高分辨率遥感影像几何定位理论与方法_刘建辉,江刚武,王鑫_9787568074032

本书主要介绍高分辨率遥感影像几何定位中涉及的理论方法及关键技术，内容包括高分辨率遥感影像的成像几何模型、卫星影像的姿态系统误差检校、摄影测量参数在轨几何定标、高分辨率遥感影像的光束法平差、多源辅助数据支持的遥感影像几何定位、基于总体*小二乘理论的遥感影像几何定位技术等。本书可以作为高等院校与科研机构目标工程、摄影测量与遥感、测绘工程、地理信息系统及相关专业的工程技术人员、管理人员和本科、研究生的教学科研参考书。

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。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

第1章高分辨率遥感影像几何定位技术综述(1)

1.1研究背景及意义(1)

1.2国内外研究现状(3)

1.2.1遥感卫星成像几何模型(3)

1.2.2基于模拟数据的分析及卫星影像的系统误差改正(6)

1.2.3影像定向参数间相关性问题及克服方法(7)

1.2.4卫星影像在轨几何定标及光束法区域网平差(8)

1.2.5多源数据辅助目标定位(11)

1.2.6总体小二乘理论用于遥感影像几何定位(13)

1.3本章小结(13)

第2章遥感影像几何定位基础知识(14)

2.1典型高分辨率卫星传感器(14)

2.1.1SPOT5HRS对地观测设备(14)

2.1.2天绘一号卫星传感器(15)

2.1.3资源三号卫星三线阵传感器(17)

2.2目标定位中涉及的各类坐标系及其相互转换(19)

2.2.1扫描坐标系(19)

2.2.2瞬时影像坐标系(19)

2.2.3传感器坐标系(19)

2.2.4本体坐标系(19)

2.2.5轨道坐标系(20)

2.2.6空间固定参考坐标系(20)

2.2.7地心地固坐标系(20)

2.2.8高程系统(21)

2.3外方位元素建模(22)

2.3.1低阶多项式模型(22)

2.3.2定向片模型(23)

2.3.3分段多项式模型(25)

2.4本章小结(26)

第3章常见地理信息数据及实验数据(27)

3.1常见地理信息数据(27)

3.1.1基准影像数据(27)

3.1.2数字高程模型数据(28)

3.2模拟数据生成(28)

3.2.1单线阵CCD模拟数据生成(29)

3.2.2三线阵CCD模拟数据生成(30)

3.3真实卫星影像数据(32)

3.3.1SPOT5HRS数据(32)

3.3.2天绘一号卫星三线阵数据(33)

3.3.3资源三号卫星三线阵数据(37)

3.3.4IKONOS卫星影像数据(41)

3.4本章小结(43)

第4章高分辨率遥感影像严格成像几何模型(44)

4.1遥感卫星影像成像几何模型(44)

4.1.1SPOT5卫星HRS影像成像几何模型(45)

4.1.2天绘一号卫星三线阵影像成像几何模型(46)

4.1.3资源三号卫星三线阵影像成像几何模型(48)

4.2星历姿态辅助条件下的卫星影像直接立体定位(50)

4.3姿态系统误差检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实验与分析(58)

4.4.1卫星影像无地面控制直接立体定位实验(58)

4.4.2卫星影像姿态系统误差检校实验(60)

4.2.3资源三号卫星三线阵影像姿态四元数系统误差检校实验(64)

4.4.3利用地面控制点的影像定位实验(67)

4.5本章小结(68)

第5章遥感卫星线阵传感器摄影测量参数在轨几何定标(69)

5.1卫星成像几何模型旋转变换预处理(69)

5.2摄影测量参数标定模型的构建(70)

5.2.1内部参数标定模型的建立与解算(71)

5.3.2外部参数标定模型的建立与解算(75)

5.3几何定标的方法(77)

5.4基于模拟数据的摄影测量参数解算(79)

5.5基于地面检校场的摄影测量参数解算(79)

5.6实验与分析(81)

5.6.1基于模拟数据的摄影测量参数解算实验(81)

5.6.2SPOT5 HRS影像实验(83)

5.6.3天绘一号三线阵影像实验(88)

5.6.4资源三号卫星三线阵影像实验(92)

5.7本章小结(94)

第6章高分辨率遥感影像光束法平差方法(96)

6.1常规光束法平差模型(96)

6.1.1低阶多项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分段多项式模型描述的光束法平差(100)

6.2带附加参数的自检校模型(101)

6.2.1顾及相差特点的附加参数模型(101)

6.2.2基于多项式描述的附加参数模型(104)

6.3自检校光束法区域网平差模型(105)

6.4平差时各未知参数间相关性克服策略(106)

6.4.1增设观测方程条件下观测值的定权方法(106)

6.4.2验后方差分量估计定权方法(107)

6.5精度评定(107)

6.5.1理论精度(107)

6.5.2实际精度(108)

6.6实验与分析(109)

6.6.1控制点布设方案(110)

6.6.2SPOT5卫星HRS影像实验(110)

6.6.3天绘一号卫星三线阵影像实验(114)

6.6.4资源三号卫星三线阵影像实验(118)

6.7本章小结(121)

第7章有理函数模型遥感影像几何定位方法(122)

7.1有理函数模型(122)

7.2有理函数模型的建立与求解(123)

7.2.1建立有理函数模型的控制方案(123)

7.2.2有理多项式系数的解算(125)

7.3有理函数模型的直接立体定位方法(128)

7.4有理函数模型中系统误差补偿策略(130)

7.4.1基于物方补偿方案的系统误差补偿模型(130)

7.4.2基于物方补偿方案的系统误差补偿模型(131)

7.5基于有理函数模型的光束法平差(132)

7.6实验与分析(134)

7.6.1不同控制方案下检查点的有理函数模型定位实验(135)

7.6.2不同控制方案下基于有理函数模型的直接对地定位实验

(136)

7.6.3天绘一号卫星附带RPC产品验证实验(139)

7.6.4有理函数模型遥感影像几何定位实验(141)

7.7本章小结(150)

第8章多源数据辅助的遥感影像几何定位方法(151)

8.1多源数据辅助遥感影像几何定位的基本原理(151)

8.1.1辅助控制点的获取(151)

8.1.2高程基准转换(152)

8.1.3辅助控制点参与定位(152)

8.2实验与分析(153)

8.2.1辅助控制点精度研究实验(153)

8.2.2多源数据辅助定位实验(161)

8.2.3小区域基准影像辅助大幅宽遥感影像定位实验(168)

8.3本章小结(173)

第9章基于总体小二乘法的多源数据辅助遥感影像定位(175)

9.1一般总体小二乘算法(175)

9.1.1EIV模型与总体小二乘法(175)

9.1.2一般总体小二乘法的基本算法(175)

9.2基于总体小二乘法的有理函数模型光束法平差(177)

9.3基于总体小二乘法的多源数据辅助定位方法(179)

9.4实验与分析(180)

9.4.1基于TLS的有理函数模型几何定位实验(180)

9.4.2基于TLS的多源数据辅助定位实验(183)

9.4.3基于TLS的小区域基准影像辅助大幅宽遥感影像几何定位实验

(188)

9.5本章小结(192)

第10章结论与展望(194)

10.1研究结论(194)

10.2展望(196)

参考文献(197)

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