数字地面模型作为三维控制的影像区域网平差方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种数字地面模型作为三维控制的影像区域网平差方法及系统，包括根据遥感影像的连接关系对影像进行排序，建立连接点像点坐标观测方程；基于数字地面模型，建立空间曲面作为三维控制的观测方程；根据离散点计算空间曲面方向导数，统计距离观测值的均值和标准差，针对距离观测值的精度以及粗差对平差定位结果的影响，计算空间曲面三维控制观测值的权；以连接点像点坐标观测方程和空间距离观测方程作为遥感影像区域网平差的联合观测方程，解算数字地面模型对应空间曲面作为三维控制信息的遥感影像区域网平差，得到遥感影像定位参数及连接点物方坐标。本发明专利技术不仅提高遥感影像高程定位精度，同时在无地面控制点情况下有效提高平面定位精度。

【技术实现步骤摘要】
数字地面模型作为三维控制的影像区域网平差方法及系统
本专利技术属于遥感
，涉及一种空间曲面作为三维控制信息的立体影像区域网平差定位方法，适应于立体影像无地面控制点高精度三维定位。
技术介绍
遥感立体影像高精度几何定位需要可靠的控制信息，常规方法一般借助均匀分布的明显地物点作为平差控制点，以反演影像空间与地面空间坐标系之间的几何关联，消除影像成像过程中的各种系统误差，从而达到相应比例尺地图测绘的精度要求。因此，获取足够的地面控制点是保证卫星遥感影像区域网平差几何定位精度和可靠性的重要前提之一。在实际生产中由于种种条件限制，地面控制点测量往往费时费力，对于困难区域或者全球大范围测图，地面控制点的获取难度更大。充分利用既有地理信息数据资源，采用稀少控制甚至无地面控制的高精度几何定位技术以减少对地面控制点作业需求，是实现全球大区域覆盖和地面控制信息获取困难地区地图测绘、降低生产成本、提高生产效率的有效途径，也是摄影测量与遥感领域长期以来研究的热点和追求的目标。遥感影像定位参数中包含的系统误差不一定能在区域网平差中相互抵消，甚至有可能系统累积，例如，由于传感器检校不充分产生的CCD线阵方向的比例误差会导致整个区域在垂直轨道方向的缩放，这项误差会随着区域范围的扩大而系统累积，从而导致无控自由网平差绝对定位精度下降。为摆脱对地面控制点的依赖并实现多源地理信息大数据的融合应用，研究者提出了“云控制”的概念和技术，从带有地理空间信息的影像、矢量及LIDAR点云数据中自动获取广义几何控制信息。相关现有技术可参见：<br>CN103823981B，一种数字高程模型辅助的卫星影像区域网平差方法CN110006408B，LIDAR数据“云控制”摄影测量方法张祖勋，陶鹏杰。谈大数据时代的“云控制”摄影测量，《测绘学报》，2017，第1238-1248页。数字高程模型(DEM)一般以规则格网的形式表达三维地形信息，可作为控制信息提高卫星影像无控定位精度。目前的技术可分为两类：一类是在影像区域网平差中使用DEM作为高程控制，改善影像交会条件并改正影像对应成像模型中的系统误差，以提高影像高程定位精度，但平面定位精度的提升还需要依赖其它控制信息；另一类通过影像匹配生成的DSM或DEM与参考DEM的配准，计算两者之间的空间相似变换参数，并改正卫星影像定位参数。然而，这类方法需预先利用立体卫星影像自动匹配生成DEM，增加了计算时间和应用的复杂度且限制了卫星影像数据的使用条件。通过两组三维离散点集匹配以解算其对应的坐标变换参数，最为经典和广泛应用的方法被称为ICP(IterativeClosestPoint)方法，ICP方法通过迭代搜索“最邻近”点作为“同名点”，进而通过解算确定两组空间点集之间的变换参数，迭代过程中最邻近点搜索计算量很大是该方法的最大缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过引入连接点到空间曲面距离的观测方程，将立体影像对应目标的空间曲面作为区域网平差中的三维控制信息，在立体影像区域网平差过程中同时满足连接点和对应曲面的配准约束，实现了立体影像高程及平面的高精度三维定位。为了达到此目的，本专利技术提供的技术方案提供一种数字地面模型作为三维控制的影像区域网平差方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1，根据遥感影像的连接关系对影像进行排序；步骤2，根据遥感影像成像模型建立连接点像点坐标观测方程；步骤3，基于数字地面模型，建立空间曲面作为三维控制的观测方程，得到空间距离观测方程，实现方式如下，将数字地面模型作为三维空间中的一个曲面，定义三维空间点到该曲面的距离，相应得到将空间曲面作为三维控制信息的观测方程，然后对所有连接点列出对应的距离观测方程，得到空间距离观测方程；步骤4，根据离散点计算空间曲面方向导数，包括将数字高程模型对应空间曲面的局部近似为三角形三个顶点所确定的平面，对应的方向导数和距离则通过对应的平面方程计算得到，由此逐点计算并组成空间距离观测方程中的系数矩阵；步骤5，统计距离观测值的均值和标准差，实现方式如下，根据数字地面模型精度及遥感影像分辨率估算连接点至空间曲面距离精度，以此为间隔计算连接点到数字地面模型对应空间曲面距离的统计直方图，基于统计直方图计算该距离范围内有效连接点至空间曲面距离的均值和标准差；步骤6，根据步骤5所得结果，针对距离观测值的精度以及粗差对平差定位结果的影响，计算空间曲面三维控制观测值的权；步骤7，以步骤2建立的连接点像点坐标观测方程和步骤3建立的空间距离观测方程作为遥感影像区域网平差的联合观测方程，利用最小二乘原理组成法方程，解算数字地面模型对应空间曲面作为三维控制信息的遥感影像区域网平差，得到遥感影像定位参数及连接点物方坐标。而且，步骤1中，根据遥感影像间的连接点对影像进行快速排序，实现方式如下，首先根据连接点建立每景影像的关联影像列表，计算每景影像相关联的影像数，作为影像的总连接数，并选择总连接数最大的影像作为第一景影像；然后遍历已排序影像关联列表里的未排序影像，计算该影像与已排序影像所关联的共同影像数作为共同连接数，选择共同连接数最大或者总连接数最大的影像作为下一景影像；重复搜索和计算直到所有影像都被排序。而且，步骤2中，根据连接点像点坐标及遥感影像成像模型，采用多片前方交会方法计算连接点物方坐标初值，由此进一步得到连接点像点坐标观测方程，建立第一组观测方程，矩阵表达形式如下：V1＝B11X1+B12X2-l1，P1其中，V1是像点坐标残差向量，X1是立体影像的定位参数改正向量，X2是连接点物方坐标改正向量，B11、B12分别为第一组观测方程中X1、X2对应的系数矩阵，由成像模型对应的一阶导数计算得到，l1是常数项向量，P1是对应的权矩阵；设所有像点坐标为独立观测值，对应的权矩阵P1为对角矩阵；每一个连接点像点坐标观测值对应的权pi按下式计算得到，其中，σ0为单位权中误差，m为该连接点对应的观测数，vxi和vyi为像点坐标在x和y方向的残差。而且，步骤3的实现方式如下，选择三维直角坐标系作为物方空间坐标系，对应的三个坐标轴分别为X，Y，Z；将数字地面模型S作为三维空间中的一个曲面，表达为方程S(X，Y，Z)＝0，三维空间点P到该曲面的距离d定义为，其中，Xp，Yp，Zp为点P的空间坐标，S(Xp，Yp，Zp)为点P对应曲面方程的值，Sx，Sy，Sz为曲面方程相对于X，Y，Z的一阶方向导数；由此导出将空间曲面作为三维控制信息的观测方程如下，其中，ΔX,ΔY,ΔZ为连接点物方坐标改正量，pd为距离观测值的权，vd为观测残差；对所有连接点列出对应的距离观测方程，得到空间距离观测方程，作为第二组观测方程，矩阵形式为，V2＝B22X2-l2,P2其中，V2是距离观测值残差向量，X2是连接点物方坐标改正向量，B22为第二组观测方程中X2对应的系数矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字地面模型作为三维控制的影像区域网平差方法，其特征在于：包括如下步骤，/n步骤1，根据遥感影像的连接关系对影像进行排序；/n步骤2，根据遥感影像成像模型建立连接点像点坐标观测方程；/n步骤3，基于数字地面模型，建立空间曲面作为三维控制的观测方程，得到空间距离观测方程，实现方式如下，/n将数字地面模型作为三维空间中的一个曲面，定义三维空间点到该曲面的距离，相应得到将空间曲面作为三维控制信息的观测方程，然后对所有连接点列出对应的距离观测方程，得到空间距离观测方程；/n步骤4，根据离散点计算空间曲面方向导数，包括将数字高程模型对应空间曲面的局部近似为三角形三个顶点所确定的平面，对应的方向导数和距离则通过对应的平面方程计算得到，由此逐点计算并组成空间距离观测方程中的系数矩阵；/n步骤5，统计距离观测值的均值和标准差，实现方式如下，/n根据数字地面模型精度及遥感影像分辨率估算连接点至空间曲面距离精度，以此为间隔计算连接点到数字地面模型对应空间曲面距离的统计直方图，基于统计直方图计算该距离范围内有效连接点至空间曲面距离的均值和标准差；/n步骤6，根据步骤5所得结果，针对距离观测值的精度以及粗差对平差定位结果的影响，计算空间曲面三维控制观测值的权；/n步骤7，以步骤2建立的连接点像点坐标观测方程和步骤3建立的空间距离观测方程作为遥感影像区域网平差的联合观测方程，利用最小二乘原理组成法方程，解算数字地面模型对应空间曲面作为三维控制信息的遥感影像区域网平差，得到遥感影像定位参数及连接点物方坐标。/n...

【技术特征摘要】
1.一种数字地面模型作为三维控制的影像区域网平差方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1，根据遥感影像的连接关系对影像进行排序；
步骤2，根据遥感影像成像模型建立连接点像点坐标观测方程；
步骤3，基于数字地面模型，建立空间曲面作为三维控制的观测方程，得到空间距离观测方程，实现方式如下，
将数字地面模型作为三维空间中的一个曲面，定义三维空间点到该曲面的距离，相应得到将空间曲面作为三维控制信息的观测方程，然后对所有连接点列出对应的距离观测方程，得到空间距离观测方程；
步骤4，根据离散点计算空间曲面方向导数，包括将数字高程模型对应空间曲面的局部近似为三角形三个顶点所确定的平面，对应的方向导数和距离则通过对应的平面方程计算得到，由此逐点计算并组成空间距离观测方程中的系数矩阵；
步骤5，统计距离观测值的均值和标准差，实现方式如下，
根据数字地面模型精度及遥感影像分辨率估算连接点至空间曲面距离精度，以此为间隔计算连接点到数字地面模型对应空间曲面距离的统计直方图，基于统计直方图计算该距离范围内有效连接点至空间曲面距离的均值和标准差；
步骤6，根据步骤5所得结果，针对距离观测值的精度以及粗差对平差定位结果的影响，计算空间曲面三维控制观测值的权；
步骤7，以步骤2建立的连接点像点坐标观测方程和步骤3建立的空间距离观测方程作为遥感影像区域网平差的联合观测方程，利用最小二乘原理组成法方程，解算数字地面模型对应空间曲面作为三维控制信息的遥感影像区域网平差，得到遥感影像定位参数及连接点物方坐标。


2.根据权利要求1所述数字地面模型作为三维控制的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤1中，根据遥感影像间的连接点对影像进行快速排序，实现方式如下，
首先根据连接点建立每景影像的关联影像列表，计算每景影像相关联的影像数，作为影像的总连接数，并选择总连接数最大的影像作为第一景影像；
然后遍历已排序影像关联列表里的未排序影像，计算该影像与已排序影像所关联的共同影像数作为共同连接数，选择共同连接数最大或者总连接数最大的影像作为下一景影像；
重复搜索和计算直到所有影像都被排序。


3.根据权利要求1或2所述数字地面模型作为三维控制的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤2中，根据连接点像点坐标及遥感影像成像模型，采用多片前方交会方法计算连接点物方坐标初值，由此进一步得到连接点像点坐标观测方程，建立第一组观测方程，矩阵表达形式如下：
V1＝B11X1+B12X2-l1，P1
其中，V1是像点坐标残差向量，X1是立体影像的定位参数改正向量，X2是连接点物方坐标改正向量，B11、B12分别为第一组观测方程中X1、X2对应的系数矩阵，由成像模型对应的一阶导数计算得到，l1是常数项向量，P1是对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹辉，李海鸿，陶鹏杰，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42