高分辨率遥感影像几何定位理论与方法

作者简介

刘建辉，男，1986年11月出生，河南新乡人，工学博士，战略支援部队信息工程大学数据与目标工程学院讲师。长期从事遥感目标探测、摄影测量与遥感、遥感信息处理与应用等方向的教学及研究工作。先后主持或参与国家自然科学基金、省部级和部队专项科研项目10余项，公开发表学术论文10余篇，先后获国家发明专利授权2项，软件著作权4项。

内容简介

前言随着航空航天技术、计算机技术、传感器技术及数据处理技术的不断进步，现代卫星遥感技术得到了前所未有的发展，高分辨率对地观测系统已成为地理空间信息获取的重要手段。国民经济和国防建设尤其是国防建设更加迫切地需要精确掌握目标的地理空间信息等特征，如何利用卫星影像精确地获取目标的三维信息不可避免会涉及卫星影像的高精度几何定位。卫星影像的高精度几何定位是进行遥感影像几何处理和获取各种地理空间信息的基础，是高分辨率遥感卫星影像能够广泛应用的重要前提，是利用卫星影像测制各种比例尺地形图的基本保障。近年来，我国卫星测绘工作也取得了长足发展，与国际先进水平的差距不断缩小。随着天绘一号、资源三号、高分系列等卫星的成功发射，我国高分辨率遥感卫星的发展进入全新阶段，如何提升国产遥感卫星影像几何定位精度成为了国内近几年的研究热点。遥感影像几何定位精度主要依赖于三个方面：一是遥感影像内符合精度，即遥感影像成像质量；二是控制条件，包括星上控制和地面控制；三是几何定位解算过程中的严密性。通常情况下，在进行遥感影像高精度几何定位时，需要利用一定地面实测控制信息以解决系统误差问题，从而提高几何定位精度。但是对于测绘困难和不易到达地区，实测控制点难以获取，因此，国内外许多专家学者致力于研究如何在不增加地面实测控制条件的情况下提升光学遥感影像几何定位精度。在国家自然科学基金项目（批准号:40571131、40901246、41301526）的资助下，我们持续开展了高分辨率遥感影像几何处理与应用方面的研究，在充分研究各类传感器成像特点的基础上，构建了不同传感器卫星影像的严格成像几何模型和有理函数模型，针对直接立体定位精度不尽人意的情况，采用姿态角系统误差检校、传感器摄影测量参数在轨几何定标、光束法区域网平差、多源辅助数据支持的及总体*小二乘法用于遥感影像几何定位的方法，分别从理论和技术的层面，提升了高分辨率遥感影像的几何定位精度，在一定程度上丰富和发展了传统的遥感影像摄影测量定位理论与技术。全书共分为九章，详细阐述了高分辨率遥感影像几何定位理论与方法。第一章阐述了当前高分辨率遥感影像数据处理中面临的主要问题，重点整理并归纳了国内外航天领域与几何定位相关的研究现状。第二章介绍了高分辨率遥感影像定位的基础知识，以航天遥感传感器为平台，在实现对地面目标定位的过程中，主要涉及坐标系统及其相互转换关系，针对线阵传感器每一扫描行的外方位元素不一样的特点，构建了不同的外方位元素内插模型。第三章介绍了地理信息数据及本书采用的实验影像数据，包括携带地面平面坐标和高程坐标信息的地理数据，以及实验中采用的高分辨率遥感影像数据，如卫星平台的有效载荷及传感器基本参数、星历姿态等辅助数据及影像区域内的地面控制点的数量与分布情况等。第四章构建了高分辨率遥感影像的成像几何模型，介绍了建立高分辨率遥感影像成像几何模型涉及的坐标系统及其相互转换关系，结合星上辅助数据，分别建立了对应的成像几何模型，针对影响卫星影像直接立体定位精度的主要误差为姿态数据的系统误差这一问题，建立了姿态系统误差检校模型，通过真实影像数据进行实验验证并得出结论。第五章系统描述了摄影测量参数在轨几何定标方法，构建了摄影测量参数的在轨几何定标模型，提出了一种利用常数模型和多项式模型对内部参数进行分段标定的方法，分别介绍了参数标定的解算方法及具体步骤，对几何定标的方法进行了深入探讨。第六章介绍了高分辨率遥感影像光束法平差方法，根据不同的外方位元素模型分别建立了卫星影像的常规光束法平差模型，根据传感器的镜头误差和线阵CCD误差特性，构建了自检校参数模型，进一步构建了自检校光束法平差模型，并利用验前估权和验后定权的方法克服定向参数之间的相关性问题，通过实验验证本书算法的正确性和在轨几何定标算法的有效性和必要性。第七章介绍了有理函数模型的卫星影像一般定位方法，提出了一种利用立体影像匹配生成连接点的地形相关方案用于构建有理函数模型的方法，对比分析不同方案构建有理函数模型的优缺点，并建立了多传感器的直接立体定位模型和区域网平差模型，在摄影测量参数在轨定标的基础上，利用不同的控制方案建立有理函数模型，以提高有理函数模型的无地面控制直接新闻单位本定位精度。第八章介绍了多源数据辅助遥感影像几何定位的方法，使用基准影像和数字高程模型两种地理信息数据获取辅助控制点，提高几何定位精度，分别在无实测控制点和布设少量实测控制点两种情况下，研究数量足够且分布合理的辅助控制点参与定位时方法的有效性，并使用小区域基准影像辅助大幅宽遥感影像定位，给出实验结论。第九章介绍了总体*小二乘法的多源数据辅助遥感影像定位理论与方法，包括一般总体*小二乘法的基本概念，推导用于有理函数模型光束法平差的总体*小二乘法，通过实验验证该方法的可行性和有效性。第十章为结论与展望，主要对本书所做的主要工作进行归纳与总结，展望有待进一步研究和解决的难点和问题。本书是作者近些年在高分辨率遥感影像几何定位领域科研和学术研究工作的总结，在撰写过程中参考、借鉴了大量国内外同行的研究成果和文献，谨在此表示诚挚的敬意与真诚的感谢。由于作者的理论学术水平有限，书中难免出现错误或疏漏之处，敬请专家同行及广大读者批评指正。 编者 2021年3月 卫星影像的高精度几何定位是进行遥感影像几何处理和获取各种地理空间信息的基础，是高分辨率遥感卫星影像能够广泛应用的重要前提，是利用卫星影像测制各种比例尺地形图的基本保障。作者总结了多年的实践经验和理论研究，对在高精度定位主要依赖的重点关键技术上进行了充分论述并提出相应的解决方案，为相关领域的其他研究人员提供了参考。