地心地固坐标系有理多项式系数模型探讨

针对遥感影像处理中多源影像联合定位研究的不足,该文在地心地固坐标系(ECEF)中构建航天光学与SAR影像的有理多项式(RPC)模型,给出了计算ECEF中RPC参数虚拟控制点的获取方法,分析了大地坐标系与ECEF中虚拟控制点格网的形变特点,并选取5种光学与SAR影像进行了RPC参数拟合试验,验证了模型的可行性。结果表明ECEF坐标系RPC模型不仅能够克服大地坐标系RPC模型存在应用盲区的缺点,也有利于通用模型和严密模型结合,在统一的坐标系中实现多源影像的联合定位。     

利用单位对偶四元数进行航空影像区域网平差解算

将对偶四元数应用于摄影测量中,提出了一种基于单位对偶四元数的航空影像区域网平差解算方法。相比于常规的平差方法和四元数方法,该算法的最大特点是将影像的摄站位置和姿态以一个单位对偶四元数整体表示,从而构建基于对偶四元数的区域网平差模型,并采用具有约束条件的参数平差进行解算。利用两个地区不同比例尺的实际航空影像数据进行实验,结果表明,该算法的平差精度与常规的区域网平差方法相当,对影像比例尺及控制点的数量与分布的需求也与常规的平差方法基本相同,为对当前轻小平台获取航空影像进行摄影测量处理提供了一条新的技术思路。     

对偶四元数用于航天线阵遥感影像光束法平差解算

利用对偶四元数可以同时描述位置与姿态的特性,在简化四元数球面线性插值算法的基础上,建立了基于对偶四元数的航天线阵遥感影像的外方位元素模型,且利用该模型设计并实现了光束法平差解算方法。该方法可使用具有约束条件的参数平差法进行迭代求解。利用两个地区的SPOT-5 HRS立体影像进行了对比试验分析,结果表明,提出的基于对偶四元数的光束法平差算法正确可靠,相比于基于欧拉角的平差算法和基于单位四元数的平差算法,有更高的平差计算精度。     

基于四元数的高分辨率卫星遥感影像定位理论与方法研究

高精度定位是遥感影像几何处理和地理空间信息获取的基础,是利用高分辨率卫星遥感影像测制各种比例尺地形图的基本保障.论文针对当前高分辨率卫星遥感影像几何处理中还存在的问题,在深入分析高分辨率卫星遥感影像成像机理的基础上,引入四元数作为描述成像传感器姿态的数学工具,对基于四元数的高分辨率卫星遥感影像定位理论与方法所涉及的外方位元素建模、成像几何模型的构建、多传感器的区域网平差等多个关键问题进行了较为深入的研究,论文完成的主要工作和创新点如下:     

基于单位四元数的机载三线阵影像光束法平差

为克服欧拉角在空间方位的描述和插值中的局限性,采用单位四元数来描述相机的姿态,推导了四元数描述的共线条件方程。在此基础上,提出了将四元数球面线性插值(Slerp)引入到三线阵影像定向片法平差的思想,通过利用Slerp公式进行相机姿态的匀速插值,建立了基于单位四元数的三线阵影像平差的数学模型并进行了线性化。两套ADS40数据的试验结果表明,在区域四角布设平高控制点的情况下,基于Slerp模型的定向片光束法平差在平面和高程方向均可取得优于1个地面像元(GSD)的定位精度,是三线阵相机检校和空中三角测量较理想的技术手段。     

基于单位四元数的单独像对相对定向

目前对单位四元数描述空间旋转的应用,基本上是将其转换成旋转矩阵的形式,而忽略了单位四元数描述空间向量旋转具有描述几何关系的直观性以及运算简洁的优势。基于此提出一种基于单位四元数的单独像对相对定向法,方法首先采用向量描述同名光线,然后利用单位四元数描述立体像对中左右影像同名光线的变换关系,建立单位四元数共面条件方程模型,再按照带有约束条件的间接平差原理进行最小二乘平差,确定相对定向元素。针对RC30航空影像和低空无人机影像采用单位四元数法分别进行单独像对相对定向实验,结果表明单位四元数相对定向方法计算精度较高,为解决摄影测量中坐标变换问题提供更多选择。     

基于简化Slerp模型的三线阵影像定向片法平差

讨论了基于四元数姿态插值方法的三线阵影像定向片平差原理,针对其中球面线性插值公式形式复杂、计算量大的问题,根据定向片的特性提出了一种简化方案,并建立了基于简化球面线性插值公式的定向片法平差模型。ADS40数据的多组实验结果表明,利用四元数球面线性插值公式进行相机姿态的内插,能取得比传统的欧拉角Lagrange多项式内插更优的平差精度;该方案在对定向片法平差的结果不产生不良影响的同时,能显著降低平差模型的复杂度,提高平差运算的速度,是另一种理想的三线阵影像平差方案。     

基于F.Leberl模型机载SAR影像联合平差

机载SAR影像定位时需要进行影像的联合平差,而传统的定位方法需要在地面控制条件较好的情况下才能进行平差。因此采用少量的地面控制点完成影像定位是我们需要研究的问题。论文基于F.Leberl构像模型研究了在控制点较少的情况下进行机载SAR影像联合平差的理论与方法。实验中分别对两景影像和四景影像进行联合平差,实验结果表明随着加密点数量的增加,加密点的精度有所提高,多景影像的联合平差可以减少地面控制点的数量,从而实现稀少控制点条件下的机载SAR影像高精度定位。     

对偶四元数近景影像空中三角测量法

提出了一种对偶四元数近景影像空中三角测量方法,利用对偶四元数统一表示光线束在空间中的螺旋运动,近景区域网内所有光线束的角元素用对偶四元数的实部表示,所有线元素以对偶四元数的实部和对偶部分共同表示,最终建立对偶四元数空中三角测量平差模型,实现内、外方位元素和模型点物方坐标的解算。选用真实影像和大姿态角模拟影像开展了空中三角测量试验,试验结果证明对偶四元数近景影像空中三角测量方法能获得较高的精度。     

对偶四元数GPS辅助光束法区域网平差

针对GPS辅助光束法区域网平差中线元素和角元素分而治之引起转动和平移的耦合误差问题,该文提出了一种基于对偶四元数的GPS辅助光束法区域网平差方法。利用对偶四元数统一描述像空间坐标系与WGS84坐标系之间的旋转和平移关系,建立对偶四元数GPS辅助光束法区域网平差模型,实现了区域网影像外方位元素以及待定点WGS84坐标的平差解算。实验结果表明,本算法具有对迭代初值无依赖性、迭代次数少和精度高的优点,为姿态稳定较差的轻小无人机影像的GPS辅助光束法区域网平差提供了一种新的思路。     

单位四元数在航空摄影测量解算中的应用与实践

研究了单位四元数方法在航摄空中三角测量各个步骤中的应用,并对其算法稳定性和适用性作了评价。首先叙述了基于单位四元数构造旋转矩阵的方法,及基于单位四元数的相对定向模型的建立和解求方法;构建了基于单位四元数的光束法区域网平差模型。然后利用大量实际航空影像数据进行了相对定向和光束法区域网平差试验,并同传统的基于欧拉角构建旋转矩阵的方案进行了比较。试验结果表明,在相对定向试验中,若采取P-H算法,只需要最少控制点就能保证所有试验数据均可得到正确的解。而在光束法平差中,基于单位四元数的方法比传统方法的稳定性差,对摄影比例尺和控制点的数量较为敏感,导致部分试验数据无法正确收敛。     

CBERS-02B卫星遥感影像的区域网平差

针对中巴资源一号卫星(CBERS-02B)卫星遥感影像姿态角误差较大的特点,提出了利用区域网平差方法提高其对地目标定位精度的策略和具体计算过程。首先对参与平差的每景影像选取4个地面控制点进行影像姿态角常差检校,然后采用与地形无关方案解求各自的RPC参数,最后选取带仿射变换项的有理函数模型(RFM)进行多重覆盖影像的区域网平差。对两个地区的0级CBERS-02B单条CCD立体影像对的区域网平差试验表明,对地目标定位的平面和高程精度均达到了±3个像元的水平,且高程精度明显优于平面精度。相对于常规的卫星遥感影像区域网平差方法,平面和高程精度均有明显提升,几乎达到国外同等高分辨率卫星遥感影像的几何定位精度。这说明中国卫星遥感影像亦具有较好的几何定位潜力,在区域网平差之前进行系统误差预改正是必要和可行的。     

雷达影像几何构像距离-共面方程

几何构像方程是遥感影像摄影测量最基本最重要的公式,简洁性和严密性是其能得到广泛应用的必要条件。本文分析了姿态对侧视雷达影像成像的影响,以传感器位置和姿态(外方位元素)作为定向参数,根据侧视雷达成像的距离和波束中心共面(Range-Coplanarity,R-Cp)条件构建了一种简洁严密的几何构像方程。该方程考虑了姿态参数对雷达影像严密定位的影响,反映了侧视雷达遥感影像的成像几何原理,避开了复杂的成像参数,实现了雷达影像与光学影像严密构像模型定向参数的统一。定位试验精度优于LeberlF模型和KonecnyG模型。该方程的特点表明其在侧视雷达遥感影像的摄影测量领域中有着一定的应用潜力。     

重复观测条件下线阵卫星影像直接定位

考虑卫星影像重复观测性, 利用已精确定向影像增加多余观测, 通过与新获取影像联合平差实现了无控制点影像直接定位。针对线阵光学影像逐行推扫成像的特点, 内插新获取影像姿态轨道值, 推导与已定向影像直接联合定位的数学模型, 并给出了各类观测值权的确定方法。最后通过试验验证了无控制点情况下进行已精确定向影像与新影像联合平差是可行的;结果表明要达到无控制点高精度定位目的,应尽量选择与新影像间重叠度高、分辨率高的已定向影像。为对地观测数据的实时化处理提供了思路。     

基于多视影像匹配模型的倾斜航空影像自动连接点提取及区域网平差方法

自动可靠地获取精确且均匀分布的连接点并进行区域网平差解算,是使用倾斜航空影像进行高精度测绘、三维信息提取和三维城市模型构建等应用的前提。本文提出了一种实用化的大重叠率倾斜航空影像的全自动连接点匹配和联合区域网平差方法。一方面,针对倾斜航空影像因遮挡严重、尺度变化大和几何变形严重而引起的同名点匹配困难问题,充分利用POS数据和平均飞行高度等初始数据,同时顾及这些数据的误差,通过有效组合一种改进的ASIFT算法和基于窗口的多角度多视影像匹配模型(WMVM),使用由粗到细的多分辨率分层匹配策略完成连接点的全自动提取;另一方面,在传统的最小二乘光束法平差的基础上,根据倾斜航空影像数据的特点,提出了基于稳健估值原理的粗差自动探测与剔除关键算法。最后,利用多组典型试验区域的倾斜航空影像数据试验结果验证了所提算法的可靠性、精度和实际性能。     

长条带卫星线阵影像区域网平差研究

本文首先比较了基于轨道参数和基于卫星状态矢量的航天影像定位模型,提出了一种针对非精密星历数据的轨道拟合与状态矢量插值方法,并在飞行坐标系中建立了适合长条带卫星影像定位的轨道修正模型。其次,分析了地球自转对卫星线阵影像严密定位建模的影响,通过对姿态航偏角的适应性处理,建立了基于地固地心直角坐标系卫星状态矢量的航天线阵影像构像方程和区域网联合平差模型。最后以中国西部测图工程的塔里木盆地4对(8景)SPOT5/HRS长条带立体影像为数据源,针对不同控制点数目与分布,进行了不同方案的组合定位试验。结果表明：稀少控制点条件下检查点统计精度达到了8.09 m。     

附加视线向量修正的卫星影像区域网平差

针对传统有理函数模型(RFM)区域网平差方法局限于姿态和轨道测量误差小、相机视场角小及影像交会角良好的情况,提出了附加视线向量修正的卫星影像区域网平差方法。首先利用影像附带的有理多项式系数(RPC)计算出像元视线向量,其次根据该视线向量恢复成像时刻虚拟位置和姿态信息,然后对恢复的虚拟位置和姿态构建误差补偿模型,最后通过最小二乘方法整体解算模型参数和连接点物方坐标。该方法从系统误差产生的原因构建补偿模型,可以规避传统区域网平差方法的近似假设和条件限制。通过对模拟数据以及多套测绘卫星和非测绘卫星数据进行试验的结果表明,该方法处理大姿态角误差、大视场角以及弱交会角等各种严苛条件下的卫星影像能达到比传统方法更好的效果。     

长条带卫星线阵影像区域网平差研究

首先比较基于轨道参数和基于卫星状态矢量的航天影像定位轨道模型,提出一种针对非精密星历数据的轨道拟合与状态矢量插值方法,并在飞行坐标系中建立适合长条带卫星影像定位的轨道修正模型。其次,分析地球自转对卫星线阵影像严密定位建模的影响,通过对姿态航偏角的适应性处理,直接在地固地心直角坐标系中建立了基于卫星状态矢量的航天线阵影像构像方程和区域网联合平差模型。论文以中国西部测图工程的塔里木盆地4对(8景)SPOT5/HRS长条带立体影像为数据源,针对不同控制点数目与分布,进行了不同方案的组合定位试验。结果表明:稀少控制点条件下检查点统计精度达到了8.09m。     

地影期间卫星姿态四元数产品对北斗精密单点定位的影响分析

与分析中心保持一致的卫星姿态模型是精密单点定位(PPP)获得高精度定位的关键因素。本文基于武汉大学分析中心(WUM)提供的卫星姿态四元数产品,详细阐述了利用卫星姿态四元数计算偏航角的方法。针对卫星在太阳高度角较低的情况,分析了WUM对BDS-2/BDS-3所采用的姿态模型策略,并基于开源定位软件GAMP深入研究了不同的卫星姿态模型策略对BDS-2/BDS-3 PPP定位的影响。研究表明,在深地影时期,不一致的姿态模型会导致偏航角出现360°的差异,进而使相位缠绕和卫星天线相位中心改正出现分米级的偏差。在此期间,使用卫星姿态四元数产品,与名义姿态相比PPP的定位精度在东、北和天顶方向能分别提高约32%、29%和38%;相较于剔除姿态异常卫星策略(剔除远日点和近日点的卫星),PPP的定位精度在3个方向分别能提高约29%、25%和28%。因此,PPP用户应采用各分析中心提供的卫星姿态四元数产品进行天线相位中心改正(PCO)和相位缠绕改正,避免使用不一致的姿态模型导致PPP定位结果的可靠性降低。     

高分辨率卫星遥感影像姿态角系统误差检校

简要介绍高分辨率卫星遥感影像的严格几何处理模型,提出较为严密的影像姿态角系统误差检校模型。通过对SPOT-5、CBERS-02B两种卫星遥感影像的试验证实模型的正确性和方法的有效性。对影像姿态角系统误差进行补偿后,可明显提高卫星遥感影像对地目标定位的精度,且优于影像姿态角常差检校的效果,目标点平面定位精度达到了±(2～3)像素的水平。