几何校正方法和步骤

① 几何校正的原理和过程

几何校正原理：框幅式遥感影像图的几何校正手段分为光学校正和数字校正。传统 的遥感影像图校正多采用光学校正 ，这种方法在数学上有一定 的局限 ；而数字校正建立在严格的数学基础上，可以逐点逐行进行校正，所以它要求各种类型传感器图像 实行严格校正。通过数字校正，改正原始图像的几何变形 ，产生符合某种地图投影的新图像。

遥感影像图的几何校正有3种方案 ，即系统校正、利用控制点校正以及混合校正。

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。

系统几何校正的关键是建立地球固定坐标系中LOS和未校正图像平面到校正图像平面之间的相互转换关系。

常用的方法有：基于多项式的遥感图像纠正、基于共线方程的遥感图像纠正、基于有理函数的遥感图像纠正、基于自动配准的小面元微分纠正等。

应用是：多光谱、多时相影像配准和遥感影像制图，必须经过上述几何校正。因人们已习惯于用正射投影地图，故多数遥感影像的几何校正以正射投影为基准进行。某些大比例尺遥感影像专题制图，可采用不同地图投影作为几何校正基准，主要是解决投影变换问题，一些畸变不能完全得到消除。遥感影像的几何校正可应用光学、电子学或计算机数字处理技术来实现。

② 几何校正

几何校正

几何校正就是校正成像过程中所造成的各种几何畸变，将图像数据投影到平面上，使其符合地图投影系统的过程。影像上的像元相对于地面目标的实际位置发生挤压、扭曲、拉伸和偏移等。

将地图坐标系统赋予图像数据的过程，称为地理参考（georeferencing）或地理编码（geo-coding），由于所有地图投影系统都遵循于一定地图坐标系，因此几何校正包含了地理参考过程。

引起几何畸变的原因：遥感平台的位置和运动状态变化、地形起伏，地表曲率，大气折射和地球自转等。几何校正就是纠正这些畸变，确定校正后图像的行列值，并找到新图像中每一像元的亮度值，从而实现配准校正。

常用几何校正方法有：（1）基于多项式；（2）基于共线方程；（3）基于有理函数；（4）基于自动配准的小面元微分纠正。方法（1）的主要步骤有：选取地面控制点（Ground Control Point，GCP），多项式校正模型构建，重采样。

N次多项式控制点的最少数为（N+1）(N+2)/2，控制点选取原则：选取图像上容易分辨并精确的点，如道路的交叉点，河流的分叉处等。图像边缘选取一定数量特征点，特征点均匀分布在整幅图像上。

重采样：控制点的像元一一定位后，为得到图像上各点的亮度值，需要按照一定规则对图像中各个位置像元的亮度值进行计算。重采样的方法有：

（1）最邻近法：将最邻近像元值直接赋予输出像元。速度快且不改变原始栅格值。

（2）双线性内插法：采用双线性方程和2x2窗口计算输出像元值。更光滑，但改变了原来的栅格值。

（3）三次卷积法：三次方程和4x4窗口计算输出像元值。

图像控制点。 英文： image control point 。释文： 图像几何校正、投影变换和图像配准等几何变换中,在图像上选取的用于建立几何变换函数的参考点。当以地面实际坐标(经纬度、地图投影坐标等)为参照进行几何变换时,这时的控制点又称为地面控制点(ground contml point,GCP)。每个控制点应包含两组坐标数据,即在输入图像上的坐标和在输出图像上的坐标,因此又称为控制点对。

随着建筑物越来越多，测量标志对建筑也越来越重要。控制点是作为施工控制的测量坐标点，是地形图平面测量的主要测量依据，在地形图上标记有表示控制点的符号，该控制点是地面上控制点标志的代表。其实测量标志有很多种，例如水准点标志、控制点标志、GPS点标志等测量标志都是用来标定地面测量控制点的位置。控制点标志具有外形美观、物美价廉、能长期保存、数据十分精确等优点。可根据用户的要求刻字、编号，数据记录清晰，方便寻找，是控制测量中不可或缺、充分提升测绘单位形象的优质产品。控制点标志为社会的各方面提供了真实可靠、准确权威的地理国情信息，对于优化国土空间开发利用、促进人与自然协调发展等方面起着十分重要的作用，不仅是国家赋予测绘工作的重要使命，还是测绘事业科学发展的重要战略选择。

水准点标志、 控制点标志 、GPS点标志等测量标志都是用来标定地面测量控制点位置的。那这些点又有哪些种类呢?下面就为大家详细介绍一下：

1.基线点：采用精密的仪器和精湛的技术方法来直接测量一段或多段直线的长度，作为起算数据或检校标准，这样的直线就是基线，基线的端点一般会设置测量标志，这样的点就被称为基线点。可以通过基线检定来与测距真实长度对比，从而发现仪器是否出现问题，使测量精度更有保障。

2.导线点：进行测量工程时，在地面上选取一系列的点并为其设置测量标志，连成折线后测量其长度与转折角，这样的折线就被称作导线，这些点就是导线点。

3.重力点：它是用来测量重力加速度的点，重力测量的成果能够使大地测量的成果准确归算到椭球面，它是石油开发、矿物勘探的重要手段，而且还能为当今的卫星轨道计算提供重要的导航参数。

4.三角点：根据测量工程中的规范选取好相应的点，然后将以这些点为定点的三角形连接成为三角网，这些点就是三角点，它可以为经济建设与地形测绘提供基本的平面控制。

5.天文点：它是采用天文测量来测定的地面点，可用来确定观测地点的天文经度和纬度以及某一方向的方位角。

6.水准点：在高程控制测量中，经常采用水准测量的方法来测定其点位，所测得的点就是水准点，它为地形测绘、矿山开采、城市建设等提供了精确的高程控制。

7.全球卫星定位点：它也被称为GPS点，是用卫星定位技术获得的控制点。

以上就是地面测量 控制点 的种类了，在实际的测绘工作中，所用到的点自然不止这些，相关测量单位要根据工程具体情况合理选择选择测量方式，标定测量点。

国产影像数据中的*.rpc/*.rpb文件，即RPC文件

Rational Ploynomial Coefficient 有理多项式系数模型。用于几何校正，将地面点大地坐标系与其对应的像点坐标用比值多项式关联起来，这就像数字摄影测量学上在外场用单反拍张照片，并求出其内外方位元素，已知对应像点坐标的大地坐标值（一般为三对以上）将相片的所有像点坐标转换为大地坐标的求解过程。

提供RPC的主要原因：影像供应商不提供卫星和传感器参数，当然RPC模型方便性和实用性。

③ 几何纠正的主要步骤

• 第一步：打开并显示图像文件

• 2

  1.选取已有的哈密地区2011年的遥感影像，由于原图已做几何校正，因此将原图作为基准图，另外将原图做一角度旋转，删除其空间参考信息，保存作为待校正图像。用原先的图像作为参考对旋转后的图像进行几何校正，使得其比较精确。

• 3

  2.打开基准图像和待校正图像，#1为基准图像，#为旋转过后的待校正图像。

  如下图所示（左边是参考图像，右边是待校正图像）：

  

④ 几何校正的校正方法

(1)推求受摄轨道;
(2)推导标称轨道;
(3)求的传感器坐标系下任意时刻的标称LOS单位矢量;
(4)引入相关资粮与文献，减小偏置;

⑤ 练习图像几何校正（Geometric Correction）

几何校正就是将图像数据投影到平面上,使其符合地图投影系统的过程。而将地图坐标系统赋予图像数据的过程,称为地理参考(Geo-referencing)。由于所有地图投影系统都遵从于一定的地图坐标系统,所以几何校正过程包含了地理参考过程。

1.几何校正计算模型(Geometric Correction Model)

ERDAS提供的图像几何校正计算模型有10种,具体功能如表5-1所列。

表5-1 几何校正计算模型与功能

注:DPPDB——Digital Point Positioning Data Base。

以资源卫星图像校正为例,介绍的是以已经具有地理参考的SPOT图像为基础,进行Landsat TM图像校正过程。

2.图像几何校正步骤(Geometric Correction Process)

(1)显示图像文件

在Viewer #1中打开需要校正的Landsat TM图像:tmAtlanta.img;

在Viewer#2中打开作为地理参考的校正过的SPOT图像:panAtlanta.img,如图5-11所示。

图5-11 打开两幅图像后的窗口

图5-12 Set Geo Correction Input File对话框

(2)启动校正模块(Geometric Correction Tool)

在ERDASIMAGINE系统中进行图像几何校正,通常有两种途径启动几何校正模块。

ERDAS图标面板菜单条:Main→Data Preparation→Image Geometric Correction,打开Set Geo Correction Input File对话框(图5-12);

ERDAS图标面板工具条:点击DataPrep图标→Image Geometric Correction,打开SetGeo Correction Input File对话框(图5-12)。

图5-13 Viewer Selection Instiuctions指示器

点击Select Viewer,出现Viewer Selection Instiuctions指示器窗口(图5-13),左键点击Viewer #1窗口下打开的tmAtlanta.img文件,出现Set Geometric Model几何校正模型对话框(图5-14),选择Polynomial多项式变换(同时做投影变换)数学模型,同时出现Geo Correction Tools [图5-15(a)]和Polynomial Model Properties对话框[图5-15(b)],Polynomial Order改为2,定义投影参数(Projection)(略);点击Apply,close,出现GCPTool Reference Setup对话框(图5-16)。选择视窗采点模式:Existing Viewer,单击OK,自动打开Viewer Selection Instiuctions指示器(图5-13),在显示作为地理参考图像panAtlanta.img的Viewer#2中点击左键,打开Reference MapInformation提示框(图5-17)(显示参考图像的投影信息),点击 OK(关闭Reference Map Information提示框)。

整个屏幕将自动变化为如图5-18所示的状态:其中包含两个主视窗、两个放大窗口、两个关联方框(分别位于两个视窗中,指示放大窗口与主视窗的关系)、控制点工具对话框、几何校正工具等。表明控制点工具被启动,进入控制点采集状态。

图5-14 Set Geometric Model对话框

图5-15 （a）Geo Correction tools对话框

图5-15 （b）Polynomial Model Properties对话框

图5-16 GCP Tool ReferenceSetup对话框

图5-17 Reference Map Information对话框

图5-18 Reference Map Information窗口

说明:该实例是采用视窗采点模式,作为地理参考的SPOT图像已经含有投影信息,所以,这里不需要定义投影参数。如果不是采用视窗采点模式,或者参考图像没有包含投影信息,则必须在这里定义投影信息,包括投影类型及其对应的投影参数。

其中,多项式模型(Polynomia1)属于一种近似校正方法,在卫星图像校正过程中应用较多。校正时先根据多项式的阶数,在影像中选取足够数量的控制点,建立影像坐标与地面坐标的关系式,再将整张影像进行转换。在调用多项式模型时,需要确定多项式的次方数(Polynomial 0rder),一般多用低阶多项式(三次以下),以避免高阶方程数值不稳定的状况。此外各阶多项式所需控制点的数量,除满足要求的最少控制点数外,一般还需额外选取一定数量的控制点,以使用最小二乘平差求出较为合理的多项式系数。最少控制点数计算公式为(t+1)×(t+2)/2,其中t为次方数,即1次方方程最少需要3个控制点,2次方最少需要6个控制点,3次方需要10个控制点,依次类推。

此校正方式会受到影像面积及高程变化程度的影响,如果影像范围不大且高程起伏不明显,校正后的精度一般会满足需求,反之则精度会明显降低。因此多项式模型一般适用于平地或精度要求相对较低的校正处理。

(3)采集地面控制点(Ground Control Point)

在图像几何校正过程中,采集控制点是一项非常重要和相当繁重的工作,具体过程如下:

1)在GCP工具对话框中点击Select GCP图标

,进入GCP选择状态;

2)在GCP数据表中将输入GCP的颜色(Color)设置为比较明显的红色;

3)在Viewer#1中移动关联方框位置,寻找明显的地物特征点,作为输入GCP;

4)在GCP工具对话框中点击Create GCP图标

,在Viewer#1中点击左键定点,并在Viewer #2中点击左键定点,GCP数据表将记录一个输入GCP,包括其编号、标识码、X坐标、Y坐标:

5)不断重复上述步骤,采集若干GCP,直到满足所选几何校正模型为止(图5-19)。

关于GCP工具对话框,还需要说明几点:

(a)输入控制点(Input GCP)是在原始文件视窗中采集的,具有原文件的坐标系统;而参考控制点(Reference GCP)是在参考文件视窗中采集的,具有已知的参考坐标系统,GCP工具将根据对应点的坐标值自动生成转换模型。

(b)在GCP数据表中,残差(Resials)、中误差(RMS)、贡献率(Contribution)及匹配程度(Match)等参数,是在编辑GCP的过程中自动计算更新的,用户是不可以任意改变的,但可以通过精确GCP位置来调整。

图5-19 GCP Tool对话框与GCP数据表

(c)每个IMG文件都可以有一个GCP数据集与之相关联,GCP数据集保存在一个栅格层数据文件中;如果IMG文件有一个GCP数据集存在的话,只要打开GCP工具,GCP点就会出现在视窗中。

(d)所有的输入GCP都可以直接保存在图像文件中(Save Iiput),也可以保存在控制点文件中(Save InputAs)。如果是保存在文件中,调用的方法如(c)所述,如果是保存在GCP文件中,可以通过加载调用(Load Input)。

(e)参考GCP也可以类似地保存在参考图像中(Save Reference)或 GCP文件中(Save Reference As),便于以后调用。

(f)本实验所选的控制点为6个,实际实验的时候可以选择3个控制点,学生容易在一节课之内完成,更多控制点的实现可以安排在课下作业。

(4)采集地面检查点

以上所采集的GCP的类型为Control Point(控制点),用于控制计算、建立转换模型及多项式方程。下面所要采集的GCP的类型均是Check(检查点),用于检验所建立的转换方程的精度和实用性。依然在GCP Tool对话框状态下:

1)在GCP Tool菜单条中确定GCP类型:Edit→Set Point Type→Check。

2)在GCP Tool菜单条中确定 GCP匹配参数(Matching Parameter):Edit→Point Matching→打开GCP Matching对话框(图5-20)。

图5-20 GCP Matching对话框

在GCP Matching对话框中,需要定义下列参数:①匹配参数(Matching Parameters);②最大搜索半径(Max.Search Radius)为3;③搜索窗口大小(Search Window Size):X:5Y:5;④约束参数(Threshold Parameters):设相关阈值(Correlation Threshold):0.8;⑤删除不匹配的点(Discard Unmatched Point):Active。

3)在匹配所有/选择点(Match All/Selected Point)选项组中设从输入到参考(Reference from Input)或从参考到输入(Input from Reference)。

4)Close(关闭GCPMatching对话框)。

5)确定地面检查点:在GCP Tool工具条中选择Create GCP图标,并将Lock图标打开,锁住Create GCP功能,如同选择控制点一样,分别在Viewer #l和Viewer #2中定义5个检查点,定义完毕后点击Unlock图标,解除Create GCP功能。

6)计算检查点误差:在GCP Tool工具条中点击Compute Error图标,检查点的误差就会显示在GCP Tool的上方,只有所有检查点的误差均小于一个像元(Pixel),才能继续进行合理的重采样。一般来说,如果你的控制点(GCP)定位选择比较准确的话,检查点匹配会比较好,误差会在限差范围内。否则,若控制点定义不精确,检查点就无法匹配,误差会超标。

(5)计算转换模型(Compute Transformation)

在控制点采集过程中,一般是设置为自动转换计算模式,所以,随着控制点采集过程的完成,转换模型就自动计算生成,下面是转换模型的查阅过程:

1)在Geo-Correction Tools对话框中点击Display Model Properties图标

;

2)打开Polynomial Model Properties(多项式模型参数)对话框见图5-15(b);

3)在多项式模型参数对话框中查阅模型参数,并记录转换模型;

4)Close(关闭模型特性对话框,进入图像重采样阶段)。

(6)图像重采样(Resample the Image)

图像重采样简介(Introction to Image Resample)

重采样过程就是依据未校正图像像元值计算生成一幅校正图像的过程,原图像中所有栅格数据层都将进行重采样。ERDAS IMAGINE提供3种最常用的重采样方法:

1)Neatest Neighbor:邻近点插值法,将最邻近像元值直接赋予输出像元;

2)Bilinear Interpolation:双线性插值法,用双线性方程和2×2窗口计算输出像元值;

3)Cubic Convolution:立方卷积插值法,用立方方程和4×4窗口计算输出像元值;

图像重采样过程(Process of Image Resample)

1)首先,在Geo Correction Tool对话框中选择Image Resampl图标

。

2)打开Image Resample(图像重采样)对话框。

3)然后,在Image Resample对话框中,定义重采样参数:①输出图像文件名(Output File):rectify.img;②选择重采样方法(Resample Method):Nearest Neighbor;③定义输出图像范围(output Corners):ULX,ULY,LRX,LRY;④定义输出像元大小(Output CellSize):X:30.Y:30;⑤设置输出统计中忽略零值:Ignore Zero in Stats;⑥设置重新计算输出缺省值(Recalculate Output Default):SkipFactor.10。

4)单击OK(关闭Image Resample对话框,启动重采样进程)。

(7)保存几何校正模式(Save Rectification Mode)

在Geo Correction Tools对话框中点击Exit按钮,退出图像几何校正过程,按照系统提示选择保存图像几何校正模式,并定义模式文件(*.gm),以便下次直接使用。

(8)检验校正结果(Verify Rectification Result)

检验校正结果的基本方法是:同时在两个视窗中打开两幅图像,其中一幅是校正以后的图像,一幅是当时的参考图像,通过视窗地理链接(Geo Link/Unlink)功能及查询光标(Inquirecursor)功能进行目视定性检验。具体过程如下:

1)打开两个平铺视窗(Open and Tiletwo Viewer),视窗菜单条:File→Open→RasterOption→图像文件,ERDAS图标面板:Session→TileViewer→平铺视窗;

2)建立视窗地理链接关系(Geo Link two Viewer),在Viewer #1中:按住右键→快捷菜单→GeoLink/Unlink,在Viewer #2中:点击左键,建立与Viewer #1的链接;

3)通过查询光标进行检验(Check with Inquire Cursor),在Viewer #1中:按住右键→快捷菜单→InquireCursor→打开光标查询对话框,在Viewer #1中:移动查询光标,观测其在两屏幕中的位置及匹配程度,并注意光标查询对话框中数据的变化,如果满意的话,关闭光标查询对话框。