影像Pan波段及多光谱波段数据；③ENVI软件；④Photoshop软件（ver.6.。以上）和ACDSee软件（ver.4.0以上）。

五、实验步骤

（1）在ENVI主菜单栏中选择“File>OpenImage File”，出现文件目录窗口，将桂林市P6影像数据调入“Available Bands List”窗口。

（2）选取地面控制点（GCPs）。选取地面控制点GCPs操作通常是在两幅图像（图像一图像配准需要打开两幅图像）的缩放窗口中进行的。

1）打开参考影像和待纠正影像，并将它们分别显示于两个主窗口中。

2）在ENVI主菜单栏中选择“Map>Registration>Select GCPs: Image to Image”命令，弹出“Image to Image Registration”对话框，如图11-1所示。

3）选择参考影像和待纠正影像的显示窗口。在“Base Image”列表中，选择基影像（参照影像）。在“Warp Image”列表中，选择待纠正的影像，如图11-1所示。

4）点击【OK】按钮，弹出“Ground Control Point Selection”对话框，如图11-2所示。

图11-1 图像对图像配准对话框

图11-2 地面控制点选择对话框

5）选取地面控制点。通过在缩放窗口（Zoom）中定位同名像元位置，在参考影像和待纠正影像中选择地面控制点，像元坐标信息被导入到“Ground Control Point Selection”对话框中（图11-2）。

6）两幅影像上的对应像元选择完毕后，在“Ground Control Point Selection”对话框中点击【Add Point】按钮，将选择的GCPs添加到X、Y（样本、行）坐标对列表中。

7）如需浏览所选的GCPs列表，点击【Show List】按钮，弹出“Image to Image GCP List”对话框，如图11-3所示，已经选取的GCPs将全部显示在表格中。

图11-3 GCPs列表

（3）图像—图像配准。在选择GCPs完成之后，根据所选控制点执行影像纠正，具体操作步骤如下：

1）在“Ground Control Point Selection”对话框菜单栏中选择“Options>Warp Displayed Band”命令，弹出“Registration Parmaeters”对话框，如图11-4所示。

2）在“Mehtod”下拉列表中选择纠正模型。

ENVI提供三个纠正模型：RST（旋转、缩放和平移）、多项式和Delaunay 三角测量。RST纠正是最简单的方法，需要三个或者更多的GCPs。多项式可以选择1次到n次多项式纠正，可以选择的次数依赖于所选的GCPs个数，即＃GCPs＞（多项式次数＋1）²。Delaunay 三角测量适用于三角到不规则空间GCPs和内插数值到输出网格中。

3）在“Registration Parameters”对话框中的“Resamnpling”下拉列表框中选择重采样方式，可用的重采样方法包括：最临近、双线性和三次卷积。最临近重采样运用没有解译的像元生成纠正图像；双线性重采样使用4个像元进行线性内插，以对纠正图像进行重采样；三次卷积使用近似于正弦函数的16个像元，通过三次多项式对图像进行重采样。

图11 -4“Registration Parameters”对话框

4）选择输出到“File”或“Memory”。点击【OK】按钮开始处理，结果将出现在可用波段列表中。

（4）由于将Pan波段作为基影像对多光谱波段进行了重采样，配准后的多光谱波段还需要按照原来的空间分辨率23.5m 进行重采样。

1）在ENVI主菜单栏中选择“Basic Tools>Resize Data”工具，将出现“Resize Data Input File”对话框，选择需要重采样的输入文件，点击【OK】按钮，将会弹出“Resize Data Parameters”对话框，如图11 -5所示。

2）点击【Set Output Dims by Pixel Size】按钮（图11-5），将图像像元分辨率改为23.5。

3）在“Resampling”下拉列表框中选择重采样方式，然后选择输出到“File”或“Memory”。点击【OK】按钮开始处理，结果将出现在可用波段列表中。

（5）用Photoshop软件将经过几何校正的图像与原始图像并列打开，观察比较几何校正前后影像有何差异，用W ORD文档记录，取名为《几何校正前后差异分析》，存入自己的工作文件夹。

图11-5 调整数据参数对话框

六、实验报告

（1）简述实验过程。

（2）回答问题：①Image to Image代表的含义是什么？②影响几何精校正精度的主要因素有哪些？③为何选择控制点必须严格遵循如下原则：第一，控制点的选择必须是其所在地物形态具有点状或近似点状、清晰显着和易于识别的影像特征；第二，控制点在影像上要均匀分布；第三，全图区内的控制点数量不能少于20个？

实验报告格式见附录一。

㈡ 遥感图像处理的图像校正

遥感卫星的多光谱扫描仪每次扫描有6个光—电转换器件平行工作，专题制图仪每次扫描有16个光电器件平行工作。因此，一次扫描可得到6行或16行图像数据。由于各个光—电转换器件的特性差异和电路漂移，图像中各像元（像素）的灰度值不能正确反映地物反射的电磁波强度，并且图像上还会出现条纹。因此，需要对原始图像数据的像元灰度值进行校正，这种校正称为辐射校正。在多光谱扫描仪中，辐射校正是通过对各个敏感元件的增益和漂移进行校正来达到的。 多光谱扫描仪和专题制图仪的图像存在一系列几何畸变。
这是因为它们不是瞬间扫描而是用连续扫描的方法取得图像数据的。由于卫星的运动，扫描行并不垂直于运动轨迹方向，在扫描一幅图像的时间内地球自转一个角度而使图像扭歪。在给定视场角下，扫描行两侧的像元对应的地面面积比中间的大，地球的曲率更加大了这一误差。卫星的姿态变动和扫描速度不匀也使图像产生畸变。因此必须对图像进行几何纠正。根据已知的仪器参数及遥测的卫星轨道和姿态参数进行图像的几何纠正，称为系统纠正。需要用卫星图像制图时，系统纠正后的几何精度仍不能满足要求，则需要用地面控制点来进行图像的几何精纠正。若图像的几何误差分布是平面的、二次或三次曲面的，就可以用相应次数的多项式来纠正。经过精纠正，图像的几何精度可达到均方误差在半个像元以内。
卫星遥感图像的辐射校正和几何纠正有时称为卫星图像预处理。遥感卫星地面站通常可以向用户提供经过预处理的图像数据或图片。也有很多用户，宁愿使用原始的磁带数据而根据自己的应用要求进行处理。

㈢ 实验二十 遥感图像正射校正

一、实验目的

通过运用ENVI软件对灌阳地区QuickBird-2遥感影像作对倾斜改正和投影差改正，消除由于系统因素和地形引起的几何畸变，将影像重采样成正射影像，加深对遥感影像正射校正处理的理解，掌握其ENVI软件操作要领。

二、实验内容

①无控制点（Orthorectify传感器类型）正射校正；②有控制点（Orthorectify传感器类型with Ground Control）正射校正；③有控制点和无控制点正射校正结果差异对比。

三、实验要求

①掌握无控制点的正射校正处理方法；②掌握有控制点的正射校正处理方法；③编写实验报告。

四、技术条件

①灌阳地区QuickBird遥感数据；②与灌阳地区QuickBird-2影像数据匹配的DEM数据；③灌阳地区地面控制点数据；④微型计算机；⑤ENVI软件；⑥ACDSee软件（ver.4.0以上）。

五、实验步骤

ENVI支持的正射校正包括两种模型：RPC有理多项式系数（Rational Polynomial Coeffciient）和严格轨道物理模型（Pushbroom Sensor）,ENVI也可以根据卫星数据提供的轨道参数，生成RPC文件进行正射校正（Map>Build RPCs）。

ENVI提供无控制点（Orthorectify传感器类型）和有控制点（Orthorectify传感器类型with Ground Control）两种正射校正方式。其中无控制点（Orthorectify传感器类型）正射校正方式校正精度取决于RPC文件的定位精度和DEM 数据的分辨率，而有控制点（Orthorectify传感器类型with Ground Control）正射校正方式校正精度不仅取决于RPC文件的定位精度和DEM 数据的分辨率，还利用地面控制点参与正射校正提供了校正精度。具体操作步骤如下。

1.无控制点（Orthorectify传感器类型）正射校正

（1）在ENVI主菜单中，选择“File>Open Exteranl File>QuickBird>GeoTIFF”，选择待校正的灌阳地区QuickBird影像。这里需要注意，当对SPOT5数据作正射校正时，选择数据格式时要选择DIMAP格式。

（2）在ENVI 主菜单中，选择“File>Open Image File”，打开灌阳地区DEM数据。

（3）选择传感器校正模型：在ENVI主菜单中，选择“Map>Orthorectifciation”，选择对应的传感器模型及校正方式，这里我们选择“QuickBird>Orthorectify QuickBird”，选择待校正灌阳地区QuickBird影像，点击【OK】按钮，将出现“Orthorectification Parameters”对话框（图20-1）。

图20-1 Orhtorectification参数设置对话框

（4）在“Orthorectification Paramcters”对话框中，需要设置以下参数。

◎图像重采样方法（Image Resampling）：Bilinear。

◎背景值（Background）: 0。

◎输入高程信息（Input Height）：有DEM 数据（DEM）和平均海拔（Fixed）两种方式。本次实验选择DEM 方式，点击【Select DEM File】按钮，选择打开的DEM数据。

◎DEM 重采样方法（DEM Resampling）: Bilinear,ENVI自动对DEM 进行重采样，生成与校正影像投影和分辨率一致的数据。

◎高程修正系数（Geoid offset）: DEM 的高程值是绝对高程（地面点到大地水准面的距离），用于正射校正的RPC高程是位势高度（Geopotential Height），这种高度之间相差不大，填写修正参数可以提高一定的正射校正精度。修正参数可以根据图像中心点的经纬度在网站http://www.ngs.noaa.gov/cgi-bin/GEOID STUFF/geoid99 promptl.prl中查询。

◎设置输出结果投影参数（Change Projection）：点击【Change Projection】按钮选择需要的投影方式。

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

（5）选择输出路径及文件名，点击【OK】按钮完成正射校正。

2.有控制点（Orthorectify传感器类型with Ground Control）正射校正

（1）在ENVI主菜单中选择“File>Open External File>QuickBird>GeoTIFF”，选择待校正的灌阳地区QuickBird影像，并使之显示在“Display”中。这里需要注意，当对SPOT5数据作正射校正时，选择数据格式时要选择DlMAP格式。

（2）在ENVI主菜单中选择“File>Open Image File”，打开灌阳地区DEM数据。

（3）选择传感器校正模型。在ENVI主菜单中选择“Map>Orthorectification”，选择对应的传感器模型及校正方式，这里选择“QuickBird>Orthorectify QuickBird with Ground Control”，打开“Ground ControlPoints Selection”对话框（图20-2）。

图20-2 地面控制点选取对话框

（4）选择地面控制坐标的方法可参考本书实验十二中的实验操作步骤。控制点的高程信息可以从DEM数据中读取。

系统根据GCP（3个以上）自动计算RMS Error值，注意这里RMS Error值是以像素为单位。

（5）选择完地面控制点后，在“Ground Control Points Selection”对话框中选择“Option>Orthorectify File”，在文件选择对话框中选择待校正的QuickBird影像，点击【OK】按钮，打开“Orthorectification Parameters”对话框（图20-1）。

（6）“Orthorectification Parameters”对话框参数设置方法同无控制点（Orthorectify传感器类型）的正射校正方法参数设置。

（7）选择输出路径及文件名，点击【OK】按钮完成正射校正。

3.有控制点和无控制点正射校正结果差异对比

完成上述操作后，对灌阳地区QuickBird遥感影像作有控制点和无控制点正射校正，将有控制点校正和无控制点校正的结果分别在“Display”中显示，利用“Geographic Link”功能对比查看两个的结果差异，用WORD文档记录，取名为《有控制点和无控制点正射校正结果差异》，存入自己的工作文件夹。

六、实验报告

（1）简述实验过程。

（2）回答问题：①为何要进行遥感影像正射校正？②通过Geographic Link功能，对比有控制点和无控制点进行正射校正遥感影像的差异，以及进行正射校正和不进行正射校正遥感影像的差异，分析差异产生的原因。

实验报告格式见附录一。