激光测高数据辅助卫星成像几何模型精化处理

资源三号02星(ZY-3 02)作为资源三号系列的第2颗卫星,于2016年5月30号成功发射,其主要服务于中国空间基础建设等重大工程,星上搭载了中国首个对地观测试验性激光测高载荷。高程精度作为立体测图的重要指标,达到其精度要求的困难程度远大于平面。在借鉴目前较成熟的卫星影像区域网平差理论的基础上,结合近年来激光测高数据精度的大幅提升以及ZY-3 02星激光测高数据的特点,首次提出了激光测高数据辅助卫星立体影像进行成像几何模型精化处理的通用理论。首先,利用传统的区域网平差算法对所处理影像进行高精度连接点匹配处理,并对其进行无约束的自由网平差处理,获得高精度相对精度及不亚于原始成像几何模型的绝对精度;其次,根据激光测高数据3维坐标和精化后参考影像成像几何模型获取激光数据参考影像坐标;然后,将参考影像坐标通过几何模型映射获取目标影像上待匹配影像坐标,通过连接点匹配算法,对待匹配目标影像坐标进行精化获取高精度像方同名点;最后,以同名点作为高程控制进行区域网平差计算,对影像成像几何模型进一步处理,获取高精度补偿参数。通过湖北、青海两测区的试验,以激光测高数据辅助卫星影像几何模型精化精度可分别达到1.97 m、3.23 m,结果表明本文提出的方法可有效提高卫星立体数据测图精度。     

激光测高数据辅助卫星成像几何模型精化处理

资源三号02星搭载了中国首个对地观测试验性激光测高载荷。借鉴目前较成熟的卫星影像区域网平差理论的基础上,结合近年来激光测高数据精度的大幅提升以及资源三号02星激光测高数据的特点,首次提出了激光测高数据辅助卫星立体影像进行成像几何模型精化处理的通用理论。首先,利用传统的区域网平差算法对所处理影像进行高精度连接点匹配处理,并对其进行无约束的自由网平差处理,获得高精度相对精度及不亚于原始成像几何模型的绝对精度;其次,根据激光测高数据3维坐标和精化后参考影像成像几何模型获取激光数据参考影像坐标;而后将参考影像坐标通过几何模型映射获取目标影像上待匹配影像坐标,通过连接点匹配算法,对待匹配目标影像坐标进行精化获取高精度像方同名点;最后,以同名点作为高程控制进行区域网平差计算,对影像成像几何模型进一步处理,获取高精度补偿参数。通过湖北、青海两测区的试验,以激光测高数据辅助卫星影像几何模型精化精度可分别达到1.97 m、3.23 m,结果表明本文提出的方法可有效提高卫星立体数据测图精度。     

高分七号卫星激光测高数据处理与精度初步验证

装备在高分七号卫星上的是我国首个具备全波形记录功能的激光测高仪,主要用于获取地面稀疏的高程控制点,提高了同平台立体影像无地面控制点的立体测图精度.高分七号卫星激光测高标准化处理是测绘应用的关键步骤,所生成的激光测高标准产品是后续对外分发和业务化应用的重要前提.本文围绕高分七号卫星的激光数据,研究了激光测高数据处理方法,验证了激光测高标准产品的几何精度.选择几何定标区以及陕西华阴、德国北威州等多个验证区,结合高精度外业测量点和机载LiDAR-DSM数据,对高分七号卫星激光测高标准产品开展精度验证.验证结果表明,高分七号SLA03产品定标区两波束激光的平面精度分别为(3.896±1.029)m和(3.286±0.337)m、高程精度分别为(0.018±0.099)m和(-0.017±0.096)m.采用高程控制点质量控制参数ECP_Fl a g能有效标识出可用于高程控制的激光点,其中陕西华阴验证区两波束激光总体精度分别为(-0.113±2.519)m和(0.191±1.071)m,经质量控制后ECP_Fl a g标记为1的激光点高程精度为(0.111±0.152)m和(-0.064±0.115)m;德国北威州总体精度为(-0.897±5.485)m和(-0.202±6.207)m,ECP_Flag标记为1的激光点高程精度为(-0.304±0.190)m和(-0.279±0.220)m.目前高分七号卫星激光测高标准产品已在自然资源部国土卫星遥感应用中心实现业务化生产.     

SRTM约束的无地面控制立体影像区域网平差

针对SRTM(shuttle radar topography mission)数据在平坦地形或局部区域的高程精度远远高于其标称精度的特点,研究设计了一种无地面控制条件下利用SRTM作为高程约束的立体区域网平差方法。通过构建一个较大范围区域网并匹配密集连接点,将SRTM作为连接点物方高程初值,并在平差解算过程中确保分布于地形平坦区域(根据经验,在该类区域SRTM精度较高)的连接点的物方高程严格趋近SRTM高程,最终实现大范围区域内影像高程精度的整体提升。通过以覆盖湖北省全境的资源三号卫星三线阵立体影像作为试验影像的试验验证表明,采用该平差方案,在无地面控制点条件下资源三号立体影像的高程中误差从7.2m提升到2.0m,其中地形平坦区域高程中误差1.44m,山地区域高程中误差3.0m,达到了我国1∶25 000比例尺测图应用的高程精度要求。     

高分七号卫星足印影像激光光斑质心提取方法

足印影像激光光斑质心提取是精确获取激光指向位置的基础,对于提升高分七号卫星激光测高数据精度具有重要意义.设计一种基于最小二乘椭圆拟合的激光光斑提取方法,并根据反馈结果利用累计矩阵对序列影像进行粗差剔除,实现了高分七号足印影像激光光斑提取.通过仿真数据和高分七号真实足印影像进行实验,验证了该方法具有较好准确性和稳定性.未来我国在星载激光测高领域将拥有更广阔的前景,所研究的相关成果可以为后续国产激光测高技术研究提供参考.     

资源三号02星激光测高精度分析与验证

资源三号02星搭载了我国首台对地观测的卫星激光测高试验性载荷,对该载荷的精度进行了理论分析,并采用多个区域进行了实际精度验证,同时对其在航天测绘中的应用进行了试验。资源三号02星激光测高仪在平坦地区(坡度≤2°)的理论高程精度为0.85m、平面精度14.2m。试验表明,资源三号02星激光测高仪获得的有效测高数据约占23.89%,检校场区域其高程精度为0.89m,平面精度为14.76m;华北地区高精度DSM地形数据验证其高程精度为1.09m,内陆渤海海面上的激光高程精度为0.47m。将激光足印点作为高程控制点时,在陕西渭南试验区能将资源三号02星立体影像无地面控制的高程精度从11.54m提高到1.90m。虽然资源三号02星激光测高仪为试验性载荷,但试验结果证实国产卫星激光测高数据能有效提高立体影像无地面控制的高程精度,在全球测图工程中具有推广应用价值,建议后续立体测图卫星搭载业务化应用的激光测高仪。     

期刊博览

正资源三号02星激光测高精度分析与验证《测绘学报》2017年第12期资源三号02星搭载了我国首台对地观测的卫星激光测高试验性载荷,对该载荷的精度进行了理论分析,并采用多个区域进行了实际精度验证,同时对其在航天测绘中的应用进行了试验。试验表明,资源三号02星激光测高仪获得的有效测高数据约占23.89%,检校场区域其高程精度为0.89m,平面精度为14.76m;华北地区高精度DSM地形数据验证其高程精度为1.09m,内陆渤海海面上的激光高程精度为0.47m。将激光足印点作为高程控制点时,在陕西渭南试验区能将资源三号02星立体影像无地面控制的高程精度从11.54m提高到1.90m。     

ICESat激光高程点辅助的天绘一号卫星影像立体区域网平差

无地面控制点（简称无控）区域网平差是实现卫星影像无控测图的一项重要技术,对于境外和外业测控困难区域的测图具有重要意义。然而,无控区域网平差的定位精度一般难以满足对应比例尺测图规范要求。利用公开、可稳定获取的公众地理信息数据辅助区域网平差,是提高卫星影像无控定位精度的有效途径,其中ICESat激光高程点便是一种良好的高程控制数据。为了提高天绘一号卫星影像无控定位精度,本文提出ICESat激光高程点辅助的卫星影像模型法立体区域网平差方法。首先,以30 m分辨率SRTM估算的地形坡度作为限制条件,结合激光高程点自身质量评价信息,自动提取高质量ICESat激光高程点;其次,利用自动匹配的连接点进行模型法自由网平差,实现卫星影像几何定位精度的相对一致性（内部一致性）;最后,将激光高程点自动量测至卫星影像作为控制点,其平面坐标根据自由网平差结果前方交会计算而得,高程坐标取自激光点高程,再次进行区域网平差精化定向参数,提高卫星影像的绝对高程精度。最后本文利用山东全省的天绘一号卫星影像进行试验,验证了本文方法的有效性和可行性。     

基准网辅助的大区域卫星影像区域网平差技术

针对目前使用数字正射影像图(DOM)作为控制资料,纠正卫星影像,容易造成几何形变的误差传递的问题,该文提出了构建原始影像基准网,进行大区域卫星影像区域网平差的方法。该方法使用外业控制点作为地面控制资料,激光点云生产的数字高程模型(DEM)数据作为高程资料,利用区域网平差技术解算基准网影像的有理多项式系数(RPC)文件,配合DEM辅助弱连接点检测技术增强基准网的稳健性,而后利用高精度连接点匹配基准网解算同源待平差影像的RPC文件。该文使用该方法建立了基于39景高分二号影像的河南安阳、鹤壁地区的基准网,并对两景新增影像进行平差处理。结果表明,平面中误差为1.6m,达到1∶10 000数字正射影像生产的精度要求,相邻影像之间的几何拼接精度优于1个像素,满足了无缝拼接。     

基于高分七号进行1∶10000基础测绘的研究

高分七号是我国第一颗民用亚米级高分辨率立体测绘卫星^[1],按照设计要求,高分七号卫星可以满足民用1∶10 000比例尺利用卫星影像立体测图需求。本文选取新疆阿勒泰地区为试验区,利用获取的高分七号卫星影像数据,采取不同的控制点布设方案进行区域网平差,并根据外业实测的检查点与散点来检测区域网平差成果,提出地形类别为平地区域的最优控制点布设方案,为高分七号在1∶10 000基础测绘中的推广应用提供参考与支持。     

仅用虚拟控制点的超大区域无控制区域网平差

利用光学卫星影像进行无控制测图是摄影测量追求的目标。针对超大区域无控制测图的需求,本文提出了一种以单景影像为平差单元,基于虚拟控制点的光学卫星影像超大规模无控制区域网平差方法。该方法利用待平差影像的初始RPC模型生成虚拟控制点,并将其作为带权观测值引入平差模型中以改善平差模型的状态,克服了在无控制点条件下平差精度不稳定、误差过度累积引起的网的扭曲变形等问题。为了验证本方法的有效性和精度,利用资源三号卫星获取的覆盖全国的26 406景影像进行区域网平差试验,并利用全国范围内分布的约8000个高精度控制点对平差后自动生产的DOM和DSM产品的几何精度进行验证。试验结果表明,平面和高程中误差均达到了4m以内,同时,区域网内部相邻影像之间的几何拼接精度优于1个像素,满足无缝拼接的要求。     

高分七号卫星激光测高仪无场几何定标法

无场几何定标是未来多波束激光测高卫星面临的一个关键问题。本文针对高分七号（GF-7）线性体制全波形激光测高仪,提出了一种基于地形和波形匹配的无场分步定标方法。在深入分析高分七号卫星激光测高仪特点的基础上,构建了严密几何定位模型,采用公开版的地形参考数据和某地区1∶2000高精度的DOM和LiDAR-DSM基础地理信息成果,开展了在轨无场几何定标试验,显著提高了高分七号卫星激光测高数据精度。在2020年上半年受新冠肺炎影响未进行外场定标期间,有效解决了激光测高数据处理无定标参数的实际困难。本文对无场定标结果与高分七号实际外场定标结果进行对比验证,结果表明,无场定标结果与实际落点位置的平面误差为11.597±3.693 m,最小值为7.115 m,平坦地区高程精度优于0.3 m,虽然略低于外场定标结果,但能满足1∶10 000高程控制点测量需求。     

高分七号卫星双波束激光测高仪在轨几何检校与试验验证

高分七号卫星装载了国内首台双波束对地观测激光测高仪,用于辅助两线阵光学相机实现1:1万立体测图.由于卫星发射时的振动及入轨后空间环境变化,激光测高仪在轨指向等参数相对于实验室标定值发生较大偏移,直接影响激光测高精度.针对高分七号双波束激光测高仪,本文提出了由粗到精的"两步法"在轨几何检校方案.首先,构建单波束激光在轨几何检校模型,基于特殊波形分析来估算激光足印落点位置信息,实现单波束激光指向粗检校;然后,以单波束激光在轨几何检校模型为基础,构建双波束激光在轨几何检校模型,在大气延迟改正、潮汐改正等基础上,采用地面探测器阵列捕获光斑,实现双波束激光指向测距联合检校.最后,采用平静湖面上的激光测高数据和地面控制数据,分别验证激光检校后相对和绝对高程测量精度.试验结果表明:高分七号卫星激光高程测量相对精度优于0.06 m(1σ),平坦地区的绝对测高精度达到0.10m(1σ).     

DEM约束的卫星影像定位法

作为"云控制"摄影测量理论和方法的发展,研究了DEM约束的立体卫星影像区域网平差方法。与DEM仅作为高程控制信息使用,或者是通过DEM表面匹配实现绝对定向的间接定位方法不同,DEM作为平高控制信息被直接引入至基于RFM模型的卫星影像区域网平差之中。本文方法将连接点地面高程与DEM格网内插高程之差作为虚拟观测值构建约束方程,不仅利用了DEM高程信息,并且利用了其地形曲面包含的平面信息,以"云控制"方式在区域网平差过程中有效消除卫星影像RPC参数中包含的整体偏移及区域网内部的扭曲变形,实现了无地面控制点条件下卫星影像平面及高程绝对定位精度的大幅提升。使用覆盖山东全境的330景天绘一号立体卫星影像进行试验,分别以AW3D30、ASTER GDEM和SRTM GL3共3种开源DEM作为控制信息,并使用100个外业实测控制点进行精度评测。试验表明,以DEM作为控制可显著提高区域网平差的平面与高程精度,卫星影像绝对定位精度与DEM自身精度有关。当使用AW3D30作为控制时,可以取得与使用100个外业控制点平差同等精度,平面中误差为5.0 m(约1像素),高程中误差为2.9 m。试验结果证明了DEM替代外业控制点作为平差控制信息的有效性与可行性。     

国产卫星遥感数据在电力选线中的适用性研究

国产卫星遥感数据以其大范围同步观测、综合成本较低等特点在电力选线中具有潜在的应用优势。本文以某220 k V架空输电线路设计为例,对高分二号正射影像进行无控定位精度和有控定位精度分析比较,以及对资源三号影像进行区域网平差,统计分析其在无控制点和有控制点情况下的平差精度。研究表明:高分二号卫星影像在有控制点的情况下其纠正精度完全能够满足1∶10 000全地形比例尺精度要求,利用资源三号影像制作DSM的高程精度能够满足山区1∶10 000地图比例尺要求。综合电力选线相关规程中对选线各阶段的比例尺要求,国产高分二号和资源三号联合应用,完全能够满足山地地区的电力选线的可研性和初设阶段的平面及高程精度需求。     

建筑影像高程控制点的激光测高全波形分解提取

针对星载激光测高数据难以直接提取建筑区精确高程值的问题,该文提出一种利用渐进剥离全波形分解的建筑区影像高程控制点提取方法.首先,利用光斑区高分辨率遥感影像和数据质量属性参数挑选出高质量激光测高点;然后,通过渐进剥离全波形分解与整体拟合方法充分分解建筑区的复杂回波波形,并建立子波分量与建筑物不同平面层的精确对应关系;最后,结合激光测高和全波形激光脚点几何定位原理解算特征点的绝对高程值,作影像高程控制点使用.实验结果表明,3个回波波形经全波形分解和拟合后与原始回波信号之间整体的均方根误差、相关系数、决定系数和残差内积均值分别为0.023 7 V、0.978 3、0.957 0和0.332 9,制作的建筑影像高程控制点高程中误差为0.79 m,能够满足1∶50 000比例尺航空摄影测量对高程控制点的精度要求.     

多源国产高分卫星联合区域网平差精度分析研究

多源数据联合平差不仅可以保证异源数据之间的接边精度,还可提高整体区域网的稳定程度,精度分析是多源联合平差的重要保障。随着国产卫星传感器类型的日益丰富,多源联合平差逐步应用于国产卫星数据,然而基于此方面的精度分析和其对单源数据平差产生影响等方面的研究相对缺乏。为此,以国产高空间分辨率卫星数据为研究对象,构建基于有理多项式(rational polynomial coefficient,RPC)的多源数据联合区域网平差模型,并对重庆市西部地区的高分一号(GF-1)、高分二号(GF-2)和资源三号(ZY-3)卫星数据进行多源联合区域网平差试验,通过设计不同控制点布设策略、统计平差结果的精度,综合分析不同方案下区域网平差对系统误差的改正效果及对单源数据产生的影响。试验结果表明,基于国产高分卫星的多源联合区域网平差方法可行,并对单源平差精度产生了积极作用。     

基于同轨约束RFM的高分卫星影像区域网平差

高分辨率光学(简称"高分")卫星影像普遍以标准景的形式提供给用户,并附带有理多项式模型(rational function model,RFM)。尽管同一轨道高分影像的姿态和轨道误差较为稳定,然而由于RFM的参数没有清晰的物理意义,因此难以建立同一轨道影像间的几何约束关系。从条带影像与标准景影像的差异出发,考虑标准景影像的分景效应以及积分时间差异的影响,提出了基于像方多项式模型的同轨约束方法,可对同轨道、不连续的标准景影像进行约束,实现基于同轨约束的高分卫星影像区域网平差。通过用我国资源三号(ZY-3)测绘卫星同轨7景三线阵立体影像和印度IRS-P5卫星两轨4景两线阵立体影像进行实验,证明所提出的同轨约束区域网平差模型能减少对控制点的需求,提高平差精度。     

高分七号星载激光定位模型构建与验证

高分七号卫星是中国第一颗搭载全波形激光测高仪的对地观测卫星，可满足立体测绘的需求。本文为了实现国内第一颗星载大光斑全波形激光测高仪数据高精度自主处理的要求，提出了高分七号星载激光定位和检校验证方法。首先，构建了高分七号卫星激光测高仪的严密几何定位模型，其次，使用了移动重心和波形分解的峰值提取法，然后实现了基于地形匹配与红外探测器结合的激光测高仪指向角标定，最后，建立了SRTM高程验证、湖面高程验证和野外定标场验证结合的激光测高仪综合高程验证方法。经验证激光测高数据在平地的测高精度优于0.15 m，激光器1指向角误差约为0.15″，激光器2指向角误差约为0.38″。结果表明本文提出的高分七号星载激光定位方法定位精度高，可以满足后续高分七号数据科学研究和大规模业务化应用的要求。     

POS数据与机载三线阵影像的联合平差

研究了机载三线阵影像与POS位置、姿态同步测量数据联合平差的理论方法;设计了一种描述POS测量误差的数学模型,采用改进的定向片内插模型实现了机载三线阵影像的光束法平差,并利用ADS40影像进行了单航带和区域网平差的实验.结果表明,极少量地面控制点参与平差即可有效提高POS数据的定位精度;在测区3角布设控制点可得到稳定的平差结果,平面和高程精度均优于1.7个像素.高精度的POS数据可有效控制航带模型的旁向倾斜,使得单航带摄影测量作业成为可能.