第五章 幾何處理-1

1、第五章第五章 遙感圖像的幾何處理遙感圖像的幾何處理 遙感圖像構(gòu)像方程和共線方程遙感圖像構(gòu)像方程和共線方程 1 遙感圖像變形遙感圖像變形 2 遙感圖像幾何校正遙感圖像幾何校正 3 1 地地 物物 影影 像像 幾何幾何 信息信息 輻射輻射 信息信息 地物幾何位置地物幾何位置 模型重建模型重建 幾何量測幾何量測 地物屬性地物屬性 影像解譯影像解譯 攝影測量與遙感的任務(wù)攝影測量與遙感的任務(wù) 2 是對任何類型傳感器成像進(jìn)行幾何糾正的基礎(chǔ)是對任何類型傳感器成像進(jìn)行幾何糾正的基礎(chǔ) 圖像的地物點(diǎn)圖像的地物點(diǎn) 對應(yīng)地面點(diǎn)對應(yīng)地面點(diǎn) (x,y) (X,Y,Z) 構(gòu)像方程構(gòu)像方程 共線方程共線方程 5-1遙感傳感器

2、的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 3 一一 遙感圖像通用構(gòu)像方程遙感圖像通用構(gòu)像方程 主要的坐標(biāo)系主要的坐標(biāo)系 S S U U V V W W X X y y O O P P f f X X Y Y O O Z Z 地面坐標(biāo)系地面坐標(biāo)系OXYZ 像平面坐標(biāo)系像平面坐標(biāo)系oxy 傳感器坐標(biāo)系傳感器坐標(biāo)系SUVW p 像空間坐標(biāo)系像空間坐標(biāo)系sxyz x x y y z z 4 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 1 中心投影構(gòu)像方程中心投影構(gòu)像方程 X X x Y = Y + At y Z p Z s -f 傳感器投影中心和地物點(diǎn)之間關(guān)系的共線方程傳感器投影中心和地物點(diǎn)之間關(guān)系的

3、共線方程 )()()( )()()( )()()( )()()( 332313 322212 332313 312111 ZsZpaYsYpaXsXpa ZsZpaYsYpaXsXpa fy ZsZpaYsYpaXsXpa ZsZpaYsYpaXsXpa fx 5 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 共線方程可以簡寫為共線方程可以簡寫為 : (Z) (Y) (Z) (X) fy fx 6 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 2 全景攝影機(jī)的構(gòu)像方程全景攝影機(jī)的構(gòu)像方程 全景攝影機(jī)全景攝影機(jī) - 縫平行于飛行方向縫平行于飛行方向 縫縫 -像片面位于焦面上像片面

4、位于焦面上 -縫所處膠片暴光縫所處膠片暴光 s 飛行方向飛行方向 x 中心線中心線 7 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 每條縫隙圖像成像的像點(diǎn)坐標(biāo)為每條縫隙圖像成像的像點(diǎn)坐標(biāo)為（x，0，f） 構(gòu)像方程為：構(gòu)像方程為： f- 0 x RA Z Y X Z Y X t StP cossin0 sincos0 001 R 8 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 其共線方程為：其共線方程為： (x)、(y)為等效的中心投影影像坐標(biāo)為等效的中心投影影像坐標(biāo) s s y y f ）（ ）（ ）（ ）（ Z Y *)( Z X cos/)( ftgfy fxx 9 5

5、-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 3 縫隙式攝影機(jī)的構(gòu)像方程縫隙式攝影機(jī)的構(gòu)像方程 縫隙式攝影機(jī)縫隙式攝影機(jī) 縫垂直于飛行方向縫垂直于飛行方向 縫在縫在S正上正上(下下)方方 膠片面膠片面 s s 縫縫 地面地面 飛行方向飛行方向 10 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 每條縫隙圖像成像的像點(diǎn)坐標(biāo)為每條縫隙圖像成像的像點(diǎn)坐標(biāo)為（0，y，f） 其構(gòu)像方程為：其構(gòu)像方程為： 其共線方程為其共線方程為： f- y 0 A Z Y X Z Y X t StP ）（ ）（ ）（ ）（ Z )( Z X 0)( Y fyy fx 11 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程

6、遙感傳感器的構(gòu)像方程 4 推掃式傳感器推掃式傳感器 CCD線陣列推掃式成像與縫隙式攝影機(jī)成像類似線陣列推掃式成像與縫隙式攝影機(jī)成像類似, 不同不同的是在掃描時為獲取立體像對的是在掃描時為獲取立體像對,投影器可前、后、左、右投影器可前、后、左、右 傾傾角角 構(gòu)像方程為： X X 0 Y = Y +At R y Z p Z s -f 12 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 當(dāng)推掃式傳感器沿旁向傾斜固定角當(dāng)推掃式傳感器沿旁向傾斜固定角時，時， 其共線方程為其共線方程為： cos sin 0 sin- cos 0 001 R )( )( sincos sincos )( Z 0)(

7、 Z Y f yf fy fy X fx ）（ ）（ 13 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 當(dāng)推掃式傳感器作前后視成像，前（后）視角為當(dāng)推掃式傳感器作前后視成像，前（后）視角為時時: 其共線方程為：其共線方程為： cos0sin 010 sin- 0 cos R ）（ ）（ ）（ ）（ Z cos/)( Z )( Y fyy X ftgfx 14 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 5 點(diǎn)掃描式傳感器點(diǎn)掃描式傳感器(MSS 、 TM)的構(gòu)像方程的構(gòu)像方程 - 掃描式傳感器獲得的圖像屬于多中心投影，每個掃描式傳感器獲得的圖像屬于多中心投影，每個 像元都有自

8、己的投影中心像元都有自己的投影中心 - 掃描瞬間點(diǎn)成像（掃描瞬間點(diǎn)成像（x0，y0） - 成像面位于焦面上成像面位于焦面上 (0,0,-f) 15 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 構(gòu)像方程為： R= 共線方程可表達(dá)為： f- 0 0 RA Z Y X Z Y X t stP cos sin 0 sin- cos 0 0 01 ）（ ）（ ）（ ）（ Z *)( Z 0)( Y ftgfy X fx 16 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 S 6 側(cè)視雷達(dá)圖像的構(gòu)像方程側(cè)視雷達(dá)圖像的構(gòu)像方程 側(cè)視雷達(dá)具有側(cè)視雷達(dá)具有斜距投影斜距投影的性質(zhì)的性質(zhì) 17 5

9、-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 飛行方向飛行方向 x=0 y=rsin ， 等效焦距f=rcos r=Rp/m，m為距離向上雷達(dá)圖像比例尺分母 SP=Rp=H/COS s f Y Y r P P P P P P y y H H Y Y 18 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 側(cè)視雷達(dá)的構(gòu)像方程側(cè)視雷達(dá)的構(gòu)像方程: 共線方程可表達(dá)為：共線方程可表達(dá)為： rcos- rsin 0 A Z Y X Z Y X t StP ）（ ）（ ）（ ）（ Z sin* Z 0 Y fr X f 19 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 7 基于多項(xiàng)式的

10、傳感器模型基于多項(xiàng)式的傳感器模型 思想：回避成像的空間幾何過程，用一個適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)思想：回避成像的空間幾何過程，用一個適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng) 式來描述糾正前后圖像相應(yīng)點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系。式來描述糾正前后圖像相應(yīng)點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系。 簡單、近似簡單、近似 20 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 常用的多項(xiàng)式模型有： m i n j ji ij m i n j ji ij YXby YXax 00 00 21 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 m i n j p k kji ijk m i n j k p k ji ijk ZYXby ZYXax 000 000 增加了與地形

11、起伏有關(guān)的增加了與地形起伏有關(guān)的Z坐標(biāo)坐標(biāo) 22 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 基于多項(xiàng)式的傳感器模型，其定向精度與基于多項(xiàng)式的傳感器模型，其定向精度與 地面控制點(diǎn)的精度、分布和數(shù)量及實(shí)際地形有地面控制點(diǎn)的精度、分布和數(shù)量及實(shí)際地形有 關(guān)。關(guān)。 23 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 l 應(yīng)用只限于變形很小的圖像如垂直下 視圖像、圖像覆蓋范圍小或者地形相對 平坦的地區(qū)圖像。 24 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 8 基于有理函數(shù)的傳感器模型基于有理函數(shù)的傳感器模型 有理函數(shù)模型（Rational Function Model ，

12、 RFM）是Space Imaging 公司提供的一種廣義的 新型傳感器成像模型，能夠獲得與嚴(yán)格成像模型 近似一致精度的、形式簡單的概括模型。 25 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 RFM將地面點(diǎn)大地坐標(biāo)與其對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)用比 值多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)起來。 為了增強(qiáng)參數(shù)求解的穩(wěn)定性，將地面坐標(biāo)和影 像坐標(biāo)正則化到1.0和1.0之間。 ),( ),( ),( ),( HLPDen HLPNum X HLPDen HLPNum Y s s L L 26 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 （P,L,H）為正則化的地面坐標(biāo)， (X,Y)為正則化的影像坐標(biāo)，表達(dá)式為： S

13、CALEHEIGHT OFFHEIGHTHeight H SCALELONG OFFLONGLongitude L SCALELAT OFFLATLatitude P _ _ _ _ _ _ 27 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 SCALELINE OFFLINELine Y SCALESAMP OFFSAMPSample X _ _ _ _ 28 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 3 20 2 19 2 18 2 17 3 16 2 15 2 14 2 13 3 1211 2 10 2 9 2 87654321 ),( HaHPaHLa PHaPaP

14、LaLHaLPaLaPLHaHa PaLaPHaLHaLPaHaPaLaaHLPNumL 3 20 2 19 2 18 2 17 3 16 2 15 2 14 2 13 3 1211 2 10 2 9 2 87654321 ),( HbHPbHLb PHbPbPLbLHbLPbLbPLHbHb PbLbPHbLHbLPbHbPbLbbHLPDenL 29 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 3 20 2 19 2 18 2 17 3 16 2 15 2 14 2 13 3 1211 2 10 2 9 2 87654321 ),( HcHPcHLc PHcPcPLcLHcLPc

15、LcPLHcHc PcLcPHcLHcLPcHcPcLccHLPNums 3 20 2 19 2 18 2 17 3 16 2 15 2 14 2 13 3 1211 2 10 2 9 2 87654321 ),( HdHPdHLd PHdPdPLdLHdLPdLdPLHdHd PdLdPHdLHdLPdHdPdLddHLPDens 1 b和 1 d 通常為1 30 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 31 5-15-1遙感傳感器的構(gòu)像方程遙感傳感器的構(gòu)像方程 第五章第五章 遙感圖像的幾何處理遙感圖像的幾何處理 遙感圖像構(gòu)像方程和共線方程遙感圖像構(gòu)像方程和共線方程 1 遙感圖

16、像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 2 遙感圖像幾何校正遙感圖像幾何校正 3 32 52遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形: 是指圖像上像元在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與其是指圖像上像元在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與其 在地圖坐標(biāo)系等參考坐標(biāo)系統(tǒng)中的對應(yīng)坐標(biāo)之間的在地圖坐標(biāo)系等參考坐標(biāo)系統(tǒng)中的對應(yīng)坐標(biāo)之間的 差異。差異。 33 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 1 傳感器成像方式傳感器成像方式引起的圖像變形引起的圖像變形 (1)全景投影變形全景投影變形 點(diǎn)點(diǎn)P在全景面上的像點(diǎn)為在全景面上的像點(diǎn)為p，則，則p 在掃描線方向上的坐標(biāo)在掃描線方向上的坐標(biāo)yp yp

17、=f/ M N O p y P p y L S 34 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 設(shè)L是一個等效的中心投影成像面，P點(diǎn)在oy上 的像點(diǎn)p，其坐標(biāo) yp=ftg 從而可以得到全景變形公式： dy=yp- yp =f*(/ tg) x x y y 35 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 36 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 37 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 （2） 斜距投影變形斜距投影變形 斜距投影圖形上的影像坐標(biāo)yp為 yp=RP=H/cos= f/cos= f sec 而地面上P點(diǎn)在等效中心投影圖像oy上的像點(diǎn)p的坐

18、標(biāo)yp yp =ftg 斜距投影的變形誤差: dy=ypyp=f（sectg） cos RP H 38 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 斜距變形的圖形變形情況斜距變形的圖形變形情況 x x y y 39 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 2 傳感器外方位元素變化的影響傳感器外方位元素變化的影響 外方位元素，是指傳感器成像時的位置（外方位元素，是指傳感器成像時的位置（Xs,Ys,Zs） 和姿態(tài)角（和姿態(tài)角（ ， ，） 豎直攝影條件下豎直攝影條件下 = =0 0 1 - 1 - - - A At t 1 - 1 - 1 1 40 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感

19、圖像的幾何變形 可以得到外方位元素變化所產(chǎn)生的像點(diǎn)位移為可以得到外方位元素變化所產(chǎn)生的像點(diǎn)位移為： d、d、d和和d對整幅圖像的綜合影響是使對整幅圖像的綜合影響是使 其產(chǎn)生平移、縮放和旋轉(zhuǎn)等其產(chǎn)生平移、縮放和旋轉(zhuǎn)等線性線性變化變化 只有只有d 、d才使圖像產(chǎn)生才使圖像產(chǎn)生非線性非線性變形變形 xddfyfdfxydZHydYHfdy yddfxydf x fdZHxdXHfdx ss ss )/1 ()/()/()/( )/()/1 ()/()/( 22 2 2 41 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 各單個外方位元素引起的圖像變形各單個外方位元素引起的圖像變形 42 5-25

20、-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 推推掃式成像儀圖像掃式成像儀圖像 x=0 dw f y fdZs H y dYs H f dy ydkfddXs H f dx )1 ( 2 2 xddfyfdfxydZHydYHfdy yddfxydf x fdZHxdXHfdx ss ss )/1 ()/()/()/( )/()/1 ()/()/( 22 2 2 43 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 分辨率 a=a0sec a=a0sec2 fddZHfdYHfyd dkfdfdXHfxd ss s cossin)/(cos)/( sincoscos)/( 2 44 5-25-2

21、遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 掃描式成像儀圖像掃描式成像儀圖像 3 地形起伏引起的像點(diǎn)位移地形起伏引起的像點(diǎn)位移 45 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 (1) 中心投影情形時中心投影情形時 在垂直攝影的條件下，在垂直攝影的條件下， = =0 0 ，地形起，地形起 伏引起的像點(diǎn)位移為：伏引起的像點(diǎn)位移為： h=rh/H xh=xh/H yh=yh/H 其中其中x、y為地面點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)，為地面點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)， x 、y 為由地形起伏引起的在為由地形起伏引起的在x、y方向上的像點(diǎn)位移方向上的像點(diǎn)位移 46 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 (2) 推掃

22、式成像情形時推掃式成像情形時 由于由于x=0， xh=xh/H=0 而在而在y上方有：上方有： yh=yh/H 即投影差只發(fā)生在即投影差只發(fā)生在y方向（掃描方向）方向（掃描方向） 47 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 (3)逐點(diǎn)掃描儀成像情形逐點(diǎn)掃描儀成像情形 xh=xh/H=0 yh=yh cos2 = yh cos2 /H = f tg cos2h /H = f sin cosh /H yh yh H f h 48 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 (4)側(cè)視雷達(dá)成像時側(cè)視雷達(dá)成像時 因地形起伏引起的圖像圖像的影響只發(fā)生在因地形起伏引起的圖像圖像的影響只發(fā)

23、生在y方向，方向， 其投影差近似公式為：其投影差近似公式為： xh=0 yh=(RP- RP0)/mr = -hcos/ mr 49 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 4 地球曲率引起的圖像變形地球曲率引起的圖像變形 簡化為： 對中心投影圖像的影響 hx= - hx= -Dx2/2R0 = -(Hx/f) 2/2R0 hY= - hY = -DY2/2R0 = -(Hy/f) 2/2R0 其中 因?yàn)?50 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 對中心投影影像對中心投影影像 hx = - hx = -Dx2/2R0 = -(Hx/f) 2/2R0 hY= - hY =

24、 -DY2/2R0 = -(Hy/f) 2/2R0 對點(diǎn)掃描影像 對點(diǎn)掃描影像 y=ftg y=f hx= 0 hY= -(Hy/f) 2/2R0 =-H tg(y/f)2/2R0 51 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 對中心投影影像對中心投影影像 hx = - hx = -Dx2/2R0 = -(Hx/f) 2/2R0 hY= - hY = -DY2/2R0 = -(Hy/f) 2/2R0 對 對SAR影像影像 y=ftg hx= 0 hY= -(Hy/f) 2/2R0 =-H tg 2/2R0 52 5-25-2遙感圖像的幾何變形遙感圖像的幾何變形 5 大氣折射引起大氣折射引起的圖像變形的圖像變形 大氣層不是一個均勻大氣層不是一個均勻 的介質(zhì)，使得電磁波的的介質(zhì)，使得電磁波的 傳播路徑不是一條直線傳播路徑不是一條直線 而變成了曲線，從而引而變成了曲線，從而引 起