《遙感圖像輻射處理》課件

遙感圖像輻射處理遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于地球資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、氣象預(yù)報等領(lǐng)域。遙感圖像的輻射處理是提取和分析圖像信息的關(guān)鍵步驟,關(guān)系到后續(xù)的解譯分析工作。課程大綱遙感圖像采集與處理課程將介紹遙感圖像從采集到輻射校正的完整處理流程,包括大氣校正、幾何校正、圖像增強等關(guān)鍵步驟。大氣校正概念與方法探討大氣散射對遙感圖像的影響,并介紹不同的大氣校正模型和算法,如COST、DARK-OBJECT等。幾何校正方法介紹多種幾何校正方法,如多項式校正、基于控制點的校正、基于DEM的校正等,并分析其原理和適用條件。遙感圖像采集過程1衛(wèi)星傳感器遙感圖像的采集過程首先需要搭載在衛(wèi)星上的精密傳感器,它能高效地捕捉各種波段的電磁輻射信號。2信號記錄與傳輸捕捉到的信號會被記錄下來,并通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸回地面接收站。3數(shù)據(jù)處理地面接收站接收到原始信號數(shù)據(jù)后,需要進行一系列的輻射校正和幾何校正,才能形成可用的遙感影像。大氣輻射的影響大氣散射短波輻射在大氣中遭到分子和氣溶膠的散射,會降低入射輻射強度,影響圖像質(zhì)量。大氣吸收大氣中的氣體分子和氣溶膠會吸收部分入射輻射,使地物反射的輻射受到削弱。大氣折射大氣溫度梯度和濕度梯度會導(dǎo)致輻射的折射,影響幾何校正的精度。大氣霧霾大氣中的顆粒物和氣溶膠會造成霧霾,降低遙感影像的成像質(zhì)量。大氣校正概念1遙感圖像受大氣影響大氣中的分子、氣溶膠和水汽會吸收和散射地表反射的輻射,導(dǎo)致圖像亮度值發(fā)生偏差。2大氣校正目的通過大氣校正,可以消除大氣對遙感圖像的影響,還原地表實際反射特性。3校正方法原理基于大氣光學(xué)模型,估算大氣對輻射的影響,進而校正圖像亮度值。分子散射模型分子散射原理分子散射是光線穿過大氣層時與大氣分子相互作用而發(fā)生的散射現(xiàn)象。這種散射主要是由于氣體分子的小尺寸導(dǎo)致的。藍天效應(yīng)分子散射使短波長的藍光更容易被散射,這就是我們觀察到天空呈現(xiàn)藍色的原因。這種效應(yīng)會影響遙感圖像的輻射特性。拉利散射模型拉利散射模型可以準確描述分子散射的物理過程,為大氣校正提供重要理論依據(jù)。它考慮了氣體分子尺寸、波長等因素。氣溶膠散射模型粒子特性氣溶膠粒子大小、形狀和成分的復(fù)雜性決定了其散射行為,需要考慮這些因素。散射強度氣溶膠散射強度受粒子濃度、粒子尺度和波長等因素的影響,通常比分子散射更強。時空變化由于氣溶膠來源、粒子組成和氣象條件等的時空變化,氣溶膠散射效應(yīng)也隨之變化。大氣校正方法概述分子散射模型分子散射模型用于描述太陽光線在大氣中與空氣分子相互作用的過程,可以計算出分子散射的貢獻。氣溶膠散射模型氣溶膠散射模型用于描述大氣中懸浮微粒對太陽光線的影響,是大氣校正的關(guān)鍵部分。校正方法概述常見的大氣校正方法包括COST方法、DARK-OBJECT方法等,通過建模大氣散射過程來補償影像中的輻射畸變。COST方法簡介COST(EmpiricalLine)方法是一種基于地面參考目標(biāo)的大氣校正方法。其核心思想是利用圖像中已知反射率的地物目標(biāo)來校正圖像的輻射值。原理該方法通過選取圖像中已知反射率的目標(biāo)，建立地物目標(biāo)的輻射值與反射率之間的線性關(guān)系，從而反推大氣的影響參數(shù)，進而校正整幅影像。優(yōu)點COST方法簡單易行，不需要復(fù)雜的大氣參數(shù)輸入，可直接獲得較為精確的大氣校正結(jié)果。同時該方法對傳感器類型和波段沒有特殊要求。應(yīng)用COST方法被廣泛應(yīng)用于遙感影像的大氣校正處理,特別適用于中等分辨率的衛(wèi)星影像。DARK-OBJECT方法暗目標(biāo)假設(shè)該方法基于在影像中總能找到一些完全暗的目標(biāo),如水體或陰影區(qū)域。大氣校正利用這些暗目標(biāo)的起始亮度值來校正整個影像的大氣散射和吸收效應(yīng)。簡單高效該方法計算簡單,只需找出影像中最暗的像元作為參考。適用范圍廣適用于各種遙感影像,如光學(xué)遙感、雷達遙感等,效果良好。圖像亮度校正減少過曝和欠曝通過調(diào)整圖像亮度,可以有效減少過曝和欠曝的問題,使圖像細節(jié)更加清晰。提高圖像對比度適當(dāng)提高亮度分布可以增強圖像的對比度,突出目標(biāo)物體,提升整體圖像質(zhì)量。補償環(huán)境影響受光照、氣候等環(huán)境因素影響的圖像,可通過亮度校正來補償這些影響,還原真實場景。圖像進程中的輻射畸變遙感傳感器在采集圖像時,受到多種環(huán)境和機械因素的影響,會產(chǎn)生不同程度的輻射畸變。大氣條件的變化,例如溫度、濕度和壓力,會導(dǎo)致不同光譜波段的輻射值發(fā)生偏移。遙感儀器自身的幾何、光學(xué)和電子特性也會引起圖像輻射的不均勻性。檢測和校正方法畸變檢測通過分析圖像特征點的分布情況和像元亮度值等信息,可以檢測出圖像中存在的幾何畸變和輻射畸變。畸變校正根據(jù)檢測到的畸變類型,采用相應(yīng)的校正算法,如多項式校正、透視校正等,可以有效地消除圖像畸變。質(zhì)量評估通過計算相對精度、絕對精度、RMSPE等指標(biāo),可以評估校正后圖像的幾何和輻射精度。結(jié)果優(yōu)化根據(jù)評估結(jié)果,可以進一步調(diào)整校正參數(shù),不斷優(yōu)化校正效果,提高圖像質(zhì)量。平面校正1投影平面化將原始傾斜圖像投影到水平平面上2地理配準將圖像與地理坐標(biāo)系對齊3幾何變換使用數(shù)學(xué)模型調(diào)整圖像幾何平面校正是遙感圖像幾何校正的基礎(chǔ)步驟之一。它通過投影變換、地理坐標(biāo)配準和幾何變換等方法,將傾斜的原始圖像校正為在水平面上的正射影像。這為后續(xù)的精細幾何校正奠定了基礎(chǔ),確保遙感圖像能與地圖坐標(biāo)系對齊。切面校正1傾斜校正校正圖像傾斜角度2正射校正矯正地物的幾何形變3拼接處理實現(xiàn)多幅影像的無縫拼接切面校正是一種重要的幾何校正方法,主要包括傾斜校正、正射校正和拼接處理等步驟。通過這些處理,可以矯正遙感圖像的幾何畸變,提高其空間分析精度,為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用分析奠定基礎(chǔ)。非線性校正多項式校正的局限性多項式校正無法準確描述復(fù)雜的幾何變形,尤其是在圖像邊緣區(qū)域。非線性校正方法采用更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù),如樣條函數(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,模擬圖像的非線性變形。更高精度校正非線性校正可以更好地擬合實際的幾何失真,從而提高校正精度。計算復(fù)雜性增加非線性校正需要更多的計算資源和時間,實現(xiàn)過程更加復(fù)雜。圖像內(nèi)部畸變透鏡失真圖像傳感器的光學(xué)透鏡可能會導(dǎo)致徑向和切線方向的畸變,如桶型和枕型失真。CCD陣列偏移圖像傳感器的CCD像素陣列可能會存在不完全對準或傾斜,造成像素定位偏移。輻射失真圖像邊緣處的光線入射角比中心部分大,從而造成邊緣部分亮度衰減。熱擴散效應(yīng)圖像傳感器受熱后,像素位置可能會發(fā)生位移,導(dǎo)致幾何失真。圖像外部畸變相機位置偏移相機在拍攝時的位置和角度偏離標(biāo)準位置會造成外部畸變。地形起伏影響地形起伏不平會使遙感影像出現(xiàn)放大、縮小等外部畸變。太陽照射角度太陽照射角度的變化也會引起圖像外部幾何畸變。幾何校正方法1階多項式校正使用一階多項式對影像進行幾何校正,能夠基本修正影像的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)等常見的幾何畸變。精確多項式校正采用高階多項式對影像進行幾何校正,可以精準校正復(fù)雜的幾何畸變,適用于大范圍的遙感影像。模型仿真校正根據(jù)傳感器幾何模型和影像獲取條件等參數(shù),建立影像幾何畸變的數(shù)學(xué)模型進行校正?；诳刂泣c的校正在影像和地圖上選取若干個地物控制點,建立影像和地理坐標(biāo)系之間的相關(guān)關(guān)系實現(xiàn)校正。1階多項式校正1階多項式校正是一種最簡單的幾何校正方法。其基本思想是使用平面坐標(biāo)的1階多項式變換來對影像進行幾何校正。該方法需要地面控制點信息，通過最小二乘法擬合出像平面到地面平面的1階多項式變換參數(shù)，從而實現(xiàn)幾何校正。簡單可靠，但精度有限，僅適用于影像形變較小的情況。精確多項式校正3多項式階數(shù)使用更高階的多項式來實現(xiàn)更精確的校正3-5控制點數(shù)量需要更多的高精度地理控制點以保證多項式校正的準確性99%校正精度高階多項式可以達到接近100%的幾何校正精度精確多項式幾何校正是基于多項式函數(shù)對遙感影像進行非線性幾何變換的方法。相比一階多項式校正，精確多項式校正采用更高階的多項式函數(shù)來實現(xiàn)更精確的幾何校正。這需要使用更多的高精度地理控制點以保證多項式模型的準確性。通過精確建模，可以達到接近100%的幾何校正精度。模型仿真校正模型仿真校正使用計算機仿真進行幾何校正。通過建立數(shù)學(xué)模型模擬傳感器到地物的成像過程,可以精確預(yù)測圖像畸變。該方法能夠準確補償鏡頭畸變、透鏡扭曲等內(nèi)部因素以及地球曲率、高程變化等外部因素引起的幾何畸變。優(yōu)點能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的幾何校正缺點需要精確的儀器參數(shù)和地物信息,建模過程復(fù)雜基于控制點的校正基于控制點的校正是利用地面實測的已知點作為控制點,通過圖像和控制點之間的幾何關(guān)系,對遙感圖像進行幾何校正。這種方法可以準確地校正圖像的幾何畸變,提高圖像的定位精度。優(yōu)點可以消除地形、傳感器等因素導(dǎo)致的幾何畸變,提高圖像精度缺點需要獲取大量的精確控制點信息,工作量大,獲取控制點也存在一定困難基于DEM的校正基于數(shù)字高程模型（DEM）的幾何校正方法能夠準確補償?shù)乇砀叱套兓鸬挠绊憽Ｍㄟ^整合DEM數(shù)據(jù)與遙感圖像,可以建立精確的空間映射關(guān)系,實現(xiàn)對坡度、方位角等因素的校正。這種方法適用于地表特征高度起伏較大的區(qū)域,能夠大幅提高幾何校正的精度。平面精度(米)高程精度(米)基于DEM的校正方法能達到平面精度0.8米、高程精度0.5米,遠優(yōu)于傳統(tǒng)的1階多項式模型和精確多項式模型。精度評估指標(biāo)相對精度相對精度用于評估圖像內(nèi)不同區(qū)域之間的精度一致性，可反映圖像的內(nèi)部一致性。常用差異分析或歸一化差異分析等方法。絕對精度絕對精度反映圖像與實際地物之間的符合程度，可通過地面控制點或高精度參考數(shù)據(jù)進行對比分析。RMSPERMSPE(RootMeanSquarePositionalError)用于評估圖像中幾何位置的誤差，反映整體的定位精度?？蓮目刂泣c或參考數(shù)據(jù)中計算得出。相對精度1%相對精度衡量遙感圖像校正結(jié)果的一個重要指標(biāo)，反映了校正效果相對于真值的誤差范圍。2-5%合格標(biāo)準一般來說，相對精度在1%-5%之間才能達到良好的校正效果。0.5%優(yōu)秀水平部分應(yīng)用場景要求相對精度達到0.5%甚至更高的精度水平。絕對精度絕對精度是評估遙感圖像幾何校正質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。它描述了校正后圖像與實地測量的絕對坐標(biāo)系之間的偏差程度,可以反映校正方法的準確性。通過統(tǒng)計分析在控制點上的殘差,可以計算出絕對精度,為進一步改進校正提供依據(jù)。RMSPE5%平均誤差10%最大誤差1.5均方根誤差0.8標(biāo)準差RMSPE（RootMeanSquarePositioningError）是遙感圖像幾何精度評估的一個常用指標(biāo)。它綜合考慮了定位誤差的大小和分布情況，可以反映遙感圖像整體的幾何定位精度水平。RMSPE越小,說明遙感圖像幾何精度越高。對比度影像對比度反映影像中高低亮度值之間的差異。高對比度影像層次分明，細節(jié)突出，而低對比度影像缺乏層次感。對比度測量指標(biāo)常用標(biāo)準差、亮度直方圖等指標(biāo)評估影像對比度。對比度高低會影響影像質(zhì)量和分析效果。圖像質(zhì)量改善色彩校正調(diào)整圖像的飽和度、亮度和對比度,使顏色更鮮艷生動,更