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(duì)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(shì)。

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(tái)以及地球本身等方面的原因，在遙感成像時(shí)往往會(huì)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(jī)性畸變。

（二） 影像的幾何校正

幾何校正就是要校正成像過(guò)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(duì)引起畸變?cè)蛞布聪到y(tǒng)性畸變進(jìn)行的校正。

（三） 幾何校正的原理

幾何校正是利用控制點(diǎn)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(dá)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(gè)整體，然后利用若干個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，確立一個(gè)模擬圖像幾何畸變得數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)建立原畸變圖像空間與標(biāo)準(zhǔn)空間的某中對(duì)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(shí)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(gè)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(gè)空間標(biāo)準(zhǔn)的影像集合或校準(zhǔn)某一景物影像的過(guò)程。主要有兩種影像的配準(zhǔn)方式：一是相對(duì)配準(zhǔn)又稱(chēng)多圖像幾何配準(zhǔn)，指將多源圖像的同名影像通過(guò)幾何變換實(shí)現(xiàn)重疊；二是絕對(duì)配準(zhǔn)，是將相對(duì)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(duì)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(lái)看，幾何校正是把某一遙感影像納入到一個(gè)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(duì)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(lái)；因此，可以說(shuō)影像配準(zhǔn)是一種相對(duì)幾何校正。

實(shí)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(shí)同名地物點(diǎn)較精確的選擇，對(duì)于同一傳感器獲得的影像，我們選擇對(duì)全色影像進(jìn)行幾何校正，然后用該校正過(guò)的全色影像作為參考與多光譜影像進(jìn)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(xiàng)式糾正法 實(shí)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(jì)算較為簡(jiǎn)單，特別是對(duì)地面相對(duì)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(xiàng)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(duì)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(qiáng)的局部性特征，一般的全局坐標(biāo)變換很難達(dá)到良好的糾正效果和精度，因此需要進(jìn)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(lài)地而控制點(diǎn)，在地而控制點(diǎn)不足時(shí)，往往糾正精度達(dá)不到要求。空間投影精確地模擬了衛(wèi)星動(dòng)態(tài)成像的幾何關(guān)系，它只需少量地而控制點(diǎn)，就能直接建立影像與投影之間、像點(diǎn)與地而點(diǎn)之間嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。

由此可知，遙感影像處理時(shí)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(xiàng)目的資金等因素綜合分析達(dá)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(diǎn)的配準(zhǔn)方法，即控制結(jié)構(gòu)為圖像中的顯著點(diǎn)（稱(chēng)為控制點(diǎn)）。（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(gè)矩被歸一化的參照位置進(jìn)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(gè)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(dá)到較高精度，但其對(duì)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(guò)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(guò)它們之間的結(jié)合而大大削弱，而且這些方法都具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，如相關(guān)函數(shù)法無(wú)論對(duì)可見(jiàn)光影像，還是對(duì)雷達(dá)影像均適用。目前又出現(xiàn)了引用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)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(jì)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(diǎn)作為配準(zhǔn)控制點(diǎn)，利用多種匹配方法和匹配策略獲取同名點(diǎn)，再以這些點(diǎn)構(gòu)成的三角網(wǎng)進(jìn)行微分糾正得到配準(zhǔn)影像多源遙感影像之間的相對(duì)配準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，該方法很好地解決了可見(jiàn)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(dá)到子像素級(jí)，同時(shí)在可靠性、適應(yīng)性等方面都進(jìn)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(lái)越高，從像素級(jí)一直到子像素級(jí)。但其中始終存在著一個(gè)問(wèn)題，就是某一種方法僅對(duì)幾組或幾種圖像可以取得好的效果，但卻不適應(yīng)其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)，所以我們一直希望找到一個(gè)自動(dòng)化程度高、適應(yīng)能力強(qiáng)的高精度配準(zhǔn)的處理方法。

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