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卫星成像基础理论

时间:2022-01-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:与线阵推扫式的CCD相机相比,框幅相机在成像几何关系、覆盖面积以及测绘精度上仍具有明显的优势。因此,高分辨率遥感卫星都是采用线阵CCD推扫成像方式。
卫星成像基础理论_现代测绘科学技术

4.2.1 卫星成像基础理论

1.框幅式成像方式

目前,传统的光学照相系统仍然继续用于空间测量,如俄罗斯的SPIN-2 TK350、KVR-1000相机提供具有制图质量的影像可以用来制作和生产1∶50000的地形图及平面地图产品。美国航天飞机宇航员也定期通过Hasselblad和Linhof相机获取影像。

传统的光学相机是框幅式摄影,采用胶片作为感光材料,主要搭载于返回式卫星和航天飞机。这种框幅式相机属于静态成像,几何保真度好,可以建立无扭曲的立体模型。飞行摄影过程中采用类似于传统航空摄影的测量方案,相邻影像之间具有较大的航向重叠,可以采用少量控制点实现大范围的地形图绘制。

搭载于返回式卫星的框幅式相机可以在短时间实现对大面积地区的摄影覆盖,快速获取全球地形信息。与线阵推扫式的CCD相机相比,框幅相机在成像几何关系、覆盖面积以及测绘精度上仍具有明显的优势。框幅相机搭载于返回型测绘卫星将侧重用于目标定位、建立控制网以及在短期内建立起广大地区的空间基础数据——数字正射影像图、数字地面模型(DEM)、数字地形图等方面。它的缺点是由于摄影时间较短,云层对摄影覆盖的影像较大,需要通过卫星多次摄影加以弥补。

2.线阵CCD推扫成像方式

CCD(charge coupled device)称电荷耦合器件,是一种由硅等半导体材料制成的固体器件,受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载,在固体内移动,达到一路时序输出信号。在数字摄影相机中,CCD传感器的作用相当于航空胶片,它能记录光线的变化,即负责感受镜头捕捉的光线以形成数字图像。与传统胶片相比,CCD更接近于人眼视觉的工作方式。

由于CCD传感器制作工艺的限制,大面阵的CCD相机的制造非常困难。因此,高分辨率遥感卫星都是采用线阵CCD推扫成像方式。以IKONOS卫星为例,它的全色传感器由13816个CCD单元以线阵排成,一次成像可覆盖地面上11~13km的范围,通过卫星的运动,CCD阵列向前推扫,实现对地面的连续覆盖。根据相机中CCD阵列的数目不同,推扫式CCD相机可分为:单线阵CCD相机、双线阵CCD相机和三线阵CCD相机。

3.遥感卫星严格成像模型

卫星的成像几何模型是进行影像定向和立体定位的基础。一般分为两类:严格成像模型和通用成像模型。一般地,严格成像模型是从轨道模型、姿态模型、成像几何等方面出发来建立线阵推扫式成像的构像模型,得到类似于传统航空摄影测量的共线方程的类共线方程。

4.遥感卫星通用成像模型

对于线阵CCD推扫式高分辨率遥感影像,存在长焦距和窄视场角的特征,如果采用基于共线方程的物理传感器模型描述这种成像几何关系,将导致定向参数之间的强相关,影响定向精度的稳定性。并且,物理传感器模型的建立涉及传感器物理构造、成像方式及各种成像参数,一些商业卫星的传感器参数出于技术保密的原因暂不公开,在这种情况下,无法使用严格的物理成像模型。此外,由于通用成像传感器模型与具体的传感器无关,因而更能适应传感器成像方式多样化的发展要求,所以说,通用传感器模型的研究已经成为当前的一个热门方向。

通用传感器模型的基本思想是:目标空间和影像空间的转换关系可以通过一般的数学函数来描述,并且这些函数的建立不需要传感器成像的物理模型信息。常见的通用传感器模型有:有理多项式函数模型RPC(Rational polynomial coefficient model),仿射变换模型ATM(Affine Transformation Model)和直接线性变换DLT(Direct Line Transformation)。IKONOS卫星的成功发射推动了对有理函数模型RPC的全面研究,基于RPC模型的平差的误差传播理论、运用RPC模型在城区和山区测图的可行性研究、基于RPC模型的IKONOS立体影像处理的理论、方法也已经得到广泛的研究,并应用于实际测绘生产中。

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