ENVI图像处理专题之：图像几何校正

ENVI图像处理专题之：图像几何校正

1.遥感图像产生几何畸变的原因

地物目标发出的电磁波被卫星上所载传感器接收，这些电磁波上记录和传达了地物目标的信息，这是遥感图像成像的过程也是它的内在规律。在这个过程中图像的几何畸变也随即产生了，其中原因很多，主要表现在以下几个方面:

1. 1卫星位置和运动状态变化的影响

卫星围绕地球按椭圆轨道运动，引起卫星航高和飞行速度的变化，导致图像对应产生偏离与在卫星前进方向上的位置错动。另外，运动过程中卫星的偏航、翻滚和俯仰变化也能引起图像的畸变。

以上误差总的来说，都是因为传感器相对于地物的位置、姿态和运动速度变化产生的，属于外部误差。此外，由于传感器本身原因产生的误差，即内部误差，这类误差一般很小，通常人们不作考虑。

1. 2地球自转的影响

大多数卫星都是在轨道运行的降段接收图像，即当地球自西向东自转时，卫星自北向南运动。这种相对运动的结果会使卫星的星下位置产生偏离，从而使所成图像产生畸变。

1. 3地球表面曲率的影响

地球表面是不规则的曲面，这使卫星影像成像时像点发生移动，像元对应于地面的宽度不等。特别是当传感器扫描角度较大时，影响更加突出。

1. 4地形起伏的影响

当地形存在起伏时，使原来要反映的理想的地面点被垂直在其上的实际某高点所代替，引起图像上像点也产生相应的偏离。

1. 5大气折射的影响

由于大气圈的密度是不均匀分布的，从下向上越来越小，使得整个大气圈的折射率不断变化，当地物发出的电磁波穿越大气圈时，经折射后的传播路径不再是直线而是一条曲线，从而导致传感器接收的像点发生位移。

2.进行几何校正并保证精度的必要性

遥感图像几何校正的精确与否直接关系到应用遥感信息反应地表地物的地理位置和面积的精确度，关系到从图像上获取的信息准确与否，因此在选择控制点上要十分小心，尽可能提高其精度，并且要对校正结果进行反复的分析比较，必要时还要进行多次校正。几何校正让图像上地物对应的像元出现在它应该在的地方，再通过辐射校正、影像增强等遥感图像处理技术，还图像以“本来面目”。然后通过对图像的识别、分类、解译处理实现地面空间上各类资源信息的空间分析研究，使遥感技术投入到实际生产应用中。

3.几何精校正方案

遥感影像图的几何校正目前有3种方案，即系统校正、利用控制点校正以及混合校正。遥感数据接收后，首先由接收部门进行校正，这种校正叫系统校正(又叫几何粗校正) ，即把遥感传感器的校准数据、传感器的位置、卫星姿态等测量值代入理论校正公式进行几何畸变校正;而用户拿到这种产品后，由于使用目的不同或投影及比例尺不同，仍旧需要做进一步的几何校正，这就需要对其进行几何精校正即利用地面控制点GCP ( Ground Control Point，遥感图像上易于识别，并可精确定位的点)对因其他因素引起的遥感图像几何畸变进行纠正。混合校正则是由一般地面站提供的遥感CCT已经完成了第一阶段的几何粗校正，用户所要完成的仅仅是对图像做进一步的几何精校正。

几何精校正就是利用地面控制点GCP对各种因素引起的遥感图像几何畸变进行校正。从数学上说，其原理是通过一组GCP建立原始的畸变图像空间与校正空间的坐标变换关系，利用这种对应关系把畸变空间中全部元素变换到校正空间中去，从而实现几何精校正。

几何校正最关键的步骤就是如何准确选择控制点（有时又称为同名地物点，指的是同一个地区的两幅影像上对应的同一个地物点），越准确越好。其次就是利用选好的控制点，采用一定的校正方法进行校正。

几何校正选点的方式通常用三种：基于已有准确坐标的影像；基于地面实测控制点数据；基于有准确坐标的地图数据。

4.几何精校正

下面我们主要介绍基于同一个地区的有准确坐标的影像，来校正另一幅TM影像的基本过程。

在ENVI中对影像进行几何精校正步骤如下：

将原始数据LS5_TM_20090324_032106_032131_129042_FASTB_L2.zp和LS5_TM_20090324_000000_000000_129042_GEOTIFF_L4.zip分别解压到相应的文件夹，为了便于识别，将LS5_TM_20090324_032106_032131_129042_FASTB_L2重命名为TM2009_129042_L2，将LS5_TM_20090324_000000_000000_129042_GEOTIFF_L4重命名为TM_2009129042_L4。

打开ENVI5.0软件，并加载TM2009_129042_L2和TM_2009129042_L4两幅影像，加载TM2009_129042_L2步骤如下：打开file-open external file——landsat——fast此时弹出加载数据选项窗口header.dat，点击“打开”按钮，显示结果如图。

选择RGB Color，选择543波段组合，并将其显示在Display1中。

加载TM_2009129042_L4步骤如下：打开file-open image file或者在Available Bands list 窗体中选择file-open image file此时弹出加载数据选项窗口。

单击“打开”按钮，此时所需的两幅影像波段信息显示在Available Bands list窗体中，如图

将L5-TM-129-042-20090324-L下的波段以RGB方式按543波段组合并显示于Display2中。打开Map-Registration-Select GCPs: Image to Image，弹出如下图所示窗口：

在左边“base image”下提供可供选择的基准图像，在“warp image”下提供可供选择的待校正图像。

由于加载于Display1中的图像是TM2009_129042_L2为二级产品是没有经过几何精校正的图像，而加载于Display2中的图像TM2009_129042_L4为四级产品已经过几何精校正，

可以作为基准图像以校正未经过几何精校正的二级产品；因此在上图中选择Display2（即基准图像TM2009_129042_L4），而warp image下应选择display1（即待校正图像TM2009_129042_L2）。

待基准图像和待校正图像选择完毕后，弹出窗口。

此时可以在Display1和Display2中选择同名点并增加控制点，一般选择控制点都是在Zoom窗口中进行选择，应尽可能精确到同一个像素。选择同名点时，应注意尽量避免选择状态时常变动的，如河流等，因为河流由于流水水位的不确定性和不稳定性，很容易造成人为控制误差；应尽量选择状态相对稳定的地物作为同名点，如道路交叉的地方，小型建筑物（如桥梁），山峰，居民地等。

鼠标在两个窗口内移动，选择明显判定的地物点作为控制点。在Zoom窗口中，选择左下角的第三个小图标（十字光标），可将十字光标打开，便于进行准确定位。在两个显示窗口中确定好同名点后点击如上图列表中“Add point”按钮以确认控制点的选择，如此继续增加控制点；知道控制点误差不再显示为零（在envi4.6中一般选择控制点数多达4个便可以识别误差），可以启动自动预测功能（注：只能进行自动预测而不能自动加点，预测出的区域还需用鼠标重新定位进行微调，并点击Add point增加控制点），自动预测功能的启动为：在Ground Control Point Select窗口中，选择options——auto predict。

查看误差列表可选择上图中“show list”按钮，此时弹出如下显示误差信息的窗口，可以让列表中的误差（RMS）从大到小排列（点击如下图的options，在下拉列表中选择order point by error，也可在Ground Control Point Select窗口中选择options，再勾选options 下拉列表中的order point by error），控制点的误差（RMS）须控制在0.5以下，不满足要求的控制点应定位（选择所要调整的控制点如下图蓝色阴影部分）到控制点所在位置进行微调，微调完成后点击下图中”update”按钮以更新控制点，同样如要删除控制点也只需选中

需要删除的控制点，点击“Delete”按钮。

完成控制点选择后如下图所示：

控制点选择完成后应对控制点进行保存，保存方法为：在Ground Control Point Select 窗口中选择file-save GCPs to ASCII，将控制点保存到相应位置以便以后使用。

确认控制点误差在0.5以下后便可以进行校正处理，在Ground Control Point Select窗口中选择options-warp files，弹出窗口

选择待校正文件header.dat（即TM2009_129042_L2），点击“ok”弹出如下校正参数设置窗口（Registration Parameters）

上图中method 为几何校正计算模型，RST为仿射变换模型，Polynomial为多项式模型，Triangulation为局部三角网模型。多项式模型在卫星图像校正过程中应用较多。在应用此模型时，需要确定多项式的次方数，通常选择2次或3次。选择的次方数与所需要的最少控制点是相关的，最少控制点计算公式为（n+1）*(n+2)/2，其中n为次方数，即选择多少次多项式n就是多少，而所需要的最少控制点数目即为（n+1）*(n+2)/2，如利用二次

多项式模型，所需要的最少控制点数目就是6个。上图中degree的数值就代表n，resampling 表示重采样方式，在此提供了三种重采样方式：最邻近点法（nearest neighbor），双线性内插法（bilinear）以及三次卷积内插法（cubic convolution）。可根据需要选择不同的内插方法进行重采样，选择不同的采样方法效果不一样。其他参数为默认值，校正参数设置完成后，选择校正文件的输出路径，点击“ok”执行几何校正。

检验几何校正的结果可以检测校正效果，具体方法是：同时在两个窗口中打开图像，其中一幅是校正后的图像，一幅是基准图像，通过Basic——视窗链接（link displays）及十字光标或者地理链接（geographic link）进行关联。

在显示校正结果的image窗口中，从右键快捷菜单中选择geographic link命令，选择需要链接的两个窗口，打开十字光标进行查看，两幅图像会根据地理坐标进行联动，从而便于观察两幅图像是否匹配良好。如图所示：

若校正结果不理想，可将原始两幅影像打开，导入刚才保存的控制点文件，对部分控制点进行调整，调整好后保存控制点，并重新执行几何校正过程。

练习：利用衡阳市1990年校正好的准确坐标影像为基准（参考）影像，对下载好的包含衡阳市区的TM影像进行几何校正，要求精度控制在0.5个像元内，并对两幅图像进行关联显示，检查校正效果。