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高分辨率卫星遥感影像成像模型与定位技术研究

刘世杰  
【摘要】: 基于高分辨率遥感影像的空间信息处理技术是当前数字摄影测量、地理信息系统及其相关学科的重点研究领域,本文系统地研究了传感器严格物理模型、非严格成像模型、有理函数模型及基于各模型的立体定位技术;并探讨了严格物理模型与有理函数模型的相互转换问题。本文完成的主要工作体现在以下几个方面: 1.介绍了利用空间后方交会计算定向参数的算法及常见的克服定向参数相关性的方法以及卫星CCD影像的空间前方交会。读取并解析QuickBird影像辅助文件,计算得到影像的严格物理模型,并进行地面定位,利用已知点分析其定位精度和误差分布规律。实验结果表明,QuickBird影像提供的严格物理模型的定位误差为20m左右,与影像标称精度23m相符。 2.探讨了多种非严格成像模型及改进模型对QuickBird影像的适用性,提出了参数时间描述的平行线中心投影模型。通过各模型像方精度和地面定位精度的比较,认为参数时间描述的平行线中心投影模型最适合描述QuickBird影像的成像几何,基于参数时间描述的平行线中心投影模型的地面定位可达0.6m平面精度和0.8m高程精度。 3.介绍了有理函数模型及其反解模型,推导了有理函数模型参数解算和立体定位算法。利用QuickBird影像提供的物理模型和已知测点进行了有理函数模型参数解算实验。结果表明,“依赖于地形”的参数解算精度较低,而“独立于地形”的参数解算具有很高的精度;同时利用QuickBird影像提供的有理多项式系数进行了定位实验,系统分析了其误差的分布特点,提出了提高立体定位精度的多种补偿模型。结果表明,在该区域利用两个合理分布的控制点即可达到1m内的平面定位精度,在5-6个合理分布的控制点支持下,使用一阶仿射变换模型可达到0.6-0.8m的平面定位精度;如果控制点充足(n≥6且合理分布),使用像方二阶多项式补偿模型,可达0.6m的平面定位精度和0.8m的高程定位精度。 4.基于严格物理模型与有理函数模型各自的优缺点,探讨了高分辨率卫星遥感影像严格物理模型与有理函数模型的相互转换问题。研究表明,从有理函数模型可以“一定程度上”恢复出严格物理模型。利用严格物理模型生成虚拟控制点格网,计算出的有理函数模型具有与严格物理模型相近的精度,地面定位精度损失在1mm左右。由于线阵影像内方位元素x_0和f具有相关性,从有理函数模型恢复严格物理模型,需要将x_0作为固定值。当x_0指定为真实值时,可以高精度恢复出原始严格物理模型:旋转有误差为±0.002”,摄影中心坐标误差为±5cm,内方位元素误差为±0.001mm。x_0值的指定理论上只导致真实像方坐标系与指定像方坐标系之间存在一个微小的旋转角,摄影中心的坐标并不受影响,且不影响立体定位精度。利用恢复的严格物理模型进行立体定位,地面精度损失在1mm以内。 最后,对所做工作进行了总结,并对需要进一步研究的问题进行了简要的讨论。 本文得到国家自然科学基金项目(40771174)、国家863计划课题(2007AA12Z178)、“曙光计划”项目(07SG24)的资助。


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