遥感图像的几何畸变及优化方案

引起遥感图像几何畸变的因素很多，归纳起来，遥感平台的飞行状态对影像变形影响很大，其次地形起伏对影像的几何畸变影响也很大，而其他的因素影响不大。现在逐一说明。

6.2.1.1　遥感平台位置和运动状态变化的影响

无论是卫星还是低空飞机，尤其是低空飞机，在运动过程中都会由于种种原因产生飞行姿势的变化，从而引起影像变形。

航高：平台运动过程中受到力学因素影响，会产生相对于原标准航高的偏离，或者说卫星运行的轨道本身就是椭圆。航高始终发生变化，而传感器的扫描视场角不变，从而导致图像扫描行对应的地面长度发生变化。航高越高，图像对应的地面越宽，如图6-5（a），此时像片比例尺发生了变形。

航速：卫星在椭圆轨道上飞行速度不均匀，飞机由于气流的原因飞行速度不均匀，这些都会导致图像畸变。航速快时，扫描带超前；航速慢时，扫描带滞后。由此可导致图像在卫星前进方向上（图像上下方向）的位置错动，如图6-5（b）。

俯仰：遥感平台的俯仰变化能引起图像上下方向的变化，即星下点俯时后移，仰时前移，发生行间位置错动，如图6-5（c）。

翻滚：遥感平台姿态翻滚是指以前进方向为轴旋转一个角度。翻滚可导致星下点的扫描线方向偏移，使整个图像的行向翻滚角向偏离的方向错动，如图6-5（d）。

偏航：遥感平台在前进过程中，相对于原前进航向偏转了一个小角度，从而引起扫描行方向的变化，导致图像的倾斜畸变，如图6-5（e）。

图6-5　遥感影像的几何畸变

6.2.1.2　地形起伏的影响

当地形存在起伏时，会产生局部像点的位移，使原来本应是地面点的信号被同一位置上某高点的信号代替。例如，如图6-6，如果地形没有起伏，那么P1点对应到像片中P′处，但是由于高差的原因，P点对应到了P′处。这就是说，实际像点P距像幅中心的距离OP′相对于理想像点到像幅中心的距离向外移动了Δr。根据相似三角形原理，这个误差Δr容易导出。

图6-6　高差引起的像点位移(www.xing528.com)

如图6-6，因为

在上式中：f为焦距，f=OF；h为高程差，h=PP0；H为摄影高度，即遥感平台离地面的高度，H=FN；r为像点到像主点O的距离，r=OP′；Δr为像点的位移量，Δr＝OP′-。

这个公式说明下面三个性质：

（1）位移量Δr与地形高差h成正比，高差越大，引起的像点位移量也越大。当地面高差为正时（地形凸起），位移量为正值，像点位移是向远离像主点方向动；高差为负值时（地形低洼），位移量为负值，像点向像主点方向移动。

（2）位移量Δr与像主点的距离r成正比，即距主点越远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。在像主点处，r=0，无位移。即在像主点，无论高程多高，都不会发生位移。

（3）位移量与摄影高度（航高）成反比，即摄影高度越大，因地表起伏引起的位移量越小。这就是说，航天遥感像片比航空遥感像片的位移量要小很多，几何畸变小。例如，地球卫星轨道高度H=700 km，当像片大小为18 cm×18 cm时，处于像片边缘的像点的地面高程差为1 000 m，其位移量只有0.13 mm。

6.2.1.3　地球表面曲率的影响

地球是一个椭球体，因此地球表面是曲面。这一曲面的影响主要表现在两个方面：一是像点位置的移动，二是像元对应于地面宽度的不等。像点位移如图6-7（a）所示，这个类似于地面的起伏。而像元对应于地面宽度的不等，见图6-7（b）。距星下点越远，对应地面的长度越大，几何畸变也越大。

图6-7　地球表面曲率对遥感影像成像的影响

6.2.1.4　地球自转的影响

卫星前进过程中，传感器对地面扫描获得图像时，地球自转也会产生影响，会产生影像偏离。因为多数卫星在轨道运行的下降阶段扫描成像，即卫星自北向南运动，这时地球自西向东自转。相对运动的结果，使卫星的星下位置逐渐产生偏离。