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本書主要介紹高分辨率遙感影像幾何定位中涉及的理論方法及關(guān)鍵技術(shù)，內(nèi)容包括高分辨率遙感影像的成像幾何模型、衛(wèi)星影像的姿態(tài)系統(tǒng)誤差檢校、攝影測量參數(shù)在軌幾何定標(biāo)、高分辨率遙感影像的光束法平差、多源輔助數(shù)據(jù)支持的遙感影像幾何定位、基于總體*小二乘理論的遙感影像幾何定位技術(shù)等。本書可以作為高等院校與科研機(jī)構(gòu)目標(biāo)工程、攝影測量與遙感、測繪工程、地理信息系統(tǒng)及相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員、管理人員和本科、研究生的教學(xué)科研參考書。

前言隨著航空航天技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代衛(wèi)星遙感技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，高分辨率對地觀測系統(tǒng)已成為地理空間信息獲取的重要手段。國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)尤其是國防建設(shè)更加迫切地需要精確掌握目標(biāo)的地理空間信息等特征，如何利用衛(wèi)星影像精確地獲取目標(biāo)的三維信息不可避免會涉及衛(wèi)星影像的高精度幾何定位。衛(wèi)星影像的高精度幾何定位是進(jìn)行遙感影像幾何處理和獲取各種地理空間信息的基礎(chǔ)，是高分辨率遙感衛(wèi)星影像能夠廣泛應(yīng)用的重要前提，是利用衛(wèi)星影像測制各種比例尺地形圖的基本保障。近年來，我國衛(wèi)星測繪工作也取得了長足發(fā)展，與國際先進(jìn)水平的差距不斷縮小。隨著天繪一號、資源三號、高分系列等衛(wèi)星的成功發(fā)射，我國高分辨率遙感衛(wèi)星的發(fā)展進(jìn)入全新階段，如何提升國產(chǎn)遙感衛(wèi)星影像幾何定位精度成為了國內(nèi)近幾年的研究熱點。遙感影像幾何定位精度主要依賴于三個方面：一是遙感影像內(nèi)符合精度，即遙感影像成像質(zhì)量；二是控制條件，包括星上控制和地面控制；三是幾何定位解算過程中的嚴(yán)密性。通常情況下，在進(jìn)行遙感影像高精度幾何定位時，需要利用一定地面實測控制信息以解決系統(tǒng)誤差問題，從而提高幾何定位精度。但是對于測繪困難和不易到達(dá)地區(qū)，實測控制點難以獲取，因此，國內(nèi)外許多專家學(xué)者致力于研究如何在不增加地面實測控制條件的情況下提升光學(xué)遙感影像幾何定位精度。在國家自然科學(xué)基金項目（批準(zhǔn)號:40571131、40901246、41301526）的資助下，我們持續(xù)開展了高分辨率遙感影像幾何處理與應(yīng)用方面的研究，在充分研究各類傳感器成像特點的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了不同傳感器衛(wèi)星影像的嚴(yán)格成像幾何模型和有理函數(shù)模型，針對直接立體定位精度不盡人意的情況，采用姿態(tài)角系統(tǒng)誤差檢校、傳感器攝影測量參數(shù)在軌幾何定標(biāo)、光束法區(qū)域網(wǎng)平差、多源輔助數(shù)據(jù)支持的及總體小二乘法用于遙感影像幾何定位的方法，分別從理論和技術(shù)的層面，提升了高分辨率遙感影像的幾何定位精度，在一定程度上豐富和發(fā)展了傳統(tǒng)的遙感影像攝影測量定位理論與技術(shù)。全書共分為九章，詳細(xì)闡述了高分辨率遙感影像幾何定位理論與方法。章闡述了當(dāng)前高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)處理中面臨的主要問題，重點整理并歸納了國內(nèi)外航天領(lǐng)域與幾何定位相關(guān)的研究現(xiàn)狀。第二章介紹了高分辨率遙感影像定位的基礎(chǔ)知識，以航天遙感傳感器為平臺，在實現(xiàn)對地面目標(biāo)定位的過程中，主要涉及坐標(biāo)系統(tǒng)及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，針對線陣傳感器每一掃描行的外方位元素不一樣的特點，構(gòu)建了不同的外方位元素內(nèi)插模型。第三章介紹了地理信息數(shù)據(jù)及本書采用的實驗影像數(shù)據(jù)，包括攜帶地面平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)信息的地理數(shù)據(jù)，以及實驗中采用的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星平臺的有效載荷及傳感器基本參數(shù)、星歷姿態(tài)等輔助數(shù)據(jù)及影像區(qū)域內(nèi)的地面控制點的數(shù)量與分布情況等。第四章構(gòu)建了高分辨率遙感影像的成像幾何模型，介紹了建立高分辨率遙感影像成像幾何模型涉及的坐標(biāo)系統(tǒng)及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，結(jié)合星上輔助數(shù)據(jù)，分別建立了對應(yīng)的成像幾何模型，針對影響衛(wèi)星影像直接立體定位精度的主要誤差為姿態(tài)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差這一問題，建立了姿態(tài)系統(tǒng)誤差檢校模型，通過真實影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗驗證并得出結(jié)論。第五章系統(tǒng)描述了攝影測量參數(shù)在軌幾何定標(biāo)方法，構(gòu)建了攝影測量參數(shù)的在軌幾何定標(biāo)模型，提出了一種利用常數(shù)模型和多項式模型對內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行分段標(biāo)定的方法，分別介紹了參數(shù)標(biāo)定的解算方法及具體步驟，對幾何定標(biāo)的方法進(jìn)行了深入探討。第六章介紹了高分辨率遙感影像光束法平差方法，根據(jù)不同的外方位元素模型分別建立了衛(wèi)星影像的常規(guī)光束法平差模型，根據(jù)傳感器的鏡頭誤差和線陣CCD誤差特性，構(gòu)建了自檢校參數(shù)模型，進(jìn)一步構(gòu)建了自檢校光束法平差模型，并利用驗前估權(quán)和驗后定權(quán)的方法克服定向參數(shù)之間的相關(guān)性問題，通過實驗驗證本書算法的正確性和在軌幾何定標(biāo)算法的有效性和必要性。第七章介紹了有理函數(shù)模型的衛(wèi)星影像一般定位方法，提出了一種利用立體影像匹配生成連接點的地形相關(guān)方案用于構(gòu)建有理函數(shù)模型的方法，對比分析不同方案構(gòu)建有理函數(shù)模型的優(yōu)缺點，并建立了多傳感器的直接立體定位模型和區(qū)域網(wǎng)平差模型，在攝影測量參數(shù)在軌定標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用不同的控制方案建立有理函數(shù)模型，以提高有理函數(shù)模型的無地面控制直接新聞單位本定位精度。第八章介紹了多源數(shù)據(jù)輔助遙感影像幾何定位的方法，使用基準(zhǔn)影像和數(shù)字高程模型兩種地理信息數(shù)據(jù)獲取輔助控制點，提高幾何定位精度，分別在無實測控制點和布設(shè)少量實測控制點兩種情況下，研究數(shù)量足夠且分布合理的輔助控制點參與定位時方法的有效性，并使用小區(qū)域基準(zhǔn)影像輔助大幅寬遙感影像定位，給出實驗結(jié)論。第九章介紹了總體小二乘法的多源數(shù)據(jù)輔助遙感影像定位理論與方法，包括一般總體小二乘法的基本概念，推導(dǎo)用于有理函數(shù)模型光束法平差的總體小二乘法，通過實驗驗證該方法的可行性和有效性。第十章為結(jié)論與展望，主要對本書所做的主要工作進(jìn)行歸納與總結(jié)，展望有待進(jìn)一步研究和解決的難點和問題。本書是作者近些年在高分辨率遙感影像幾何定位領(lǐng)域科研和學(xué)術(shù)研究工作的總結(jié)，在撰寫過程中參考、借鑒了大量國內(nèi)外同行的研究成果和文獻(xiàn)，謹(jǐn)在此表示誠摯的敬意與真誠的感謝。由于作者的理論學(xué)術(shù)水平有限，書中難免出現(xiàn)錯誤或疏漏之處，敬請專家同行及廣大讀者批評指正。

編者

2021年3月

第1章高分辨率遙感影像幾何定位技術(shù)綜述(1)

1.1研究背景及意義(1)

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(3)

1.2.1遙感衛(wèi)星成像幾何模型(3)

1.2.2基于模擬數(shù)據(jù)的分析及衛(wèi)星影像的系統(tǒng)誤差改正(6)

1.2.3影像定向參數(shù)間相關(guān)性問題及克服方法(7)

1.2.4衛(wèi)星影像在軌幾何定標(biāo)及光束法區(qū)域網(wǎng)平差(8)

1.2.5多源數(shù)據(jù)輔助目標(biāo)定位(11)

1.2.6總體小二乘理論用于遙感影像幾何定位(13)

1.3本章小結(jié)(13)

第2章遙感影像幾何定位基礎(chǔ)知識(14)

2.1典型高分辨率衛(wèi)星傳感器(14)

2.1.1SPOT5HRS對地觀測設(shè)備(14)

2.1.2天繪一號衛(wèi)星傳感器(15)

2.1.3資源三號衛(wèi)星三線陣傳感器(17)

2.2目標(biāo)定位中涉及的各類坐標(biāo)系及其相互轉(zhuǎn)換(19)

2.2.1掃描坐標(biāo)系(19)

2.2.2瞬時影像坐標(biāo)系(19)

2.2.3傳感器坐標(biāo)系(19)

2.2.4本體坐標(biāo)系(19)

2.2.5軌道坐標(biāo)系(20)

2.2.6空間固定參考坐標(biāo)系(20)

2.2.7地心地固坐標(biāo)系(20)

2.2.8高程系統(tǒng)(21)

2.3外方位元素建模(22)

2.3.1低階多項式模型(22)

2.3.2定向片模型(23)

2.3.3分段多項式模型(25)

2.4本章小結(jié)(26)

第3章常見地理信息數(shù)據(jù)及實驗數(shù)據(jù)(27)

3.1常見地理信息數(shù)據(jù)(27)

3.1.1基準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)(27)

3.1.2數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(28)

3.2模擬數(shù)據(jù)生成(28)

3.2.1單線陣CCD模擬數(shù)據(jù)生成(29)

3.2.2三線陣CCD模擬數(shù)據(jù)生成(30)

3.3真實衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(32)

3.3.1SPOT5HRS數(shù)據(jù)(32)

3.3.2天繪一號衛(wèi)星三線陣數(shù)據(jù)(33)

3.3.3資源三號衛(wèi)星三線陣數(shù)據(jù)(37)

3.3.4IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(41)

3.4本章小結(jié)(43)

第4章高分辨率遙感影像嚴(yán)格成像幾何模型(44)

4.1遙感衛(wèi)星影像成像幾何模型(44)

4.1.1SPOT5衛(wèi)星HRS影像成像幾何模型(45)

4.1.2天繪一號衛(wèi)星三線陣影像成像幾何模型(46)

4.1.3資源三號衛(wèi)星三線陣影像成像幾何模型(48)

4.2星歷姿態(tài)輔助條件下的衛(wèi)星影像直接立體定位(50)

4.3姿態(tài)系統(tǒng)誤差檢校模型的建立和解算(51)

4.3.1模型的建立(52)

4.3.2模型的解算(53)

4.4實驗與分析(58)

4.4.1衛(wèi)星影像無地面控制直接立體定位實驗(58)

4.4.2衛(wèi)星影像姿態(tài)系統(tǒng)誤差檢校實驗(60)

4.2.3資源三號衛(wèi)星三線陣影像姿態(tài)四元數(shù)系統(tǒng)誤差檢校實驗(64)

4.4.3利用地面控制點的影像定位實驗(67)

4.5本章小結(jié)(68)

第5章遙感衛(wèi)星線陣傳感器攝影測量參數(shù)在軌幾何定標(biāo)(69)

5.1衛(wèi)星成像幾何模型旋轉(zhuǎn)變換預(yù)處理(69)

5.2攝影測量參數(shù)標(biāo)定模型的構(gòu)建(70)

5.2.1內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定模型的建立與解算(71)

5.3.2外部參數(shù)標(biāo)定模型的建立與解算(75)

5.3幾何定標(biāo)的方法(77)

5.4基于模擬數(shù)據(jù)的攝影測量參數(shù)解算(79)

5.5基于地面檢校場的攝影測量參數(shù)解算(79)

5.6實驗與分析(81)

5.6.1基于模擬數(shù)據(jù)的攝影測量參數(shù)解算實驗(81)

5.6.2SPOT5 HRS影像實驗(83)

5.6.3天繪一號三線陣影像實驗(88)

5.6.4資源三號衛(wèi)星三線陣影像實驗(92)

5.7本章小結(jié)(94)

第6章高分辨率遙感影像光束法平差方法(96)

6.1常規(guī)光束法平差模型(96)

6.1.1低階多項式模型描述的光束法平差(97)

6.1.2定向片模型描述的光束法平差(98)

6.1.3分段多項式模型描述的光束法平差(100)

6.2帶附加參數(shù)的自檢校模型(101)

6.2.1顧及相差特點的附加參數(shù)模型(101)

6.2.2基于多項式描述的附加參數(shù)模型(104)

6.3自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型(105)

6.4平差時各未知參數(shù)間相關(guān)性克服策略(106)

6.4.1增設(shè)觀測方程條件下觀測值的定權(quán)方法(106)

6.4.2驗后方差分量估計定權(quán)方法(107)

6.5精度評定(107)

6.5.1理論精度(107)

6.5.2實際精度(108)

6.6實驗與分析(109)

6.6.1控制點布設(shè)方案(110)

6.6.2SPOT5衛(wèi)星HRS影像實驗(110)

6.6.3天繪一號衛(wèi)星三線陣影像實驗(114)

6.6.4資源三號衛(wèi)星三線陣影像實驗(118)

6.7本章小結(jié)(121)

第7章有理函數(shù)模型遙感影像幾何定位方法(122)

7.1有理函數(shù)模型(122)

7.2有理函數(shù)模型的建立與求解(123)

7.2.1建立有理函數(shù)模型的控制方案(123)

7.2.2有理多項式系數(shù)的解算(125)

7.3有理函數(shù)模型的直接立體定位方法(128)

7.4有理函數(shù)模型中系統(tǒng)誤差補償策略(130)

7.4.1基于物方補償方案的系統(tǒng)誤差補償模型(130)

7.4.2基于物方補償方案的系統(tǒng)誤差補償模型(131)

7.5基于有理函數(shù)模型的光束法平差(132)

7.6實驗與分析(134)

7.6.1不同控制方案下檢查點的有理函數(shù)模型定位實驗(135)

7.6.2不同控制方案下基于有理函數(shù)模型的直接對地定位實驗

(136)

7.6.3天繪一號衛(wèi)星附帶RPC產(chǎn)品驗證實驗(139)

7.6.4有理函數(shù)模型遙感影像幾何定位實驗(141)

7.7本章小結(jié)(150)

第8章多源數(shù)據(jù)輔助的遙感影像幾何定位方法(151)

8.1多源數(shù)據(jù)輔助遙感影像幾何定位的基本原理(151)

8.1.1輔助控制點的獲取(151)

8.1.2高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換(152)

8.1.3輔助控制點參與定位(152)

8.2實驗與分析(153)

8.2.1輔助控制點精度研究實驗(153)

8.2.2多源數(shù)據(jù)輔助定位實驗(161)

8.2.3小區(qū)域基準(zhǔn)影像輔助大幅寬遙感影像定位實驗(168)

8.3本章小結(jié)(173)

第9章基于總體小二乘法的多源數(shù)據(jù)輔助遙感影像定位(175)

9.1一般總體小二乘算法(175)

9.1.1EIV模型與總體小二乘法(175)

9.1.2一般總體小二乘法的基本算法(175)

9.2基于總體小二乘法的有理函數(shù)模型光束法平差(177)

9.3基于總體小二乘法的多源數(shù)據(jù)輔助定位方法(179)

9.4實驗與分析(180)

9.4.1基于TLS的有理函數(shù)模型幾何定位實驗(180)

9.4.2基于TLS的多源數(shù)據(jù)輔助定位實驗(183)

9.4.3基于TLS的小區(qū)域基準(zhǔn)影像輔助大幅寬遙感影像幾何定位實驗

(188)

9.5本章小結(jié)(192)

第10章結(jié)論與展望(194)

10.1研究結(jié)論(194)

10.2展望(196)

參考文獻(xiàn)(197)

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