多视高分卫星影像的姿态振颤建模与补偿

作     者：崔泽华 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘红播

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0816[工学-测绘科学与技术] 081602[工学-摄影测量与遥感] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：航天摄影测量 高分辨率卫星影像 多视影像 姿态振颤 数字表面模型 定位精度 

摘      要：在航天摄影测量中,定位精度是决定基于高分辨率卫星影像测图精度的重要因素之一,姿态振颤是制约定位精度的主要误差源,而目前许多高分卫星影像都受到了姿态振颤的影响。为提高定位精度,十分有必要研究姿态振颤的探测与补偿方法。本文引入高精度外部DSM作为参考数据,分别从姿态模型、多视影像、高程误差探测与补偿的角度探索姿态振颤的探测与补偿方法:(1)提出了一种基于惩罚样条姿态模型的姿态振颤建模方法。对于姿态传感器已探测到的姿态振颤,可在由卫星原始CCD影像经传感器校正生成影像产品时,选取适当的姿态模型对卫星原始姿态数据进行处理,吸收姿态振颤误差。而现有的姿态模型无法满足高精度姿态建模的需求,针对该问题本文提出了惩罚样条模型,并介绍了拉格朗日、三次多项式和切比雪夫模型作为对比。为评价姿态模型的振颤建模能力,提出了基于立体像对DSM相对和绝对高程精度的评价方法:计算前-下视和后-下视DSM高程差值;计算前-后视DSM与参考DSM的高程差值,根据高程差值及分布进行评价。以资源三号01星原始CCD数据为例,分别计算四种姿态模型DSM的相对、绝对高程差值图及相关统计量。惩罚样条模型DSM有最高的相对和绝对高程精度,本文提出的惩罚样条模型的振颤建模能力最强,能最大程度上吸收振颤,其他三种模型不能对姿态振颤进行正确建模。(2)基于多视影像密集连接点平差的姿态振颤检测与补偿。该方法主要针对姿态传感器由于欠采样等问题未探测到的高频姿态振颤。基于多视立体影像提取出大量的高密度连接点,将密集连接点代入自检校光束法平差模型进行平差,根据误差传播理论姿态振颤会由自检校光束法平差传播至像方残差中。基于三次B样条拟合出姿态振颤引起的像方残差,建立像方的姿态振颤补偿模型,将其引入成像模型,重新进行自检校光束法平差检验振颤补偿的效果。本文利用5景World View-3影像进行了实验验证,进行振颤补偿后,5景影像的像方残差均有所下降,行、列坐标RMSE分别最多下降0.172和0.349像元,消除了残差在行方向上的抖动效应。(3)基于数字表面模型的高分影像振颤补偿。当多视影像视数较少时,如只有一个两视立体像对,基于密集连接点平差的振颤补偿方法只能补偿姿态的滚动角误差,无法处理俯仰角误差。俯仰角误差会引起高分影像显著的高程误差,针对该问题,将参考DSM与立体像对DSM配准,根据DSM高程差值建立物方的高程补偿模型,利用RPC将补偿后的连接点对应地面点投影至像方,计算与原始像点的坐标差,将物方补偿模型转化为像方补偿模型,并将其引入成像模型,改正影像中的振颤,生成少振颤畸变的影像。使用资源三号02星立体影像进行实验,探测出了其存在的高程误差,相对参考DSM的高程差值平均值和RMSE分别为-0.013米和1.943米,进行高程补偿后生成的DSM分别下降为-0.002米和1.738米,高程精度有所提升。图20幅,表6个,参考文献64篇