公開(kāi)DEM輔助的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像無(wú)地面控制點(diǎn)定位技術(shù)研究

陳小衛(wèi)

北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094

在全球測(cè)繪的背景下，研究衛(wèi)星影像在無(wú)地面控制點(diǎn)(簡(jiǎn)稱無(wú)控)條件下的高精度定位不僅可有效提高作業(yè)效率、節(jié)省大量人力物力，在戰(zhàn)時(shí)、應(yīng)急等服務(wù)保障中更是具有極大的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，各種高分辨率、高精度的全球DEM陸續(xù)公開(kāi)發(fā)布，這些數(shù)據(jù)可作為改善衛(wèi)星影像無(wú)控定位精度很好的輔助數(shù)據(jù)。本文圍繞公開(kāi)DEM輔助國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像無(wú)控定位技術(shù)進(jìn)行研究，提出了基于公開(kāi)DEM的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像無(wú)控定位的一整套理論與方法。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)總結(jié)梳理了各種高分辨率全球公開(kāi)DEM的基本信息、特點(diǎn)及其發(fā)展完善過(guò)程，并采用定性分析法、跑道法和高差法等對(duì)其質(zhì)量和精度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明SRTM DEM和AW3D30 DSM無(wú)明顯的噪聲和粗差，可較好地表達(dá)各種地形，且AW3D30 DSM具有更豐富的細(xì)節(jié)信息；ASTER GDEM存在較明顯的顆粒效應(yīng)，故在地形起伏較小的地區(qū)難以很好地表達(dá)地形。

(2)針對(duì)公開(kāi)DEM輔助衛(wèi)星影像定位的問(wèn)題，提出一種基于DEM匹配的立體影像高效穩(wěn)健無(wú)控定位方法。首先從影像中提取待匹配DEM；然后將其與公開(kāi)DEM進(jìn)行匹配，匹配時(shí)根據(jù)參與匹配的DEM的分辨率自適應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)點(diǎn)確定策略，以保證計(jì)算效率，并將截尾最小二乘估計(jì)引入最小高差法克服DEM局部變形、粗差等造成的不利影響；最后求解影像的定位誤差補(bǔ)償參數(shù)。試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法能對(duì)公開(kāi)DEM的整體高精度特性和豐富信息加以充分利用，具有較好的穩(wěn)健性和較高的計(jì)算效率。

(3)為充分補(bǔ)償影像定位參數(shù)中的誤差，同時(shí)克服落水區(qū)域?qū)EM提取的不利影響，提出了一種公開(kāi)DEM多級(jí)約束的立體影像無(wú)控定位方法。該方法將公開(kāi)DEM加以充分利用：既作為DEM匹配的基準(zhǔn)；還用于輔助提取待匹配DEM，同時(shí)作為高程確定的約束和落水區(qū)域標(biāo)記的參考。此外，也通過(guò)自由網(wǎng)平差對(duì)多視影像之間的交會(huì)條件進(jìn)行改善。試驗(yàn)表明該方法可對(duì)影像定位參數(shù)中的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差進(jìn)行充分有效地補(bǔ)償，對(duì)內(nèi)陸、海島(礁)等不同區(qū)域的影像以及天繪一號(hào)、資源三號(hào)等不同衛(wèi)星平臺(tái)的影像都具有較好的適用性。

(4)為解決平坦地區(qū)影像中的定位誤差難以直接通過(guò)DEM匹配進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，同時(shí)改善區(qū)域內(nèi)各立體影像定位精度的不一致，提出一種公開(kāi)DEM輔助的區(qū)域立體影像無(wú)控定位方法。該方法首先根據(jù)地形起伏程度確定各立體影像的誤差補(bǔ)償策略：對(duì)于平坦地區(qū)影像，僅利用公開(kāi)DEM輔助改善高程精度，非平坦地區(qū)則通過(guò)DEM匹配對(duì)平面和高程誤差進(jìn)行充分補(bǔ)償；然后再利用已進(jìn)行高精度誤差補(bǔ)償?shù)姆瞧教沟貐^(qū)影像通過(guò)精度傳遞進(jìn)一步補(bǔ)償平坦地區(qū)影像中的誤差；最后進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。試驗(yàn)表明通過(guò)DEM輔助的高程誤差補(bǔ)償、基于重疊區(qū)域的精度傳遞等處理，能有效提高平坦地區(qū)影像的定位精度；區(qū)域網(wǎng)平差能有效改善區(qū)域內(nèi)各立體影像精度的一致性；此外，該方法對(duì)較大區(qū)域的影像數(shù)據(jù)也具有較好的適用性。

(5)在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了公開(kāi)DEM輔助的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像無(wú)控定位原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)人性化，操作簡(jiǎn)單便捷，具有較高的自動(dòng)化程度；通過(guò)實(shí)際部署測(cè)試，驗(yàn)證了研究?jī)?nèi)容的可行性、有效性及系統(tǒng)的可靠性，可較好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)和應(yīng)用中，以改善國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像的定位精度。