多模态CCD相机系统（MADC）构像方式和数据处理研究

论文摘要

研制大面阵CCD航空数字相机系统是当前国际航空遥感技术发展的一个重要方向，对于推动我国航空遥感技术的发展和航空摄影测量设备的数字化进程，提高国内航空数字遥感技术的水平、降低对国外同类产品的严重技术依赖、满足国内对高精度、高分辨率航空遥感影像的迫切需求有着重要的意义和极大的视场价值。中科院遥感所高光谱遥感研究室研制出多模态航空数字相机系统(MADC)。MADC系统由3台4K×4K的大面阵CCD数字相机组成。根据这些相机不同位置和姿态的组合，可以形成宽视场、多光谱和立体成像3种模式。该系统能够与空间定位定向系统(POS)连接，根据特制的快门控制系统可以实现多台相机按照设定时间间隔的同步曝光，并同时与POS数据按时间进行关联。因此，与常规的航空数字摄影设备比较，除了数字成像外，多模态、多光谱可选以及与飞机位置姿态测量系统链接是MADC系统的重要特点。本文在国内首次针对MADC系统各种工作模式的成像机理、该系统的标定及利用POS数据对获取影像进行几何精校正处理等方面进行了详细研究。论文的主要研究内容包括： (1) 对MADC系统的成像模式进行简化，抽象形成MADC系统成像的基本(组合)模式，并对其成像几何关系进行了详细的分析研究，得出了关于MADC系统成像、乃至涉及多角度遥感成像机理的一系列重要结论和推论。 (2) 对MADC系统在实际作业时受到的几何干扰因素进行了研究分析，尤其是给出了大气折射、地面起伏、地球曲率等因素对面阵CCD成像的干扰模型，得出了大气折射和地球曲率的干扰不容忽视的结论。 (3) 针对MADC系统的检校，研究了镜头的畸变改正模型和影像的畸变改正。基于单片后方交会，给出了基于地面控制点和POS数据的各相机光轴偏斜角度和前节点空间位置的解算方法。 (4) 研究了POS数据与线阵CCD推扫数据和面阵CCD拍摄数据的关联，给出了针对面阵CCD的关联方案，解决了变多中心投影影像为单一投影中心影像的难题。 (5) 研究了POS数据与线阵CCD推扫数据和面阵CCD拍摄数据的关联，给出了针对面阵CCD的关联方案。 (5) 研究了MADC系统多光谱模式和立体成像模式的成像效果，评价了滤光片的工作效果以及提出了多种可能的立体成像方式。

论文目录

第一章前言

1.1 航空遥感与遥感的发展趋势

1.1.1 遥感技术的全面数字化

1.1.2 航空遥感的独特优势

1.2 航空数字（多光谱）相机系统的发展与现状

1.2.1 国际典型航空数字相机系统

一、DMSV系统

二、AMDC系统

三、ADAR系统

四、ADS40系统

五、DMC系统

六、UltraCam数码航摄相机系统

七、ALOS

1.2.2 国内发展现状

1.2.3 自主发展航空数字遥感系统的重要意义

1.3 论文的总体框架和MADC数据的处理流程

第二章 MADC系统的理想构像方式

2.1 MADC系统的介绍

2.1.1 MADC系统的硬件组成

2.1.2 MADC系统的成像模态

2.2 MADC系统自身的基本几何形态分析

2.2.1 垂直摄影模式

2.2.2 倾斜摄影模式

一、推导地面摄取范围D

二、行向分辨率探讨

2.3 MADC系统宽视场模式的理想几何形态分析

2.3.1 组合几何形态分析

一、2号相机与1号相机

二、2号相机与3号相机

2.3.2 行向上的几何变形

一、1号相机影像的转换

二、3号相机影像的转换

2.3.3 列向上的几何变形

一、2号相机列向成像

二、1号相机列向成像

三、3号相机列向成像

2.3.4 列向的投影错位

一、1号相机列向的投影错位

二、3号相机列向的投影错位

2.3.5 宽视场模式的理想几何形态纠正算法

一、有关结论和推论

二、几何纠正算法

2.4 本章小节

第三章 MADC系统的真实构像

3.1 MADC系统本身的因素

3.1.1 MADC系统相机的影响

3.1.2 MADC系统安装的影响

3.1.3 中心投影影像的几何影响

一、中心投影及中心投影变换

二、影像倾斜受中心投影的影响

3.2 航空平台外方位元素变化的影响

3.3 外界的因素

3.3.1 大气折光的影响分析

一、垂直摄影时大气折光的影响

二、倾斜摄影时大气折光的影响

3.3.2 地形起伏引起的变形

3.3.3 地球曲率引起的变形

3.4 本章总结

第四章 MADC系统的检校

4.1 MADC系统的系统定标

4.1.1 国标检校方法

一、单片空间后方交会检定

二、三维直接线性变换

4.1.2 MADC系统实验室检校

4.2 基于单片后方交会的MADC系统定标

4.2.1 外业数据准备

4.2.2 镜头畸变改正

一、镜头畸变改正模型

二、镜头径向畸变模型的一体化

三、根据镜头径向畸变模型的坐标改正

4.2.3 从WGS-84到西安-80的坐标划算

一、西安-80坐标系

二、WGS-84坐标系

三、不同大地坐标系之间的转换

四、改正参数的解算

4.2.4 计算相机前节点的西安-80坐标

一、拟定描述相机间空间关系的坐标系

二、计算各相机前节点的西安-80坐标

4.2.5 单片后方交会解算

一、以线元素为未知量的解算试验

二、以线元素为已知量的解算试验

4.3 MADC系统整体平差

4.3.1 参量和模型准备

4.3.2 构建模型

一、各相机影像的像空间坐标

二、未知量方程式的构建

三、误差方程的构建

4.4 MADC系统的系统定标

4.4.1 各相机的像空间坐标系

4.4.2 宽视场影像的形成

一、基于相关的影像配准

二、光学配准

4.5 本章小节

第五章 MADC影像的几何精校正

5.1 遥感影像的几何校正

5.2 POS系统与POS数据

5.2.1 POS系统

5.2.2 POS数据的基本解算流程

一、数据提取

二、GPS解算

三、数据处理

四、外方位元素解算

5.2.3 有关坐标系和POS数据的说明

一、POS数据涉及的参考坐标系

二、辅助传感器坐标系

三、POS数据说明

5.3 POS数据与影像数据的时间同步

5.3.1 与航空线阵CCD影像的关联

一、以往的研究成果

二、本文的分析和探讨

5.3.2 与航空面阵CCD影像的关联

一、成像时刻与POS记录的偏差

二、POS数据与影像对应的方法

5.3.3 实例分析

一、航线设计和航拍情况

二、航线影像的计算机记录时间

三、POS数据经纬度变化

四、POS数据时间变化

五、POS数据记录的高程变化

六、POS数据与影像数据的确切关联

5.4 基于POS数据的几何精校正

5.5 本章小节

第六章 MADC系统的多光谱成像

6.1 多光谱模式的几何形态

6.2 多光谱成像试验

6.2.1 滤光片情况

6.2.2 多光谱试验

6.3 本章小节

第七章 MADC系统的立体成像

7.1 原本设计的MADC系统立体模式

7.2 MADC系统立体成像能力的探讨

7.2.1 航向重叠立体成像

7.2.2 旁向重叠立体成像

7.2.3 瞬时摄影立体成像

7.3 立体成像解析分析

7.3.1 双像解析摄影测量与解析空中三角测量

7.3.2 空间前方交会

7.3.3 相对定向与绝对定向

7.3.4 光束法双像解析

7.4 本章小节

第八章总结与展望

参考文献

攻读博士期间发表论文情况：

攻读博士学位期间参加的项目

致谢

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