第1章高分辨率遙感影像幾何定位技術綜述(1)

1.1研究背景及意義(1)

1.2國內外研究現狀(3)

1.2.1遙感衛星成像幾何模型(3)

1.2.2基於模擬數據的分析及衛星影像的繫統誤差改正(6)

1.2.3影像定向參數間相關性問題及克服方法(7)

1.2.4衛星影像在軌幾何定標及光束法區域網平差(8)

1.2.5多源數據輔助目標定位(11)

1.2.6總體小二乘理論用於遙感影像幾何定位(13)

1.3本章小結(13)

第2章遙感影像幾何定位基礎知識(14)

2.1典型高分辨率衛星傳感器(14)

2.1.1SPOT5HRS對地觀測設備(14)

2.1.2天繪一號衛星傳感器(15)

2.1.3資源三號衛星三線陣傳感器(17)

2.2目標定位中涉及的各類坐標繫及其相互轉換(19)

2.2.1掃描坐標繫(19)

2.2.2瞬時影像坐標繫(19)

2.2.3傳感器坐標繫(19)

2.2.4本體坐標繫(19)

2.2.5軌道坐標繫(20)

2.2.6空間固定參考坐標繫(20)

2.2.7地心地固坐標繫(20)

2.2.8高程繫統(21)

2.3素建模(22)

2.3.1低階多項式模型(22)

2.3.2定向片模型(23)

2.3.3分段多項式模型(25)

2.4本章小結(26)

第3章常見地理信息數據及實驗數據(27)

3.1常見地理信息數據(27)

3.1.1基準影像數據(27)

3.1.2數字高程模型數據(28)

3.2模擬數據生成(28)

3.2.1單線陣CCD模擬數據生成(29)

3.2.2三線陣CCD模擬數據生成(30)

3.3真實衛星影像數據(32)

3.3.1SPOT5HRS數據(32)

3.3.2天繪一號衛星三線陣數據(33)

3.3.3資源三號衛星三線陣數據(37)

3.3.4IKONOS衛星影像數據(41)

3.4本章小結(43)

第4章高分辨率遙感影像嚴格成像幾何模型(44)

4.1遙感衛星影像成像幾何模型(44)

4.1.1SPOT5衛星HRS影像成像幾何模型(45)

4.1.2天繪一號衛星三線陣影像成像幾何模型(46)

4.1.3資源三號衛星三線陣影像成像幾何模型(48)

4.2星歷姿態輔助條件下的衛星影像直接立體定位(50)

4.3姿態繫統誤差檢校模型的建立和解算(51)

4.3.1模型的建立(52)

4.3.2模型的解算(53)

4.4實驗與分析(58)

4.4.1衛星影像無地面控制直接立體定位實驗(58)

4.4.2衛星影像姿態繫統誤差檢校實驗(60)

4.2.3資源三號衛星三線陣影像數繫統誤差檢校實驗(64)

4.4.3利用地面控制點的影像定位實驗(67)

4.5本章小結(68)

第5章遙感衛星線陣傳感器攝影測量參數在軌幾何定標(69)

5.1衛星成像幾何模型旋轉變換預處理(69)

5.2攝影測量參數標定模型的構建(70)

5.2.1內部參數標定模型的建立與解算(71)

5.3.2外部參數標定模型的建立與解算(75)

5.3幾何定標的方法(77)

5.4基於模擬數據的攝影測量參數解算(79)

5.5基於地面檢校場的攝影測量參數解算(79)

5.6實驗與分析(81)

5.6.1基於模擬數據的攝影測量參數解算實驗(81)

5.6.2SPOT5 HRS影像實驗(83)

5.6.3天繪一號三線陣影像實驗(88)

5.6.4資源三號衛星三線陣影像實驗(92)

5.7本章小結(94)

第6章高分辨率遙感影像光束法平差方法(96)

6.1常規光束法平差模型(96)

6.1.1低階多項式模型描述的光束法平差(97)

6.1.2定向片模型描述的光束法平差(98)

6.1.3分段多項式模型描述的光束法平差(100)

6.2帶附加參數的自檢校模型(101)

6.2.1顧及相差特點的附加參數模型(101)

6.2.2基於多項式描述的附加參數模型(104)

6.3自檢校光束法區域網平差模型(105)

6.4平差時各未知參數間相關性克服策略(106)

6.4.1增設觀測方程條件下觀測值的定權方法(106)

6.4.2驗後方差分量估計定權方法(107)

6.5精度評定(107)

6.5.1理論精度(107)

6.5.2實際精度(108)

6.6實驗與分析(109)

6.6.1控制點布設方案(110)

6.6.2SPOT5衛星HRS影像實驗(110)

6.6.3天繪一號衛星三線陣影像實驗(114)

6.6.4資源三號衛星三線陣影像實驗(118)

6.7本章小結(121)

第7章有理函數模型遙感影像幾何定位方法(122)

7.1有理函數模型(122)

7.2有理函數模型的建立與求解(123)

7.2.1建立有理函數模型的控制方案(123)

7.2.2有理多項式繫數的解算(125)

7.3有理函數模型的直接立體定位方法(128)

7.4有理函數模型中繫統誤差補償策略(130)

7.4.1基於物方補償方案的繫統誤差補償模型(130)

7.4.2基於物方補償方案的繫統誤差補償模型(131)

7.5基於有理函數模型的光束法平差(132)

7.6實驗與分析(134)

7.6.1不同控制方案下檢查點的有理函數模型定位實驗(135)

7.6.2不同控制方案下基於有理函數模型的直接對地定位實驗

(136)

7.6.3天繪一號衛星附帶RPC產品驗證實驗(139)

7.6.4有理函數模型遙感影像幾何定位實驗(141)

7.7本章小結(150)

第8章多源數據輔助的遙感影像幾何定位方法(151)

8.1多源數據輔助遙感影像幾何定位的基本原理(151)

8.1.1輔助控制點的獲取(151)

8.1.2高程基準轉換(152)

8.1.3輔助控制點參與定位(152)

8.2實驗與分析(153)

8.2.1輔助控制點精度研究實驗(153)

8.2.2多源數據輔助定位實驗(161)

8.2.3小區域基準影像輔助大幅寬遙感影像定位實驗(168)

8.3本章小結(173)

第9章基於總體小二乘法的多源數據輔助遙感影像定位(175)

9.1一般總體小二乘算法(175)

9.1.1EIV模型與總體小二乘法(175)

9.1.2一般總體小二乘法的基本算法(175)

9.2基於總體小二乘法的有理函數模型光束法平差(177)

9.3基於總體小二乘法的多源數據輔助定位方法(179)

9.4實驗與分析(180)

9.4.1基於TLS的有理函數模型幾何定位實驗(180)

9.4.2基於TLS的多源數據輔助定位實驗(183)

9.4.3基於TLS的小區域基準影像輔助大幅寬遙感影像幾何定位實驗

(188)

9.5本章小結(192)

第10章結論與展望(194)

10.1研究結論(194)

10.2展望(196)

參考文獻(197) 

前言隨著航空航天技術、計算機技術、傳感器技術及數據處理技術的不斷進步，現代衛星遙感技術得到了前所未有的發展，高分辨率對地觀測繫統已成為地理空間信息獲取的重要手段。國民經濟和國防建設尤其是國防建設更加迫切地需要精確掌握目標的地理空間信息等特征，如何利用衛星影像精確地獲取目標的三維信息不可避免會涉及衛星影像的高精度幾何定位。衛星影像的高精度幾何定位是進行遙感影像幾何處理和獲取各種地理空間信息的基礎，是高分辨率遙感衛星影像能夠廣泛應用的重要前提，是利用衛星影像測制各種比例尺地形圖的基本保障。近年來，我國衛星測繪工作也取得了長足發展，與國際先進水平的差距不斷縮小。隨著天繪一號、資源三號、高分繫列等衛星的成功發射，我國高分辨率遙感衛星的發展進入全新階段，如何提升國產遙感衛星影像幾何定位精度成為了國內近幾年的研究熱點。遙感影像幾何定位精度主要依賴於三個方面：一是遙感影像內符合精度，即遙感影像成像質量；二是控制條件，包括星上控制和地面控制；三是幾何定位解算過程中的嚴密性。通常情況下，在進行遙感影像高精度幾何定位時，需要利用一定地面實測控制信息以解決繫統誤差問題，從而提高幾何定位精度。但是對於測繪困難和不易到達地區，實測控制點難以獲取，因此，國內外許多專家學者致力於研究如何在不增加地面實測控制條件的情況下提升光學遙感影像幾何定位精度。在國家自然科學基金項目（批準號:40571131、40901246、41301526）的資助下，我們持續開展了高分辨率遙感影像幾何處理與應用方面的研究，在充分研究各類傳感器成像特點的基礎上，構建了不同傳感器衛星影像的嚴格成像幾何模型和有理函數模型，針對直接立體定位精度不盡人意的情況，采用姿態角繫統誤差檢校、傳感器攝影測量參數在軌幾何定標、光束法區域網平差、多源輔助數據支持的及總體小二乘法用於遙感影像幾何定位的方法，分別從理論和技術的層面，提升了高分辨率遙感影像的幾何定位精度，在一定程度上豐富和發展了傳統的遙感影像攝影測量定位理論與技術。全書共分為九章，詳細闡述了高分辨率遙感影像幾何定位理論與方法。章闡述了當前高分辨率遙感影像數據處理中面臨的主要問題，重點整理並歸納了國內外航天領域與幾何定位相關的研究現狀。第二章介紹了高分辨率遙感影像定位的基礎知識，以航天遙感傳感器為平臺，在實現對地面目標定位的過程中，主要涉及坐標繫統及其相互轉換關繫，針對線陣傳感器每一掃描行的素不一樣的特點，構建了不同的素內插模型。第三章介紹了地理信息數據及本書采用的實驗影像數據，包括攜帶地面平面坐標和高程坐標信息的地理數據，以及實驗中采用的高分辨率遙感影像數據，如衛星平臺的有效載荷及傳感器基本參數、星歷姿態等輔助數據及影像區域內的地面控制點的數量與分布情況等。第四章構建了高分辨率遙感影像的成像幾何模型，介紹了建立高分辨率遙感影像成像幾何模型涉及的坐標繫統及其相互轉換關繫，結合星上輔助數據，分別建立了對應的成像幾何模型，針對影響衛星影像直接立體定位精度的主要誤差為姿態數據的繫統誤差這一問題，建立了姿態繫統誤差檢校模型，通過真實影像數據進行實驗驗證並得出結論。第五章繫統描述了攝影測量參數在軌幾何定標方法，構建了攝影測量參數的在軌幾何定標模型，提出了一種利用常數模型和多項式模型對內部參數進行分段標定的方法，分別介紹了參數標定的解算方法及具體步驟，對幾何定標的方法進行了深入探討。第六章介紹了高分辨率遙感影像光束法平差方法，根據不同的素模型分別建立了衛星影像的常規光束法平差模型，根據傳感器的鏡頭誤差和線陣CCD誤差特性，構建了自檢校參數模型，進一步構建了自檢校光束法平差模型，並利用驗前估權和驗後定權的方法克服定向參數之間的相關性問題，通過實驗驗證本書算法的正確性和在軌幾何定標算法的有效性和必要性。第七章介紹了有理函數模型的衛星影像一般定位方法，提出了一種利用立體影像匹配生成連接點的地形相關方案用於構建有理函數模型的方法，對比分析不同方案構建有理函數模型的優缺點，並建立了多傳感器的直接立體定位模型和區域網平差模型，在攝影測量參數在軌定標的基礎上，利用不同的控制方案建立有理函數模型，以提高有理函數模型的無地面控制直接新聞單位本定位精度。第八章介紹了多源數據輔助遙感影像幾何定位的方法，使用基準影像和數字高程模型兩種地理信息數據獲取輔助控制點，提高幾何定位精度，分別在無實測控制點和布設少量實測控制點兩種情況下，研究數量足夠且分布合理的輔助控制點參與定位時方法的有效性，並使用小區域基準影像輔助大幅寬遙感影像定位，給出實驗結論。第九章介紹了總體小二乘法的多源數據輔助遙感影像定位理論與方法，包括一般總體小二乘法的基本概念，推導用於有理函數模型光束法平差的總體小二乘法，通過實驗驗證該方法的可行性和有效性。第十章為結論與展望，主要對本書所做的主要工作進行歸納與總結，展望有待進一步研究和解決的難點和問題。本書是作者近些年在高分辨率遙感影像幾何定位領域科研和學術研究工作的總結，在撰寫過程中參考、借鋻了大量國內外同行的研究成果和文獻，謹在此表示誠摯的敬意與真誠的感謝。由於作者的理論學術水平有限，書中難免出現錯誤或疏漏之處，敬請專家同行及廣大讀者批評指正。



編者

2021年3月