POS辅助航空摄影测量直接对地目标定位的关键技术研究

【类型】学位论文

【作者】张雪萍 

【关键词】 POS系统 影像外方位元素 补偿矩阵 直接对地目标定位 自检校 精度 数字表面模型

【摘要】航空摄影测量现已成为基础测绘、地质调查、国土资源开发等领域的主要数据获取手段。传统的航空摄影测量方法需要布设大量野外地面控制点,对于森林、沙漠、山区等无法涉足或找不到合适地面控制点的地区,其应用受到限制。全球定位系统(Global Positioning System, GPS)应用于航空摄影测量,减少了对地面控制点的需求,但是,GPS辅助航空摄影测量限定了测区的网形,对一些线路、河流、海岸线等带状区域的测量,有时无法实施；并且,GPS辅助航空摄影测量技术,仍需要进行空中三角测量。集动态GPS定位技术和惯性导航技术(INS)于一体的定位定向系统(Position and Orientation System, POS)应用于航空遥感,可以直接得到影像的6个外方位元素,实现直接对地目标定位,打破了传统航空摄影测量和GPS辅助航空摄影测量必须进行空中三角测量的限制,具有广阔的应用前景。但是,目前国内的POS系统软、硬件均从国外引进,关键技术及应用规范完全依靠国外试验。因此,针对POS辅助航空摄影测量技术中的关键问题进行深入探讨,在已有POS数据处理流程的基础上,详细分析其精度与可靠性,研究可行的优化方法以简化其作业流程、减少其应用限制,使POS直接对地目标定位技术更方便地应用于4D产品的生产,具有重要的现实意义。本文对POS辅助航空摄影测量直接对地目标定位中的几个关键问题进行研究,主要的研究内容和成果如下：1)研究了我国地形测量坐标系下POS外方位元素的转换方法。通过对POS系统相关坐标系之间的转换分析,研究了POS系统所提供的姿态、位置参数向摄影测量中所需的影像外方位元素转换的过程；着重推导了高斯-克吕格投影坐标系下地球曲率和子午线偏差引起的影像姿态角转换误差的补偿公式。通过对3套带POS系统的实际航测数据的试验表明,经补偿矩阵修正后的影像外方位角元素精度明显高于POS系统所提供的影像外角方位元素精度。2)研究了POS辅助航空摄影测量直接对地目标定位的理论精度。在现有的基于点投影系数和共线方程两种直接对地目标定位方法的基础上,探究了影响目标定位精度的主要误差源,定量分析了POS辅助航空摄影测量直接对地目标定位的定位精度与影像外方位元素误差和像点坐标误差的关系,建立了两种直接对地目标定位方法的理论精度模型。通过对带POS系统的包含多种摄影比例尺、覆盖各种地形的航空摄影数据进行试验,探讨了现有条件下直接对地目标定位可能达到的精度及其随地形、影像比例尺的变化规律。在利用POS系统进行安置元素测图时,应采用基于共线条件方程的空间前方交会方法确定目标点的三维坐标,并尽量将测区中待定点的所有构像整体求解。3)研究了自检校POS直接对地目标定位方法。在分析现行的POS系统误差检校方法的基础上,提出了一种自检校POS直接对地目标定位方法。在POS直接对地目标定位过程中,通过引入适当的附加参数予以补偿POS系统误差。对带POS系统的实际航测资料的试验表明：采用本文提出的自检校POS直接对地目标定位,POS辅助航空摄影不再需要加摄检校场,只需在测区内对向飞行的航线两端各布设1个平高地面控制点；并且,采用自检校POS直接对地目标定位结果精化的POS影像外方位元素精度明显优于按现行POS操作规程进行检校场检校和系统误差改正后所获取的POS影像外方位元素精度；直接用于重建立体模型时,立体模型的上下视差也明显减小。4)研究了POS辅助数字表面模型DSM的生成方法。首先,将利用自检校POS直接对地目标定位方法精化后的影像外方位元素用于辅助影像密集点的快速匹配；然后,综合精化后的POS影像外方位元素和密集点的像点数据,实现基于共线方程的直接对地目标定位；最后,根据密集点的地面坐标,利用现行的离散点生成DSM方法,生成数字表面模型DSM。通过对摄影比例尺为1：3000的山地和1：60 000的丘陵地两套实际航测资料的试验表明：自检校POS直接对地目标定位方法精化后的影像外方位元素,完全可以用于相应比例尺、相应地形的DSM生产。

【学位名称】博士

【学位授予单位】武汉大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】袁修孝

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