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卫星三线阵CCD影像光束法空中三角测量平差研究的进展

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  框幅相机胶片立体摄影测量首次在美国阿波罗月球测图中实现,从此摄影测量学科中产生了“卫星摄影测量”名词,这一名词既适用于航天对地球摄影测量,也适用于宇航对外星球的摄影测量。框幅相片几何保真度好,只依靠影像本身可以应用光束法空中三角测量(以下简称光束法平差)重建外方位元素和建立变形很小的航线立体模型,在轨测定的外方位元素作为带权观测值参与平差,既起到绝对定向和改正像点量测误差的系统累计作用,又对外方位元素作滤波处理。对于5m分辨率的影像,在无地面控制点条件下可以很好地满足1:5万比例尺(20m等高距)测图要求,同时对卫星平台稳定度要求较低,卫星工程技术相对容易,所以德国康尼斯里教授曾说过:从制图目的而言,胶片框幅相片是最好用的。

  随着数字摄影及传输技术的发展,1980年出现了三线阵CCD相机,其原理仍沿用传统的三缝隙连续胶片航空摄影机。将三线阵CCD相机作为卫星摄影测量有两种基本模式考虑,即二线阵影像交会定点和三线阵影像联合平差。三线阵影像联合平差的出发点是希望由推扫原理得到的三线阵CCD影像也能像框幅相片那样,只依靠影像本身通过光束法平差重建外方位元素和立体模型,在现有外方位元素测定精度条件下,像框幅相片那样实现无地面控制点测制1:5万比例尺地形图。国外不少学者在这方面作过研究,这将是本文叙述的重点。

  1 二线阵影像交会定点

  二线阵影像交会定点模式就是只利用前视和后视影像作前方交会,正视影像主要用于生成正射影像,当前、后视影像中有摄影死角时,正视影像可以起到弥补作用,但基高比下降一半。二线阵交会要用到的技术有多样:如美国的MapSat和OIS,首次建议采用三线阵CCD相机,卫星上设备还包括GPS和星相机,要求卫星平台稳定度为10-6°¤s,可以不用地面控制点测制1:5万比例尺地形图;日本Alos卫星采用星敏感器和角度测量器测定的姿态角精度优于0.7",配合双频GPS接收机,目标是在无地面控制点条件下测制1:2.5 万比例尺地形图;印度采用前倾5°,后倾26°的两个线阵CCD相机,但摄影测量处理要求地面控制点参与;也有的学者提出在二个线阵CCD相机中除星相机和GPS外,再设置激光测距仪,实现精确绝对定向的设想。总之,二线阵模式,若无地面控制点支持,则对卫星的稳定度,外方位精度以及激光测距等硬件设备功能要求较高。

  2 三线阵影像联合平差

  2.1 “定向片法”三线阵CCD影像光束法平差

  上世纪八十年代,德国学者首次在MOMS工程中创立了两种联合处理三线阵CCD影像的光束法平差方案,其中之一为“定向片法”的光束法平差。他们期望三线阵CCD影像光束法平差也能有框幅相片那样功能,从而降低卫星平台稳定度的要求,以及提高外方位元素观测值的利用效能,这种方案是将仅仅依靠三线阵影像本身无法解算CCD影像每一个采样周期(时刻)的外方位元素问题化解为只要解算“定向片”时刻的外方位元素,而任意CCD影像采样时刻的外方位元素则从其相邻的定向片值中内插。平差中设定基线/定向片距=整数+0.25,此处基线为前视或后视与正视相机摄影中心的距离。他们在三线阵CCD影像摄影测量理论,特别在重建外方位元素的光束法平差方面作出了卓有成效的贡献,我国留德学者张森林博士和唐粮博士都参加了这方面研究。在三线阵影像联合平差模式下,对卫星平台稳定度要求可以大大放宽,德国学者甚至说可以不作要求。他们在模拟计算研究中采用低频的正、余弦多项式表达姿态变化,但在MOMS工程模拟计算中发现光束法平差重建的立体模型存在很大的扭曲,并不像框幅相片光束法平差重建的立体模型只有很小的变形,也不像他们初期以航空摄影参数作的模拟计算的结果,尤其是高程误差之大更令人难以置信。他们将原因归结为航线影像宽度/卫星高度(简称宽高比)太小所致,因而得出在以下条件下利用MOMS-02的影像才能获得5m精度的DEM:即要有适当精度的外方位元素观测值和精度为50m的DEM;无外方位元素时,要有网状分布的地面控制点或精度为20m的DEM,并且强调不提倡无地面控制点。MOMS后期在俄罗斯空间站上以MOMS-2P实践,也取得相应结果,之后再未见在理论上的研究发展,卫星摄影中宽/高比小是传输型卫星普遍的问题,也许就是这个原因,MOMS之后没有见到卫星三线阵CCD影像光束法平差的应用。相反的,日本Alos卫星以无地面控制点测图,用的是三线阵相机,但仍按二线阵交会定点,而没有采用光束法平差。

  2.2 EFP法LMCCD影像光束法平差

  笔者1980—1982年在ITC学习期间就开始了“等效静态摄影片法”(简称ESP)的探讨,回国后改为EFP(Equivalent Frame Photo)三线阵CCD影像光束法平差,平差只计算EFP时刻(类似定向片时刻)的外方位元素。1985年在国内发表的论文曾被张森林同志带到德国并示于其导师,德国同行惊叹中国这么早就有人研究这方面的问题,而且立论的思路与我们不谋而合。很长时期以来,笔者将此命题只当作个人的学术自留地研究,无工程背景。断断续续的模拟试验研究中采用与德国学者相似的低频正、余弦多项式,模拟卫星平台稳定度并设定角元素变化率为10-3°¤s,先后提出了在光束法平差中增加同类外方位元素二阶差分等零条件(基于卫星飞行平稳,外方位变化轨迹视为连续)作为带权观测值参与平差,EFP法的特点是在构成空中三角锁的框架下,选定EFP上的像点配置,设定基线/EFP时刻间距=10(整数),即一条三线阵CCD影像航线包含十个EFP空中三角锁,解算中没有法方程式求逆奇异问题,光束法平差精度有所改善,但航线模型依然有较大的扭曲,其量级与德国学者定向片法发表的基本相当。为判断宽/高比太小是否是最主要原因,采用宽/高比=1作模拟计算,航线模型扭曲状况并无明显改善,说明宽高比太小并不一定是航线模型扭曲大的最主要原因。经过很多的模拟计算,分析发现尽管在各EFP时刻三角锁之间在外方位元素方面有二阶差分等零条件约束,但在模型方没有有效的联接条件,使得全航线模型不能得到好的整合,在三线阵CCD影像模式下,无法建立有效的联接点条件才是最主要原因,进而创造了称之谓LMCCD相机的设计思想,即由三个线阵CCD和四个小面阵CCD混合配置,示意如下图1:

  


  

三个线阵CCD

  


  

图1 三个线阵CCD和四个小面阵CCD配置而成的LMCCD

  其中四个小面阵CCD配置在正视相机上的CCD线阵两侧,这样在EFP时刻采样时不但有三个CCD线阵影像,还有四个小面阵影像均属于该EFP时刻的中心投影影像,选择其中的影像作联接点,能有效地在模型空间将各EFP时刻的三角锁联接起来并整合为变形很小的航线立体模型,得到与框幅相片光束法平差建立的立体模型相类似的功能。不论是利用外方位元素观测值平差或仅用航线首末四个控制点参与绝对定向,LMCCD影像均明显优于仅有三线阵CCD影像。此外, LMCCD影像光束法平差即使航线长度只有两条基线,也能得到很好结果。在影像分辨率为5m,利用现有卫星外方位元素观测值,在无地面控制点条件下能够满足20m等高距的1:5万比例尺地形图要求。EFP法LMCCD影像光束法平差至今仍属于笔者的学术研究,争取在我国传输型摄影测量卫星中得以应用,尚需在卫星工程实践中不断完善。笔者大量的模拟计算中还发现三线阵CCD影像光束法平差的航线模型大的扭曲与摄影机的焦距长度有关,在卫星平台稳定度为10-4°¤s时,若相机焦距小于100mm者,可以不考虑采用LMCCD原理,卫星平台稳定度越差,要求相机焦距越短,通常月球或火星探测中所用的相机焦距都不长,也许只采用三线阵CCD相机即可,如果要作为很高分辨率的摄影测量,相机焦距大于100mm,则应该采用LMCCD相机模式为妥。

  我国嫦娥一号卫星相机焦距较短,为23.3mm,经笔者应用EFP法作过三线阵CCD模式和LMCCD模式比较,LMCCD模式精度仅略好一些,没有必要采用LMCCD模式。

  笔者在本届ISPRS会议没有发表有关上述论点的文章,在本文中涉及到的论点也未注明参考文献,但感兴趣的读者可参阅笔者的专著“三线阵CCD影像卫星摄影测量原理”一书,其中各种论点均有注解,由于专著只有中文版,在此笔者对不懂汉文的读者表示歉意。

  笔者希望通过这一文章有助于摄影测量界继续发展对三线阵CCD影像光束法平差的研究。(中国科学院院士,西安测绘研究所 王任享)


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