Development of a Coordinate Transformation method for direct georeferencing in map projection frames

This paper develops a novel Coordinate Transformation method (CT-method), with which the orientation angles (roll, pitch, heading) of the local tangent frame of the GPS/INS system are transformed into those (omega, phi, kappa) of the map projection frame for direct georeferencing (DG). Especially, the orientation angles in the map projection frame were derived from a sequence of coordinate transformations. The effectiveness of orientation angles transformation was verified through comparing with DG results obtained from conventional methods (Legat method¹ and POSPac method²) using empirical data. Moreover, the CT-method was also validated with simulated data. One advantage of the proposed method is that the orientation angles can be acquired simultaneously while calculating position elements of exterior orientation (EO) parameters and auxiliary points coordinates by coordinate transformation.These three methods were demonstrated and compared using empirical data. Empirical results show that the CT-method is both as sound and effective as Legat method. Compared with POSPac method, the CT-method is more suitable for calculating EO parameters for DG in map projection frames. DG accuracy of the CT-method and Legat method are at the same level. DG results of all these three methods have systematic errors in height due to inconsistent length projection distortion in the vertical and horizontal components, and these errors can be significantly reduced using the EO height correction technique in Legat’s approach. Similar to the results obtained with empirical data, the effectiveness of the CT-method was also proved with simulated data.     

IMU／DGPS辅助ADS40影像直接定位及其精度分析

阐述了IMU/DGPS辅助ADS40影像直接定位的基本方法,针对不同ADS40扫描条带采用不同的局部空间直角坐标系的现状,推导了航带间外方位元素的统一化处理算法.试验结果表明,ADS40影像直接定位的误差是系统性的,因此在生产作业中引入少量控制点参与平差仍是必需的.     

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。     

Direct georeferencing of airborne LiDAR data in national coordinates

The topographic mapping products of airborne light detection and ranging (LiDAR) are usually required in the national coordinates (i.e., using the national datum and a conformal map projection). Since the spatial scale of the national datum is usually slightly different from the World Geodetic System 1984 (WGS 84) datum, and the map projection frame is not Cartesian, the georeferencing process in the national coordinates is inevitably affected by various geometric distortions. In this paper, all the major direct georeferencing distortion factors in the national coordinates, including one 3D scale distortion (the datum scale factor distortion), one height distortion (the earth curvature distortion), two length distortions (the horizontal-to-geodesic length distortion and the geodesic-to-projected length distortion), and three angle distortions (the skew-normal distortion, the normal-section-to-geodesic distortion, and the arc-to-chord distortion) are identified and demonstrated in detail; and high-precision map projection correction formulas are provided for the direct georeferencing of the airborne LiDAR data. Given the high computational complexity of the high-precision map projection correction approach, some more approximate correction formulas are also derived for the practical calculations. The simulated experiments show that the magnitude of the datum scale distortion can reach several centimeters to decimeters for the low (e.g., 500 m) and high (e.g., 8000 m) flying heights, and therefore it always needs to be corrected. Our proposed practical map projection correction approach has better accuracy than Legat’s approach,¹ but it needs 25% more computational cost. As the correction accuracy of Legat’s approach can meet the requirements of airborne LiDAR data with low and medium flight height (up to 3000 m above ground), our practical correction approach is more suitable to the high-altitude aerial imagery. The residuals of our proposed high-precision map projection correction approach are trivial even for the high flight height of 8000 m. It can be used for the theoretical applications such as the accurate evaluation of different GPS/INS attitude transformation methods to the national coordinates.     

定位定向系统数据的航空高光谱影像几何校正

针对航空高光谱数据几何畸变严重的问题,该文探索了利用POS数据辅助航空高光谱影像几何校正的研究现状,分析了基于POS系统的导航数据的线阵推扫高光谱数据解算成像瞬间外方位元素的原理,以及行方位数据支持的线中心投影影像通过改进的共线方程方法几何校正的过程,实现了无地面控制点数据的直接几何校正。采用高光谱影像分块处理方法,实现了高吞吐快速几何校正。HySpex SWIR-384高光谱影像的实验结果表明,该文的校正算法可达到9.15m的绝对定位精度,最终利用少量地面控制点进行几何精校正,其均方根误差达到0.93m。     

Transformation method of exterior orientation angular elements obtained via position and orientation system under Gauss-Kruger projection coordinate system

Data obtained via airborne position and orientation system (POS) is in WGS 84 global geocentric reference frame, while the national coordinate reference system for topographic mapping in China is generally Gauss-Kruger projection coordinate system. Therefore, data obtained via a POS must be transformed to national coordinate system. Owing to the effects of earth curvature and meridian deviation, there are some errors in the process of angle transformation from roll, pitch, and heading (Φ ,Θ ,Ψ )obtained dir...     

直线特征约束的资源3号卫星影像自检校平差

针对控制点获取较困难地区卫星影像定位精度不高的情况,对直线特征作为控制信息提升卫星影像定位精度进行了研究。以"像方直线上任意一点必然位于物方直线和投影中心所构成的平面"作为几何约束条件,通过对直线的参数化表示,建立了基于直线特征的共面模型;在该模型基础上,针对航天传感器的成像特点,分析建立了8标定参数的内方位元素模型和简化的外方位元素模型,最终构建了直线特征约束的卫星影像自检校平差模型。利用资源3号(ZY-3)卫星获取的华盛顿地区数据对构建的平差模型进行实验验证。结果表明,该模型能够解决缺乏地面控制点地区影像定位精度差的问题,可达到与常规自检校平差相同量级的精度。     

天绘一号03星无控定位精度改进策略

“全球连续覆盖模式”传输型摄影测量卫星系动态摄影,无控定位模式下难以达到框幅式像片定位水平.本文在天绘一号已有研究基础上,深化03星摄影测量无控定位精度改进模式的探讨研究.在相机参数在轨标定中增加对相机内方位元素的附加改正,解决相机结构宽高比(卫星条带摄影覆盖宽度与卫星轨道高度的比值)太小对主距标定结果的影响,进而削弱系统误差,提高卫星影像的平面定位精度.通过境外地区检测,无控定位精度达到高程2.4m (RMS),平面3.7m (RMS).检测结果表明,只依靠星上GNSS接收机、星敏感器,利用相机参数在境内标定结果,“全球连续覆盖模式”单航线卫星影像无控定位结果达到理论设计指标.     

城市环境下基于C/S架构的影像空间定位

针对城市环境下影像空间定位精度低等问题,提出了一种在C/S架构下基于影像的移动平台空间自定位方法。首先对预采集的城市建筑物序列影像,利用最近邻距离比率(nearest neighbor distance ratio,NNDR)算法和归一化互相关匹配(normalized cross correlation,NCC)算法得到SIFT粗匹配,通过随机抽样一致(random sample consensus,RANSAC)算法对粗匹配点进行优化,通过精确解算基本矩阵 F 和投影矩阵 P ,建立建筑物三维点云模型,进而获得由影像特征点、像点坐标以及物方点坐标组成的物方特征库。其次以用户通过手机拍摄的影像作为定位影像,进行特征提取并与物方特征库影像匹配,获取对应物方点坐标。最后通过精确计算定位影像外方位元素,并在手机客户端中显示所拍照瞬间手机的空间位置,实现移动平台空间自定位。实验结果表明,该方法能够达到厘米级定位精度,可作为其他空间定位方法的有效补充。     

机载三维成像仪的定位原理与误差分析

本文论述了“机载三维成像仪”的定位原理,并在系统定位原理的基础上,详细讨论了与“机载三维成像仪”的对地定位精度有关的传感器的误差对系统定位精度的影响,这一问题的研究不仅对研制针对不同目的的激光地形制图系统的设计具有指导意义,而且对激光扫描制图系统的数据平差具有重要意义。     

顾及像面畸变的卫星视频稳像

卫星视频每帧影像外方位元素数值存在差别,相邻帧影像间的同名点在像面位置不同,且由于每帧影像均存在几何畸变,经典的帧间的投影变换模型、仿射变换模型等视频稳像的配准模型不能精确描述帧间的同名点关系。针对该问题,本文提出顾及像面畸变的卫星视频稳像算法,基于仿真的卫星视频,验证了该算法的可行性和精度。     

机载SAR影像定向中像点粗差的拟准检定方法

结合距离-多普勒模型,推导了SAR(synthetic aperture radar)影像定向中像点坐标粗差对误差方程的影响,分析了像点坐标粗差探测的必要性和难点;依据粗差的拟准检定法,针对SAR影像定向中的像点坐标粗差检定问题,设计了具体的解算流程和策略,首次将粗差的拟准检定法运用到机载SAR影像定向中。并分别利用模拟和实测数据进行了系统性的实验,结果表明,该方法不仅能够准确探测出多个粗差的位置,而且能够估计出粗差的大小。与SAR影像定向通常采用的最小二乘方法相比,该方法能够明显提高SAR影像定向参数的解算精度以及后续的立体定位精度,对于修复受粗差影响的SAR影像数据具有重要意义。     

高斯-克吕格投影坐标系下POS角元素的转换方法

我国的地形测量坐标系通常采用高斯-克吕格投影坐标系,由于地球曲率和子午线偏差的影响,POS系统提供的传感器姿态角向影像外方位角元素的转换过程中存在误差,需要引入一个额外的补偿矩阵进行修正.从分析地球曲率和子午线偏差对影像外方位角元素的影响入手,推导补偿矩阵的严密计算公式,并完善了POS角元素的转换公式.通过对带有POS...     

利用虚拟格网系统误差补偿进行RPC参数精化

提出了一种RPC参数精化方法,即通过消除虚拟控制格网点上的系统误差来实现RPC参数的精化。试验结果表明,对于QuickBird影像,使用本文提出的方法精化RPC参数以后,其像点的平面精度达到了±2.4 pixels;对于SPOT-5立体像对而言,基于精化RPC参数的影像目标立体定位的平面精度和高程精度分别为±5.892 m和±4.020 m。     

星载PALSAR影像几何精度定量评价与误差分析

选择有代表性的星载PALSAR影像,利用Doppler、距离、椭球方程建立其成像模型,对其几何定位精度进行了试验,获得了它的几何系统误差和儿何纠正误差的定量值.根据地面高程误差是影响SAR影像几何纠正精度丰要因素的原理,利用计算机仿真技术定量系统地分析了地面高程误差对其几何纠正精度的影响,获得了地面高程误差对视角的影响、视角误差对影像几何精度的影响以及单位高程误差对影像几何精度的影响等定量结论及影响变化规律,为PALSAR影像的处理与应用提供了科学的依据,更重要的是为SAR影像几何精度分析和误差分析提供了一种新的定量方法.     

卫星图像斜方位投影正反解变换研究

本文针对卫星动态获取的遥感图像,探讨其空间斜方位投影问题。利用空间几何理论建立其斜方位投影的数学模型,得到了该投影的精确表达式。并且利用矢量解法研究该投影模型的正解和反解变换算法以及星下点坐标计算方法,最后给出了算例。根据算例的结果分析表明,该投影的正反解变换均达到较高的精度。     

利用高帧频相机检测运动控制轴精细形变

在运动控制应用场景中,由于疲劳等原因会导致设备微小形变,因此需要更加密集的观测手段与恢复方法.考虑到待检设备的摄影测量属性及高帧频相机高信息量特性,利用240帧/s的高帧频电荷耦合元件(charge coupled device,CCD)相机结合摄影测量方法实现对运动控制轴形变信息的精确量测,具体步骤如下:(1)固定标...     

嫦娥一号立体影像的摄影测量内部精度估算

本文采用APOLLO影像模拟生成的嫦娥一号三线阵CCD影像及其卫星的轨道与姿态模拟参数,按等效框幅像片(EFP)法和自由外方位元素(FEO)法分别计算摄影测量坐标系内的外方位元素及模型点坐标,生成了数字高程模型(DEM)、等高线、正射影像及三维地形仿真影像,评估了从模拟月球三线阵CCD影像生成的摄影测量成果的预期精度。     

SWDC-5倾斜像片定位定姿方法研究

基于SWDC-5航摄仪获取的数据,探讨倾斜像片定位定姿的方法,通过建立POS、下视相机、斜视相机间的相对关系模型,给出POS辅助SWDC-5倾斜像片直接地理定位技术流程。通过实际航飞数据计算得到的倾斜像片外方位元素可用于三维房屋模型纹理映射,经试验验证该方法正确、可行。     

机载三线阵CCD影像自检校光束法区域网平差

将基于附加参数的自检校光束法区域网平差技术应用于机载三线阵CCD传感器ADS40影像的几何定位处理,分析了机载三线阵CCD传感器成像的误差特性,建立了相适有效的自检校附加参数模型,以及3种形式的外方位元素变化模型和自检校光束法区域网平差模型。实验结果表明,自检校光束法区域网平差能够有效补偿ADS40影像存在的系统误差,显著提高定位精度。