1、1基于 ERDAS9.2 的影像几何纠正探讨摘要： 文章叙述了基于 ERDAS9.2 的影像几何纠正的必要性与重要性；详细介绍了 ERDAS9.2 软件的先进理论与图像分析优势；细致阐述了投影变换与几何纠正的原理与模型；分析了基于 ERDAS9.2 的影像几何纠正的总体流程图；文章重点讲解了影像几何纠正实现的主要流程；希望能给广大同行带来一定的理论与实践意义。 关键词：ERDAS9.2，影像纠正，投影变换，几何纠正 中图分类号：R445 文献标识码：A 文章编号： 前 言 随着社会的发展，人们对空间数据的应用需求在不断增加，对空间数据的获取和处理能力也得到了极大地提高。影像数据(包括航空、航天
2、遥感，卫星影像，雷达数据等)由于成本低，更新快等特点，在各个行业得到越来越广泛的应用。 影像数据可用于城市规划、应急反应和管理、农业、电信、森林、水资源和废水管理、地籍、自然资源管理、工程选址、环境评估和道路用地监测等。影像数据与下列系统相兼容：GIS、制图系统、栅格数据应用软件、遥感和数字摄影测量系统、普通文字处理和标准 TIFF 格式支持的图像应用。在利用影像数据进行图像融合，图像分类之前，必须进行几何精校正，以保证影像进一步处理的精度。 2ERDAS9.2 作为专业遥感图像处理软件，具有方便和直观的操作界面，使用户的操作非常灵活，能友好、方便地管理多个窗口。ERDAS9.2 还为不同的用
3、户应用提供了 250 多种地图投影系统，支持用户添加自己定义的坐标系统；支持不同投影间的实时转换、不同投影图像的同时显示以及对不同投影图像的操作，为遥感及相关应用领域的用户提供了内容丰富而功能强大的图像处理工具1-2。 1 ERDAS 软件 ERDAS IMAGINE 是美国 ERDAS 公司开发的专业遥感图像处理与地理信息系统软件。ERDAS IMAGINE 面向不同需求的用户，对于系统的扩展功能采用开放的体系结构，以 IMAGINE EssenriaIs, IMAGINE Advantage, IMAGINE Professional 的形式为用户提供了低、中、高三档产品架构，并有丰富的功
4、能扩展模块供用户选择，使产品模块的组合具有极大的灵活性。 ERDAS IMAGINE 中支持动态连接库(DLL)的体系结构。它支持目标共享技术和面问目标的设计开发、提供一种无需对系统进行重新编译和连接而向系统加入新功能的手段，并允许在特定的项目中裁剪这些扩充的功能。动态连接库如下： (1) 图像格式 DLL-提供对多种图像格式文件无需转换的直接访问，从而提高易用性和节省磁盘空间。支持的图像格式包括：IMAGINE， GRID， LAN/GIS，TIFF (GeoTiFF)，Gff， JFIF(JPEG)，FIT和原始二进制格式.。 (2) 地形模型 DLL提供新类型的校正和定标(Calibra
5、tion)，从而3支持基于传感器平台的校正模型和用户剪裁的模型.这部分模型包括:Affine，Polynomial，Rubber Sheering，TM ，SPOT， Single Frame Camera 等。 (3) 字体 DLL 库提供字体的裁剪和直接访问，从而支持专业制图应用、非拉丁语系国家字符集和商业公司开发的上千种字体。 2 投影变换与几何纠正原理 2.1 地图投影 地图投影就是指建立地球表面（或其他星球表面或天球面）上的点与投影平面（即地图平面）上点之间的一一对应关系的方法。即建立之间的数学转换公式。它将作为一个不可展平的曲面即地球表面投影到一个平面的基本方法，保证了空间信息在区
6、域上的联系与完整。这个投影过程将产生投影变形，而且不同的投影方法具有不同性质和大小的投影变形。 由于球面上任何一点的位置是用地理坐标（，）表示的，而平面上的点的位置是用直角坐标（，）或极坐标（r， ）表示的，所以要想将地球表面上的点转移到平面上，必须采用一定的方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极坐标之间的关系。这种在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法，就是地图投影方法。 地图投影变形是球面转化成平面的必然结果，没有变形的投影是不存在的。对某一地图投影来讲，不存在这种变形，就必然存在另一种或两种变形。但制图时可做到：在有些投影图上没有角度或面积变形;在有些投影图上沿某一方向无长度变形
7、3。 42.2 坐标转换 随着空间技术的发展，当今基于 GPS 车辆、舰船和飞机导航已广泛流行。显而易见，这些卫星导航系统的有效性在很大程度上取决于作为系统组成部分的地图或地形图（通常是电子地图 形式）使用的坐标系。GPS 使用地心坐标系，GPS 导航理应使用地心坐标系的地图，如使用局部坐标系的地图则很可能引发一些问题，如汽车偏离街道、舰船偏离航道、飞机偏离航路或目的地。在卫星导航领域，使用局部坐标系是不合理的，甚至有危险。随着卫星导航的日益普及，坐标系问题将显得越来越突出，使用地心坐标系的要求必将越来越迫切。国际民航组织要求国际机场使用 WGS84 坐标系，国际海事组织也要求海图使用 WGS
8、84 坐标系。而在航天领域，没有局部坐标系的位置。航天器（卫星、飞船、空间站）围绕地球质心在轨运行，航天器的发射、轨道计算和轨道测控等操作都需要在地心坐标系中进行，坐标转换势在必行。2.3 几何纠正 遥感图像的精纠正是指消除图像中的几何变形，产生一副符合某种地图投影或图形表达要求的新图像的过程。它包括两个环节： 一是像素坐标的变换，即将图像坐标转变为地图或地面坐标；二是对坐标变换后的像素亮度值进行重采样4。 3 总体流程图 基于 ERDAS9.2 的影像几何纠正总体流程图如图 1 所示： 5图 1 基于 ERDAS9.2 的影像几何纠正总体流程图 4 主要流程 4.1 坐标头文件处理 遥感影像
9、文件 GeoTIFF 有一个带有坐标信息的头文件(.tfw 格式)，如果经过处理后的图像文件可能会丢失了坐标信息，需要重新将坐标信息压进图像文件中。如图 2 所示： 6图 2 遥感图像坐标头文件处理 TIFF 图像数据是非常通用的图像文件格式，ERDAS9.2 增加了一个TIFF DLL 动态连接库，从而使 ERDAS IMAGINE 支持 6.0 版本的 TIFF 图像数据格式的直接读写，包括普通 TIFF 和 GeoTIFF 。用户在使用 TIFF 图像数据处理头文件时，需要通过 Import/Export 来转换 TffF 文件。 用户可通过点击“Import/Export”菜单实现遥感
10、影像头文件的批量处理。 4.2 转换参数求解 由于坐标系之间采用不同的标准，要进行精确转换，必须知道至少3 个重合点（即为在两坐标系中坐标均为已知的点） 。采用布尔莎模型进行参数求解。布尔莎七参数转换数学模型(3 个平移量、3 个旋转角、1 个尺度比)如下: 7从而求出转换参数： 4.3 投影变换 采用布尔莎模型，由一定数量的控制点通过最小二乘解算出转换参数后，打开 DataPrep 模块下的 Reproject Images 。按提示输入待转换的影像数据投影参数、采样后的象素大小、影像重采样方法及投影转换模型，系统即可完成图像的投影变换。 4.4 几何纠正 (1) 选择几何校正模型 ERDA
11、S 提供的图像几何校正计算模型有 7 种，具体功能如表 1 所示： 表 1 几何校正计算模型与功能 其中，多项式变换(Polynomial )在卫星图像校正过程中应用较多，在调用多项式模型时，需要确定多项式的次方数( Order )，通常整景图像选择 3 次方。次方数与所需要的最少控制点数是相关的， 最少控制点数计算公式为( t+l )*(t+2)/2,式中 t 为次方数，即81 次方需要 3 个控制点，2 次方需要_6 个控制点，3 次方需要 10 个控制点,依次类推。 （2） 参数设置 多项式法需要的参数比较简单，确定参考椭球体、投影系统及参数。（3）输入控制点 如果已经拥有需要校正图像区
12、域的数字地图、或经过校正的图像、或注记图层的话，就可以应用第一种模式(视窗采点模式)，直接以数字地图、或经过校正的图像、或注记图层作为地理参考，在另一个视窗中打开相应的数据层，从中采集控制点。 如果事先已经通过 GPS 测量、或摄影测量、或其它途径获得了控制点的坐标数据，并保存为为 ERDAS IMAGINE 的控制点文件格式或 ASCII数据文件的话，就应该调用第二种类型采点模式)，直接在数据文件中读取控制点坐标。 如果前两种条件都不符合，只有硬拷贝的地图或坐标纸作为参考的话，则只好采用第三种类型(地图采点模式)，要么首先在地图上选点并量算坐标，然后通过键盘输入坐标数据:要么在地图上选点后，
13、借助数字化仪来采集控制点坐标。在实际工作中，这三种采点模式都是有可能遇到的。 （4）图像重采样 几何校正位置计算结束后，要计算新像元的灰度值，通常有 3 种方法：最近邻法、双线性内插法和三次卷积内插法。 9A. 最近邻法 由于经过校正，新图像像元往往落在原始图像像元的中问位置，所以多借助于邻点来计算新像元亮度值。用这种方法比较新点与周围 4 个邻近点的距离，取最近点亮度作为新点亮度值。 这种方法简单，不破坏原来像元值，处理速度较快，但最大可产生半个像元的位置误差，处理后亮度具有不连续性，从而影响精度。 B. 双线性内插法 本方法利用 4 个邻点的灰度在 ，Y 两个方向上做线性内插，双线性内插法
14、计算量有所增加，但精度提高了。 由于像元被平均，边缘被平滑，从而使对比度明显的分界线变得模糊。 C.三次卷积内插法 这种方法基本思想是增加邻点的个数来提高内插计算精度。取与计算点周围相邻的 16 个点。可先在某一方向上内插，如先在 Y 方向上，过P 点作与 X 轴平行直线，交于 1p，2p，3p，4p，计算 4 个辅助点的亮度值，再根据结果在 X 方向上内插，得到 P 点亮度值。这种方法得到更好的图像细节且带有边缘增强的效果，但计算量很大。 以上 3 种方法，在实际应用中，当几何变形不太严重时，可采用最近邻法或双线性内插法；当变形比较严重时，则应用三次卷积内插法保证质量。 5 小结 基于 ER
15、DAS9.2 的影像几何纠正可以满足遥感影像有关部门的业务需10求，利用 ERDAS9.2 处理影像几何纠正大大减轻了工作人员的劳动强度，提高了工作效率。本文论述了基于 ERDAS9.2 的影像几何纠正的步骤与方法，希望能给广大相关部门起到一个抛砖引玉的作用。 参考文献 1 戴昌达，姜小光，唐伶俐遥感图像应用处理与分析M北京：清华大学出版社，2004 2 范运年，任波，周建中ERDASIMAGINE84 中影像几何校正法初探J计算机仿真，2003，20(10)：4951 3 孙家柄遥感原理与应用M武汉：武汉大学出版社，2003 4 党安荣，王晓栋，陈晓峰，等遥感图像处理方法M北京：清华大学出版社，2003
