航空长焦斜视相机成像模型与几何检校方法研究

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航空长焦斜视相机,采用线阵大倾角摆扫方式垂直飞行方向进行大纵深成像,能够显著提升航空遥感对地观测效率,在边境地区跨境观测及航空侧视侦察等方面作用独特。但其复杂的成像方式给影像几何处理带来了较大的困难,国外研究成果很少公开,国内相关技术研究相对匮乏。目前,线阵平行推扫式影像的几何处理技术已趋于成熟,而线阵大倾角摆扫式影像因其几何成像特点与推扫式影像存在较大差异,传统线阵推扫式影像的几何处理理论与技术不再适用,其几何处理模型的建立与方法的验证已成为迫切需求。本文围绕航空长焦斜视相机的成像模型构建、成像仿真与误差分析、几何检校与影像几何校正展开研究,以形成较完备的长焦斜视相机几何处理理论模型和方法,为长焦斜视相机的实际应用提供理论和技术支撑,同时也可为后续同类型相机的设计与研制提供基本依据。论文的主要研究内容和创新点如下:1.在剖析航空长焦斜视相机的结构及成像方式,并比较其与线阵推扫式相机成像差异的基础上,针对其远距离、大倾角、垂直飞行方向摆扫成像的特点,论述了此类相机各种空间坐标系的定义及其转换关系,构建了相机的严格成像模型,并通过单像定位仿真实验验证了模型的求解精度,为相机几何检校与影像几何校正奠定了数学基础。2.根据航空长焦斜视相机的严格成像模型,结合平台运动和摆扫成像规律,研究了其仿真影像的生成方法。针对相机大倾角成像导致的仿真过程中像方坐标投影计算易出现迭代不收敛的问题,提出了一种视向量分段迭代的像方坐标投影计算方法,生成了完整无漏洞的仿真影像,为后续几何精度评估及几何处理算法验证提供了基础数据。针对航空长焦斜视影像几何变形较大,难以与正射影像进行高精度匹配的问题,提出并实现了一种地形信息引导的控制信息获取方法,解决了相机几何检校所需地面控制基准的来源问题。3.定量地分析了位置测量误差、姿态测量误差、光学系统误差等误差源对航空长焦斜视相机几何定位精度的影响,并通过仿真分析与理论分析进行对比验证。针对航空长焦斜视相机成像过程中存在扫描反射镜的二维运动,导致其检校模型复杂,安置参数较多,且相关性严重的问题,提出对同类参数进行有效合并简化,将码盘观测值作为常量引入到几何检校模型中,经实验验证了该方法的正确性。4.根据相机的严格成像模型和系统误差规律,建立了相机的几何检校物理模型。结合相机内方位检校物理模型,提出并构建了一种基于扫描反射镜坐标系下的指向角几何检校模型,设计了检校模型参数的求解方案,通过试验验证了检校模型的正确性和求解方案的有效性。5.基于严格模型线阵影像几何校正的关键问题是最佳扫描行的搜索,传统校正方法进行最佳扫描行搜索效率较低,而基于物方的几何约束方法并不适用于线阵摆扫式影像。针对线阵摆扫式影像,提出一种利用物方空间关系约束的航空长焦斜视影像几何校正方法,经实验验证了该方法的正确性与运算效率。
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