无地面控制点卫星摄影测量

1、 1.引言 2.无地面控制点卫星摄影测量的特点 3.卫星在轨位置及姿态测量 4.无地面控制点卫星摄影测量发展现状 5.无地面控制点卫星摄影测量发展趋势内内 容容 1. 引引 言言 卫星摄影测量：利用各种卫星进行的摄 影测量。利用装载在卫星上的各种传感器从 宇宙空间对地球环境进行摄影，以取得大量 有研究价值的地球照片和资料，根据获取的 图像和信息进行分析、判读和几何处理，绘 成地图或提供地球资源、地球环境保护和军 事情报等方面的信息。 1. 引引 言言 1.引引 言言 “它可以到你无法到达的地区，飞机飞不过 去，人到不了那个地方去，那我航天遥感就 可以”。 “一组照片拍摄的面积就可以达到几千甚至

2、 上万平方公里”。 “将拍摄到的影像处理成带有精确坐标的信 息，从而制作出高清晰的数字影像地图”。 2. 无地面控制点卫星摄影测量的特点无地面控制点卫星摄影测量的特点 2.1不受地形和国界的限制 2.2获取影像资料迅速 2.3有效降低测绘成本 2.1 不受地形和国界的限制 截至2006年，我国西部还有200 万平方公里的国土，范围北纬 26504910,东经7430 10430,约5000幅1:50000地形 图，由于气候、环境、交通等条 件和以往测绘技术装备水平的限 制，还没有1:50000地形图。 国家西部空白区测图工程必须跨 越传统测绘作业模式，采用航空 航天遥感新技术-DGPSIMU辅

3、 助航空摄影、航空数码影像和高 分辨率卫星测图技术、雷达影像 测图技术等，设计和采用稀少或 无地面控制测图方案，才能实现 西部1：5万无图区的测绘。 2.1 不受地形和国界的限制 可以标定武器航迹和发射 与目标点的地理信息，可 以采集区域大面积的既定 面积的数字地球地理信息， 全面准确掌握的全球核心 地理信息，为应用于军事 领域的全球测绘更是提供 了最好的技术保障。 我国与周边国家领土争端 问题尚未完全解决，获得 实际控制区范围以外的有 争议领土上的重要目标位 置信息及其它地理信息， 对于我国边境安全有着重 要意义。 美国白宫美国白宫美国福克海军基地美国福克海军基地 美国汉福德核工厂美国汉福德

4、核工厂BGM“BGM“战斧战斧”巡航导弹巡航导弹 2.2 获取影像资料迅速 GeoEye公司于2008年发射的GeoEye-1卫星最高分辨率为0.41米，具备日拍摄70万 平方公里影像的能力，一天就可以获取相当于青海省面积的高分辨率影像。 DigtalGlobe 公司于2009年发射的WorldView-2卫星每天可以采集一百万平方公里 的数据，并能在1.1天内二次访问同一地点。由WorldView卫星组成的集群则可以 保证每天近二百万平方公里的数据采集量，实现在一天之内二次访问同一地点。 GeoEye-1WorldView-2 2.3 有效降低测绘成本 在我国西部地区，利用IKONOS产品制

5、图的费用为460元 /km2，是航空摄影费用的1.55倍。考虑到西部地区地形 条件、气候条件、交通条件较差，IKONOS产品的费用虽 然比航空摄影费贵，但是外业的费用极大降低，应用 IKONOS影像产品更加合算。 IKONOS卫星卫星 3.卫星在轨位置及姿态测量卫星在轨位置及姿态测量 3.1 在轨位置测量 3.2 在轨姿态测量 3.1 在轨位置测量 卫星激光测距：不仅能精确解算卫星至地面星下点 的轨道点高度，而且能改善摄影测量网的比例尺控 制精度，从而精确地计算出地形的起伏形状，提高 卫星摄影测量的定位精度。 多普勒：利用人造卫星发射的固有频率和地面站接 收频率的“多普勒频移效应”来进行人造卫

6、星定轨 和地面点定位的一种方法。根据地面站接收到的人 造卫星频率和人造卫星发射的固有频率的差值就能 求出人造卫星的轨道要素。 星载GPS：ALOS卫星采用星载双频GPS进行定位，摄 站坐标实时精度可达到1米。 组合方式:DORIS，星基多普勒轨道确定与无线电定 位组合确定，以对卫星精密定轨以及地面精确定位。 3.1 在轨位置测量 DORIS系统由星载设备、固 定定轨信标机组成的网、 主信标机以及定轨信标机 组成，可以对卫星精密定 轨以及地面精确定位。 法国利用在全球30多个国 家设立的60多个（截至 2007年）地面信标站向星 载DORIS接收机发出的信号， 通过测定多普勒频移，测 算SPOT

7、5卫星的轨道实时精 度可达到1米。 DORIS系统系统 3.2 在轨姿态测量 红外姿态测量仪：利用地球与太空温差达287K这一特点，以一定的 角频率，周期地对太空和地球作圆锥扫描，根据热辐射能的相位变 化来测定姿态角。如LANDSAT。 星相机：将恒星摄影机与对地摄影机组装在一起，两者的光轴交角 在90150之间的某一个角度，根据恒星星历表、摄影机标称光轴指 向数据解算姿态角，美国在Apollo上使用的恒星摄影机测定姿态精 度达5。 陀螺仪：陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在 不受外力影响时，是不会改变的，是一种能够精确地确定运动物体 的方位的仪器。 GPS：使用GPS的方法也

8、能测定姿态，它是将3台GPS接收机装载摄影 机组上，同时接受4颗以上的GPS卫星信号，反算出每台接收机的三 维坐标，进而解算出摄影机的3个姿态角。 组合姿态测量：利用陀螺仪、星相机来联合测姿，如日本ALOS卫星。 3.2 在轨姿态测量 日本ALOS卫星采用三台 高精度的星敏感器结合 惯性陀螺和附加的高精 度角度偏移测量传感器 ADS，通过联合姿态确 定算法。依靠星敏感器 测姿值和高精度角度偏 移测量传感器ADS的观 测值联合计算，使卫星 的姿态确定精度达到了 在轨处理为1.08，地 面事后处理为0.5的 水平。 ALOS卫星卫星 4. 无地面控制点卫星摄影测量的无地面控制点卫星摄影测量的发展现

9、状发展现状 4.1框幅式传感器影像无控制点摄影测量 4.2光学扫描式传感器影像无控制点摄影测量 4.3光学线面式传感器影像无控制点摄影测量 4.4 雷传感器影像无控制点摄影测量 4.1 框幅式传感器影像无控制点摄影测量 框幅式相机系静态摄影，影像几何保真度好。采用 增大航向像幅的相机，基高比得到改善，在无地面 控制点条件下，可以满足1:5万地形图要求。 各国返回式摄影测量卫星传感器系统的参数各国返回式摄影测量卫星传感器系统的参数 4.2光学扫描式传感器影像的无控制点摄影测量 大框幅相机摄影的相片一般是胶片式的，无法利 用数字格式进行传输，且胶片的长度有限，总信 息量不足，而且需回收后才能取得胶

10、片。因此难 以满足长时间运行的需要，还要冒回收的风险， 且费用昂贵。 随着电子和遥感技术的快速发展，利用CCD传感 器获取遥感影像的卫星越来越多。CCD相机可以 进行对地立体观测，它是目前对地观测十分有效 的传感器。国内外在利用扫描式传感器获取的影 像进行无控制点摄影测量研究领域，主要集中在 SPOT5、QuickBird、IKNOS、ALOS等几个构像几何 关系严密且影像分辨率高的卫星上。 4.2光学扫描式传感器影像的无控制点摄影测量 法国的SPOT卫星由于采用了具 有特色的设计思想和技术，其特 点是有斜向扫描，能立体成像。 SPOT5卫星影像在民用市场应用 极为广泛，目前法国正在计划发 展

11、SPOT6卫星。 SPOT 5卫星卫星 4.2光学扫描式传感器影像的无控制点摄影测量 一是基于星历和姿态数据无控制点摄影测量。利用SPOT5卫星提供的 Dimap Metadata文件中的星历数据及姿态数据，分别经过拉格朗日和 线性内插获得任意时刻的卫星位置和姿态，利用类似于空间前方交会 的解算地面坐标。研究表明利用这种方法进行无控制点摄影测量，平 面精度达50米，高程精度可达40米。 二是利用有理函数模型（RFM）来对推算地面点坐标，采用“与地形 无关”的方案。通过星历数据、姿态数据计算出外方位元素之后，则 利用外方位元素和严格几何模型生成“虚拟”的三维物方格网，并将这 些密集、均匀的格网点

12、作为“虚拟”的地面控制点，用以解算有理函数 模型系数，这些格网点的坐标可以利用严格传感器模型计算得到，而 不需要实际的地形信息，因此这种解算方案与实际的地形无关。 三是利用同一轨道上某一时刻精确己知的卫星系统参数的影像数据进 行外推，可以在一定范围内消除系统误差，提高定位精度。研究表明 通过加入一个控制点系统误差得到了一定的消除，定位精度有了很大 的提高，平面精度提高到十几米，高程精度提高到米级。 4.2光学扫描式传感器影像的无控制点摄影测量 日本的ALOS卫星采用的传感器是三线阵CCD相机,但立体测绘只有前、 后视影像,正视影像仅用于作正射影像。由于卫星在轨位置以及姿态 测量技术先进，可以在

13、无地面控制点条件下测绘12.5万比例尺,等 高距为10m的地形图,它是当前商业卫星中进行无控制点立体测图能力 最强的卫星。 巢湖巢湖2.5米全色和米全色和10米多光谱融合图米多光谱融合图 ALOS三线阵测图三线阵测图 4.3光学线面式传感器影像的无控制点摄影测量 西安测绘研究所王任享院士 提出了LMCCD相机(线阵面 阵CCD组合相机)的概念和实 现的基本条件，即三线阵加 四个CCD小面阵混合配置的 LMCCD摄影机思想。 将星测外方位元素参与平差 后，在经过影像数字模拟测 试后发现在无地面控制点的 卫星摄影测量方面优于单纯 的三线阵CCD相机。 装载有该相机的卫星“天绘 一号”于2010年8

14、月24日发 射，标志着我国全球测绘能 力有了新的跃升。 4.4 雷传感器影像的无控制点摄影测量 2000年，搭载在美国航天飞机“奋进”号上的SRTM 系统共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获 取北纬60度至南纬56度之间，面积超过1.19亿平方 公里的雷达影像数据，覆盖全球陆地表面的80%以上， 确定地面点位置精度20m，高程绝对精度16m，制成 了分辨率达30m的数字地形高程模。 SRTM 系统系统 SRTM 90米分辨率数据制作的中国全图米分辨率数据制作的中国全图 4.4 雷传感器影像的无控制点摄影测量 加拿大于2007年9月发 射的Radarsat-2，技术 更为先进。Rada

15、rsat-2 具有3米高分辨率成像 能力，多种极化方式使 用户选择更为灵活，根 据指令进行左右视切换 获取图像缩短了卫星的 重访周期，增加了立体 数据的获取能力。 该卫星具有强大的数据 存储功能和高精度姿态 测量及控制能力，并且 首次在SAR影像产品中， 提供RPC模型参数，对 于利用雷达传感器影像 进行无控制点摄影测量 将会有深远的影响。 RADARSAT-2 超精细模式超精细模式 RADARSAT-2 卫星卫星 RADARSAT-2 轨道轨道 5. 无地面控制点卫星摄影测量的无地面控制点卫星摄影测量的发展趋势发展趋势 5.1 位置及姿态测量技术的发展 5.2 传感器技术的发展 5.3 理论上的演进 5.1 位置及姿态测量技术的发展 地面测控站分布更为均匀 姿态测量传感器更加精密 2007年年 DORIS系统定轨信标网站点分布系统定轨信标网站点分布陀螺仪陀螺仪 5.2 传感器技术的发展 时间、空间、辐射、光 谱分辨率继续提高。 传输型传感器成为航天 传感器的主要发展方向， 其中线阵CCD传感器和合 成孔径雷达SAR又是动态 传感器的主流，三