ENVI 的图像配准与几何校正

yinfz · 发表于 2011-3-4 12:01

ENVI的图像配准与几何校正工具允许你将图像定位到地理坐标上，并校正它们使其与基图像几何形状相匹配。图像可以用 Rotate/Flip Data 菜单项在配准以前进行旋转。通过使用全分辨率(主图像) 和缩放窗口选择地面控制点（GCPs），来进行图像－图像和图像－地图的配准。基图像和未校正图像的GCPs 的坐标被显示，伴随有特定纠正算法计算的误差项。
纠正用重采样、缩放和平移，多项式函数或德洛内三角测量（RST）实现。支持的重采样方法包括最近邻、双线性和立方体卷积。用 ENVI 的多个动态覆盖能力，对基图像和纠正图像进行比较，可以快速估价配准精度。参阅 ENVI Tutorial ImageGeoreferencing and Registration 中有关图像配准的详细描述。镶嵌允许多个图像插入到一个用户定义了大小和坐标的基图像中。独立图像或多波段图像文件被输入，且放到图像或地图坐标中或用鼠标确定位置。输出的镶嵌特征可以用图幅显示，且能进行交互式调整。用 ENVI 可以进行虚拟镶嵌，这使你不必将数据的两个副本存到磁盘上。羽化技术能用于混合图像边界，进行无缝镶嵌。镶嵌模板可以被存储，用于其它图像。
ENVI 配准、校正和镶嵌功能可以从 ENVI 的主菜单中的 Register 菜单里选择。
Select Ground Control Points (选择地面控制点)
在菜单 Register 里的Select Ground Control Points菜单项允许交互式选择地面控制点（GCPs），并对单一波段图像或多波段文件纠正。这一工具允许对不同控制点和纠正项进行原形恢复和检验。支持图像-图像和图像-地图的配准。详细步骤参见 ENVI Tutorial ImageGeoreferencing and Registration 中的图像配准例子。
Image-to-Image Registration (图像-图像的配准)
图像-图像配准需要两幅图像均打开。用每一个显示的缩放窗口选择地面控制点。可以选择Subpixel (小数的)坐标。一旦已经选择了足够用于定义一个纠正多项式的控制点，就能预测纠正图像中的 GCP 位置。GCPs 可以被存储或从文件中恢复，彩色标签与 GCP 标记的顺序可以更改（有关纠正方法的描述，参见“Warping and ResamplingOptions”部分）。
1 用 Available Bands List 打开基图像和纠正图像文件，并在两个窗口显示它们。
2 一旦两幅图像都已经显示，选择 Register > Select GroundControl Points > Image to Image。
3 出现Image to Image Registration对话框时，在“Base Image:”下面点击需要显示的名字，选择基图像（参照图像）。
4 在 “Warp Image:” 下方点击需要显示的名字，选择被纠正的图像。
5 点击 “OK”，出现 Ground Control PointsSelection 对话框。
·改变对话框的大小，用鼠标左键点击任何一个角处，拖曳到需要的大小和形状。
参见 ENVI Tutorial “ImageGeoreferencing and Registration” 中对图像配准的描述。
选择地面控制点
选择地面控制点（GCP 或 Tie Point），通过在缩放窗口定位十字准线，在基图像和纠正图像中选择像元。像元的左上方是整个数字坐标的原点，自这点向右和向下对应的X值和Y值不断增加。在缩放窗口中，可得到的像元fraction与缩放系数是成比例的。例如，缩放系数为4x，像元将被分成4个亚区。缩放系数为10x时，定位可能只有 1/10像元。GCP 标记被放在缩放窗口中，显示出亚像元(subpixel) 的位置。
在选择 GCPs 时，亚像元被用于提高准确度。
·在基础和纠正图像中，选择 GCP 的位置。
1 为每幅图像移动缩放窗口到需要的 GCP 区域。
2. 在缩放窗口的一个特定像元上点击鼠标左键，把光标定位在该像元或像元的一部分上。
注意
从图像窗口，点击 Functions > Pixel Locator 选择像元位置，并提供整数的 GCP 坐标(见第 227 页的 “Pixel Locator”)。
在 Ground Control PointsSelection 对话框，被选择处的坐标按 sample、line 顺序分别显示在标签为 “Base X, Y” 和 “Warp X, Y” 文本区中。
在缩放窗口处，定位提供了亚像元坐标，因此对话框中显示浮点坐标值。
3 一旦两幅图像都选择了需要的像元，在 Ground Control PointsSelection 对话框中点击“Add Point”，将选择的 GCPs 添加到已经选择的X、Y（样本，行）坐标对列表里。
他们将按基图像(第一个圆括号)、纠正图像(第二个圆括号) 顺序被列出。
当已经选择了四个或更多个 GCPs，对选择的纠正预测的 X、Y 坐标将显示在第三组圆括号中，X、Y 的误差被列表显示在第四组圆括号中，RMS 误差列表显示在最后一组圆括号中。
当 GCPs 已经被添加到列表中时，在两幅图像的缩放窗口里选择的像元（或亚像元）处画一个标记。选择的 GCP 数将出现在标记附近。标记中心（在十字准线下面）显示了实际的 GCP 位置。
4 用同样的方法添加其它的 GCPs 。
使 RMS Error 最小化
在 Ground Control PointsSelection 对话框里，选择的 GCPs 数被显示在文本标签 “Pairs” 旁的文本框里。一旦选择了足够的 GCPs，运行一次多项式纠正，像元中的X、Y RMS 误差项按照 sample, line 顺序列表显示在第四组圆括号中。所有点的总 RMS 误差列表显示在标签为“RMS误差”的文本框里。为了最好的配准，试图使 RMS 误差最小化。
用于计算误差的多项式的次数显示在对话框顶部“Degree”的附近，当已经选择了足够的GCPs数时，多项式的次数可以改变。
·对于一次多项式，你可以选择 RST (Rotation, Scaling, andTranslation) 计算误差。点击“YES” 切换按钮，选择 RST。
地面控制点选项
地表控制点选项与 GCP 列表相互作用，包括编辑和更新位置、开启或关闭点、删除所选择的点，以及预测点的位置。这些按钮排列在 Ground Control PointsSelection 对话框底部。
·重新移动缩放窗口到任何一个选择的 GCPs 处，在列表上点击需要的GCP，点击“Goto”。
描述选择的 GCP 轮廓的标记，将被定位在基图像和纠正图像缩放窗口的中心。
·手动地编辑 GCP 位置：
1 在 Ground Control Points 列表中选择要编辑的 GCP，点击“Edit”。
当前的 X 和 Y 值将出现在 “GCP Edit Point” 对话框里。
2 在合适文本框里，点击并手工输入需要的数值，以编辑基图像和纠正图像的 X 和 Y 值。
3 点击 “OK”，在 Ground Control Points Selection 对话框里改变它们。
如果已经选择了几个 GCPs，将会延迟一段时间，由于 GCPs 需要被重新画上，误差也需重新计算。
·配准过程中，有选择性地忽视控制点，选择“On/Off”按钮，点击准备忽略的点
不用已经选择的点重新计算 RMS 误差和空间转换。在选择的“OFF”点的左边将出现一个星号，GCP 标记的颜色将发生改变。
再次打开 GCP，点击列表中的点，再次选择 “On/Off” 按钮。
·从列表中永久性删除一些单个控制点，点击要被删除的 GCP，点击“Delete.”
·交互式改变一些特定 GCP 的位置：
1 在 Ground Control PointsSelection 对话框，点击要更新的 GCP。
2 在基图像与纠正图像中重新定位缩放窗口。
3 点击“更新”。
在两个缩放窗口里，以前的 GCP 将被编辑过的 GCP 代替，GCP 的标记位置将被移到当前像元位置处。
·用由当前的 GCPs 和选择的多项式次数决定的纠正，预测在纠正图像中一个 GCP 的位置
1 在基图像中将缩放窗口定位到一个像元处。
2 点击“预测”。
纠正图像缩放窗口将被移到预测的像元处。
3 在纠正图像中选择正确的像元以使预测值更精确。
4 点击 “Add Point”，输入G CP。
File 下拉菜单
在 Ground Control PointsSelection 对话框中，File 菜单包括存储和恢复地面控制点文件选项。
· 退出 Ground Control PointsSelection 对话框，选择 File > Cancel.
如果当前的点还没有存储到一个文件中，用户可以选择退出时保存它们。
·将GCPs存储到一个ASCII输出文件中：
1 选择 File > Save GCPs to ASCII.
2 键入一个扩展名为 .pts 的输出文件，用 “Choose” 按钮选择一个输出文件，点击 “OK” 保存文件。
·恢复以前存储的GCPs:
1 选择 File > Restore GCPs fromASCII.
2 输入需要的GCP .pts 文件名。
·存储到 GCPs，误差输出到一个 ASCII 文件：
1 选择 File > Save Points w/RMS toASCII.
2 输入一个输出文件名，点击 “OK”。
GCPs 下拉菜单
在 Ground Control PointsSelection 对话框中的 GCPs 菜单，控制了地面控制点的标签、颜色、顺序，并允许基础和纠正图像翻转。地面控制点用一个十字准线，圆圈和数字被标注在图像上。
·将关闭/开启标签, 在 GCPs 菜单下，点击 “Label GCPs Off” 或 “Label GCPs On” 旁的切换按钮。
·选择 GCP 对是否通过它们的索引 “ID#” 或 “Error”，显示在列表中，点击 “Order GCPs by Index” 或 “Order GCPs by Error” 附近的按钮。
索引 ID 顺序是它们被选择的顺序。误差顺序按照从高到低的顺序列出。
·删除列表中所有 GCPs，选择 GCPs > Clear GCPs.
·改变 GCP 标记标签的颜色：
1 选择 GCPs > Set GCP Colors。
2 出现 GCP Colors 对话框时，用初始标签为 “Red”（与 “GCPs which are “Off”紧邻）的按钮菜单（next to the “GCPs which are “On” label），选择 GCP 标记的颜色。
3 用初始标签为 “Green”（紧邻“GCPs which are “Off”）的下拉菜单，控制 GCPs的标记颜色（which are turned off）
· 翻转基础和纠正图像中的GCPs位置，选择GCPs >Reverse Base/Warp.
这允许纠正基图像，并与纠正图像匹配。
Options 下拉菜单
在 Ground Control PointsSelection 对话框中的Options菜单，允许从当前显示的波段纠正或从一个文件纠正。如果你的基图像是地理坐标的，你可以选择图像-地图型纠正。允许你改变输出像元的大小以及纠正图像中使用的投影类型。
·用GCPs进行一个标准的配准, 选择Options >Warp Displayed Band或Warp File.
·选择图像-地图型纠正，如果基图像是地理坐标系的，选择Options > Warp DisplayedBand (as Image to Map)或Warp File (作为图像-地图型).
出现 Registration Parameters 对话框。ENVI 中可利用的各个纠正项细节将在 “Warping and ResamplingOptions” 部分讨论。
Image-to-Map Registration (图像-地图配准)
图像-地图配准要求至少由一幅图像是打开的。图像中地面控制点(GCPs)由缩放窗口中的光标选择。也可以选择亚像元坐标。相应的地图坐标被手工输入或从矢量窗口输入。一旦选择了足够的点定义一个纠正多项式，在纠正图像中的GCP位置就能预测。GCPs可以被存储和从文件中恢复，GCP标记的颜色表示和顺序可以改变，详细描述见“Warping and ResamplingOptions”部分。
1 打开一幅图像，显示需要的波段
2 选择Register > Select GroundControl Points > Image to Map.
出现Image to Map Registration对话框。
3 点击对话框中显示的名字，选择要与地图配准的图像。
注意到如果只打开了一幅图像，则它会自动被选上。
4 在 “Select RegistrationProjection” 列表中，点击类型选择要输出的投影。
·对于 UTM，在标有 “Zone” 的文本框里输入区域号，或点击“Set Zone”按钮，输入经纬度值计算区域号。
·对于 State Plane 投影，输入一个区域号或点击“Set Zone”按钮，从列表中（列表显示的有 NOS 和USGS 区域号）选择区域号。
·对于那些需要定义数据的投影类型，选择 “Datum” 按钮，并从列表中选择。
·改变投影单位，点击 “Units” 按钮，并选择需要的单位。
5 分别在 “X Pixel Size” 和 “Y Pixel Size” 文本框里，输入 X 和 Y 输出像元的大小（用与投影相对应的单位）。
6 点击 “OK”。
出现 Ground Control PointsSelection 对话框（见 Basic ENVI Tutorial #2 -Registration (Using ENVI) 对图像-地图配准的详细描述）。
选择地面控制点
地面控制点（或 Tie Points）的选择类似于图像-图像配准。
1 像图像-图像的步骤一样，通过移动缩放窗口到需要的图像区域选择 GCPs.
2 在缩放窗口里特定像元上，点击鼠标左键，定位在指向像元的光标处。
在 Ground Control PointsSelection 对话框里，标签为 “Image X” 和 “Image Y” 的框里出现选择处的坐标。亚像元坐标用于提高选择 GCPs 的精度。
3 在地图和图像里选择一般的参考特征（例如在图像和地图中都能看到的道路交*口），手工从地图上抽取向东和向北方向或经纬度坐标。
4 分别在标有“E”和“N”的文本框里，点击适当的位置，手工键入选择的GCPs的地图坐标
·点击地图投影名附近的按钮，在 “Latitude” 和 “Longitude” 文本框里，输入地图上 GCP 位置（用经纬度）。
·在度、分、秒与十进制度数之间变换经纬度值，点击 “DMS< - >DD” 按钮。
·用负(-)的经度代表西半球，负(-)的纬度代表南半球。
·恢复地图投影坐标，点击 “Geographic Coordinates” 文本标签附近的按钮。
·相应的地图投影坐标将自动被计算出来。
·用矢量数据自动输入地图坐标，见 “Entry of Map GCPs from aVector Window”部分。·用GPS位置自动输入地图坐标，见“GPS-Link”。
5 一旦选择完图像中需要的像元，且地图坐标已经输入，点击 Ground Control PointsSelection 对话框中的 “Add Point” 按钮，将点添加到 GCPs 的列表里。
被选择的位置处坐标显示在 Ground Control PointsSelection 对话框的中心，顺序为 “Map X, Y” (第一个圆括号), “Image X, Y” (第二个圆括号) 。一旦已经选择了足够的点，对选择的纠正预测的X，Y坐标显示在第三组圆括号里。X,Y误差和 RMS 误差将被显示在第四和第五个圆括号里。当 GCPs 已经被添加在列表里，在图像缩放窗口里选择的像元周围将出现一个标记。已经选择的GCP 数将出现在标记周围。在标记中心（在十字准线的下方）的像元表明了实际的GCP位置。
6 用同样的方法添加另外的GCPs.
选择的GCPs数出现在文本标签 “Selected X, Y Pairs:.” 附近。一旦选择了足够的 GCPs 运行一次多项式纠正，像元中的X、Y RMS 误差项按照 sample, line顺序列表显示在第四组圆括号中。合成的 RMS 误差显示在最后一个圆括号里。要得到最好的配准，试图使 RMS 误差降至最小。有关编辑和定位 GCPs的详细信息，见 “Ground Control Points Options”部分。想了解对 File、GCPs 和 Options 下拉菜单的描述，见“The File Pulldown Menu”部分。
从一个矢量窗口，输入地图GCPs
如果你有一个区域的矢量文件要被地图配准，则地图坐标可以直接从矢量数据抽取到 Ground Control PointsSelection 对话框。
1 过程与前述从显示的图像中选择的 GCPs 被纠正是一样的。
2 不用手工从地图上选择 UTM 控制点，而是将矢量导入一个矢量窗口，用矢量光标定位能力（鼠标左键）对与图像上选择的特征相对应的一个特征进行定位。
3 在 Vector Window Params 对话框的底部，点击 “Export” 输入矢量光标的地图坐标，直接到 Ground Control PointsSelection 对话框。
4 点击 “Add Point” 将选择的点输入到配准。
纠正图像
·用 GCPs 运行一个标准的配准，选择 Ground control points selection 对话框中的 Options > Warp Displayed Band or Warp File。
出现Registration Parameters对话框。ENVI 中可利用的各个纠正项细节在 “Warping and ResamplingOptions” 部分有详细阐述。
Warping 和 Resampling 选项
ENVI 提供三个纠正选项：RST(旋转、缩放和平移)、多项式和德洛内三角测量。RST 纠正是最简单的方法，需要三个或更多的 GCPs 运行图像的旋转、缩放和平移。可以得到 1 次到 n 次多项式纠正。可以得到的次数依赖于选择的 GCPs 数，这里 #GCPs > (次数+1)2。德洛内三角测量适于三角到不规则空间 GCPs 和内插数值到输出格网中。
可利用的重采样方法包括最近邻、双线性和立方体卷积。最近邻重采样运用没有解译的像元建立纠正图像。双线性重采样用四个像元进行线性内插，以对纠正图像进行重采样。立方体卷积通过三次多项式对图像进行重采样，用 16 个像元近似正弦函数。值得注意的是立方体卷积重采样比其它方法速度慢。详情参见下面的参考书。
Richards, J. A., 1994, Remote Sensing DigitalImage Analysis, Springer-Verlag,
Berlin, p. 340.
一旦为图像-图像或图像-地图配准选择好 GCPs，用下列步骤指定纠正和重采样方法：
1 在 Ground Control PointsSelection 对话框，选择 Options > 需要的纠正方法。
2 出现 Registration Parameters 对话框时，从与 “Warp Method” 邻近的下拉菜单中，选择需要的纠正方法。可以使用 RST (旋转、缩放和平移) 多项式和三角测量纠正方法。
· 对于多项式纠正，在 “Degree” 文本框里输入需要的次数。可以利用的次数依赖于定义的 GCPs 数。
·选择你是否想在三角测量纠正数据的边缘，用单个像元的背景颜色作边界。在 “Zero Edge” 标签附近，选择“YES”按钮。
通过选择这一项，你将避免一个“托影(smearing)”效果，它也许出现在纠正图像的边缘，且通常可以用 ENV I 的特定数据地理坐标定位功能看到。
3 从 “Resampling” 标签附近的下拉菜单里，选择需要的重采样方法。
4 在 “Background Value” 文本框里，输入 DN 值，设定背景值（在纠正图像里，DN 值用于填充没有图像数据显示的区域）。
输出图像维数按照包含纠正输入图像的边界矩形大小自动设定。所以，输出的纠正图像大小通常与基图像的大小不一样。输出大小的坐标由基图像坐标决定。所以，左上方拐角处的值典型地不是（0，0），而是显示的从基图像左上角原点计算的X和Y值。这些偏移值被储存在文件头里，并允许基图像和纠正图像的动态覆盖（叠置），尽管它们的大小不同。
5 不考虑输出维数，点击 “Change Output Parameters”，将需要的数值输入到 “Output Image Size” 文本框里，用于图像-图像配准。
·对图像-地图配准, 通过点击 “Change Output Parameters” 输入需要的值，改变地图坐标或为了左上方坐标、像元大小以及图像大小而改变经纬度信息。“Geographic” 投影中，地理坐标用米或度表示，“Change Projection” 按钮只是输入左上方坐标改变投影。选择地面控制点时，输出图像的投影就已经设置好。
注意
如果你的输出投影是 “Geographic”, 则用 “Change Output Parameters” 对话框，将输出的像元和图像大小单位变换成度。
6 选择输出到 “File” 或 “Memory”.
·若选择输出到 “File”, 输入一个输出文件名，用 “Choose” 按钮选择一个文件名。
当纠正被计算时，出现一个状态框。完成以后，纠正图像将出现在 Available Bands 列表中。通过使用 Open Files List 中的 File > Save Selected Fileto Disk 选项，一幅纠正图像也从内存中被保存。
评价配准精度
要评价配准精度：
1 用 Available Bands List，将纠正图像装到一个新的显示窗口。
2 将显示与基图像窗口链接起来(Functions > Link)，使用动态覆盖图，在基图像和纠正图像之间闪烁(flicker) (见 “Multiple Dynamic Overlays” 部分)。
Warp from Pre-existing GCPs（用已存地面控制点纠正影像）
Image-to-Image （图像－图像）
·用以前选择的 GCPs，对输入文件进行图像-图像配准：
1 选择 Register > Warp fromPre-existing GCPs > Image to Image.
注意
图像必须是已经打开的。
2 出现文件选择对话框时，输入 GCP 文件名或从列表中选择合适的GCP输入文件。
3 出现 Input Warp Image 对话框时，用标准 ENVI 程序选择被纠正的图像，或空间或波谱子集。
4 点击“OK”。
5 出现 Input Base Image 对话框时，选择输入的基图像。
6 点击“OK”。
7 出现 Registration Parameters 对话框时，按照前面讲述的去做(见 “Warping and ResamplingOptions” )。
Image-to-Map（图像－地图）
·进行图像-地图配准：
1 选择 Register > Warp fromPre-existing GCPs > Image to Map。
2 当地面控制点已被选好，且输入了 X、Y 像元值，选择要用的投影类型。
3 点击“OK”。
4 出现 Enter GCP Filename 对话框时，选择 .pts 文件和要被纠正的图像。
5 出现 Input Warp Image 对话框时，用标准 ENVI 程序，选择要被纠正的图像以及空间或波谱子集。
6 点击“OK”。
这时，地图的地理坐标作为基准，而不是图像的像元位置。
7 出现 Registration Parameters 对话框时，按照前面讲述的步骤进行操作(见“Warping and Resampling Options”)。