基于四元数的线阵CCD影像定位技术研究

论文摘要

航天线阵CCD(Chorse Coupled Device)影像在遥感影像定位中具有广泛的应用,其摄影高度大,视场角小,光束窄,以致传统的线性化共线条件方程定向参数之间具有较强的相关性,很难得到稳定的高精度解。本文以四元数为工具,研究了四元数在摄影测量定位中的应用,对基于四元数的线阵CCD影像定位技术所涉及的病态问题求解、四元数描述外方位元素、四元数光束法平差等关键问题进行了深入研究,主要内容包括:1、研究了基于四元数的空间后方交会和绝对定向直接解法,提出了对偶四元数进行绝对定向的直接解法,把对偶四元数应用于描述绝对定向中的旋转和平移参数,成功进行绝对定向解算并进行对比实验论证。2、针对线阵CCD影像外方位元素求解中出现的病态问题,从理论上分析了其产生的原因,提出了一种解决病态问题的改进有偏估计新方法,用于求解线阵CCD影像的外方位元素。3、将四元数理论引入到线阵CCD影像定位中,用四元数描述其摄影姿态并构建旋转矩阵,借鉴EFP思想,提出了基于四元数的外方位元素改进EFP(Equivalent Frame Photo)模型,由此进行外定向并进行实验论证。4、将一幅线阵CCD影像首尾扫描行的外方位角元素用四元数描述,利用四元数球面线性插值(Spherical Linear Interpolation,SLERP)内插得到任意一扫描行姿态,提出了外方位元素的SLERP模型,推导出了相应的误差方程,并进行外定向计算,有效避免了欧拉角模型涉及的大量三角函数计算及不稳定因素,为线阵CCD影像外定向提供了一个新的技术途径。5、考虑到控制点数据可能存在粗差的情况,引入粗差探测,结合基于四元数的外方位元素改进EFP模型和SLERP模型进行外定向,并利用严密的空间前方交会进行定位实验,结果论证了算法的正确性及优越性。6、研究了基于四元数的线阵CCD影像光束法平差,该方法对平差初始值要求不高,只需取零初始值即可。实验结果表明平面的平差精度较高,高程精度稍差一些。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 线阵CCD影像定位的研究现状与问题
• 1.3 四元数在摄影测量应用中的发展
• 1.4 论文的主要内容及组织
• 第二章 四元数及其在摄影测量定位中的应用
• 2.1 四元数
• 2.1.1 四元数的定义与性质
• 2.1.2 三维旋转的四元数表达形式
• 2.1.3 四元数球面线性插值
• 2.2 对偶四元数
• 2.2.1 对偶四元数
• 2.2.2 旋转与平移的对偶四元数表达形式
• 2.3 基于四元数的空间后方交会
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 计算过程
• 2.4 基于四元数的绝对定向直接解法
• 2.4.1 绝对定向的基本模型
• 2.4.2 绝对定向参数的计算
• 2.4.3 计算过程
• 2.5 基于对偶四元数的绝对定向直接解法
• 2.6 实验结果及分析
• 2.6.1 空间后方交会实验
• 2.6.2 绝对定向直接求解实验
• 2.7 本章小结
• 第三章 线阵CCD影像外定向原理及方法
• 3.1 坐标系及其转换
• 3.1.1 常用坐标系
• 3.1.2 坐标系之间的转换
• 3.2 线阵CCD影像外定向的基本原理
• 3.2.1 外方位元素的基本模型
• 3.2.2 共线条件方程及其线性化
• 3.3 常用的克服相关性的方法
• 3.4 病态问题的解决方法
• 3.4.1 病态问题及其分析
• 3.4.2 病态问题产生的原因
• 3.4.3 解决病态问题的改进方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于四元数的线阵CCD影像定位理论
• 4.1 基于四元数的改进EFP模型外定向
• 4.1.1 外方位元素的改进EFP模型
• 4.1.2 基于改进EFP模型的外定向
• 4.2 基于四元数的SLERP模型外定向
• 4.2.1 外方位元素的SLERP模型
• 4.2.2 基于四元数的SLERP模型外定向
• 4.3 引入粗差探测的外定向
• 4.4 空间前方交会
• 4.5 实验结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于四元数的线阵CCD影像光束法平差
• 5.1 基于四元数线阵CCD影像光束法平差的平差模型
• 5.1.1 基于四元数的改进EFP模型
• 5.1.2 基于四元数的SLERP模型
• 5.2 基于四元数线阵CCD影像光束法平差的平差过程
• 5.3 实验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 论文的主要创新点
• 6.2 进一步的研究内容
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢