潘紅播,張 過,,唐新明,周 平,蔣永華,祝小勇,江萬壽,許妙忠,李德仁
1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430079;2.國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心,北京 100830
資源三號衛(wèi)星是我國第一個(gè)高分辨率民用立體測繪衛(wèi)星,于2012年1月9日成功發(fā)射。該衛(wèi)星兼有測繪和國土資源普查的功能,用于1∶50 000立體測圖及更大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新,以及開展國土資源調(diào)查與監(jiān)測。文獻(xiàn)[1—2]分別對資源三號測繪衛(wèi)星影像產(chǎn)品進(jìn)行了精度驗(yàn)證,經(jīng)驗(yàn)證表明資源三號測繪衛(wèi)星影像產(chǎn)品能滿足1∶50 000測圖精度要求。
幾何模型是影像數(shù)據(jù)幾何處理的關(guān)鍵,其建立了影像上像點(diǎn)坐標(biāo)與地面坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系。為了便于資源三號影像的應(yīng)用,資源三號衛(wèi)星發(fā)布的基礎(chǔ)產(chǎn)品是傳感器校正產(chǎn)品。傳感器校正產(chǎn)品是基于理想的線陣列傳感器重成像生成的無畸變的影像產(chǎn)品,該產(chǎn)品提供有理多項(xiàng)式模型(rational function model,RFM)參數(shù)。有理多項(xiàng)式模型作為通用傳感器模型,具有跨平臺跨傳感器的特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于高分辨率遙感衛(wèi)星中[3-4]。文獻(xiàn)[5]研究表明,RFM替代嚴(yán)密成像幾何模型精度較低,主要是由于衛(wèi)星影像中存在畸變和衛(wèi)星姿態(tài)抖動(dòng)等,ALOS三線陣影像的RFM模型替代嚴(yán)密成像幾何模型的精度較低的主要原因是衛(wèi)星姿態(tài)抖動(dòng)[6]。
嚴(yán)密成像幾何模型和高替代精度RFM是衛(wèi)星影像幾何應(yīng)用的前提,本文首先介紹資源三號測繪衛(wèi)星及其嚴(yán)密成像幾何模型,基于多片CCD影像的嚴(yán)密成像幾何模型,構(gòu)建了無畸變的傳感器校正產(chǎn)品的嚴(yán)密成像幾何模型,并生產(chǎn)了傳感器校正產(chǎn)品影像和RFM。理論分析表明,傳感器校正產(chǎn)品的生產(chǎn)方式所引入的誤差可以忽略不計(jì),并利用安平和嵩山的三線陣數(shù)據(jù)對資源三號測繪衛(wèi)星的幾何精度進(jìn)行驗(yàn)證。
資源三號測繪衛(wèi)星采用線推掃式成像,即衛(wèi)星在行方向(或垂軌向)為中心投影,而在沿軌向通過衛(wèi)星飛行獲取二維影像(若衛(wèi)星為勻速直線運(yùn)動(dòng)即為平行投影)。在精確得知資源三號測繪衛(wèi)星成像時(shí)的內(nèi)外方位元素基礎(chǔ)上,即可建立其嚴(yán)密成像幾何模型。
外方位元素包含線元素和角元素兩部分。資源三號測繪衛(wèi)星影像的外方位線元素通過星上雙頻GPS接收機(jī)量測,其測量頻率是1Hz。由于陀螺量測的角元素的相對精度較高,而星敏量測的絕對精度較高,資源三號測繪衛(wèi)星影像的外方位角元素采用星敏和陀螺聯(lián)合濾波方式獲得,其測量值頻率4Hz。
資源三號測繪衛(wèi)星在發(fā)射前,載荷研制部門測量了衛(wèi)星的三線陣相機(jī)和多光譜相機(jī)的內(nèi)方位元素以及姿態(tài)軌道測量設(shè)備和相機(jī)之間的安裝關(guān)系,但衛(wèi)星發(fā)射中沖力影響以及太空中熱環(huán)境等變化,地面測量的內(nèi)方位元素和有效載荷之間的安裝關(guān)系不再有效,需進(jìn)行在軌幾何檢校[7-9]。內(nèi)方位元素包括主點(diǎn)、主距、鏡頭畸變、CCD在焦平面的分布以及CCD探元的大小等。從物理意義上來說,CCD探元大小不規(guī)則等CCD相關(guān)的誤差和鏡頭畸變是不同的,但兩者對成像和定位影響不可區(qū)分,如CCD探元大小誤差和主距誤差都影響影像的分辨率。因此,資源三號測繪衛(wèi)星相機(jī)的內(nèi)方位元素用本體坐標(biāo)系下CCD探元的指向角(ψx,ψy)表示,其中(x,y)為影像坐標(biāo)系xoy下坐標(biāo),其定義如圖1所示。
圖1 成像光線在本體坐標(biāo)系下指向角與內(nèi)方位元素關(guān)系Fig.1 The relation between look angle and interior orientation elements under body coordinate system
圖1表示CCD探元光線在本體坐標(biāo)系OXYZ下指向(μ1,μ2,μ3)與內(nèi)方位元素(ψx,ψy)關(guān)系。其中OXYZ為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系,其中為衛(wèi)星飛行方向,X軸為沿軌向,Z軸指向地心,Y軸與其他兩軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。而影像坐標(biāo)系xoy以影像左上角點(diǎn)為原點(diǎn),y軸指向沿軌向,x軸指向掃描方向。因此,通過像元的影像坐標(biāo)系下坐標(biāo)(x,y)內(nèi)插標(biāo)定后探元指向角(ψx,ψy),即可得到像點(diǎn)在本體坐標(biāo)系下指向角[tan(ψy)-tan(ψx)1]T。依據(jù)內(nèi)外方位元素和像點(diǎn)、物點(diǎn)、投影中心3點(diǎn)共線原理建立起嚴(yán)密成像幾何模型
資源三號測繪衛(wèi)星為了獲取較大的幅寬,其三線陣全色相機(jī)和多光譜相機(jī)均采用多片時(shí)間延遲積分(time delay and integration,TDI)CCD拼接的方式。星上下傳原始影像數(shù)據(jù)是分片CCD的影像,讓用戶為每片影像建立對應(yīng)的成像幾何模型將增加用戶使用的難度。為了方便用戶使用,需要將全色相機(jī)的分片CCD影像拼接為單景影像,而多光譜相機(jī)要完成各個(gè)波段內(nèi)CCD影像拼接和波段間的配準(zhǔn);并提供高精度的成像幾何模型參數(shù)。
基于虛擬CCD重成像的拼接方式可以生成視覺無縫且?guī)缀螣o縫的傳感器校正產(chǎn)品影像,而且由于消除了影像中的各類畸變,使得傳感器校正產(chǎn)品的RFM替代精度較高。這種方法生產(chǎn)的無畸變傳感器校正產(chǎn)品影像滿足線中心投影,且生產(chǎn)過程中引入的投影差誤差和交會誤差可以忽略不計(jì)。
類似線推掃式傳感器影像內(nèi)外方位元素的區(qū)分方法,將影像上的畸變分為兩類:內(nèi)畸變和外畸變[7,13]。其中,內(nèi)畸變主要是指相機(jī)內(nèi)部的畸變引起的CCD影像變形,主要包括以下3個(gè)部分:①光學(xué)鏡頭畸變,主要包括徑向畸變、偏心畸變[14];②CCD畸變,主要包括CCD的大小不一致引起影像上各個(gè)像元對應(yīng)地面范圍變化,CCD之間不平行以及不共線(如圖2所示)將引起相鄰CCD端點(diǎn)處像元獲取地物不同,嚴(yán)重時(shí)可能使得成像中“有縫”(即影像不能完全覆蓋地面),CCD不平行于焦面上,使得各個(gè)CCD像元大小不一;③ 主點(diǎn)和主距的誤差,將影響投影中心的位置。
外畸變主要由以下3個(gè)原因所造成:①CCD積分時(shí)間不一致,由于資源三號衛(wèi)星三線陣相機(jī)和多光譜相機(jī)均采用TDI CCD進(jìn)行成像,其積分時(shí)間受緯度和地面高低起伏等因素影響,造成積分時(shí)間存在跳變,這將引起像元在沿軌向地面覆蓋范圍不一致;② 軌道參數(shù)中存在高頻噪聲,軌道參數(shù)中存在高頻噪聲將直接影響定位精度;③衛(wèi)星飛行過程中姿態(tài)抖動(dòng)導(dǎo)致影像的RFM替代精度不高[6]。
基于虛擬CCD重成像可以消除影像內(nèi)畸變。重成像時(shí)應(yīng)用的虛擬CCD相機(jī)具有以下特點(diǎn):不考慮鏡頭畸變,為理想小孔成像;虛擬CCD是位于焦平面上的單組CCD;像元大小相同,等間隔分布;虛擬CCD覆蓋各片CCD的成像范圍。利用在軌幾何檢校的內(nèi)方位元素(ψx,ψy),計(jì)算出其位于焦平面上的像點(diǎn)坐標(biāo),擬合出最優(yōu)的虛擬CCD位置,使得生產(chǎn)過程中引入的誤差最小,如圖2所示。由于幾何檢校時(shí),補(bǔ)償了主點(diǎn)和主距誤差,因此虛擬CCD影像中消除了主點(diǎn)和主距誤差。
圖2 虛擬CCD與真實(shí)CCD分布示意圖Fig.2 The sketch map of virtual CCD and real CCDs distribution
基于虛擬CCD重成像同時(shí)可以消除外畸變。通過積分時(shí)間規(guī)劃(即一景之內(nèi)每行影像的積分時(shí)間相同),消除積分時(shí)間跳變對軌道和姿態(tài)內(nèi)插的引起的成像幾何模型的平滑性影響;針對軌道參數(shù)的高頻噪聲可通過濾波或直接利用精密軌道數(shù)據(jù),消除軌道參數(shù)引起的外畸變;衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)中的抖動(dòng)可通過姿態(tài)低通濾波消除。
由于原始TDI CCD交錯(cuò)排列,故虛擬CCD與原始CCD之間在沿軌向存在錯(cuò)開現(xiàn)象,如圖2中Δy所示。當(dāng)利用虛擬CCD的探元替代TDI CCD的探元時(shí),其相對于投影中心在沿軌向成一定夾角,該夾角會引起投影差的差異。由于相機(jī)的主距f是相對穩(wěn)定的,沿軌向夾角可轉(zhuǎn)化為焦平面上CCD沿著軌道方向的距離Δy。重成像過程中高程不準(zhǔn)確,會引入投影差誤差,其誤差的大小受虛擬CCD和TDI CCD對應(yīng)探元相對于投影中心夾角和高程誤差的影響。高程誤差的引入主要包含兩個(gè)因素:①DEM精度有限;② 衛(wèi)星影像定位誤差。當(dāng)立體像對中同時(shí)存在投影差,前方交會求解地面點(diǎn)高程時(shí)引入交會誤差。
3.2.1 投影差誤差
圖3為衛(wèi)星飛行沿軌向剖面圖,其中實(shí)線和虛線分別表示真實(shí)成像光線和重成像光線,地面點(diǎn)P實(shí)際成像光線為L1,重成像時(shí)成像光線方向變化,改變量由虛擬CCD與TDI CCD在焦面上沿軌向錯(cuò)開Δy和相機(jī)主距f決定。當(dāng)P點(diǎn)高程已知時(shí),重成像光線為L2,此時(shí)不會引入投影差誤差。然而P點(diǎn)高程存在誤差δh,造成重成像光線平移為L3,其物方偏移值為d。焦平面與實(shí)際高程面平行,由相似三角形可以得到物方偏移值d、光線在焦面上的錯(cuò)開Δy、相機(jī)主距f以及高程誤差δh之間的關(guān)系如下
將式(2)中的物方距離d除影像分辨率r即可得到其對應(yīng)像方投影差誤差k
圖3 高程不準(zhǔn)造成的像點(diǎn)偏移示意圖Fig.3 The sketch of image point’s offset caused by the error of elevation
資源三號三線陣全色相機(jī)的CCD間Δy均小于0.5像素,根據(jù)式(3)只有當(dāng)高程誤差為106m時(shí),才會引起一個(gè)像元的投影差誤差。而全球最高峰珠穆朗瑪峰高程為8844m,故資源三號測繪衛(wèi)星三線陣全色影像在虛擬重成像時(shí)候可忽略投影差誤差。因此,全色相機(jī)傳感器校正產(chǎn)品生產(chǎn)中,高程參考面采用該景范圍內(nèi)的平均高程面。
資源三號上搭載了全反式拼接的多光譜相機(jī),獲取的多光譜影像有4個(gè)波段,每個(gè)波段對應(yīng)有3片TDI CCD。針對資源三號多光譜相機(jī),采用虛擬理想CCD同時(shí)對多光譜4個(gè)波段重成像的方式完成波段內(nèi)拼接和波段間配準(zhǔn)工作。多光譜相機(jī)各個(gè)波段TDI CCD在焦面上沿衛(wèi)星飛行方向排布,第1波段與第4波段之間距離最大,因此第1波段與第4波段的探元指向出現(xiàn)相對較大的夾角,而波段內(nèi)CCD在沿軌向的夾角相比于波段間的夾角可以忽略不計(jì)。根據(jù)公式(3),當(dāng)?shù)孛鎸?shí)際高程與高程參考面的誤差在3.96km時(shí),將會造成第1波段與第4波段在沿軌向偏移差1像素。若要保證重成像影像波段間錯(cuò)位不超過0.2像素,虛擬重成像中采用高程參考面誤差在0.79km以內(nèi)。因此,針對多光譜相機(jī)來說為滿足波段內(nèi)CCD拼接和多波段間配準(zhǔn)精度,在虛擬重成像中采 用 SRTM (the shuttle radar topography mission)DEM[15]作為高程參考面,減少因生產(chǎn)流程而引入的誤差。
3.2.2 交會誤差
資源三號測繪衛(wèi)星采用前下后視相機(jī)構(gòu)建立體模型,此時(shí)具有最大的基高比。在對前后視相機(jī)進(jìn)行拼接的過程中,成像光線的改變將使得高程交會點(diǎn)位置發(fā)生變化,即重成像會引入交會誤差。相比于投影差誤差分析時(shí),交會誤差還受姿態(tài)抖動(dòng)的影響。
如圖4所示,資源三號前后視同時(shí)對地面點(diǎn)C成像時(shí),由于重成像時(shí)投影到高程參考面上,成像點(diǎn)分別為A和B,其中A和B之間距離為b。虛擬光線與真實(shí)光線方向變化Δα、Δβ和高程參考面高程誤差δh引起虛擬光線交會點(diǎn)與地面點(diǎn)C之間存在交會誤差Δh。前后視相機(jī)成像時(shí)光線夾角α、β決定了基高比,由三角形相似原理可知,基高比等于b/δh。由三角公式并求對α、β偏導(dǎo)可以得到
因此,虛擬重成像引起的高程誤差主要有高程參考面誤差δh,相機(jī)傾角α、β和角度變化值Δα、Δβ。其中,角度變化包含兩個(gè)部分:① 由于虛擬CCD替代原始CCD時(shí),造成相對較為固定的角度改變;② 由于姿態(tài)濾波時(shí),造成成像光線方向變化,對于資源三號測繪衛(wèi)星而言主要是俯仰角的影響。資源三號衛(wèi)星,其前后視相機(jī)的α、β角均約為22°,同時(shí)考慮俯仰角濾波和重成像的影響,當(dāng)高程參考面高程誤差為1000m,重成像引起的高程誤差為1.18cm,對于資源三號前后視沿軌向3.7m的分辨率來說,此誤差可忽略。
通過內(nèi)外畸變的消除,建立無畸變的傳感器校正產(chǎn)品嚴(yán)密成像幾何模型,依據(jù)該模型和多片CCD影像的嚴(yán)密成像幾何模型以及高程參考面,建立了傳感器校正產(chǎn)品與多片CCD的一一對應(yīng)關(guān)系,基于這種對應(yīng)關(guān)系即可完成灰度重采樣,生產(chǎn)傳感器校正產(chǎn)品影像。
圖4 虛擬成像引入高程誤差Fig.4 The elevation error caused by virtual imaging
當(dāng)前RFM已經(jīng)作為一種通用傳感器模型廣泛應(yīng)用于攝影測量處理系統(tǒng)中,資源三號衛(wèi)星提供RFM作為傳感器校正產(chǎn)品幾何模型。有理多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算有兩種方法:地形相關(guān)和地形無關(guān)。其中,地形無關(guān)的求解方案是基于嚴(yán)密成像幾何模型建立虛擬控制格網(wǎng)和檢查格網(wǎng),利用控制格網(wǎng)點(diǎn)求解有理多項(xiàng)式系數(shù),利用檢查格網(wǎng)評價(jià)模型的精度[16]。
采用河北安平地區(qū)和河南登封地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行資源三號傳感器校正產(chǎn)品的精度進(jìn)行分析和評估。其中河北安平為華北平原地區(qū),高程起伏較小。而河南登封地區(qū)為山地,高程起伏1255m。安平數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2012年2月18日,登封地區(qū)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2012年3月1日。
其中登封地區(qū)的地面控制數(shù)據(jù)為檢校場數(shù)據(jù),該地區(qū)盡管有大量控制點(diǎn),但這些控制點(diǎn)原本是針對0.2m的航空數(shù)據(jù)布設(shè)的,因此對于3.7m分辨率的資源三號前后視全色數(shù)據(jù)來說,大量控制點(diǎn)無法識別,可識別的控制點(diǎn)僅有36個(gè),這些控制點(diǎn)在影像范圍內(nèi)均勻分布。安平地區(qū)量測了574個(gè)地面控制點(diǎn)。安平地區(qū)為農(nóng)田區(qū)域,缺少大量穩(wěn)定地物作為控制點(diǎn),所以選擇道路交叉口。但外業(yè)測量員將其中很大一部分控制點(diǎn)布設(shè)到農(nóng)田的角點(diǎn)處,這些控制點(diǎn)盡管在地面上容易辨識,但在全色影像上卻無法準(zhǔn)確刺點(diǎn)。因?yàn)榻屈c(diǎn)處的模糊現(xiàn)象會使得角點(diǎn)的位置不準(zhǔn)確。在刪除識別不準(zhǔn)確的控制點(diǎn)后,剩余474個(gè)控制點(diǎn),控制點(diǎn)分布如圖5所示。
由于無畸變傳感器校正產(chǎn)品為消除影像各種畸變后的理想線中心投影影像,因此其RFM替代精度較高。當(dāng)消除內(nèi)部畸變后,RFM替代精度優(yōu)于0.7像素。在完成姿態(tài)濾波等外畸變消除后,RFM替代精度優(yōu)于0.01像素。
本文采用平差對資源三號測繪衛(wèi)星三線陣傳感器校正產(chǎn)品進(jìn)行幾何精度分析和驗(yàn)證。對線陣列傳感器衛(wèi)星進(jìn)行平差方法有3種:① 基于像方的多項(xiàng)式模型;② 基于物方的多項(xiàng)式模型;③ 對衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)進(jìn)行修正[17-19]。其中采用像方仿射變換模型是最常用,且精度很高[20]?;诜律渥儞Q模型,至少需要3個(gè)控制點(diǎn)求解6個(gè)未知參數(shù)。為了獲得較好的精度,采用四角點(diǎn)布控方案[21]。
登封地區(qū)資源三號三線陣數(shù)據(jù)無控制點(diǎn)時(shí),即將所有控制點(diǎn)當(dāng)檢查點(diǎn)進(jìn)行平差,其檢查點(diǎn)中誤差為10.10m,高程為1.88m。四角點(diǎn)布控,其余點(diǎn)作檢查點(diǎn),檢查點(diǎn)中誤差平面為2.60m,高程為1.58m。其誤差分布如圖6所示,圖中紅色為平面誤差,箭頭指向誤差方向;藍(lán)色為高程誤差,箭頭向上表示正值,向下表示負(fù)值。安平地區(qū)有大量控制點(diǎn),為了減弱控制點(diǎn)選擇誤差的影響,采用四角的雙點(diǎn)布控方案。無控平差時(shí),其平面精度為15.11m,高程精度為8.30m;四角點(diǎn)布控時(shí),其平面中誤差為1.78m,高程為1.46m。其誤差分布如圖7所示。從圖6和圖7中可以看出,當(dāng)進(jìn)行無控平差時(shí),影像的誤差呈現(xiàn)明顯的系統(tǒng)性,當(dāng)進(jìn)行四角點(diǎn)布設(shè)控制點(diǎn)平差后,影像定位精度大幅度提高,且誤差呈現(xiàn)隨機(jī)性的特點(diǎn)。
針對兩線陣平差試驗(yàn),對于安平地區(qū),兩線陣平差檢查點(diǎn)中誤差在平面上為2.44m,高程上為1.60m。登封地區(qū)兩線陣平差檢查點(diǎn)中誤差平面上為2.88m,高程上為1.66m,其誤差分布如圖8所示。相比于前后視構(gòu)成的兩線陣立體,三線陣立體平面上增加了多余觀測,而且其下視分辨率要高于前后視分辨率,能顯著提高平面精度。
資源三號衛(wèi)星影像應(yīng)用的關(guān)鍵之一在于其高精度成像幾何模型的建立。為了方便用戶使用,資源三號主要發(fā)布無畸變的傳感器校正產(chǎn)品,該產(chǎn)品帶有RFM。該產(chǎn)品消除了內(nèi)外畸變,且生產(chǎn)過程中引入誤差可以忽略,故進(jìn)行平差時(shí)精度很高。
圖5 影像及控制點(diǎn)分布圖Fig.5 Images with GCP information
圖6 登封地區(qū)無控制點(diǎn)平差(左)和四角點(diǎn)控制平差(右)誤差分布圖Fig.6 The error distributions of Dengfeng area without(left)/with four corner(right)GCPs
圖7 安平地區(qū)無控制點(diǎn)平差(上)和四角點(diǎn)控制平差(下)誤差分布圖Fig.7 The error distributions of Anping area without(top)/with four corner(lower)GCPs
圖8 兩線陣平差誤差分布圖Fig.8 The error distributions of two-line adjustment
利用虛擬CCD重成像的方式,消除了鏡頭、CCD以及主點(diǎn)主距的內(nèi)畸變和積分跳變、軌道高頻噪聲以及姿態(tài)抖動(dòng)引起的外畸變。基于多片CCD的嚴(yán)密成像幾何模型和傳感器校正產(chǎn)品的嚴(yán)密成像幾何模型,在一定的高程參考面下即可建立兩者的對應(yīng)關(guān)系,完成影像灰度的重采樣,利用地形無關(guān)求解方式計(jì)算的有理多項(xiàng)式系數(shù)的替代精度優(yōu)于1%像素。
在重成像過程中,由光線改變和高程參考面不準(zhǔn)確而引入的投影差誤差對于資源三號全色相機(jī)來說可以忽略不計(jì),對于前后視影像構(gòu)建的立體模型來說,1000m的高程參考誤差引入的交會誤差為1.18cm,可忽略不計(jì)。為同時(shí)解決多光譜影像的波段內(nèi)的拼接與波段間的配準(zhǔn)問題,采用了單個(gè)理想CCD重成像的方式,生產(chǎn)了多光譜影像。由于其波段間沿軌向錯(cuò)開較大,需要利用全球SRTM DEM數(shù)據(jù)作為高程參考面。
資源三號衛(wèi)星三線陣平差和兩線陣平差相比,在平面上增加了多余觀測,提高了平面定位精度,高程精度基本一致。資源三號衛(wèi)星無地面控制點(diǎn)立體定位精度可以達(dá)到15m。帶控制點(diǎn)平差平面誤差在3m之內(nèi),高程誤差在2m之內(nèi),完全滿足1∶50 000測圖的需求。
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