遥感图像处理及软件工具

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实验报告

实验内容

第九章：正射校正

实验目的

通过对正射校正的学习和实验：

1、区分图像几何校正和正射校正的方法不同； 2、熟悉对遥感影像的预处理，熟练运用正射校正； 3、学会自定义RPC进行正射校正；

达到提高理论联系实际的能力、实际动手能力等各方面能力，为以后从事相关邻域的工作打下基础。

实验数据

本章节引用了实验数据光盘中的第九章IKONOS数据和QuickBird数据（高光谱）。

实验主要内容及步骤

一、图像几何纠正与正射纠正的区别

几何纠正是利用地面控制点和几何校正数学模型来矫正非系统因素产生的误差，同时也是将图像投影带平面上，使其符合地图投影系统的过程。

几何纠正的方法主要有：利用卫星自带的GLT文件进行几何纠正、Image to Image、Image to Map、Image to Image自动图像配准四

种方法，这四种方法是纠正图像的常规方法。四种方法用的基本模块是仿射变换（RST）、多项式模型（Polynomial）和局部三角网（Triangulation）。

正射校正是对图像空间和几何畸变进行校正生成多中心投影平面正射图像的处理过程。

我们知道，卫星图像产生误差的主要原因主要有：1、比例尺的变化，而产生比例尺误差的原因是地形的起伏；2、传感器的姿态和方位变化，是由于传感器通常是扫描式透视中心扫描；3、传感器的系统误差。前面谈到的两种误差是无法用几何纠正来解决的，所以，当遇到所需要的图像是山区或则高光谱数据时，就必须先进行正射校正。这一过程除了能消除一班系统长生的几何畸变外，还能消除地形引起的几何畸变。它采用了少量的地面控制点与相机或卫星模型相结合，确立传感器、图像和地面三个平台的简单关系，建立正确的校正公式，产生精确的正射影像。而几何纠正只是简单的通过控制点来建立影像空间和目标空间之间的关系。

二、ENVI正射校正基本概念

ENVI4.7版本支持RPC有理多项式严格轨道物理模型的正射校正，也就是我们所说的卫星自带的星历参数。支持的常用传感器有ALOS/PRISM、ASTER、IKONOS、OrbView-3、QuickBird、SPOT4/5、CARTOSAT(P5)、FORMOSAT-2、World-view、GeoEye-1、KOMPSAT-2、RapidEye等。

ENVI还具有根据标准元数据建立RPC文件来正射校正数据的功

能。也可以根据地面控制点（GCP）或者外方位元素（XS，YS，ZS，?，? ，?）建立RPC文件，来校正一般的推扫式卫星传感器、框幅式航空相片和数码航空相片。当获得的卫星数据提供了轨道参数，也可以利用其轨道参数来生成RPC文件来做正射纠正。

三、卫星图像正射校正

ENVI中提供了两种正射校正方式：无控制点（Orthorectify）和有控制点（Orthorectify with Ground Control）方式。

卫星图像的正射校正过程与Image to Map方式的几何校正过程基本一致，主要包括：

1.打开数据文件

2.选择传感器校正模型（Orthorectify IKONOS或者Orthorectify IKONOS with Ground Control）

3.选择高程数据(DEM)；在由控制点正射校正中其点的选取与Image to Map一样，也可以通过其他方式测量获取。

4.计算控制点误差 5.设置输出参数

在这里，我们首先拿地形起伏比较大的IKONOS数据来做无控制点的正射校正。

首先在主菜单中选择File→Open External File→IKONOS→Geo TIFF，打开TIF数据，并打开与之相对应的DEM数据。然后打开

图 1 无控制点打开方式

然后打开Orthorectification Parameters对话框，下图是需要设置的基本参数。

图 2 Orthorectification Parameters参数对话框

其中，重采样方法折中选择双线性内插（Bilinear），三次卷积法

效果好，但是耗时；背景值设置为0；高程值直接通过DEM直接获取；同样的，如果需要修改投影参数，可以直接按Change Proj按钮即可更改输出投影方式；最后设置输出像元大小（X Pixel Size、Y Pixel Size），分别输入2.4，回车自动调整XY的范围。选择输出路径和文件名就可以执行正射校正咯。

完成了正射校正后，打开结果，可以进行比较。首先，我们容易发现校正后的IKONOS数据的投影信息发生了变化，如下图：

图 3 正射校正投影信息变化

接着，来看校正前和校正后的两个影像图，通过链接两个影像图后易发现，在地形起伏差距比较小的地区，点位变化几乎很小，但是在地形起伏较大的山区，其点位信息变化差距较大，这也就是为什么山区

的影像图要进行正射校正。如图4：

图 4 正射校正前后点位信息比较

有控制点的正射校正是利用地面控制点参与正射校正来提高校正精度，控制点(x，y)坐标选择与Image to Map几何校正的控制点方式一致，包括从矢量、图像、二进制文件和手动输入方式，Z值可以是野外测量数据或者从高分辨率DEM数据中获取。

这里本来用多光谱QuickBird数据做演示，但是由于没有相应的控制点数据，这里就不做GCP的选择，但过程和Image to Map完全一致，见下图。

图 5 地面控制点选择对话框

四、自定义PRC正射校正

当航空图片和丢失PRC参数卫星图像数据，可以根据相机参数、传感器参数、外方位元素和地面控制点构建严格的物理矫正模型，从

而实现正射校正的过程。

需要矫正的数据主要包括1、扫描的框幅式航空相片；2、框幅中心投影的航空数码相片；3、线中心投影的航空数码相片；4、推扫式卫星传感器。

自定义RPC正射校正一班步骤为：

（1）进行内定向（只针对航空相片而言）：通过内定向建立相机参数和航空相片之间的关系。它将使用航片间的条状控制点、相机框标点和相机的焦距来进行内定向，即（x0,y0,f）。

内方位元素：x0、 y0 、f ：摄影中心 S 到像面的垂线谓主光轴； 摄影中心S到像面的垂足谓主点；f为焦距，即主光轴的长度；x0、y0为主点在像面上的位置。

图6 摄影测量外方位元素示意图

（2）进行外定向：通过外定向对航空图片和卫星相片上的地物点同实际已知的地面位置（地理坐标）和高程联系起来。通过选取地面控制点、输入相应的地理坐标来进行外定向。即（XS,YS,ZS,?,?,?）

六个外方位元素。

图7 摄影测量各空间关系示意图

（3）使用数字高程模型进行正射校正：这一步将对航空相片和卫星图片进行真正的正射校正。校正过程中将使用定向文件、卫星位置参数以及共线方程。共线方程为：

x??fa1(XA?Xs)?b1(YA?YS)?c1(ZA?ZS)a3(XA?XS)?b3(YA?YS)?c3(ZA?ZS)a2(XA?Xs)?b2(YA?YS)?c2(ZA?ZS)a3(XA?XS)?b3(YA?YS)?c3(ZA?ZS)

y??f其中，x0,y0,-f为内方位元素，XS,YS,ZS,?,?,?为六个外方位元素，a1、a2、a3、b1 …..是由三个角元素?、? 、?，构成的旋转（正交）矩阵的9个系数。

1、框幅式相机（Frame Camera）

框幅式相机最大的特点是利用框标点建立相机与图像之间的关系，即内定相。下面简单的对所选参数进行说明：

焦距长度：相机的焦距，单位是mm，它是确定摄影比例尺的重要参数，在相机参数报表中能获取这个参数。

相中心点坐标：单位也是mm，一般在试验是校准，在相机参数报表中也能获得该参数。

选择框标点，单击Select Fiducials in Display，选择4个或者8个特征点，如十字丝加外圆圈。还可以编辑属性，选择需要输出的坐标系等。

2、框幅中心投影数码相机（Digital—Frame Central）

在建立Build RPCs对话框中选择Digital—Frame Central类型，如下图所示：

图8 框幅中心投影数码相机

3、线中心投影数码相机（Digital—Line Central）

在Digital—Line Central线中心投影数码相机参数中，还包括了传感器前进方向轴X或Y；另外还有Ploynomial Orders，以此计算XS,YS,ZS,?,?,?参数的多项式系数。0作为常量应用整个图像，1和2

分别表示一次线性关系和二次线性关系。 4、推扫式卫星传感器（Pushbroom Sensor）

该种传感器是卫星传感器。这里多了沿轨道方向入射角和垂直轨道方向入射角。

沿轨道方向入射角是为卫星的垂直方向与前进方向或向后观察方向之间的夹角。如果从透视中心到相应的地面点位观察方向，观察方向朝东时入射角为正。

垂直轨道方向入射角是卫星的垂直方向与垂直轨道的侧向观察方向之间的夹角。如果从透视中心到相应的地面点位观察方向，观察方向朝东时入射角为正。

这两个角度只用来设置初始外方位参数，不必很准确。

图9 推扫式卫星传感器

常见传感器参数介绍：

由于传感器很多，这里只介绍IKONOS、QuickBird和SPOT传感器的参数。

IKONOS-2：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7fev.html