遙感圖像處理-第4章校正

第4章圖像校正（1）引言圖像校正主要包括輻射校正和幾何校正。幾何校正就是校正成像過程中造成的各種幾何形變。輻射校正包括：傳感器的輻射校正大氣矯正照度矯正條紋和斑點的判定和消除。何為輻射校正？利用傳感器觀測目標(biāo)的反射或輻射能量時，傳感器的測量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻亮度等是不一致的，這是因為測量值中包含了太陽位置和角度條件、薄霧等大氣條件、或因傳感器的性能不完備條件引起的失真。消除遙感圖像數(shù)據(jù)中依附在輻亮度中的各種失真的過程稱為輻射量校正（RadiometricCalibration),簡稱輻射校正。PS：輻亮度就是指沿輻射方向，單位時間、單位面積、單位立體角上的輻射通量。輻射校正的目的盡可能消除因傳感器自身條件、薄霧等大氣條件、太陽位置和角度條件及某些不可避免的噪聲引起的傳感器的測量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻亮度等物理量之間的差異；盡可能恢復(fù)圖像的本來面目，為遙感圖像的分割、分類、解譯等后續(xù)工作做好準(zhǔn)備。本次課內(nèi)容4.1輻射傳輸4.2輻射誤差4.3系統(tǒng)輻射誤差校正4.1輻射傳輸在可見光和紅外遙感中，傳感器接收到的地物輻射來自于地表，因此，有必要了解基本的傳輸過程。地表輻射傳輸4.1.1基本概念立體角：點狀物體輻射通常是以球面的形式向外均勻的傳播能量。立體角用來度量一個方向上某個面接收的輻射量的大小。輻射通量：單位時間內(nèi)通過某一表面的輻射能量。輻照度：單位時間內(nèi)單位面積上接受的輻射能量。輻亮度：與輻射度的概念含義相同，指沿輻射方向、單位面積、單位立體角的輻射通量。反射率：反射能量與入射能量的比值；吸收率：吸收能量與入射能量的比值。4.1.2電磁波的大氣傳輸電磁輻射在大氣傳輸時由于吸收和散射而被消弱。同時，熱量發(fā)散和其他方向的散射對觀測的電磁輻射也有影響，為了從衛(wèi)星遙感圖像上獲得地球表面的發(fā)散或反射情況，必須排除大氣的影響。設(shè)太陽輻射照度為E0，經(jīng)過大氣的路程為x,則穿過該大氣路程后的輻射照度為：σ稱為衰減系數(shù)或消光系數(shù)散射系數(shù)吸收系數(shù)大氣對電磁波的影響主要是散射和吸收。大氣吸收大氣中吸收太陽輻射的主要是水蒸汽、二氧化碳和臭氧。吸收能力隨電磁波的波長而變化，是選擇性的。大氣透射透射是指電磁輻射與介質(zhì)作用后，產(chǎn)生的次級輻射和部分原入射輻射穿過該介質(zhì)，到達(dá)另一種介質(zhì)的現(xiàn)象和過程。一般用透射率表示透射能力。根據(jù)透射率的定義，有：遙感中使用的大氣窗口：大氣窗口

是指大氣對電磁輻射吸收和散射都很小、而透射率很高波段，即在傳輸過程中損耗小、能透過大氣的電磁波段。

遙感中使用的大氣窗口：1）0.3-1.15um:包括部分紫外光、全部可見光和部分近紅外光，透過率在70%2）1.4-1.9um:近紅外窗口，透過率在60%-95%之間3）2.0-2.5um:近紅外窗口，透過率為80%4）3.5-5.0um:中紅外窗口，透過率為60%-70%5）8.0-14.0um:熱紅外窗口，透過率為80%6）1.0-1.8mm:微波窗口，透過率為35%-40%7）2.0-5.0mm:微波窗口，透過率為50%-70%8）8.0-1000.0mm:微波窗口，透過率為100%（1）可見光和紅外傳輸由于空氣分子和懸浮顆粒的散射，可見光在大氣層傳輸時會被削弱。大氣中的分子散射對波長較短的電磁波（UV紫外光和藍(lán)光）有影響，對紅外線沒有影響。在紅外光譜區(qū)域，水蒸氣和二氧化碳等吸收的電磁波超過散射。由于水汽和二氧化碳的影響，1.4μm和1.9μm附近的入射和反射能量幾乎全部減少，出現(xiàn)了明顯的吸收特征，從這些波段幾乎無法獲得有用的信息。（2）熱紅外傳輸在4.3μm（CO2）、4.5μm（N2O）和13-15μm（CO2

）附近的光譜區(qū)的測量可以用來探測大氣溫度的剖面，6-7μm的區(qū)域可用來探測水蒸氣。3.8μm的窄窗和8.5-12.5μm的寬窗可用來對地球表面進(jìn)行觀測。4.1.3輻射傳輸理論Vermote（1997）將在太陽-大氣-目標(biāo)-大氣-傳感器的輻射傳輸過程中存在干擾傳感器接收目標(biāo)物輻射或反射的電磁波，使得形成的遙感原始圖像與目標(biāo)相比失真的因素歸結(jié)為4個方面：（1）大氣分子及氣溶膠瑞利散射和米氏散射、分子及氣溶膠的吸收、散射以及散射吸收的耦合作用。大氣的存在導(dǎo)致程輻射及吸收，這是兩個相互對立的作用，一個增加輻射量，一個減少輻射量。瑞利散射（Rayleighscattering）：由遠(yuǎn)小于光波長的氣體分子引起，如由O2、N2等；散射強度與波長的4次方成反比；“藍(lán)天”效應(yīng)米氏散射（Miescattering）：也稱為氣溶膠散射，主要有霾、水滴、塵埃、煙、花粉、微生物、海上鹽粒、火山灰等氣溶膠引起的散射，引起散射的大氣粒子直徑約等于入射電磁波波長。散射強度與波長的二次方成反比。（2）表面因素的貢獻(xiàn)在一般的遙感應(yīng)用中，認(rèn)為地球表面為朗伯體，反射與方向無關(guān)，這個假設(shè)是一種近似，實際上，任何表面在物理特性與物質(zhì)結(jié)構(gòu)上都不是理想的朗伯體、另外，由于大氣散射的存在，鄰近像素的反射也會進(jìn)入目標(biāo)視場從而影響輻射量。關(guān)于朗伯體：光線射到光滑的表面上，定向地發(fā)射出去；射到粗糙的表面上時，它將朝向所有方向漫射。一個理想的漫射面，應(yīng)是遵循朗伯定律的，即不管入射光來自何方，沿各方向漫射光的發(fā)光強度總與cosθ成正比，從而亮度相同。積雪、刷粉的白墻或十分粗糙的白紙表面，都很接近這類理想的漫射面。這類物體稱為朗伯反射體。（3）地形因素的貢獻(xiàn)目標(biāo)的高度和坡向會對輻射造成影響。（4）太陽輻射光譜的影響太陽輻射通過大氣，一部分到達(dá)地面，稱為直接太陽輻射；另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間，另一部分到達(dá)地面，到達(dá)地面的這部分稱為散射太陽輻射。到達(dá)地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。太陽輻射通過大氣后，其強度和光譜能量分布都發(fā)生變化。到達(dá)地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多，在太陽光譜上能量分布在紫外光譜區(qū)幾乎絕跡，在可見光譜區(qū)減少40%，而在紅外光譜區(qū)增至60%。在地球大氣上界，北半球夏至?xí)r，日輻射總量最大，從極地到赤道分布比較均勻；冬至?xí)r，北半球日輻射總最小，極圈內(nèi)為零，南北差異最大。南半球情況相反。春分和秋分時，日輻射總量的分布與緯度的余弦成正比。南、北回歸線之間的地區(qū)，一年內(nèi)日輻射總量有兩次最大，年變化小。緯度愈高，日輻射總量變化愈大。到達(dá)地表的全球年輻射總量的分布基本上成帶狀，只有在低緯度地區(qū)受到破壞。在赤道地區(qū),由于多云，年輻射總量并不最高。在南北半球的副熱帶高壓帶，特別是在大陸荒漠地區(qū)，年輻射總量較大，最大值在非洲東北部。在各種因素中，大氣的影響要首先考慮。大氣散射與吸收太陽的下行輻射和傳感器接收的上行輻射的光譜特性造成深刻的影響。大氣影響使圖像表面的細(xì)節(jié)變模糊，大氣輻射校正的目的是消除這些影響，提高表面反演的準(zhǔn)確性。輻射傳輸方程輻射傳輸方程：從輻射源經(jīng)過大氣層到達(dá)傳感器的過程中電磁波能量變化的數(shù)學(xué)模型。傳感器接收到的電磁波譜能量包括：太陽經(jīng)大氣衰減后照射地面，經(jīng)地物反射后，又經(jīng)大氣第二次衰減進(jìn)入傳感器的能量；地面物體本身輻射的能量經(jīng)大氣后進(jìn)入傳感器；大氣散射和大氣輻射的能量等。太陽輻射照度傳感器光譜響應(yīng)系數(shù)Z1到Z2區(qū)段大氣層的光學(xué)厚度地物光譜反射率與地物同溫度的黑體光譜輻射通量密度地物的光譜發(fā)射率大氣散射和輻射的能量太陽天頂角平臺高度傳感器處的上行輻射量為傳感器處的總上行輻射量，即傳感器接收到的輻射；為地表對太陽光的反射輻射；為地表對天空光的反射；為大氣向上散射的程輻射。傳感器接收的熱輻射總量為傳感器處的熱輻射總量，即傳感器接收到的熱輻射；為地表發(fā)熱；為大氣下行熱發(fā)射輻射被地表反射后的輻射；為大氣上行熱輻射。大氣傳輸模型采用大氣光學(xué)參數(shù)直接采用大氣物理參數(shù)4.2輻射誤差傳感器所得到的目標(biāo)測量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻亮度等物理量之間的差值稱為輻射誤差。輻射誤差產(chǎn)生的原因(1)傳感器的響應(yīng)特性(2)大氣影響(3)太陽輻射（1）傳感器的響應(yīng)特性光學(xué)攝影機引起的輻射誤差:光學(xué)鏡頭中心和邊緣透射光強度不一致造成。在成像平面上存在著邊緣部分比中間部分暗的現(xiàn)象，稱為邊緣減光效應(yīng)。光電掃描儀引起的輻射誤差光電轉(zhuǎn)換誤差探測器增益變化誤差（2）大氣影響大氣的消光(吸收和散射)天空光(大氣散射的太陽光)路徑輻射散射增加了到達(dá)衛(wèi)星的輻射能量，但降低了遙感圖像的反差。散射作用所包含的亮度值中不含有任何地面信息，卻降低了圖像的反差，從而降低了圖像的分辨率，必須進(jìn)行校正。設(shè)兩類地物的亮度值分別為2和5，假設(shè)散射使亮度值增加了5個單位，則無散射時的反差：有散射時：低分辨率圖像的空間范圍比較大，不能認(rèn)為圖像中各處的大氣散射是均勻的，需要進(jìn)行分區(qū)校正。（3）太陽輻射太陽位置(高度角和方位角)造成光照條件的差異引起的輻射誤差太陽高度角較低時，圖像上會產(chǎn)生陰影壓蓋其他地物的圖像，造成同物異譜問題，影響遙感圖像的定量分析和自動識別。太陽高度角，也稱太陽高度。某地的太陽高度角是太陽光線與當(dāng)?shù)氐仄矫嫠坏木€面角。太陽方位角是指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角。太陽位置不同，則地面物體入射照度會發(fā)生變化，地物的反射率也就隨之改變。（3）太陽輻射地形起伏引起的輻射誤差地面傾斜度由于地形的變化，在遙感圖像上會造成同類地物灰度不一致的現(xiàn)象。太陽高度角較低時，會使圖像上產(chǎn)生陰影壓蓋其它地物，造成同物異譜問題，影響遙感圖像的定量分析與自動識別；太陽方位角引起的圖像輻射誤差通常只對圖像的細(xì)部特征產(chǎn)生影響為了盡量減少太陽高度角和方位角引起的輻射誤差，大多數(shù)衛(wèi)星設(shè)計在同一地方時間通過當(dāng)?shù)厣峡铡?.3系統(tǒng)輻射誤差校正（1）光學(xué)鏡頭的非均勻性引起的邊緣減光現(xiàn)象的改正由于透鏡光學(xué)特性的非均勻性，在成像面上邊緣部分比中間部分暗。光學(xué)鏡頭的非均勻性引起的邊緣減光現(xiàn)象的校正poo點光強機載成像光譜圖像的邊緣輻射畸變與儀器大視場角有關(guān)，主要由大氣效應(yīng)、地物反射非朗伯體特性、太陽-儀器-目標(biāo)相對幾何關(guān)系等因素綜合作用所引起的。（2）條紋主要由檢測器引起。常用消除方法：平均值法、直方圖法及在垂直掃描線方向上采用最鄰近點法或三次褶積法。條紋的判定和消除圖像上出現(xiàn)的與輻射信息無關(guān)的線條噪聲，其特點：（1）分布一般不規(guī)則（2）亮度值趨于極端（3）所在圖像標(biāo)準(zhǔn)差極易增大找出條紋：用相鄰行間像元的亮度差值是否超過某個預(yù)定閥值消除條紋：將條紋上下相鄰兩掃描行對應(yīng)像元亮度值取平均值。用最鄰近點法或三次卷積法確定條紋上相應(yīng)像元亮度值。條紋誤差校正結(jié)果條帶噪聲的去除（3）斑點由噪聲或磁帶的誤碼率等造成，在圖像中往往是分散和孤立的。斑點的判定和消除斑點的判定：（1）待判定像元亮度值與周圍鄰點像元亮度平均值之差超過給定閾值。（2）待判定像元亮度值與周圍鄰點像元亮度值的方差減去影像亮度值的平均方差超過給定閾值。斑點的判定和消除消除斑點的新亮度值的計算方法（1）平均法：取其鄰域像元亮度值的平均值（2）雙三次卷積法通常邊緣附近的斑點不進(jìn)行消除，圖像四周的像元不進(jìn)行斑點消除處理過程中，要把斑點和圖像本身的邊緣信息區(qū)別開來，這可以通過恰當(dāng)?shù)倪x擇閾值或先進(jìn)行邊緣檢測而后進(jìn)行斑點消除來實現(xiàn)。（4）灰度一致化進(jìn)行圖像拼接時，由于圖像不是同一天拍攝的，天氣、植被、日照條件均會發(fā)生變化，存在灰度狀況（大小、分布）不一致的問題，需要對遙感圖像進(jìn)行灰度一致化。通常有兩種方法。注意：在灰度一致化前，圖像該完成了幾何精校正，具有相同