遙感影像幾何校正與配準(zhǔn)分析研究

莊劍

摘 要：幾何校正和影像配準(zhǔn)作為遙感圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)，對于獲取的遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有重要作用。本文比較分析了二者的原理與區(qū)別，并闡述了目前幾何校正和影像配準(zhǔn)方法的現(xiàn)狀和趨勢。

關(guān)鍵詞：幾何校正 影像配準(zhǔn) 方法

一、幾何校正概述

（一） 影像的幾何畸變

由于遙感器、遙感平臺以及地球本身等方面的原因，在遙感成像時往往會引起難以避免的幾何畸變，幾何畸變是指圖像上像元的位置坐標(biāo)與地圖坐標(biāo)系統(tǒng)中的目標(biāo)地物坐標(biāo)的差異。按照畸變的性質(zhì)劃分，可分為系統(tǒng)性畸變和隨機性畸變。

（二） 影像的幾何校正

幾何校正就是要校正成像過程中所造成的幾何畸變，不包括輻射量失真。它分為幾何粗校正和幾何精校正。幾何粗校正是針對引起畸變原因也即系統(tǒng)性畸變進行的校正。

（三） 幾何校正的原理

幾何校正是利用控制點改正原始影像的幾何變形，產(chǎn)生一幅符合某種地圖投影或圖件表達要求的新圖像.它不考慮各種畸變誤差形成的原因，而是把圖像上存在的各種畸變和誤差看成一個整體，然后利用若干個控制點數(shù)據(jù)，確立一個模擬圖像幾何畸變得數(shù)學(xué)模型，以此來建立原畸變圖像空間與標(biāo)準(zhǔn)空間的某中對應(yīng)關(guān)系，即所謂的映射變換函數(shù)或校正變換函數(shù)，再依據(jù)這種變換函數(shù)把待校正圖像空間中的全部像元變換到標(biāo)準(zhǔn)空間中去，從而實現(xiàn)圖像的精校正。

二、遙感影像的配準(zhǔn)

多源遙感影像之間的配準(zhǔn)是影像融合的一個非常關(guān)鍵的前提和基礎(chǔ)，特別是高精度的配準(zhǔn)已經(jīng)成為從多源遙感影像獲取準(zhǔn)確信息的必要條件。配準(zhǔn)是產(chǎn)生一個空間標(biāo)準(zhǔn)的影像集合或校準(zhǔn)某一景物影像的過程。主要有兩種影像的配準(zhǔn)方式：一是相對配準(zhǔn)又稱多圖像幾何配準(zhǔn)，指將多源圖像的同名影像通過幾何變換實現(xiàn)重疊；二是絕對配準(zhǔn)，是將相對配準(zhǔn)后的多源圖像納入某一地圖坐標(biāo)系統(tǒng)。本文所分析的影像配準(zhǔn)是指相對配準(zhǔn)。

三、遙感影像幾何校正與配準(zhǔn)的比較分析

（一） 從結(jié)果來看，幾何校正是把某一遙感影像納入到一個投影坐標(biāo)系統(tǒng)中；而影像配準(zhǔn)只是兩幅圖像的同名像元配準(zhǔn)，是把待配準(zhǔn)圖像投影到與參考圖像一致的坐標(biāo)系統(tǒng)中，使其與參考圖像有相同的投影信息。

（二） 從本質(zhì)上看，幾何校正是采用一定的幾何變換消除待校正影像由于地形等因素引起的投影差和位移；而配準(zhǔn)首先需要把某一影像作為標(biāo)準(zhǔn)，其次分析其他影像相對標(biāo)準(zhǔn)影像的幾何變形，最后用某一能夠反映這種幾何變形的數(shù)學(xué)模型將其他所有的影像全部校準(zhǔn)到這一標(biāo)準(zhǔn)影像上來；因此，可以說影像配準(zhǔn)是一種相對幾何校正。

實踐證明由于全色影像具有較高的空間分辨率，紋理清晰，便于配準(zhǔn)時同名地物點較精確的選擇，對于同一傳感器獲得的影像，我們選擇對全色影像進行幾何校正，然后用該校正過的全色影像作為參考與多光譜影像進行配準(zhǔn)。獲得既具有高空間分辨率，又有高光譜分辨率的融合影像。

四、幾何校正和影像配準(zhǔn)的方法

（一）幾何校正方法分析

1、多項式糾正法 實際工作中應(yīng)用最多的一種糾正方法。其原理比較直觀，并且計算較為簡單，特別是對地面相對平坦的情況，具有足夠好的糾正精度。

2、共線方程糾正法 與多項式糾正法不同，該法是建立在圖像坐標(biāo)與地面坐標(biāo)嚴(yán)格變換關(guān)系的基礎(chǔ)之上的，是對成像空間幾何形態(tài)的直接描述。

3、DELAUNEY三角形法 目前地理數(shù)據(jù)誤差糾正中通常采用的是最小二乘法。在大多數(shù)情況下，由于最小二乘法本身的局限性，當(dāng)源數(shù)據(jù)的變形具有很強的局部性特征，一般的全局坐標(biāo)變換很難達到良好的糾正效果和精度，因此需要進行分塊誤差糾正。

4、空間投影法 前三種糾正方法糾正精度都嚴(yán)格地依賴地而控制點，在地而控制點不足時，往往糾正精度達不到要求?？臻g投影精確地模擬了衛(wèi)星動態(tài)成像的幾何關(guān)系，它只需少量地而控制點，就能直接建立影像與投影之間、像點與地而點之間嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。

由此可知，遙感影像處理時采用哪一種幾何校正方法應(yīng)根據(jù)其所具有的輔助數(shù)據(jù)源條件、影像覆蓋區(qū)的地形條件、應(yīng)用目的的精度要求、項目的資金等因素綜合分析達到最優(yōu)。

（二）影像配準(zhǔn)方法概述

1、空間域匹配方法 包括：（1）基于控制點的配準(zhǔn)方法，即控制結(jié)構(gòu)為圖像中的顯著點（稱為控制點）。（2）基于矩（Moment-based）的配準(zhǔn)方法，控制結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的圖像矩，每幅圖像被標(biāo)準(zhǔn)化，即與一個矩被歸一化的參照位置進行配準(zhǔn)。（3）基于邊緣的配準(zhǔn)方法，控制結(jié)構(gòu)是圖像的邊緣。（4）基于相似性判據(jù)最優(yōu)化的方法，選擇一個幾何變換并以各種參數(shù)值施于一幅圖像上。

2、頻率域配準(zhǔn)方法 頻率域方法由于涉及到空間域與頻率域的轉(zhuǎn)換，因此比較復(fù)雜，雖然也可以達到較高精度，但其對兩影像間的幾何變形與輻射畸變都有較高的要求，應(yīng)用范圍較窄，大多用于研究工作。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，一些傳統(tǒng)的方法盡管有各自的局限性，但這些局限性可以通過它們之間的結(jié)合而大大削弱，而且這些方法都具有很強的適應(yīng)性，如相關(guān)函數(shù)法無論對可見光影像，還是對雷達影像均適用。目前又出現(xiàn)了引用數(shù)字?jǐn)z影測量中幾種傳統(tǒng)的匹配方法與多重判據(jù)、雙向匹配等策略，結(jié)合小三角形面元微分糾正的原理，設(shè)計了基于小面元的多源遙感影像高精度配準(zhǔn)方法。該方法采用特征點作為配準(zhǔn)控制點，利用多種匹配方法和匹配策略獲取同名點，再以這些點構(gòu)成的三角網(wǎng)進行微分糾正得到配準(zhǔn)影像多源遙感影像之間的相對配準(zhǔn)。經(jīng)過大量實驗證明，該方法很好地解決了可見光范圍內(nèi)的，尤其是不同傳感器、不同分辨率的遙感影像，并且配準(zhǔn)精度能夠達到子像素級，同時在可靠性、適應(yīng)性等方面都進行了很好的控制。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，影像配準(zhǔn)精度要求的提高以及影像融合技術(shù)的發(fā)展，不斷提出的各種配準(zhǔn)方法使得配準(zhǔn)的精度越來越高，從像素級一直到子像素級。但其中始終存在著一個問題，就是某一種方法僅對幾組或幾種圖像可以取得好的效果，但卻不適應(yīng)其他類型的數(shù)據(jù)，所以我們一直希望找到一個自動化程度高、適應(yīng)能力強的高精度配準(zhǔn)的處理方法。

參考文獻：

[1]戴昌達，姜小光，唐伶俐，遙感圖像應(yīng)用處理與分析，清華出版社

[2]錢樂祥，遙感數(shù)字影像處理與地理特征提取，科學(xué)出版社

[3]徐青，多源遙感影像配準(zhǔn)與融合技術(shù)研究，解放軍信息工程大學(xué)