几何校正，正射校正，影像配准，辐射定标，辐射校正，大气校正，地形校正概念详解

一、几何校正

1、概念

       是指消除或改正遥感影像几何误差的过程；

       是为了实现对数字化数据的坐标系转换和图纸变形误差的纠正（黄杏元）。

       常见的GIS软件一般都具有仿射变换、相似变换和二次变换等几何纠正功能。

       仿射变换可以对坐标数据在x和y方向进行不同比例的缩放，同时进行扭曲、平移也旋转。仿射变换的特性是：（1）直线变换后仍为直线；（2）平行线变换后仍为平行线；（3）不同方向上的长度比发生变化。

2、影像变形的原因

（1）系统性的：由传感器本身引起的，有规律可循和可预测性，可以用传感器模型来校正，卫星地面接收站已经完成了这项工作

（2）非系统性的：传感器平台位置和运动状态变化的影响（航高、航速、俯仰和偏航）

（3）地球本身对影像的影响：地形起伏、地球表面曲率、地球自转

（4）大气折射的影响

3、重采样方法

       校正的最终目的是确定校正后图像的行列数值，然后找到新图像中每一像元的亮度值。

       （1）最邻近法（Nearest Neighbor）：

       （2）双线性内插法（Bilinear）：

       （3）三次卷积内插法（Cubic Convolution）：

4、校正方法

       下图为Envi软件中提供的校正方法：

（1）Image to Image几何校正：以一副没有经过几何校正或者经过几何校正的栅格文件为基准图，通过从两幅图像上选取同名点（或控制点）来配准另外一副栅格文件，使相同地物出现在校正后的图像相同位置。大多数几何校正使用该方法。

（2）Image to Map：通过地面控制点对影像几何进行平面化的过程，控制点可以输入、从矢量文件获取或者从栅格文件获取。地形图校正可以采用该方法。

       注：规格相同的文件，可以通过生成头文件的方式实现批量几何校正，参见C#遥感数据头文件批量生成器。

（3）利用卫星自带地理定位文件进行几何校正，如下图：

二、正射校正

1、概念

       正射校正是对图像空间和几何畸变进行校正生成多中心投影平面正射图像的处理过程，它除了能纠正一般系统因素产生的畸变外，还可以引起地形引起的几何畸变。

       正射校正是几何校正的一种，与Image to Map方式的几何校正过程基本一致，需要高程点或DEM，在地形起伏较大的地区精度较高。

2、校正方式

       ENVI提供无控制点（Orthorectify传感器类型）、有控制点（Orthorectify传感器类型With Ground Control）和正射流程化校正工具三种校正方式。

（1）无控制点的正射校正

       主菜单→Map→Orthorectification→QuickBird→Orthorectify QuickBird

（2）有控制点的正射校正

       主菜单→Map→Orthorectification→QuickBird→Orthorectify QuickBird WIth Ground Control

（3）正射校正流程化工具

       工具箱→Geometric Correction→Orthorectification→RPC Orthorectification Wrokflow

三、影像配准

1、概念

2、方法

       （1）ArcGIS中配准栅格影像用Georeferencing，如下工具条：

       做法：①定义坐标系②选取控制点，输入经纬度等。

       （2）矢量数据用Spatial Adjustment，如下工具条：

四、辐射定标

1、概念

       辐射定标是将传感器记录的电压或数字量化值转化为：

       ①辐射亮度 （Radiance）的过程（梁顺林，2009）或者转化为

       ②地表（表观）反射率（Reflectance）和

       ③亮度温度（Brightness Temperature）的过程。     

2、定标分类

       按照不同的使用要求或应用目的，可分绝对定标和相对定标。

       绝对定标：通过各种标准辐射源，建立辐射亮度值与DN值间的定量关系。如对于一般的传感器：

L入=Gain*DN + Offset

       相对定标：指的是确定场景中各像元之前、各探测器之间、各波谱之间以及不同时间测得的辐射亮度的相对值（童庆禧，2006）。

       下图所示为ENVI提供的辐射定标和大气校正工具：

  

3、传感器辐射定标

       （1）发射前的实验室定标

       （2）基于星载定标器的星上定标

       （3）发射后的定标（场地定标）：

            ①海洋定标（我国青海湖）

            ②沙漠定标（我国敦煌隔壁沙漠）

            ③云定标

            ④其他：干涸的湖泊、永久冰壳、云在水面上的阴影、月亮

五、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）

2、辐射校正方法（梅安新）

       （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：传感器校正、大气校正、地形校正和太阳高度角校正。

六、大气校正

1、概念

2、目的

       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。

3、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

4、ENVI提供大气校正功能

（1）简化黑暗像元法（Dark Subtraction）

（2）基于统计学模型的反射率反演

       ①平场域法（Flat Field，FF）、对数残差法（Log Residuals）、内部平均法（Internal Average Relative Reflectance）和经验线性法（Empirical LIne）。

（3）不变目标法

（4）FLASSH大气校正模块

（5）快速大气校正（Quick Atmospheric Correction）

（6）热红外大气校正

       工具箱→Radiometric Correction→Thermal Atm Correction工具

七、地形校正

1、概念

       消除地形对遥感反射率的影响。

2、方法

（1）余弦校正法

（2）IPW法

3、ENVI地形校正

（待续）