遥感影像处理服务——什么是几何校正、辐射校正、大气校正

     遥感影像处理服务——什么是几何校正、辐射校正

遥感影像校正分为几何校正和辐射校正，几何校正又细分为粗纠正，精纠正，混合纠正，正射校正等，辐射纠正分为辐射定标，辐射校正，大气纠正等。这些概念容易混淆，在此予以澄清。

一、几何校正

1、概念

指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图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。

几何校正是消除或改正遥感影像几何误差的过程。遥感影像的变形误差，大体分为两类：静态误差和动态误差。参照两种误差类别，几何校正分为几种：几何粗校正，几何精校正，混合校正及正射校正。 我们工作中常常提到的校正是指精纠正。

几何粗校正：针对引起畸变原因而进行的校正。（畸变原因：摄影材料变形、物镜畸变、地球曲率、地球自转）

几何精校正：利用控制点进行的几何校正，它是用一种数学模型来近似描述遥感图像的几何畸变过程，并利用畸变的遥感图像与标准 地图之间的一些对应点(即控制点数据对)求得这个几何畸变模型，然后利用此模型进行几何畸变的校正，这种校正不考虑引直畸变的原因。

混合校正：  将几何粗校正和几何精校正一起做，它常常把精密星历也纳入纠正模型中。

几何校正顺序如下：

 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人理论校正公式进行畸变校正，几何粗校正的服务通常由卫星接收系统提供；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(GroundContro-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。    

对于几何精校正而言，模型是多种多样的，如：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。

注：考虑到人们已习惯于用正射投影地图，多数遥感影像的几何校正以正射影像为基准进行，某种情况下，它又和影像配准比较相近。但几何纠正初衷是消除影像的几何误差，而误差依然是存在的。

二、影像配准

影像配准(Image registration)就是将不同时间、不同传感器（成像设备）或不同条件下（天候、照度、摄像位置和角度等）获取的两幅或多幅图像进行匹配、叠加的过程。影像配准则是从一幅影像到另一幅影像的匹配，大多数情况下，它是一种相对的匹配方式。

图像配准（Registration）：同一区域里一幅图像（基准图像）对另一幅图像校准，以使两幅图像中的同名像素配准。图像纠正（Rectification）：借助一组控制点，对一幅图像进行地理坐标的校正。又叫地理参照（Geo-referencing）图像地理编码（Geo-coding）：特殊的图像纠正方式，把图像矫正到一种统一标准的坐标系。图像正射校正（Ortho-rectification）：借助于地形高程模型（DEM），对图像中每个像元进行地形的校正，使图像符合正射投影的要求。

三、正射校正

正射校正一般是通过在像片上选取一些地面控制点，并利用原来已经获取的该像片范围内的数字高程模型(DEM)数据，对影像同时进行倾斜改正和投影差改正，将影像重采样成正射影像。将多个正射影像拼接镶嵌在一起，并进行色彩平衡处理后，按照一定范围内裁切出来的影像就是正射影像图。。

注：正射校正是几何校正的一种，它改正了因地形起伏和传感器误差而引起的像点位移的影像，需要高程点或DEM，在地形起伏较大的地区精度较高。正射纠正与一般几何纠正的区别在于是否加入了数字高程模型。

四、辐射校正

1、概念

进入传感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值（或灰度值）。辐射强度越大，亮度值就越大。该值主要受两个物理量的影响：一是太阳辐射照射到地面的辐射强度，二是地物的光谱反射率。当太阳辐射相同时，图像上亮度的差异直接反应了地面反射率的差异。但实际测量时，发现辐射强度值还受其他因素的影响，这一改变的部分就是需要校正的部分，故称辐射畸变。

引起辐射畸变的原因有：（1）传感器本身的误差（2）大气对辐射的影响（3）地形对辐射的影响（地形校正）

辐射校正是指对由于外界因素，数据获取和传输系统产生的系统的、随机的辐射失真或畸变进行的校正，消除或改正因辐射误差而引起影像亮度畸变的过程。

2、辐射校正方法

（1）直方图最小值去除法

（2）回归分析法

3、针对引起辐射畸变的原因，完整的辐射校正包括：辐射校正、传感器校正、大气校正、地形校正和太阳高度角校正。

DN值（Digital Number ）：遥感影像像元亮度值，记录地物的灰度值。无单位，是一个整数值，值大小与传感器的辐射分辨率、地物发射率、大气透过率和散射率等相关。反映地物的辐射率radiance

地表反射率：地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。反射率越大，地面吸收太阳辐射越少；反射率越小，地面吸收太阳辐射越多，表示：surface albedo

表观反射率：表观反射率就是指大气层顶的反射率,辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率。

五、辐射定标

辐射定标是用户需要计算地物的光谱反射率或光谱辐射亮度时，或者需要对不同时间、不同传感器获取的图像进行比较时，都必须将图像的亮度灰度值转换为绝对的辐射亮度，这个过程就是辐射定标。辐射定标按照位置的不同有几种定标方式：

实验室定标

在遥感器发射之前对其进行的波长位置、辐射精度、空间定位等的定标，将仪器的输出值转换为辐射值。有的仪器内有内定定标系统。但是在仪器运行之后，还需要定期定标，以监测仪器性能的变化，相应调整定标参数。

光谱定标

其目的是确定遥感传感器每个波段的中心波长和带宽，以及光谱响应函数

辐射定标

绝对定标：通过各种标准辐射源，在不同波谱段建立成像光谱仪入瞳处的光谱辐射亮度值与成像光谱仪输出的数字量化值之间的定量关系

相对定标：确定场景中各像元之间、各探测器之间、各波谱之间以及不同时间测得的辐射量的相对值。

机上和星上定标

机上定标用来经常性的检查飞行中的遥感器定标情况，一般采用内定标的方法，即辐射定标源、定标光学系统都在飞行器上，在大气层外，太阳的辐照度可以认为是一个常数，因此也可以选择太阳作为基准光源，通过太阳定标系统对星载成像光谱仪器进行绝对定标。

场地定标

场地定标指的是遥感器处于正常运行条件下，选择辐射定标场地，通过地面同步测量对遥感器的定标，场地定标可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，并考虑到了大气传输和环境的影响。该定标方法可以实现对遥感器运行状态下与获取地面图像完全相同条件的绝对校正，可以提供遥感器整个寿命期间的定标，对遥感器进行真实性检验和对一些模型进行正确性检验。但是地面目标应是典型的均匀稳定目标，地面定标还必须同时测量和计算遥感器过顶时的大气环境参量和地物反射率。

六、大气校正

1、概念

大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响，获取地物反射率、辐射、地表温度等真实物理模型参数，用来消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等对地物反射的影响，消除大气分子和气溶胶散射的影响。大多数情况下，大气校正同时也是反演地物真实反射率的过程。

2、方法分类

绝对大气校正方法：基于辐射传输的MORTRAN模型、LOWTRAN模型、ACTOR模型和6S模型等

相对大气校正方法：基于统计的不变目标法、直方图匹配法。

七、 地理编码

GIS 中的地理编码：是指将坐标对、地址或地名等位置描述转换为地球表面上某位置的过程，它又叫地址匹配。

RS中的地理编码：是一种特殊的图像纠正方式，把图像纠正到一种统一标准的坐标系。