影像几何纠正的原理和方法专家讲座.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主要内容,影像几何纠正基本原理,基本概念与主要处理过程,几何纠正方案,重采样和内插,影像几何纠正方法,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第1页,影像几何纠正基本原理,1 基本概念,从含有几何畸变图像中消除变形过程，也能够说是定量地确定图像上图像坐标与地理坐标对应关系(坐标变换式)，即把数据投影到平面上，使之符合投影系统过程。它基本步骤有两个：一是像素坐标变换，二是像素亮度重采样。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第2页,影像纠正主要处理过程,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第3页,2 几何纠正方案,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第4页,直接纠正方案,直接纠正方案从原始图像阵列出发，按行列次序依次对每个原始像素点位求其在地面坐标系(也就是输出图像坐标系)中正确位置，,式中，为直接纠正变换函数。经过纠正后各纠正像元普通不会按照规则格网排列，必须利用,灰度重采样,技术将不规则离散灰度阵列变换为规则排列像元灰度阵列，从而得到正射影像。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第5页,间接纠正方案,间接纠正方案从空白输出图像阵列出发，按照行列次序依次对每个输出像素点位反求其在原始图像坐标系中位置，,式中，为间接纠正变换函数。坐标变换完成后，把由上式算得原始图像点位上灰度值取出并填回到空白输出图像点阵中对应像素点位上去。因为并不一定刚好位于原始图像某个像素中心，必须经过,灰度内插,确定处灰度值，普通采取双线性内插法即可。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第6页,3 重采样和内插,必要性：纠正后影像阵列中像元坐标不为整数,重采样像素亮度是依据它周围原像素亮度按一定权函数内插出来。,理想重采样函数是辛克(Sinc)函数，其横轴上各点幅值代表了对应点对其原点(0)处亮度贡献权。但因为辛克函数是定义在无穷域上，又包含三角函数运算，所以，在实际应用中，人们采取了一些近似函数来代替它，惯用有双三次卷积、双线性插值和最近邻域法三种。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第7页,辛克函数,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第8页,最近邻法,图像中两相邻点距离为1，取与所计算点(x,y)周围相邻4个点，比较它们与被计算点距离，哪个点距离最近，就取哪个亮度值作为（x,y）点亮度值f（x，y）。设该最近邻点坐标为（k,l）,则,k=Integer(x+0.5),l=Integer(y+0.5),f(x,y)=f(k,l),几何位置上精度为0.5象元优点是不破坏原来像元值，处理速度快。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第9页,它使用内插点周围4个观察点像元值，对所求像元值进行线性内插。,双线性内插法,该法计算较为简单，并含有一定亮度抽样精度，它是实践中惯用方法；缺点是破坏了原来数据，但含有平均化滤波效果。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第10页,三次卷积内插法,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第11页,三次卷积内插法使用内插点周围16个观察点像元值，用3次卷积函数对所求像元值进行内插。缺点是破坏了原来数据，但含有图像均衡化和清楚化效果，可得到较高图像质量。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第12页,三种方法比较,方法,优点,缺点,提醒,最邻近法,简单易用，计算量小,处理后图像亮度含有不连续性，影响准确度,双线性内插法,精度显著提升，尤其是对亮度不连续现象或线状特征块状化现象有显著改进。,计算量增加，且对图像起到平滑作用，从而使对比度显著分界限变得含糊。,鉴于该方法计算量和精度适中，只要不影响应用所需精度，作为可取方法而常被采取。,3次,卷积内插,愈加好图像质量，细节表现更为清楚。,计算量很大。,欲以三次卷积内插取得好图像效果，就要求位置校正过程更准确，即对控制点选取均匀性要求更高。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第13页,直接法单片纠正步骤,(1)迭代求解地面点三维坐标,求解物方三维坐标初值。地面高程初值赋为测区高程平均值,迭代求解物方三维坐标,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第14页,(2)计算像点坐标,设正射影像左上角点平面坐标为 ，,地面采样距离为 ，则利用,可求得任意地面点在正射影像上对应像点坐标。,(3)进行灰度赋值,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第15页,间接法单片纠正步骤,(1)计算地面点坐标,设正射影像上一点像元坐标为 ，则可利用,由正射影像左下角图廓点物方平面坐标 与地面采样距离求得点物方平面坐标。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第16页,(2)计算像点坐标,由DEM内插得处处高程，将其代入,即可利用选定纠正变换模型计算原始影像上与点对应像素点位。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第17页,(3)灰度内插,第(2)步计算得到像点不一定落在原始影像像素中心，为此必须进行灰度内插，普通可采取双线性内插求得点灰度值。,(4)灰度赋值,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第18页,遥感影像几何纠正方法,严格几何纠正(共线方程纠正),近似几何纠正,多项式纠正(Polynomial Rectification，PR),仿射变换(Affine Projection Model，APM),直接线性变换(Direct Linear Transform，DLT),有理函数模型(Rational Functional Model，RFM),影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第19页,PR：,DLT,：,RFM,：,APM：,近似几何纠正,共线方程纠正,严格几何纠正,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第20页,共线方程式法,共线方程对于静态传感器严格成立，而动态传感器属逐点或逐行多中心投影，影像中各独立部分（像元或扫描行）都含有各自不一样传感器状态参数。此时外方位元素在扫描运行过程中改变规律只能近似表示，所以共线方程本身理论上严密性就难以严格保持，所以动态扫描影像共线方程纠正法相对于其它纠正方法精度提升并不显著,。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第21页,多项式纠正,基本思想：,不考虑影像成像过程中空间几何关系，直接对影像本身进行数学模拟。它把影像总体变形看作是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲以及更高层次基本变形综合效果，因而纠正前后影像对应点之间坐标关系能够用一个适当多项式来描述。这种方法对各种传感器形成影像纠正都是适用，但有不一样近似程度。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第22页,二维多项式模型,三维多项式模型,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第23页,多项式模型系数求解,一：用可预测影像变形参数组成,二：利用已知控制点按最小二乘法原理求解。,在实践中惯用是第二种方法,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第24页,2.,坐标标准化,实际使用局部坐标(如北京54坐标)和像素坐标数量级相差过大，假如按照上述过程直接求解模型系数，将会造成法方程严重病态，从而影响系数求解准确性。,在求解模型系数之前，先对控制点坐标(包含物方坐标和像素坐标)进行标准化，把坐标值标准化到-1.0到+1.0之间，然后代入法方程解算对应于标准化坐标模型系数。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第25页,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第26页,多项式模型单点定位,(1)模型系数求解,(2)多项式模型像方（物方）定位,(3)定位精度评价,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第27页,直接线性变换模型,普通直接线性变换模型DLT,(Direct Linear Transformation,DLT),自检校直接线性变换模型SDLT,(Self Calibration Direct Linear Transformation,SDLT),扩展直接线性变换模型EDLT,(Extension Direct Linear Transformation,EDLT),影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第28页,普通直接线性变换模型,DLT将动态推扫式影像等同于静态画幅式影像进行处理，没有考虑每景影像外方位元素随时间改变特点，因而准确度受到一定影响。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第29页,自检校直接线性变换模型,SDLT假定传感器轨道和姿态改变能够用一阶方程模拟，考虑了CCD影像外方位元素随时间改变特点，并经过增加附加参数方法实现了对像点坐标更正，因而准确度较高。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第30页,扩展直接线性变换模型,EDLT是在DLT基础上改进而成，它考虑了每景CCD影像外方位元素随时间改变特点，其定位精度靠近于严密模型方法27。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第31页,问题,直接线性变换模型系数求解,直接线性变换模型单点定位,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第32页,仿射变换法（Affine Model，AM法）,高分辨率卫星成像传感器长焦距和窄视场角。,定向参数之间存在很强相关性，从而影响定向精度和稳定性。,所以学者们考虑把基于仿射变换几何模型引用于摄影测量重建。其理论基础是在,视场角相对较小,情况下，摄影光束能够看作是,等效平行投影,。,仿射变换能够分为两种，一个是普通形式,8参数法仿射变换,，另一个是,严格仿射变换,。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第33页,8参数仿射变换,只需4个GCPs，完成影像空间定位,次像元精度潜力,有效克服定向参数之间相关性，试验证实对于SPOT影像中小百分比尺测图是有效，但该方法是一个近似方法，是否适合用于亚米级分辨率遥感卫星影像如IKONOS,QuickBird等仍需深入验证。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第34页,严密仿射变换,8参数法对SPOT影像很有效，不过对于1m空间分辨率IKONOS影像，它视场角更小，位置与方位之间相关性更强，需要采取严密仿射变换（武汉大学 张剑清）。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第35页,有理函数模型,有理函数模型,经过两个多项式比值来转换像方和,物方关系。,IKONOS图像像素坐标 和像点对应地物点在WGS84坐标 有理函数模型可表述为：,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第36页,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第37页,式中多项式系数，称为有理函数系数(Rational Function Coefficients-RFCs)。光学变形能够用一次项表示，地球曲率、大气折射、透镜畸变等纠正可用二次项表示，一些其它变形能够用高次项表示。,经过使用RPC参数，可大大降低控制点数目、提升纠正精度。普通提议不使用高阶方程，防止产生无须要扭曲和畸变，而只选取二阶或一阶等模式。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第38页,有理多项式系数及其计算,RPC未知,利用坐标格网或者地面控制点进行解算，求出RPC系数（间接平差）,RPC已知,对其进行优化，以提升有理函数模型精度,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第39页,RPC未知,解算RPC系数时，又依据严密传感器物理模型是否已知，分成与地形无关和与地形相关两种情况。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第40页,与地形无关RPC系数求解,影像格网建立：影像格网是一个基于影像行和列构建mn大小格网，包含mn个影像点。这些影像点分布在整个影像区域，而且行数m和列数n都应该足够大（比如，是一个1010格网）。,地面三维坐标格网建立：在建立地面三维坐标格网时，需要利用传感器物理模型来计算各个地面格网点点位坐标。该地面格网大小应该包含整个三维地形表面高低起伏，所以整个地面三维坐标格网在高程方向上被分成了若干层。为了防止解算时系数矩阵出现病态，普通高程方向层数应该大于3。,RPC系数计算：依据前两步所建立影像坐标格网和对应地面三维坐标格网，利用最小二乘法，计算出该影像有理函数模型RPC系数。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第41页,与地形相关RPC系数求解,普通而言，当无法获知传感器严密物理模型时，地面三维坐标格网就极难建立起来。这时候，用于RPC系数计算GCP和用于评定模型精度检验点，则主要经过从地形图或者DEM上选取这么常规方法来取得。在这种情况下，RPC系数解算将高度依赖于实际地形地貌、地面控制点数量以及在影像上分布情况。当无法获知传感器严密物理模型时，这种方法是被广泛采取解算方法。从上述公式可知，要解算出影像RPC系数，最少需要39个GCP。,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第42页,RPC已知,RFM优化,直接优化法,间接优化法,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第43页,基于有理函数模型空间坐标变换,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第44页,WGS84大地坐标 WGS84空间直角坐标,(2),WGS84空间直角坐标 BJ54空间直角坐标,(3)BJ54,空间直角坐标 BJ54大地坐标,(4),BJ54大地坐标 高斯平面坐标,物方坐标空间变换,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第45页,通用传感器模型综合评价,影像几何纠正的原理和方法专家讲座,第46页,