第五章 遥感图像的几何处理

1. 第五章 遥感图像的几何处理

2. 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

3. 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

4. 5.1.1 遥感图像通用构像方程 • 遥感图像的构像方程是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。

5. 构像方程中的坐标系 传感器坐标系S－UVW 图像(像点)坐标系o－xyf 地面坐标系O－XYZ

6. 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

7. 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

8. 中心投影构像方程 正算公式 反算公式

9. 旋转矩阵

10. 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。

11. 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：

12. (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

13. 5.1.3 全景摄影机的构像方程 (x)、(y)为等效的中心投影影像坐标

14. 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）

15. 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：

16. 5.1.4 推扫式传感器的构像方程 • 当推扫式传感器沿旁向倾斜固定角θ时 • 为获取立体像对，推扫式传感器要进行前后视倾斜θ扫描 航向倾斜 旁向倾斜

17. 沿旁向倾斜固定角θ

18. 前后视倾斜θ扫描

19. 5.1.5 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。

20. 5.1.5 扫描式传感器的构像方程

21. 5.1.5 扫描式传感器的构像方程

22. 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

23. 5.1.6 侧视雷达图像的构像方程

24. 5.1.7 基于多项式的构像方程

25. 5.1.7 基于多项式的构像方程

26. 多项式构像方程的缺点

27. 5.1.8 基于DLT的构像方程

28. 5.1.9 基于RFM的构像方程

29. 5.1.9 基于RFM的构像方程

30. 5.1.9 基于RFM的构像方程

31. 5.1.9 基于RFM的构像方程

32. 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。

33. 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。

34. 5.2 遥感图像的几何变形 • 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

35. 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 • 中心投影，全景投影，斜距投影、平行投影 • 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。

36. 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。

37. 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。

38. 成像几何形态引起的图像变形

39. 5.2.1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

40. 5.2.1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

41. 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

42. 对扫描式成像 • 外方位元素对成像的影响为x=0,y=f tanθ时的误差方程因此可以得到推扫式成像仪像点位移公式

43. 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 。

44. 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。

45. 对侧视雷达

46. 5.2.3 地形起伏引起的像点位移 • 投影误差是由地面起伏引起的像点位移，当地形有起伏时，对于高于或低于某一基准面的地面点，其在像片上的像点与其在基准面上垂直投影点在像片上的构像点之间有直线位移。

47. 5.2.3 地形起伏引起的像点位移 对于推扫式成像仪，由于x=0，所以 ，而在y上方有： 即投影差只发生在y方向（扫描方向）。 对于逐点扫描仪成像：

48. 5.2.4 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。

49. 5.2.4 地球曲率引起的图像变形

50. 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 ：