基于GeoEye
第1章绪论
1.1研究背景及意义
近些年来，随着时代科技的进步，人民生活质量的不断提高，人们对于在国民经济建设以及生活各类空间信息数据等产品的需求日益的增大。尤其当进入世纪，网络和信息化逐渐的成为人们生活中不可替代的的重要因素和要素，随着大数据;时代的到来，大到国家经济建设，小到人们日常出行，以空间数据为基础的各类地图以及各类专题地图成为了整个时代所不可或缺的保障性信息产品。
遥感，顾名思义遥远的感知，它作为一种综合诸多学科的探测性技术。尤其是航天遥感的发展，越来越多的多时相、多光谱、高光谱、高分辨率遥感影像和相应产品的出现，迅速有效的挖掘着地球表面资源、地形等信息，不仅提供了诸多的资料信息，而且对于精确、科学的地学预测提供了丰富的成果信息。近些年来，尤其是世纪年代以来，随着计算机的飞速发展，以及物理材料的突飞猛进，航天技术也得到了极大的提高，卫星遥感技术全面的融入到人们的生活中。
1.1.1国内外高分辨率遥感卫星发展简介
1994年，时任美国总统的克林顿为了保护美国本土遥感卫星公司的商业利益，颁布并实施了PFF-23法令，允许美国的商业卫星公司制造和发射亚米级高分辨率遥感卫星，并允许其投入商业化运营。至此，以地球观察公司、卫星空间成像公司等为首美国卫星影像商业公司迎来了高速发展的黄金阶段，也极大的推动了星载遥感的飞速进步。
1999年09月24日，卫星空间成像公司在美国加利福尼亚范登堡空军基地将卫星送入预定轨道，其全色影像分辨率高达0.82米，多光谱影像分辨率3.28米。IONOS卫星的成功发射标志着全新的高分辨率卫星遥感时代的到来。
随后的十年间，世界各国先后发射了诸多的高分辨率、多光谱、多传感器平台的对地观测卫星。2001年10月18日，美国数字地球公司发射了快鸟遥感卫星，其携带了0.61米全色波段传感器和2.44米分辨率的多光谱传感器，幅宽达16.5公里。
1.2国内外研究现状
对于不同平台的遥感平台，其严密传感器模型均不相同。随着高分辨率卫星遥感平台的不断涌现，对于不同类型的传感器则需要采用不同的处理标准和方法来建立像空间到物方地面点坐标之间的对应关系。其次，由于星载传感器严密模型的极复杂性，且诸多商业卫星的传感器模型出于技术保密的目的，并不向用户开放，因此，建立一种通用的传感器模型亟需必要。
当推扫式传感器出现后，Oamoto H提出利用仿射变换模型模拟其像一物空间转换关系。Hattori S等则通过实验进一步验证了仿射变换模型的适用性。Fraser C S通过实验针对仿射变换模型系数进行了物理意义解释，并第一次将仿射变换模型应用到IONOS卫星影像处理中。
当IONOS出现并广泛应用，随着国际摄影测量与遥感协会成立专门的有理函数模型工作研究小组后，基于有理函数模型的研究全面展开。Dowman I等基于有理函数模型提出了其平差的误差传播理论。Dial G等则实验并验证了有理函数模型在城区、山区三维重建、立体测图的可能性。Tao C V等研究了基于最小二乘原理求解有理函数模型系数的计算方法，并实验验证。Hu Y 经过实验分析提出了基于像空间和物空间利用地面像控点来提高有理函数模型定位精度的理论。
刘军等曾利用有理函数模型完成了三维定位处理。张永生等则探讨了基于有理函数模型的三维重建问题。在此基础上，刘军等则推导了基于有理函数模型交会重建的数学模型。
由于RPC在构建像方坐标到物方地面点坐标时常出现各类系统或偶然误差，Hu Y等提出了基于正则化批处理最小二乘迭代法及增量离散卡尔曼滤波法的两种有理函数模型优化方法。而Dial G等通过IONOS卫星提出了RPC-A的补偿优化模型。
国内方面，张永军等提出了基于离差阵和消去变换及残余误差补偿的优化方法。袁修孝等提出了基于岭估计的有理函数模型参数求解方法。
最近些年来，由于各遥感卫星平台不断的涌现，对有理函数模型的适用性研究逐步的扩展。Yang G D等利用有理函数模型对SPOT 6卫星影像试验了正射校正。张过等利用有理函数模型成功的对SAR影像完成立体测图。
第2章传统传感器几何模型的基本原理
2.1高分辨率卫星遥感影像方位元素
摄影测量的意义在于由像点坐标反求其对应的地物点坐标⑴。对于卫星影像来说，为实现像点坐标到物方坐标的转换，需要知道摄影瞬间传感器投影中心、像点和地面点三者的空间位置关系，通常将确定此关系的模型参数称之为方位元素。方位元素又可分为内方位元素和外方位元素。
内方位元素用来确定摄影中心与影像之间的关系。在传统航空摄影测量中，由于摄影瞬间，影像各像元数据的采集是同时完成。作为线阵推扫式的卫星传感器，每个像元在获取瞬间其焦平面是唯一固定的，位置也经过严格的几何校正。在卫星传感器推扫成像时，其内方位元素是保持恒定不变。
外方位元素是确定摄影瞬间传感器的空间位置、姿态变化】。不同于航空摄影测量传感器，卫星在影像获取时，各像元成像与时间相关，而且在完成成像过程中，传感器的位置、姿态随时间变化，因此，卫星影像的外方位元素是随时间变化的较为复杂的一种数学表述式。尽管高分辨遥感卫星一般采用了GPS、恒星跟踪仪、激光陀螺仪来获取卫星轨道信息，但是对于影像每一个扫描线来说，其对应的摄影中心和姿态位置均不同，而且在每一个扫描线上各像元也存在差异。因此，对于卫星影像来说，其每个像元的外方位元素均为时间基础上的数学表述。其成像模式如图2-1所示。
2.2基于共线方程的传感器模型
在摄影测量学中，共线方程模型主要针对于航空影像，作为严密传感器模型，共线方程可构建严格意义上的影像坐标到其对应的地面点坐标的映射转换关系。在相机摄影瞬间，对于任何像点和其对应的地面点及相机传感器摄影中心三者在同一条直线上，如图2-2所示。
对于航空摄影测量来说，若巳知摄影瞬间相机传感器中心的空间坐标及空间姿态关系，也就是外方位元素，根据像点、相机中心点、地面点之间的共线条件，可建立基于共线方程的严密传感器模型。
第3章基于有理函数的传感器模型..........16
3.1有理函数的数学表述和特点.......16
3.1.1有理函数的数学表述形式........16
3.1.2有理函数的特点........16
第4章有理函数模型的解算及优化........22
4.1有理函数模型系数的解算方法.......22
第5章基于RFM的立体像对三维重建原理与方法.........33
5.1基于有理函数模型的空间交会模型..........33
5.2基于有理函数模型的空间交会理论算法..........33
第6章基于GeoEye-1卫星遥感影像的实验分析
6.1GeoEye-1卫星遥感影像数据特征
6.1.1GeoEye-1卫星基本参数
GeoEye-1卫星传感器
2008年9月6日，GeoEye-1卫星成功发射，其米0.41的超高分辨率进一步刷新了商业卫星影像分辨率的记录，且稳定性得到更大的提高。
GeoEye-1卫星是由美国亚利桑那州通用动力公司设计并制造，如图6-1所示，它由GPS装置、陀螺仪、太阳能面板、固态硬盘存储装置、恒温装置、轨道系统、光学传感器、恒星相机、数据天线等组成。
GeoEye-1卫星采用三线阵推扫式CCD成像系统。GeoEye-1卫星通光口径为焦距为1.1m。所携带的光学望远镜、目标探测器以及焦平面组件和强大的数据处理元件可以实现每秒7亿像素影像的采集。
结论和展望
结论
本文介绍了仿射变换、多项式变换及直接线性变换的基本模型，并探讨了三者在高分辨遥感卫星影像定位应用中的局限性，即受限于高分辨率遥感卫星影像窄视场角和长焦距的物体特性以及复杂的成像原理，其解算结果往往会出现震荡现象。
作为独立于严密传感器模型外的一种通用传感器模型，有理函数模型因其简易的数学表述及稳定的拟合效果，广泛应用于高分辨率遥感卫星影像的定位中。对于共线方程来说，需解决的关键问题在于对外方位元素的求解；而对于有理函数模型来说，有理函数模型系数的解算关乎着影像定位及后续三维重建的精度。
有理函数模型系数的解算因严密传感器模型是否已知可分为地形无关和地形相关两种方法。前者当卫星影像的轨道信息参数已知时，可通过插值拟合方法计算。但是由于其计算过程缺少地面控制信息的改正，受轨道误差影响其定位结果往往存在系统误差，其主要表现为影像定位误差向量一致，而且在三维重建时往往会出现误差累计。
而对于地形相关方案，尽管通过大量地面像控点使用最小二乘可以直接求解RPC，然而，其解算精度受地面像控点的数量及分布情况直接影响，精度往往不够。有学者提出有理函数模型仿射变换来针对基于地形解算误差进行间接补偿，但是，当高差起伏较大时，像控点稀疏所带来的影响很难消除。
围绕有理函数模型系数解算问题，本论文所做的主要工作以及相关结论包括：
（一）通过对有理函数数学模型的研究，通过模拟数据，分析得到了有理函数模型通过以物方坐标作为自变量像平面坐标为因变量的变化规律，即当物方坐标任意两向值固定时，像平面行列向值会随自变量的线性变化出现类线性变化规律，通过对该规律的分析，确定了基于地形相关方案RPC解算误差的补偿办法及步骤方法。
参考文献（略）