遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法及系统，包括：通过自动匹配结合粗差探测在影像上生成控制点，解算几何校正系数初始值；检测待校正影像辐射不变量，解算辐射校正系数初始值；将几何校正模型代入线性辐射校正方程，建立几何与辐射系数一体化误差方程；采用加权总体最小二乘法解算校正系数求解误差方程获得校正系数改正值，并迭代优化校正系数改正值。本发明可同时解算影像校正中的几何系数与辐射系数，更符合客观规律，更科学，且可进一步提高校正精度。
【专利说明】遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感影像预处理【技术领域】，涉及一种遥感影像几何与辐射一体化相对 校正方法及系统。
【背景技术】
[0002] 遥感是非接触感知目标反射或自身辐射的电磁波，对目标进行探测和识别的技 术。目前遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、测绘、环境保护和 军事侦察等许多领域。对于传感器获得的原始遥感影像，由于存在几何畸变和辐射畸变，进 行预处理必不可少。遥感影像预处理方法包括几何校正和辐射校正：
[0003] (1)几何校正
[0004] 几何校正通过一系列的数学模型来改正和消除遥感影像成像时因摄影材料变形、 物镜畸变、大气折光、地球曲率、地球自转、地形起伏等因素导致的原始影像上各地物的几 何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时产生的变形。几何校 正可细分为绝对几何校正和相对几何校正，绝对几何校正是以地面控制点为参照，对待校 正影像进行校正；相对几何校正是以待校正影像同一地区已校正的遥感影像作为参照进行 校正。
[0005] ⑵辐射校正
[0006] 辐射校正指对由于外界因素，数据获取和传输系统产生的系统和随机辐射失真 (误差）或畸变进行的校正，消除或改正因辐射误差而引起影像畸变的过程。同几何校正类 似，辐射校正也可以分为绝对辐射校正和相对辐射校正，其中绝对辐射校正是以待校正影 像上某一区域实地测量的辐射值为参照进行校正，相对辐射校正是以同一地区已经过辐射 校正的遥感影像作为参照进行校正。
[0007] 在实际工作中，相对校正比绝对校正应用更广，这主要有两个方面的原因 ，一是客 观条件限制了地面实测工作的开展，例如某些野外地区难以进行地面控制点的测量；二是 遥感影像成像时间与处理时间上的差异，例如使用旧时期影像进行辐射校正，但成像当时 并未选取检校场进行测量，故而只能选择相对辐射校正。考虑到实用性和通用性问题，所以 本发明针对的均是相对校正。
[0008] 当前，遥感影像预处理的几何校正和辐射校正均是分开进行的。比如通过选择参 考影像和待校正影像上的同名点（相对几何校正），或选择待校正影像上已知大地坐标的 特征点（绝对几何校正），将相应的坐标代入选择的多项式模型中计算几何系数。辐射校 正一般通过选取参考影像和待校正影像上地物未发生变化的同名区域（相对辐射校正）， 或选取待校正影像上特定区域进行实地测量来进行辐射系数的计算（绝对辐射校正）。但 是对于任意一幅遥感影像的全部像元而言，g( x，y)的值代表该像元的灰度（辐射信息）， 而X，y则代表该像元的坐标（几何信息），即该像元的坐标确定时，其像元的灰度值才能得 到确定。对于影像中的地物而言，该地物大地坐标确定时，其辐射值才能得到确定。因此， 遥感影像的几何信息和辐射信息是密切相关的，不可分割的整体，所以既不能脱离空间位 置谈属性（辐射），也不能脱离辐射信息谈空间定位。从哲学角度来看，这两者是对立统一 的。考虑到几何与辐射信息相辅相成的关系，在遥感影像预处理中，将两者整体考虑并解算 也更具有科学性。目前遥感影像预处理方法并未将两者整体考虑，不仅常用的遥感影像处 理软件（例如ENVI和ERDAS)未提供几何与辐射系数一体化解算的功能，而且相关的一化 校正方法也未见国际上有任何文献报道。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种结合了几何校正和辐射校正的遥感 影像几何与辐射一体化相对校正方法和系统，进一步提高了遥感影像的校正精度。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0011] 一、遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法，包括步骤：
[0012] 步骤1，获取参考影像和待校正影像的几何校正系数初始值：
[0013] 经匹配获得参考影像和待校正影像的控制点，以基于控制点坐标和几何校正模型 计算的几何校正系数为几何校正系数初始值；
[0014] 步骤2,获取参考影像和待校正影像的辐射校正系数初始值：
[0015] 根据步骤1获得的几何校正系数初始值获得参考影像中像元在待校正影像上的 对应像元，以利用参考影像和待校正影像的对应像元灰度拟合的辐射校正系数为辐射校正 系数初始值；
[0016] 步骤3,获取用于几何与辐射一体化解算的误差方程V = CXdX-L :
[0017] 将几何校正模型代入待校正影像的辐射畸变方程获得几何与辐射一体化校正模 型，基于几何与辐射一体化校正模型获得观测方程，将校正系数改正值引入观测方程并采 用泰勒公式线性展开，所述的校正系数包括几何校正系数和辐射校正系数，从而获得误差 方程V = CXdX-L，其中，V为残差向量；C为校正系数改正值的系数矩阵，系数矩阵C中系 数元素为泰勒公式线性展开后的观测方程对系数元素对应的校正系数求一阶偏导的结果； dX为校正系数改正值向量；L是闭合差向量；
[0018] 步骤4,根据误差方程V = CXdX-L、几何校正系数初始值和辐射校正系数初始值， 采用加权总体最小二乘法解算校正系数改正值；
[0019] 步骤5,采用校正系数改正值改正校正系数，若当前校正系数改正值超出设定范 围、迭代次数达到最大迭代次数或当前残差标准差小于预设阈值，则结束迭代，采用本次迭 代改正后的校正系数和几何与辐射一体化校正模型校正待校正影像；否则，以本次迭代改 正后的校正系数为校正系数初始值，执行步骤4。
[0020] 步骤1进一步包括子步骤：
[0021] 1. 1经匹配获得参考影像和待校正影像的控制点；
[0022] 1. 2剔除控制点中的误匹配点获得内点集A ;
[0023] 1. 3将内点集A内控制点坐标带入几何校正模型计算几何校正系数，以计算获得 的几何校正系数为几何校正系数初始值。
[0024] 步骤2进一步包括子步骤：
[0025] 2. 1根据几何校正系数初始值解算参考影像中像元在待校正影像上的对应像元；
[0026] 2. 2剔除参考影像和待校正影像对应像元中不符合线性辐射关系的粗差点，剩下 的对应像元即为内点集B ;
[0027] 2. 3根据内点集B中像元灰度拟合辐射校正系数，即辐射校正系数初始值。
[0028] 步骤2中，选取参考影像的感兴趣区域，针对参考影像感兴趣区域中像元获得参 考影像和待校正影像的辐射校正系数初始值，所述的感兴趣区域包含的地物在参考影像成 像时和待校正影像上成像时未发生变化。
[0029] 为提高计算稳定性，几何校正模型为筛选后的几何校正模型，即对初始几何校正 模型中自变量进行逐步回归，并通过参数显著性检验判断初始几何校正模型各项系数的显 著性，保留具有显著性的项，获得筛选后的几何校正模型。
[0030] 步骤4进一步包括子步骤：
[0031] 4. 1采用加权正交回归模型为平差模型，考虑系数矩阵包含的残差，改写误差方程 为y= (C-E。）《dX+ey,其中，y为闭合差向量，ey为残差向量，C为系数矩阵，Ε。为系数矩阵 包含的残差向量，dX为校正系数改正值矩阵；
[0032] 4. 2根据几何校正系数初始值和辐射校正系数初始值获取残差向量ey和E。，采用 丹麦法的权公式获得各残差对应的权重；
[0033] 4. 3根据误差方程y = (C-E。）· dX+ey及各残差对应的权重，在加权条件下求取总 体最小二乘的结果，即校正系数改正值。
[0034] 二、遥感影像几何与辐射一体化相对校正系统，包括：
[0035] 几何校正系数初始值获取模块，用来经匹配获得参考影像和待校正影像的控制 点，以基于控制点坐标和几何校正模型计算的几何校正系数为几何校正系数初始值；
[0036] 辐射校正系数初始值获取模块，用来根据几何校正系数初始值获得参考影像中像 元在待校正影像上的对应像元，以利用参考影像和待校正影像的对应像元灰度拟合的辐射 校正系数为辐射校正系数初始值；
[0037] 误差方程获取模块，用来将几何校正模型代入待校正影像的辐射畸变方程获得几 何与辐射一体化校正模型，基于几何与辐射一体化校正模型获得观测方程，将校正系数改 正值引入观测方程并采用泰勒公式线性展开，所述的校正系数包括几何校正系数和辐射校 正系数，从而获得误差方程V = CXdX-L,其中，V为残差向量；C为校正系数改正值的系数 矩阵，系数矩阵C中系数元素为泰勒公式线性展开后的观测方程对系数元素对应的校正系 数求一阶偏导的结果；dX为校正系数改正值向量；L是闭合差向量；
[0038] 校正系数改正值解算模块，用来根据误差方程V = CX dX-L、几何校正系数初始值 和辐射校正系数初始值，采用加权总体最小二乘法解算校正系数改正值；
[0039] 校正系数改正模块，用来采用校正系数改正值改正校正系数；
[0040] 判定模块，用来若当前校正系数改正值超出设定范围、迭代次数达到最大迭代次 数或当前残差标准差小于预设阈值，则结束迭代，校正模块工作；否则，以本次迭代改正后 的校正系数为校正系数初始值，校正系数改正值解算模块工作；
[0041] 校正模块，用来采用本次迭代改正后的校正系数和几何与辐射一体化校正模型校 正待校正影像。
[0042] 和现有技术相比，本发明具有特点：
[0043] 综合考虑了影像几何与辐射信息的相互影响，实现了遥感影像预处理中的几何校 正与辐射校正的一体化，可进一步提高校正精度，具有较好的科学性和实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0044] 图1为几何校正系数初始值解算流程图；
[0045] 图2为辐射校正系数初始值解算流程图；
[0046] 图3为本发明方法整体流程图。
【具体实施方式】
[0047] 本发明技术方案可通过计算机程序实现，下面将结合附图和【具体实施方式】进一步 说明本发明。
[0048] 参见图1?3,本发明遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法，具体步骤为：
[0049] 步骤1，几何校正系数初始值解算。
[0050] 输入参考影像和待校正影像，经自动匹配获得参考影像和待校正影像的控制点， 剔除控制点中的误匹配点获得内点集A，将内点集A内控制点坐标带入几何校正多项式模 型计算几何校正系数，以获得的几何校正系数为几何校正系数初始值。
[0051] 本步骤的【具体实施方式】中采用特征不变描述算子在参考影像和待校正影像上自 动匹配生成控制点，通过随机抽样一致性算法和鲁棒估计剔除控制点中的误匹配点，剩余 控制点构成内点集A。
【权利要求】
1. 遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法，其特征是，包括步骤： 步骤1，获取参考影像和待校正影像的几何校正系数初始值： 经匹配获得参考影像和待校正影像的控制点，以基于控制点坐标和几何校正模型计算 的几何校正系数为几何校正系数初始值； 步骤2,获取参考影像和待校正影像的辐射校正系数初始值： 根据步骤1获得的几何校正系数初始值获得参考影像中像元在待校正影像上的对应 像元，以利用参考影像和待校正影像的对应像元灰度拟合的辐射校正系数为辐射校正系数 初始值； 步骤3,获取用于几何与辐射一体化解算的误差方程V = CXdX-L : 将几何校正模型代入待校正影像的辐射畸变方程获得几何与辐射一体化校正模型，基 于几何与辐射一体化校正模型获得观测方程，将校正系数改正值引入观测方程并采用泰勒 公式线性展开，所述的校正系数包括几何校正系数和辐射校正系数，从而获得误差方程V =CXdX-L,其中，V为残差向量；C为校正系数改正值的系数矩阵，系数矩阵C中系数元素 为泰勒公式线性展开后的观测方程对系数元素对应的校正系数求一阶偏导的结果；dX为 校正系数改正值向量；L是闭合差向量； 步骤4,根据误差方程V = CX dX-L、几何校正系数初始值和辐射校正系数初始值，采用 加权总体最小二乘法解算校正系数改正值； 步骤5,采用校正系数改正值改正校正系数，若当前校正系数改正值超出设定范围、迭 代次数达到最大迭代次数或当前残差标准差小于预设阈值，则结束迭代，采用本次迭代改 正后的校正系数和几何与辐射一体化校正模型校正待校正影像；否则，以本次迭代改正后 的校正系数为校正系数初始值，执行步骤4。
2. 如权利要求1所述的遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法，其特征是： 步骤1进一步包括子步骤： 1. 1经匹配获得参考影像和待校正影像的控制点； 1. 2剔除控制点中的误匹配点获得内点集A ; 1. 3将内点集A内控制点坐标带入几何校正模型计算几何校正系数，以计算获得的几 何校正系数为几何校正系数初始值。
3. 如权利要求1所述的遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法，其特征是： 步骤2进一步包括子步骤： 2. 1根据几何校正系数初始值解算参考影像中像元在待校正影像上的对应像元； 2. 2剔除参考影像和待校正影像对应像元中不符合线性辐射关系的粗差点，剩下的对 应像元即为内点集B ; 2. 3根据内点集B中像元灰度拟合辐射校正系数，即辐射校正系数初始值。
4. 如权利要求1所述的遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法，其特征是： 步骤2中，选取参考影像的感兴趣区域，针对参考影像感兴趣区域中像元获得参考影 像和待校正影像的辐射校正系数初始值，所述的感兴趣区域包含的地物在参考影像成像时 和待校正影像上成像时未发生变化。
5. 如权利要求1所述的遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法，其特征是： 所述的几何校正模型为筛选后的几何校正模型，即对初始几何校正模型中自变量进行 逐步回归，并通过参数显著性检验判断初始几何校正模型各项系数的显著性，保留具有显 著性的项，获得筛选后的几何校正模型。
6. 如权利要求1所述的遥感影像几何与辐射一体化相对校正方法，其特征是： 步骤4进一步包括子步骤： 4. 1采用加权正交回归模型为平差模型，考虑系数矩阵包含的残差，改写误差方程为y =(C-E。）《dX+ey,其中，y为闭合差向量，ey为残差向量，C为系数矩阵，EC为系数矩阵包含 的残差向量，dX为校正系数改正值矩阵； 4. 2根据几何校正系数初始值和辐射校正系数初始值获取残差向量ey和E。，采用丹麦 法的权公式获得各残差对应的权重； 4. 3根据误差方程y = (C-E。）· dX+ey及各残差对应的权重，在加权条件下求取总体最 小二乘的结果，即校正系数改正值。
7. 遥感影像几何与辐射一体化相对校正系统，其特征是，包括： 几何校正系数初始值获取模块，用来经匹配获得参考影像和待校正影像的控制点，以 基于控制点坐标和几何校正模型计算的几何校正系数为几何校正系数初始值； 辐射校正系数初始值获取模块，用来根据几何校正系数初始值获得参考影像中像元在 待校正影像上的对应像元，以利用参考影像和待校正影像的对应像元灰度拟合的辐射校正 系数为辐射校正系数初始值； 误差方程获取模块，用来将几何校正模型代入待校正影像的辐射畸变方程获得几何与 辐射一体化校正模型，基于几何与辐射一体化校正模型获得观测方程，将校正系数改正值 引入观测方程并采用泰勒公式线性展开，所述的校正系数包括几何校正系数和辐射校正系 数，从而获得误差方程V = CXdX-L,其中,V为残差向量；C为校正系数改正值的系数矩阵， 系数矩阵C中系数元素为泰勒公式线性展开后的观测方程对系数元素对应的校正系数求 一阶偏导的结果；dX为校正系数改正值向量；L是闭合差向量； 校正系数改正值解算模块，用来根据误差方程V = CXdX-L、几何校正系数初始值和辐 射校正系数初始值，采用加权总体最小二乘法解算校正系数改正值； 校正系数改正模块，用来采用校正系数改正值改正校正系数； 判定模块，用来若当前校正系数改正值超出设定范围、迭代次数达到最大迭代次数或 当前残差标准差小于预设阈值，则结束迭代，校正模块工作；否则，以本次迭代改正后的校 正系数为校正系数初始值，校正系数改正值解算模块工作； 校正模块，用来采用本次迭代改正后的校正系数和几何与辐射一体化校正模型校正待 校正影像。
【文档编号】G06T5/00GK104050643SQ201410273382
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】李畅, 熊昊 申请人:华中师范大学