公開DEM輔助的國產衛星影像無地面控制點定位技術研究

陳小衛

北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094

在全球測繪的背景下，研究衛星影像在無地面控制點(簡稱無控)條件下的高精度定位不僅可有效提高作業效率、節省大量人力物力，在戰時、應急等服務保障中更是具有極大的實用價值和現實意義。近年來，各種高分辨率、高精度的全球DEM陸續公開發布，這些數據可作為改善衛星影像無控定位精度很好的輔助數據。本文圍繞公開DEM輔助國產衛星影像無控定位技術進行研究，提出了基于公開DEM的國產衛星影像無控定位的一整套理論與方法。主要研究內容和創新點如下：

(1)總結梳理了各種高分辨率全球公開DEM的基本信息、特點及其發展完善過程，并采用定性分析法、跑道法和高差法等對其質量和精度進行了分析。結果表明SRTM DEM和AW3D30 DSM無明顯的噪聲和粗差，可較好地表達各種地形，且AW3D30 DSM具有更豐富的細節信息；ASTER GDEM存在較明顯的顆粒效應，故在地形起伏較小的地區難以很好地表達地形。

(2)針對公開DEM輔助衛星影像定位的問題，提出一種基于DEM匹配的立體影像高效穩健無控定位方法。首先從影像中提取待匹配DEM；然后將其與公開DEM進行匹配，匹配時根據參與匹配的DEM的分辨率自適應選擇對應點確定策略，以保證計算效率，并將截尾最小二乘估計引入最小高差法克服DEM局部變形、粗差等造成的不利影響；最后求解影像的定位誤差補償參數。試驗驗證了該方法能對公開DEM的整體高精度特性和豐富信息加以充分利用，具有較好的穩健性和較高的計算效率。

(3)為充分補償影像定位參數中的誤差，同時克服落水區域對DEM提取的不利影響，提出了一種公開DEM多級約束的立體影像無控定位方法。該方法將公開DEM加以充分利用：既作為DEM匹配的基準；還用于輔助提取待匹配DEM，同時作為高程確定的約束和落水區域標記的參考。此外，也通過自由網平差對多視影像之間的交會條件進行改善。試驗表明該方法可對影像定位參數中的相對誤差和絕對誤差進行充分有效地補償，對內陸、海島(礁)等不同區域的影像以及天繪一號、資源三號等不同衛星平臺的影像都具有較好的適用性。

(4)為解決平坦地區影像中的定位誤差難以直接通過DEM匹配進行有效補償的問題，同時改善區域內各立體影像定位精度的不一致，提出一種公開DEM輔助的區域立體影像無控定位方法。該方法首先根據地形起伏程度確定各立體影像的誤差補償策略：對于平坦地區影像，僅利用公開DEM輔助改善高程精度，非平坦地區則通過DEM匹配對平面和高程誤差進行充分補償；然后再利用已進行高精度誤差補償的非平坦地區影像通過精度傳遞進一步補償平坦地區影像中的誤差；最后進行區域網平差。試驗表明通過DEM輔助的高程誤差補償、基于重疊區域的精度傳遞等處理，能有效提高平坦地區影像的定位精度；區域網平差能有效改善區域內各立體影像精度的一致性；此外，該方法對較大區域的影像數據也具有較好的適用性。

(5)在理論研究的基礎上，設計并開發了公開DEM輔助的國產衛星影像無控定位原型系統。該系統設計人性化，操作簡單便捷，具有較高的自動化程度；通過實際部署測試，驗證了研究內容的可行性、有效性及系統的可靠性，可較好地應用于實際生產作業和應用中，以改善國產衛星影像的定位精度。