（摄影测量与遥感专业论文）高分辨率卫星影像中核线模型的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 高分辨率卫星影像的发展为摄影测量带来新的研究方向，本文在总结已有高 分辨率卫星影像定位技术的基础上，重点研究了卫星影像核线生成问题。论文的 主要工作如下： ( 1 ) 分析了卫星影像成像模式与框幅式成像模式差异，归纳总结了现有的卫星 影像有理函数模型的解算方法和影像点定位算法，为有理函数模型下卫星影像核 线生成奠定理论基础； ( 2 ) 在改进核线扫描法的基础上，提出了基于高程微分的核线投影轨迹生成算 法，它通过对有理函数模型中地面高程z 的微分，获得核线在影像范围内的走向 和形状，利用零高程点确定核线在影像中的位置。该方法实现了有理函数模型下 核线解析解的一种简单的求解方法； ( 3 ) 在高程微分核线生成方法的基础上推导了有理函数模型下的基础矩阵，建 立了立体影像对中任意像点与核线的对应关系，从理论上验证了线阵影像中精确 共轭核线对是不存在的； ( 4 ) 采用i k o n o s 数据对高分辨卫星影像定位和核线生成算法进行验证和分 析。实验结果表明：论文提出的核线生成方法是正确和有效的。 主题词：高分辨率卫星影像，有理函数模型，影像定位，核线生成，零高程， 高程微分，基础矩阵 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f h i 曲r e s o l u t i o ns a t e l l i t ei m a g eh a se x t e n d e dan e w r e s e a r c hf i e l d i np h o t o g r a m m e t r y b a s e do ns u m m a r i z i n gt h et e c h n o l o g y0 np r e c i s ep o s i t i o n i n go f h i 曲r e s o l u t i o ns a t e l l i t ei m a g e ，t h ee p i p o l a rl i n em o d e lo fs a t e l l i t ei m a g ei ss t u d i e di n t h i sp a p e r t h ee f f o r t so fh i sp a p e ri sd e v o t e dt os o l v i n gt h ef o l l o w i n gf o u rp r o b l e m s ： ( 1 ) t h ed i f f e r e n c eo fi m a g i n gm o d eb e t w e e ns a t e l l i t ei m a g ea n df r a m e p e r s p e c t i v e i m a g ea n dt h ei d e ao fe p i p o l a rp r o j e c t i o nt r a c k i n ga r ea n a l y z e d ，t h e nt h er a t i o n a l f u n c t i o nm o d e lo fh i 曲r e s o l u t i o ns a t e l l i t ei m a g ea n dt h ep r e c i s ep o s i t i o n i n gm e t h o d s a r es u m m a r i z e d ，w h i c ha r et h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ee p i p o l a rm o d e lo fs a t e l l i t e i m a g eb yu s i n gt h er a t i o n a lf u n c t i o nm o d e l ( 2 ) b a s e do nt h ei m p r o v e m e n to ft h ee p i p o l a rl i n es c a n n i n gm e t h o d ，an e wa l g o r i t h m f o re p i p o l a rl i n eg e n e r a t i n gb a s e do ne l e v a t i o nd i f f e r e n t i a li sp r o p o s e d i nt h ep r o p o s e d m e t h o d ，t h et r e n da n ds h a p eo ft h ee p i p o l a rl i n ei ni m a g ea r eo b t a i n e db yt h ed i f f e r e n t i a l o ft h ee l e v a t i o nzo fg r o u n dp o i n t si nt h er a t i o n a lf u n c t i o nm o d e la n dt h e nt h ep o s i t i o n o ft h ee p i p o l a rl i n ei ni m a g ei sa c q u i r e db yz e r oe l e v a t i o np o i n t s t h i sm e t h o dh a s s u p e r i o r i t yi ns o l v i n gt h ee p i p o l a rl i n ep r o b l e mp r e c i s e l yu n d e rt h er a t i o n a lf u n c t i o n m o d e l ( 3 ) t h ef u n d a m e n t a lm a t r i xu n d e rt h er a t i o n a lf u n c t i o nm o d e li sd e d u c e do nt h eb a s i s o ft h ep r o p o s e dm e t h o d t h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e na n yp o i n ti na ni m a g ea n dt h e e p i p o l a rl i n ei na n o t h e ri m a g ei se s t a b l i s h e db yt h ef u n d a m e n t a lm a t r i xa n dt h e ni ti s v e r i f i e di nt h e o r yt h a tt h ep r e c i s ec o n j u g a t e de p i p o l a rl i n ep a i rd o e sn o te x i s ti nt h e l i n e a ra r r a yi m a g e s ( 4 ) t h ep r e c i s ep o s i t i o n i n gm e t h o da n de p i p o l a rl i n eg e n e r a t i n ga l g o r i t h ma r e e v a l u a t e du s i n gi k o n o sh i g hr e s o l u t i o ns a t e l l i t ei m a g e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e t h a tt h ep r o p o s e de p i p o l a rl i n eg e n e r a t i n ga l g o r i t h mi sa c c u r a t ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：h i g hr e s o l u t i o ns a t e l l i t ei m a g e ；r a t i o n a lf u n c t i o nm o d e l ；p r e c i s e p o s i t i o n i n g ；e p i p o l a rl i n eg e n e r a t i n g ；z e r oe l e v a t i o n ；e l e v a t i o nd i f f e r e n t i a l ；f u n d a m e n t a l m a t r i x 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 i k o n o s 影像产品列表2 表1 2q u i c k b i r d 影像产品列表。3 表1 3s p o t 5 星载传感器参数4 表4 1 单景影像地面定位坐标5 0 表4 2 立体影像地面定位坐标。5 0 表4 3 立体影像与单景影像地面定位差。5 1 表4 4 左影像像素坐标及右核线方程5 3 表4 5 右影像像点坐标5 4 表4 6 右影像像点对应左核线方程5 6 表4 7 左影像中y 坐标误差5 7 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 图 图 图 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图目录 框幅式影像核线关系示意图1 8 线阵c c d 卫星成像示意图1 9 立体卫星影像核线示意图2 0 卫星立体影像共轭核线示意图2 0 影像行扫描流程图2 5 核线可能分布示意图2 6 核线坐标输出流程图2 6 地面铅锤线核线生成示意图2 7 投影光线升降法核线生成示意图2 8 核线生成流程图3 4 核线生成示意图3 5 基于零高程的同名像点解算流程图3 8 共轭核线示意图4 2 基础矩阵产生流程图。4 7 左影像待测像点5 2 右影像中核线5 3 左影像中核线5 5 左影像核线全景图和红黄核线差别5 6 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：直佥趱室里星受倦生楚绫搓型鲍盈窒 学位论文作者签名：j 乏l 塑阻 日期： 砂矿# - - 月垆日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 直金趁窒里星墅鱼主趑垡搓型的珏究 学位论文作者签名：亟堑熊日期：矽罗年，f 月y , r j 作者指导教师签名：逊! 垒 一日期：础年f 1 月l 蛔 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 二十世纪七十年代以来，对地观测卫星得到了迅速的发展，卫星影像的大范 围、多谱段、时效性强的特点使其得到广泛的应用。卫星轨道远高于普通意义的 国家领空，星载相机分辨率的日益提高可实现对全球任何地面信息的采集，高分 辨率卫星对国家的经济政治发展和国家安全有着巨大的战略意义，因此高分辨率 卫星被世界各国广泛的研究。 1 1 研究背景 随着计算机技术的发展和地理空间信息应用的深入，缺少三维信息的g i s 数 据越来越难以满足在土地管理、电力、电信、水利、消防和数字城市等行业以及 军事上的实际需求，许多场合需要高精度详细的地物目标三维信息。多年来经过 研究人员的不懈努力，我国在航空影像三维信息提取方面取得了较多成果。近年 来随着i k o n o s 、q u i c k b i r d 等高分辨率商业遥感卫星的投入使用，大范围、高精 度、多谱段、时效性强的数字立体影像信息可以方便获得，利用卫星影像提取地 物目标的三维信息成为可能，同时卫星观测不受地域限制，与航空遥感相比有很 大的优越性，利用卫星影像获取地物目标三维信息的需求在应用中越来越迫切。 因此，开展高分辨率光学遥感影像，特别是卫星遥感影像地物目标三维信息提取 技术的研究在民用和军事应用上都是非常必要的。 1 2 典型高分辨率卫星系统简介 1 9 7 2 年的美国发射的第一颗地球观测卫星l a n d s a t - 1 ，其m s s ( 多光谱扫描仪) 影像的像素地面分辨率仅为7 9 m ，经过十年的发展，l a n d s a t - 4 5 的t m ( 主题制图 仪) 地面分辨率达到3 0 m ，如今的l a n d s a t - 7 的e t m ( 增强型主题制图仪) 影像像 素地面分辨率达到1 0 m 。1 9 8 6 年、1 9 9 0 年法国分别发射的s p o t l 和s p o t 2 卫星， 卫星对地面分辨率增强到1 0 m ，高分辨率卫星影像的发展降低了绘制地形图的成 本，极大提高了作业效率。高分辨率卫星的发展促进传统摄影测量的发展，s p o t 卫星在相邻轨道上对同一地区进行立体观测，由于相邻轨道的距离较大，因此获 得的影像适合于立体测绘。s p o t 影像为海湾战争中的多国部队提供可靠的地形信 息保证，为空中打击和打击效能评估提供重要依据。 美国克林顿政府于9 0 年代取消了1 0 m - l m 级分辨卫星遥感影像数据的商业销 售禁令，随之带来高分辨率卫星系统的快速发展，其中仅美国就有许多私营公司 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 提出不同种卫星方案：地球观测公司( e a r t hw a t c h ) 提出“e a r l yb i r d ”和“q u i c kb i r d 卫星系统，其空间分辨率优于l m ，g d e 公司提出g d e 卫星系统，轨道成像公司 ( o r b i m a g e ) 提出“o r b v i e w 卫星系统，具有标志性意义的是空问成像公司( s p a c e i m a g e ) 推出i k o n o s 卫星系统，l m 的地面分辨率使得空间遥感影像与航空遥感 影像在空间分辨率方面具有可比性。9 0 年代世界各国高分辨率卫星有了很大的发 展，俄罗斯k o m e t a 卫星携带的k v r - 1 0 0 0 传感器的像片地面分辨率达到2 m ， 法国具有5 m - 2 5 m 全色影像地面分辨率的s p o t 5 ( h r g ) 和以色列的e r o s 一2 等高分辨率遥感卫星相继问世【5 1 。 1 2 1 i k o n o s 卫星系统 i k o n o s 卫星由空间成像公司设计，是全球首个投入商业应用的高分辨率卫 星。i k o n o s 卫星由美国的洛克希德一马丁建造，并在1 9 9 9 年9 月2 4 曰成功发 射升空，它采用太阳同步轨道，轨道倾角9 8 1 。，设计轨道高度6 8 1 k m ，轨道周 期9 8 。3 m i n ，在当地时间上午1 0 ：3 0 通过赤道，卫星空间飞行速度7 5 k n s ，相对 地面飞行速度6 7 9 k m s 。i k o n o s 卫星的传感器系统由美国伊斯曼一柯达公司 ( e a s t m a nk o d a k ) 研制，包括一个l m 分辨率的全色传感器和一个4 m 分辨率的多 光谱传感器，传感器光学系统等效焦距为1 0 m ，视角为0 9 3 1 。，在轨道设计高度 飞行时，其下视o 。偏角情况下，全色波段分辨率为0 8 2 m ，多光谱分辨率3 2 8 m ， 地面扫描宽度11 3 k m 。i k o n o s 的成像方式较为灵活，由于其传感器系统采用独 特的机械设计，相机可以以相当大的角度偏移正下视角，最大可进行6 0 度前后俯 仰或侧视，当卫星传感器下视角2 6 。时，全色波段的平均地面分辨率为l m 左右， 多光谱分辨率达到4 m ，地面扫描宽度为1 3 8 k m 例1 4 j 。 i k o n o s 采用单线阵c c d 传感器，通过卫星相机的机械传动装置，左右侧向 偏转获得异轨立体影像。i k o n o s 获取同轨立体影像方式比较特别，在卫星接近 待观测区域时，相机镜头向前偏转并采集获得第一幅影像，在卫星飞离观测区域 后，相机镜头向后偏转获得第二幅影像。 根据影像测量获得地面坐标和实际地面点坐标的误差，i k o n o s 产品分为六 个精度等级：g e o 、s t a n d a r do r t h o 、r e f e r e n c e 、p r o 、p r e c i s i o n 和p r e c i s i o np l u s 。 表1 1i k o n o s 影像产品列表 位置精度正射成像立体 产品级别 c e 9 0 mr m sn m a s校正 角度影像 g e o1 5 0 mn 人n k 否 6 0 。- 9 0 。 否 s t a n d a r do r t h o5 0 0 m2 5 0 m1 ：1 0 万 是6 0 。- 9 0 。否 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 r e f e r e n c e2 5 4 m 1 1 8 m l ：5 万是 6 0 。- 9 0 0 是 p r o1 0 2 m4 8 m1 ：1 2 万是6 6 。 9 0 。否 p r e c i s i o n4 1 m1 9 ml ：4 8 0 0是7 2 。9 0 0是 p r e c i s i o np l u s2 0 m0 9 m1 ：2 4 0 0 是 7 5 。9 0 。 否 区分不同级别影像的标准是圆概率误差c e 9 0 ( c i r c u l a re r r o ra t9 0 p r o b a b i l i t y ) ，均方根误差r m s ( r o o tm e a ns q u a r ee r r o r ) 和美国测绘标准n m a s ( t h eu s n a t i o n a la c c u r a c ys t a n d a r d s ) 。这些产品中，g e o 和s t a n d a r do r t h o 是初 级产品，精度较低，仅适用于概略目视观看和最基本的地图应用。正射纠正产品 r e f e r e n c e 、p r o 、p r e c i s i o n 和p r e c i s i o np l u s 精度从5 0 m 到lm 依次递增，能满足大 区域的g i s ( 地理信息系统) 应用，交通、运输、城市规划与经济发展决策，高精 度城市构建分析与基础设施规划等方面，其中对军事上面的应用更是不言而喻。 i k o n o s 影像的立体产品只有r e f e r e n c e 和p r e c i s i o n 两个级别，其像素分辨率为 l m ，地面误差约为2 5 m c e 9 0 ，而p r e c i s i o n 级别添加少量地面控制点，地面误差达 到4 r a c e 9 0 。s p a c ei m a g e 公司提供的i k o n o s 产品为8 位或ll 位深度的t i f f 影 像，采用了u t m 、国家平面投影、亚尔伯斯等面积圆锥投影、兰伯特等角圆锥投 影和横墨卡托投影等方式生成产品影像。s p a c ei m a g e 公司根据用户的订单需求， 通过光盘或网络等媒介发送数据给用户。 1 。2 。2q u i c k b i r d 卫星系统 经过多次发射，数字地球公司( d i g i t a lg l o b e ) 终于在2 0 0 1 年1 0 月1 8 日将 q u i c k b i r d 2 卫星发射成功，其轨道高4 5 0 k m ，轨道倾角6 6 。，飞行速度7 1 k m s ， 每天上午1 0 ：3 0 通过赤道，轨道周期9 3 5 m i n ，垂直成像宽度1 6 5 k m ，当传感器 摆动3 0 度时地面扫描带宽1 9 k i n ，平面精度2 3 m 。相比于其它卫星系统，q u i c k b i r d 最大的特点是其最大的条带宽度、极大的在线存储容量和较高的地面分辨率。 q u i c k b i r d 也具有推扫、横扫成像能力，可获得同轨立体和异轨立体影像能力，其 同轨影像基线和高的比为o 6 2 0 之间，较适合于三维信息提取，不同纬度的重访 周期在l 一3 5 天之间1 6 j 。 数字地球公司( d i g i t a lg l o b e ) 销售影像时，除了提供有理函数模型外，还提 供严密传感器模型，严密传感器模型中的传感器成像参数、姿态参数和轨道星历 参数保存在i s d ( i m a g es u p p o r td a t a ) 中，其产品根据处理程度和定位精度的不同， 分为五个级别。 表1 2q u i c k b i r d 影像产品列表 i 产品级别 f 处理形式| 定位精度l 覆盖范围l 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 c e 9 0 mr m s e m b a s i c 级原始影像2 3 1 4 全球 s t a n d a r d 级几何纠正 2 31 4 全球 o r t h 0 1 ：2 5 万正射纠正 1 2 77 7 全球 o r t h o l ：1 2 万正射纠正 1 0 26 2 美国 o r t h o1 ：4 8 0 0 正射纠正4 12 5 美国 o r t h o 自定义级 正射纠正可变可变全球 在这些产品中，只有b a s i c 级是最原始的卫星影像产品，仅进行了辐射校正和 传感器扭曲校正，没有进行几何纠正和地图投影，结合影像的严格传感器模型和 有理函数模型，适合专业的摄影测量处理。s t a n d a r d 级产品在b a s i c 级上添加了几 何纠正和地图投影，其地面定位精度略有提高。正射纠正产品o r t h o 级影像包括分 辨率0 6 m 和0 7 m 的全色、真彩色或全色锐化影像以及分辨率为2 4 m 和2 8 m 的 多光谱影像，数字地球公司( d i g i t a lg l o b e ) 可以根据自己收集的地面控制点提供 固定地面定位误差的影像产品，也可以根据用户提供的地面控制点，对产品的纠 正和对定位误差控制【7 1 。 1 2 3s p o 1 - 5 卫星系统 s p o t ( s y s t e m ep r o b a t o i r ed 、o b s e r v a t i o nd el at e r r e ) 卫星是另一类高分辨率对 地观测卫星，主要由法国空间局( c n e s ) 设计，分别于1 9 8 6 年、1 9 9 0 年、1 9 9 3 年、1 9 9 8 年、2 0 0 2 年发射s p o t1 - 5 系列卫星。s p o t 系列卫星具有相同的轨道参 数，采用太阳同步准回归轨道，轨道高8 2 2 k m ，轨道倾角9 8 7 。，飞行周期1 0 1 4 m i n ， 卫星采用3 轴姿态控制，卫星通过赤道( 降交点) 时间为当地时间上午1 0 ：3 0 ，其 侧视角为2 7 度心1 。 目前仅s p o t - 4 和s p o t 一5 在轨运行，s p o t 5 对s p o t 4 有部分改进，提高了 多光谱分辨率，其全色影像分辨率从1 0 m 提高到5 m 。s p o t 5 上搭载了改进型高 分辨率可见光与红外成像系统h r v i r + ( h i g hr e s o l u t i o nv i s i b l ea n dm i d d l ei n f r a r e d i m a g i n gs y s t e m ) 、植被探测器v i ( v e g e t a t i o ni m a g i n g ) 、高分辨率立体成像装置 h g s ( h i g hr e s o l u t i o ns t e r e o s c o p i c ) ，其参数如下： 表l 。3s p o t 5 星载传感器参数 i 传感器l 波段i 波长( 1 0 e x p 6 m )1 分辨率( m ) i 动态范围 扫幅( k m ) i 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 h r v i r +p a n0 51 0 7 3 2 5 586 0 x s l0 5 0 田5 9 绿 1 0 x s 2 0 61 - 4 ) 6 8 红 1 0 x s 3 0 7 8 0 8 9 近红外 1 0 x s 42 0 1 5 8 1 7 5 短波近红外 v 10 4 3 0 4 71 0 0 082 2 5 0 o 6 l o 6 8 绿 1 0 0 0 o 7 8 o 8 9 近红外 1 0 0 0 1 5 8 1 7 5 短波近红外 1 0 0 0 s p o t 5 通过自己的超级模式( s u p e r m o d e ) 可将全色影像地面分辨率提高到 2 5 m ，也即是亚像元技术。此技术为法国空间局的专利，通过对两幅同时获得的 影像隔行扫描，内插获得中间像素；之后利用h r g ( h i g hr e s o l u t i o ng e o m e t r i c ， 起源于h 】w i r + ) 装置对影像去卷积，以消除影像的模糊；最后消除去卷积带来的 噪声影响。 s p o t 5 卫星具有获取同轨立体影像的能力，通过其星载相机调整其立体反光 镜，无需对卫星姿态调整，即可实现卫星的前视2 0 。、下视和后视2 0 。的调整。 s p o t 5 卫星也具有异轨立体成像的能力，立体成像时其成像模型的基线与轨道高 度之比1 2 ：1 ，具有良好的立体交会特性。 其产品分为s p o ts c e n e 和s p o tv i e w 两类，s p o ts c e n e 产品分为1 a 、1 b 和2 a 三个级别，s p o tv i e w 为2 b 和3 级两个级别，1 a 为原始影像，仅进行了 辐射校正，定位精度优于5 0 m ，其余级别定位精度依次上升。3 级产品具有最高精 度，产品是正射影像，其产品精度依赖于d e m 和地面控制点的精度，一般可达 15 m 。 1 3 国内外研究现状与发展趋势 1 3 1 高分辨率卫星测绘领域国内外研究机构 近十年来，随着s p o t 、i k o n o s 、q u i e k b i r d 等高分辨率卫星的投入使用， 国内外多家研究机构展开了对卫星成像模型的研究。国外研究机构如瑞士苏黎世 高等工业大学大地测量与摄影测量研究所( i g p ) 、德国汉诺威大学、德国波恩大 学摄影测量研究所( i p b ) 、美国南加州大学机器人与智能系统研究所( i r i s ) 、 德国斯图加特大学摄影测量研究所( i f p ) 、法国e n s t 大学、加拿大卡尔加里大 学( u n i v e r s i t yo fc a l c a r y ) 以及荷兰代尔夫特理工大学( d e l f tu n i v e r s i t yo f 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t e c h n o l o g y ) 等，国内的研究机构主要有中科院、武汉大学、解放军信息工程大学 和同济大学等。在高分辨率卫星影像测绘领域国外的研究开展较早，目前已经在 d e m 数据提取和建筑物三维重建方面开展研究，国内研究略晚，与国外有一定差 距。 1 3 2 高分辨率卫星物像模型有理函数模型 高分辨率卫星影像最基础的研究是成像模型的研究，由于严格成像模型的复 杂性和某些定向参数的无法获取( 如i k o n o s ) ，大多数研究倾向于使用近似成 像模型，如多项式模型、有理函数模型、仿射变换模型【2 0 】以及直接线性变换模型 等，这些近似成像模型的计算简单、精确程度可以满足多数应用需求( 保证有足 够的地面控制点) 而且通用性强( 独立于传感器类型) ，d p o l i t l 】和m i c h e lm o r g a n t 4 0 】 分别分析了卫星影像的近似平行投影特性，并就多种成像模型的适用条件和近似 模型的系统误差补偿方法给出了深入的讨论，国内解放军信息工程大学测绘学院 的张永生【6 】教授等对高分辨率卫星影像成像模型的生成开展了大量研究，刘掣2 5 】 和王冬g e 【2 6 1 等对基于r p c 模型( 有理多项式系数模型) 的i k o n o s 卫星影像高精 度立体定位方法进行了深入的研究，综合m o r g a n 和张永生的研究成果，线阵卫星 影像采用有理函数模型可以避免对其复杂成像方式的讨论，同时又可以保证较高 的模型精度。 线阵c c d 随着卫星的飞行对地球表面扫描成像，获得的带状影像经过拼接以 及简单的几何校正、辐射校正形成初级影像产品。卫星影像不同时刻c c d 影像单 元的定向参数也不同，基于摄影测量理论下的定向参数极为复杂和繁琐，因此卫 星影像销售商提出与卫星轨道参数无关的有理函数模型( r a t i o n a lf u n c t i o nm o d e l ) t 3 】 以及与之对应的有理多项式系数r p c ( r a t i o n a lp o l y n o m i a lc o e f f i c i e m s 或r a p i d p o s i t i o n i n gc a p a b i l i t y ) 9 1 1 0 1 【1 1 】，这种模型与传感器无关，是一种通用成像模型，可 以替代以共线条件为基础的严格几何模型，其通用形式如下 岛( z ，y ，z ) ( 1y x z y 3x ) ( qa 2 a 2 0 ) 1 p 2 ( x ，y ，z ) ( 1y xz y x 3 ) ( 1 吃如o ) 1 ，。 c ：旦! 茎：兰! 墨2 ：! ! 兰垄星：芝查：! ! 鱼垒：! 垫e 、。 仇( x ，l z ) ( 1y x z px 3 ) ( 1 畋畋o ) 1 这种与传感器无关的物像影射模型很好的适用于卫星影像，不同于摄影测量 严格几何模型，有理函数模型即不需要卫星复杂的姿态控制参数和轨道星历参数， 也无需相机的内外方位元素等定向参数，这样降低了对卫星影像使用者的摄影测 量专业知识要求以及复杂的软件硬件处理平台的要求，因此有理函数模型被高分 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 辨率卫星影像广泛应用。其中( ，_ ，c ) 和( x ，】，z ) 分别表示经过处理的像点坐标和物 点坐标，若规定有理多项式的最高次数为三次【1 2 】【1 3 】，则上式中只的一般形式为( 以 i = l 为例) 133 e ( x ，y ，z ) = x 。y j z 七 l = 1 ，t l k = l = q + a 2 y + a 3 x + a 4 z + a s y x + a 6 y z + a t x z + a s y 2 + a g x 2 + q o z 2( 1 2 ) + q l x t z + 9 2 y 3 + q 3 2 + q 4 y z 24 - 0 1 5 y 2 x + a 1 6 x + 口1 7 z z 2 + 口1 s y 2 z + 呸9 x 2 z + a 2 0 2 3 有理函数模型( 1 1 ) 采用三次多项式比值形式来拟合物像模型，其中一次项模拟 模型中类似框幅式成像的线性部分，二次项模拟地球曲率和椭圆轨道造成的影响， 三次项系数模拟因大气折射和地面其它干扰引起的影响。有理函数模型中分子分 母多项式由2 0 项组成，其中的一次项和常数项类似于框幅式摄影测量中的共线方 程，框幅式物像关系如下 ，：一，r a , ( x - x o ) + b l ( r - r o ) + g ( z - z o ) 。q ( y 一) + 6 3 ( i 一k ) + c 3 ( z z j ) ，吼 c ：一7 r 垒! 堑二墨2 垒些二墨2 1 2 堡二圣2 u 。7 。吧( z k ) + 6 3 ( j ，一k ) + 巳( z 一乙) 有理函数模型能较好的适用于卫星影像，主要因为其有以下优点： ( 1 ) 形式相对简单； ( 2 ) l 1 5 多项式模型适应的形态范围更广： ( 3 ) l g 多项式模型内插特性更好，曲线更光滑，误差摆动更小： ( 4 ) 具有极好的外插能力； ( 5 ) 具有极好的渐近特性，能以较低的阶次表达复杂结构曲线或曲面，特别适 合于非线性模型建模； ( 6 ) 较易于计算处理，它拥有一个可变的坐标系。 当该模型应用于框幅式航空影像时，对应的二次项和三次项系数急剧减小， 理想情况下为零，有理函数模型退化为分子分母都为次的共线方程( 1 3 ) 。 1 3 3 高分辨率卫星测绘研究方向 目前高分辨率卫星的分辨率已经跨入厘米级，高分辨率卫星影像对影像物点 像点模型提出更高要求，新的物像模型在满足高可靠性的同时必须满足多波段通 用型、兼容性和模型的易用性，这给有理函数模型提出新的挑战。高分辨率卫星 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 测绘领域以研究像点的空间定位为基础，在此基础下有如下研究方向： ( 1 ) 线阵卫星影像有理函数模型生成。有理函数模型与成像模型无关和高精度 的优点使其被卫星影像广泛应用，目前利用已有影像数据和地面控制点构建有理 函数模型的问题已经解决，但相比于框幅式共线方程模型，严格模型精度有待进 一步提高。 ( 2 ) 有理函数模型的空间点定位。空间点定位技术比较成熟，目前可以实现依 靠单帧影像或立体影像空间定位，或者结合地面信息的空间定位。 ( 3 ) 线阵影像中有理函数模型的简化。有理函数模型中包含8 0 个r p c 系数， 某些情况下会给应用带来不便，有理函数模型的简化即在模型复杂度和精度上寻 求最优，有理函数模型的简化处理方法有如下几种：一是高次模型简化，即将有 理函数模型中的高次系数简化消去【4 2 】，形成仿射变换下的物像模型，根据仿射模 型求解核线模型；二是对有理函数模型分母多项式的简化，a i r o u s a nn 和c h e n g p 提出的多项式拟合法，即把分母多项式简化为1 ，使物像模型成为多项式模型， 根据地面控制点对分子多项式拟合更新，形成物像的多项式模型。 ( 4 ) 有理函数模型下卫星影像成像几何的变化。卫星影像成像几何的变化必然 引起相关理论的变化，最显著的是核线和基础矩阵变化，变化体现在影像中是核 线模型的弯曲。摄影测量领域对线阵影像核线有如下处理方法：一是铅垂核线法， 通过具有相同地面水平坐标而高程不同的点在立体影像投影获得左右核线：二是 投影轨迹法，即左影像上像点在空间中的投影光线，通过左投影光线上点对右影 像投影，获得右核线，左核线获得方法相同。投影轨迹法产生的核线理论比较严 密，较好的适用于线阵影像核线分析，m o r g a n 和张永生等提出基于影像内外定向 元素的投影轨迹核线生成法，推导了影像共线方程下的核线模型，得出线阵c c d 卫星影像的核线是二次双曲线的结论，该方法严格地依据成像原理，生成了高定 位精度的核线f 4 3 1 。然而，对于当前可用的多种高分辨率商业卫星影像，如i k o n o s ， 其卫星的运行星历和星载相机的内方位元素是难以得到的，因而这种方法的适用 受到很大限制，线阵影像严格成像模型下的核线研究具有一定的理论意义。 ( 5 ) 有理函数模型和卫星影像测绘的新应用。国外研究机构对高分辨率卫星影 像研究开展较旱，目前在有理函数模型和卫星测绘应用方面研究较深，其研究成 功已经可以自动生成d s m 和d t m ，并且在城市三维重建成果比较丰富：卫星影 像用于d s m 和d t m 的自动生成，a g r u e n 和张力【2 】在对以往依据航空遥感影像手 动或半自动生成d s m 和d t m 方法的认识基础上，提出了已知卫星遥感影像成像 模型的影像自动匹配方法，利用多种匹配基元、集成多种匹配算法的匹配策略， 该算法是从物空间出发，因而可以同时匹配超过两幅以上的遥感影像，并且极大 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 地提高了匹配的正确性，得到了较为密集的高精度的d s m ；3 d 城市建模的应用， c s f r a s e r 1 8 1 等对i k o n o s 卫星影像的评估表明对建筑物的三维重建结果只能表现 其整体结构，而无法得到细微构造，但从墨尔本大学校园的重建结果来看，已经 满足一般3 d 城市建模的需要，而且卫星影像的多光谱信息将可能对有效区分地 物、提高其重建正确性有很大帮助，g s o h n 等提出了利用l i d a rd e m 和i k o n o s 影像的建筑物自动提取方法，对于实现利用卫星影像进行3 d 城市建模提供了帮 助。线阵c c d 成像系统已经被引入到航空成像领域，比如惯性导航和g p s 结合的 a d s 4 0 系统，但航空平台不稳定性增加了模型的复杂度，武汉大学的张力对基于 航空的线阵c c d 模型进行研究，得到了满意的结果。 相比于国外研究现状，国内研究成果略显滞后，尤其在d s m 生成和三维重建 方面。制约国内研究落后的主要问题是对卫星影像成像模型研究不够充分，针对 此，本文开展高分辨率卫星影像的核线研究。 1 4 本文工作及章节安排 本文的核心工作是利用有理函数模型生成卫星立体影像的同名核线，并讨论 卫星影像核线的特点。 第一章为绪论部分，主要阐述论文研究背景，介绍了典型的高分辨率卫星系 统，总结了高分辨率卫星影像的现状与发展趋势。 第二章通过查阅国内外相关卫星影像和有理函数模型的文献，归纳总结了现 有的卫星影像有理函数模型的解算方法和影像点定位算法。 第三章是本文的核心，分析了卫星影像和航空影像核线成像模式的差异，在 核线投影轨迹思想上，提出了立体影像核线的基于零高程生成法，并在高程微分 法的基础上对卫星影像基础矩阵严格理论分析。 第四章对高分辨卫星影像定位和核线生成算法进行了验证和分析。 第五章为结束语，对本文的工作总结和展望。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章卫星影像有理函数模型解算与影像点定位 高分辨率卫星影像为航天摄影测量提供了新的研究内容，卫星影像感光器件 以线阵c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 为主流，相比于搭载胶片相机的返回式卫星， 线阵c c d 卫星具有较长的轨道运行时间，影像拍摄成本低，并且线阵c c d 的数 字影像有利于影像数据的实时传输，因此推扫式成像方式被高分辨率卫星广泛应 用。 有理函数模型与传感器无关的特性使其被推扫式线阵卫星影像广泛应用，现 有的卫星系统中，i k o n o s 卫星影像仅附带有理函数模型，q u i c kb i r d 卫星影像和 s p o t 卫星影像也提供有理函数模型，这些采用有理函数模型的卫星系统中，以 i k o n o s 卫星系统最具代表性，因此本文研究和分析以i k o n o s 卫星影像为例。 2 1 有理函数模型解算 有理函数模型的高精度使卫星影像的测绘应用成为可能，有理函数模型r f m 的高精度由对应的有理多项式系数r p c 体现，有理函数模型通用形式如下 ，；璺( 茎：! ：2c ：p 3 ( x , y , z ) p 2 ( x ，y ，z ) 7p a x ，y ，z ) 以i k o n o s 影像为例( r p c 参数参见附录a 、b ) ，l i n en u mc o e f f 、 l i n ed e n c o e f f 、s a m p n u mc o e f f 、s a m pd e nc o e f f 分别代表有理函 数模型中的a 、仍、岛和鼽中的系数，分析其系数，有如下规律： ( 1 ) 一次项系数远大于二次项系数： ( 2 ) - - 次项系数远大于三次项系数： ( 3 ) 分子中一次项系数远大于分母中一次项系数： ( 4 ) 分母的第一项系数恒等于1 ： ( 5 ) 含有高程项的系数小于对应经度纬度项的系数。 这些表层的规律以及隐藏在模