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基于四元数的高分辨率卫星遥感影像定位理论与方法研究

作　者: 龚辉
导　师: 姜挺
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 摄影测量与遥感
关键词: 四元数 高分辨率卫星遥感影像 几何定位 信噪比 成像几何模型 集成传感器定向 区域网平差
分类号: TP751
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


高精度定位是遥感影像几何处理和地理空间信息获取的基础,是利用高分辨率卫星遥感影像测制各种比例尺地形图的基本保障。本文针对当前高分辨率卫星遥感影像几何处理中还存在的问题,引入四元数作为描述成像传感器姿态的数学工具,对基于四元数的高分辨率卫星遥感影像定位理论与方法所涉及的外方位元素建模、成像几何模型的构建、多传感器的区域网平差等多个关键问题进行了较为深入的研究,论文完成的主要工作和创新点如下:1.根据四元数描述三维旋转的优势和线阵推扫影像的成像特点,分别建立了基于四元数微分方程和基于四元数球面线性插值的外方位元素模型,以此作为本文研究的基础。2.提出了一种利用信噪比对外方位元素求解的精度和稳定性进行定性和定量分析的方法,并通过仿真数据和实际影像数据验证了四元数外方位元素相关性对定位精度的影响,为后续基于四元数的高分辨率卫星遥感影像几何定位研究提供参考。3.建立了基于四元数的成像几何模型;提出了一种由四元数构造独立解算参数参与计算以克服四元数描述成像姿态造成相关的方法,并推导建立了相应的线性化误差方程式,仅利用现有的摄影测量平差方法即可求解,便于将四元数方法在现有软件上拓展。4.研究利用信噪比反映出的相关性对外方位元素影响的先验信息,构造Tikhonov正则化方法的正则化矩阵和参数以进一步克服外方位元素之间的相关性。5.研究实现了星历姿态数据支持的四元数集成传感器定向,并对星历姿态数据与成像时间可能存在的同步性误差进行了初步探讨;提出一种通过修正飞行方向像坐标以提高无地面控制定位精度的方法,实验结果表明经修正后的飞行方向坐标可显著提高集成定位精度。6.顾及独立解算参数,提出了一种基于四元数微分方程的高分辨率卫星遥感影像外方位元素求解方法,实验结果表明该方法正确可靠,解算参数的引入效果显著,对定位精度有一定的提高,确保未知数个数和对控制点的需要与现有方法相同,并且完全避免了三角函数运算。7.在引入解算参数的基础上,改进了基于四元数球面线性插值的外方位元素求解方法。同时分析和建立了基于选权迭代的外方位元素抗差计算方法,在此基础上进行四元数立体定位,并用实验验证了算法的有效性和适应性。8.将星历姿态数据作为带权观测值,建立了四元数外方位元素模型的误差方程式;提出了两种基于多传感器的四元数区域网平差模型,并用实验验证了平差模型的特性及对控制点的需求,为高分辨率卫星遥感影像的几何处理提供一条基于四元数的技术思路。

全文目录


主要符号表  9-13
摘要  13-14
Abstract  14-16
第1章 绪论  16-37
  1.1 研究背景及意义  16-17
  1.2 高分辨率卫星对地观测系统的现状与发展  17-24
    1.2.1 典型的高分辨率卫星对地观测系统  17-22
    1.2.2 高分辨率卫星系统呈现的特点  22-23
    1.2.3 高分辨率卫星系统的发展趋势  23-24
  1.3 高分辨率卫星遥感影像几何处理的研究进展  24-31
    1.3.1 国外研究现状  24-29
    1.3.2 国内研究情况  29-31
  1.4 四元数及其在摄影测量中的应用  31-34
  1.5 本文的研究内容和结构安排  34-37
第2章 四元数基础及外方位元素建模  37-73
  2.1 四元数基础  37-47
    2.1.1 四元数的定义与基本运算  37-40
    2.1.2 四元数表达的三维旋转  40-42
    2.1.3 四元数的导数与微分  42-44
    2.1.4 四元数的球面线性插值  44-46
    2.1.5 四元数球面四角插值  46
    2.1.6 四元数三次样条插值  46-47
  2.2 基于姿态四元数微分方程的外方位元素建模  47-50
    2.2.1 基于姿态四元数微分方程的外方位元素建模  47-48
    2.2.2 基于四元数微分方程的共线方程线性化  48-50
  2.3 基于四元数球面线性插值的外方位元素建模  50-52
    2.3.1 基于四元数球面线性插值的外方位元素建模  51
    2.3.2 基于四元数球面线性插值的共线方程线性化  51-52
  2.4 基于信噪比的外方位元素求解精度和稳定性分析  52-58
    2.4.1 外方位元素信噪比的定义与构造  53-54
    2.4.2 基于信噪比的外方位元素求解精度和稳定性的定性分析  54-56
    2.4.3 基于信噪比的外方位元素求解精度和稳定性的定量分析  56-58
  2.5 四元数外方位元素相关性对定位精度影响分析与仿真  58-72
    2.5.1 仿真原理与方法  58-59
    2.5.2 仿真数据生成  59-60
    2.5.3 理论分析与仿真实验  60-67
    2.5.4 实际数据的实验  67-71
    2.5.5 几点有益的结论  71-72
  2.6 本章小结  72-73
第3章 卫星影像成像几何模型及其求解  73-85
  3.1 相关坐标系统及其转换  73-77
    3.1.1 像方坐标系  73-74
    3.1.2 导航相关坐标系  74-76
    3.1.3 物方坐标系  76-77
  3.2 严格成像几何模型  77-79
    3.2.1 物方模型  78
    3.2.2 像方模型  78-79
  3.3 独立解算参数构造的原理与依据  79-81
  3.4 基于信噪比的Tikhonov 正则化解  81-84
    3.4.1 Tikhonov 正则化原理  81-83
    3.4.2 基于信噪比的正则化矩阵确定  83
    3.4.3 正则化参数的确定  83-84
  3.5 本章小结  84-85
第4章 星历姿态数据支持的四元数集成传感器定向  85-110
  4.1 星历和姿态数据的内插  85-87
    4.1.1 卫星星历数据内插  85-86
    4.1.2 姿态数据的四元数内插  86-87
  4.2 四元数集成传感器定向  87-93
    4.2.1 基本思路  87-89
    4.2.2 单幅影像定位  89-90
    4.2.3 立体影像定位  90-92
    4.2.4 多幅影像的定位  92-93
  4.3 基于轨道和姿态修正的集成传感器定向  93-99
    4.3.1 卫星轨道修正  93-95
    4.3.2 四元数姿态修正  95-97
    4.3.3 飞行方向像坐标误差修正  97-99
  4.4 实验结果与分析  99-109
    4.4.1 直接利用辅助数据进行集成定位  99-104
    4.4.2 利用修正后的辅助数据进行集成定位  104-109
  4.5 本章小结  109-110
第5章 高分辨率卫星遥感影像的四元数立体定位  110-135
  5.1 四元数定位与现有定位方法的区别  110-111
  5.2 基于四元数微分方程的外方位元素求解  111-114
    5.2.1 原始误差方程式  111-112
    5.2.2 引入解算参数的误差方程式  112-113
    5.2.3 计算原理  113-114
    5.2.4 计算过程  114
  5.3 基于四元数球面线性插值的外方位元素求解  114-118
    5.3.1 原始误差方程及其求解  114-115
    5.3.2 引入解算参数的误差方程式  115-117
    5.3.3 引入解算参数的计算过程  117-118
  5.4 基于选权迭代的外方位元素抗差计算  118-122
    5.4.1 选权迭代抗差估计的原理  118-120
    5.4.2 等价权的确定  120-121
    5.4.3 抗差估计计算过程  121-122
  5.5 四元数立体定位  122-123
  5.6 实验结果与分析  123-134
    5.6.1 引入解算参数的未知参数相关性分析  123-124
    5.6.2 基于四元数的立体定位实验一  124-131
    5.6.3 基于四元数的立体定位实验二  131-134
  5.7 本章小结  134-135
第6章 基于多传感器的四元数区域网平差  135-159
  6.1 外方位元素的误差方程式  135-140
    6.1.1 基于四元数微分方程的误差方程式  135-138
    6.1.2 基于四元数球面线性插值的误差方程式  138-140
  6.2 基于多传感器的四元数区域网平差模型  140-146
    6.2.1 基于四元数微分方程的平差模型  140-143
    6.2.2 基于四元数球面线性插值的平差模型  143-146
  6.3 基于多传感器的四元数区域网平差解算  146-152
    6.3.1 平差计算过程  146-148
    6.3.2 平差精度分析  148-151
    6.3.3 系统误差的影响与消除  151-152
  6.4 实验结果与分析  152-158
    6.4.1 四元数区域网平差的可行性实验  152-153
    6.4.2 四元数区域网平差的可靠性及适应性实验  153-158
  6.5 本章小结  158-159
第7章 总结与展望  159-162
  7.1 总结  159-161
  7.2 进一步研究的内容  161-162
参考文献  162-169
作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作  169-171
致谢  171

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 遥感技术 > 遥感图像的解译、识别与处理 > 图像处理方法
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