耿 迅，徐 青

（1.河南大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué) 河南省時(shí)空大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，鄭州 450000；3.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，鄭州 450052）

引 言

地外天體表面高精度的正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）與數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是深空探測(cè)任務(wù)實(shí)施與行星科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-4]。使用攝影測(cè)量方法對(duì)地外天體遙感影像進(jìn)行幾何處理是制作行星制圖產(chǎn)品的主要技術(shù)手段[5-7]?，F(xiàn)有行星遙感制圖產(chǎn)品的精度與分辨率仍然較低，不能很好地滿足深空探測(cè)工程任務(wù)以及深層次行星科學(xué)研究的需要。當(dāng)前，利用不同航天機(jī)構(gòu)獲取的多探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)制作高分辨率、高精度的行星制圖產(chǎn)品是深空探測(cè)遙感測(cè)繪的研究重點(diǎn)，但是融合多探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影測(cè)量處理的技術(shù)難度很大，而且行星攝影測(cè)量處理過(guò)程復(fù)雜，可用軟件資源有限。

結(jié)合地外天體遙感影像的特點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)、優(yōu)化行星攝影測(cè)量處理方法，是深空探測(cè)任務(wù)科學(xué)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的重要工作。深空探測(cè)器通常搭載線陣傳感器獲取地外天體的遙感影像用于制作行星制圖產(chǎn)品[8-11]。然而，現(xiàn)有行星攝影測(cè)量處理方法在用于線陣推式遙感影像時(shí)的效果不佳，通常表現(xiàn)出較低的處理效率[12]，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）開(kāi)發(fā)的ISIS（Integrated System for Imagers and Spectrometers）軟件在處理生成大數(shù)據(jù)量（例如GB級(jí)）線陣推掃式行星遙感影像的正射影像圖時(shí)，通常需耗時(shí)幾十分鐘甚至若干小時(shí)[13]。另外，在構(gòu)建連接點(diǎn)控制網(wǎng)時(shí)，現(xiàn)有行星攝影測(cè)量處理方法針對(duì)線陣推掃式遙感影像的適用性有限，經(jīng)常出現(xiàn)匹配失效的情況，導(dǎo)致后序攝影測(cè)量處理步驟以及行星制圖產(chǎn)品精度受到影響[14]。針對(duì)現(xiàn)有行星攝影測(cè)量處理方法在線陣推掃式遙感影像上的不足，本文采用快速反投影算法進(jìn)行正射影像糾正，并且在近似正射影像空間匹配獲取連接點(diǎn)，提升長(zhǎng)條帶、大數(shù)據(jù)量線陣推掃式行星遙感影像的攝影測(cè)量處理效率。

1 行星攝影測(cè)量處理技術(shù)

經(jīng)過(guò)幾十年的積累，美國(guó)在深空探測(cè)遙感測(cè)繪領(lǐng)域已經(jīng)形成了一套比較成熟的行星攝影測(cè)量處理技術(shù)體系，可以將這個(gè)技術(shù)體系概括為“PDS+SPICE+ISIS”，其中PDS（Planetary Data System）是行星遙感數(shù)據(jù)系統(tǒng)，SPICE是深空探測(cè)任務(wù)輔助信息系統(tǒng)，ISIS是開(kāi)源行星遙感影像處理軟件。另外，近年來(lái)美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）研發(fā)的ASP（Ames Stereo Pipeline）開(kāi)源軟件也逐漸在行星制圖領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

PDS是NASA研發(fā)的行星遙感數(shù)據(jù)系統(tǒng)，目前作為深空探測(cè)任務(wù)科學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)文件格式被世界各國(guó)廣泛采用。中國(guó)“嫦娥”工程與“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)工程的科學(xué)數(shù)據(jù)也采用了PDS文件格式。PDS文件除了記錄影像信息，也包含有影像獲取時(shí)間、分辨率、地理坐標(biāo)范圍等輔助信息?？梢允褂瞄_(kāi)源圖像處理引擎GDAL對(duì)PDS文件進(jìn)行讀寫、格式轉(zhuǎn)換等操作。

行星遙感影像幾何處理涉及到復(fù)雜的行星坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、各種時(shí)間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、探測(cè)器位置與姿態(tài)計(jì)算、相機(jī)模型構(gòu)建、光束法平差等內(nèi)容。NASA使用SPICE庫(kù)文件對(duì)這些深空探測(cè)任務(wù)輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔[15]。SPICE庫(kù)文件也是行星攝影測(cè)量處理時(shí)重要的輔助數(shù)據(jù)，其中SPK文件對(duì)應(yīng)于探測(cè)器位置數(shù)據(jù)，CK文件對(duì)應(yīng)于探測(cè)器姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用這兩個(gè)文件可以生成影像的外方位元素信息，用于構(gòu)建相機(jī)模型以及光束法平差處理。另外，為便于利用這些SPICE庫(kù)文件進(jìn)行各種計(jì)算，SPICE輔助信息系統(tǒng)也提供了相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，可以使用C語(yǔ)言進(jìn)行調(diào)用。

美國(guó)自實(shí)施“阿波羅”登月計(jì)劃以來(lái)，一直十分重視深空探測(cè)遙感測(cè)繪工作，基于USGS ISIS軟件制作了月球、火星、小行星等多個(gè)星體的制圖產(chǎn)品，在深空探測(cè)著陸區(qū)選址、任務(wù)路徑規(guī)劃以及行星科學(xué)研究等方面發(fā)揮了重要作用。USGS開(kāi)發(fā)的ISIS行星攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)能夠支持NASA的多個(gè)深空探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)。ISIS提供了很多工具軟件用于行星遙感影像的攝影測(cè)量處理，其它航天機(jī)構(gòu)，如歐洲航天局（European Space Agency，ESA）、日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）也使用ISIS進(jìn)行深空探測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，ISIS在深空探測(cè)遙感測(cè)繪領(lǐng)域得到了行業(yè)的廣泛認(rèn)可。

ASP是由NASA的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）開(kāi)發(fā)的立體攝影測(cè)量軟件，可以支持行星遙感影像與對(duì)地觀測(cè)遙感影像[16]。ASP軟件在生成DEM方面的效果較好，并且自動(dòng)化程度較高，提供有stereo、point2dem等多個(gè)工具軟件用于自動(dòng)生成DEM，stereo軟件主要是匹配立體影像生成點(diǎn)云文件，point2dem可以將點(diǎn)云文件轉(zhuǎn)換為常用格式的DEM文件（如GeoTiff格式），并且生成DEM交會(huì)殘差圖輔助分析DEM成果精度。ASP支持ISIS的cube文件格式，能夠讀取其相機(jī)模型信息。

但是與商業(yè)攝影測(cè)量軟件相比，現(xiàn)有開(kāi)源行星攝影測(cè)量軟件在交互式編輯、線陣推掃式遙感影像處理效率等方面的功能稍弱。然而，商業(yè)攝影測(cè)量軟件通常無(wú)法直接用于處理月球、火星等地外天體遙感影像，主要原因是商業(yè)攝影測(cè)量軟件無(wú)法支持行星遙感影像的數(shù)據(jù)格式、相機(jī)模型、坐標(biāo)基準(zhǔn)等；另外，商業(yè)攝影測(cè)量軟件的核心算法（例如影像匹配）也通常結(jié)合對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星影像的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，而這些優(yōu)化參數(shù)并不適合于處理行星遙感影像。

2 基于快速幾何糾正的行星攝影測(cè)量處理方法

本文基于線陣推掃式遙感影像快速反投影算法進(jìn)行行星遙感影像的幾何糾正與控制網(wǎng)構(gòu)建，并自主研發(fā)了相應(yīng)的軟件模塊，應(yīng)用于地外天體的攝影測(cè)量處理過(guò)程?；诳焖賻缀渭m正的線陣行星遙感影像攝影測(cè)量處理流程如圖1所示，具體處理步驟可以分為影像預(yù)處理、相機(jī)模型構(gòu)建、連接點(diǎn)提取、光束法平差以及制圖產(chǎn)品生成等幾個(gè)步驟。經(jīng)過(guò)幾何處理生成的正射影像圖與數(shù)字高程模型可以加載至ArcGIS、GlobalMapper、QGIS等地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）軟件中進(jìn)行科學(xué)分析。由于USGS ISIS支持多個(gè)深空探測(cè)任務(wù)的科學(xué)數(shù)據(jù)，而且在行星測(cè)繪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是ISIS內(nèi)置了許多深空探測(cè)任務(wù)的相機(jī)參數(shù)，因此本文的行星攝影測(cè)量處理流程也使用USGS ISIS軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、輻射校正以及光束法平差等處理。

圖1 基于快速幾何糾正的行星遙感影像攝影測(cè)量處理流程圖Fig.1 Flowchart of the photogrammetric processing of planetary remote sensing images based on fast geometric rectification

在影像預(yù)處理階段需要導(dǎo)入PDS格式的原始影像并轉(zhuǎn)換為USGS ISIS系統(tǒng)支持的cube文件格式。ISIS針對(duì)不同深空探測(cè)任務(wù)的傳感器開(kāi)發(fā)了專門的數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，例如lronac2isis用于導(dǎo)入月球偵察軌道器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）窄角相機(jī)（Narrow Angle Camera，NAC）影像，hrsc2isis用于導(dǎo)入火星快車（Mars Express，MEX）高分辨率立體相機(jī)（Hight Resolution Stereo Camera，HRSC）影像。在預(yù)處理階段還需要對(duì)影像進(jìn)行輻射檢校，例如使用lronaccal與lronacecho對(duì)LRO NAC影像進(jìn)行輻射檢校。在預(yù)處理階段的一個(gè)重要步驟是調(diào)用spiceinit獲取與影像相關(guān)的各個(gè)SPICE庫(kù)文件，從而計(jì)算出影像在攝影時(shí)刻的位置、姿態(tài)信息，這一步相當(dāng)于構(gòu)建了相機(jī)模型，以便在像點(diǎn)與地面點(diǎn)之間進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.1 線陣推掃式影像地面點(diǎn)反投影

構(gòu)建遙感影像的相機(jī)模型是開(kāi)展攝影測(cè)量處理的基礎(chǔ)[17-18]。相機(jī)模型主要用于地面點(diǎn)坐標(biāo)P(X,Y,Z)與像點(diǎn)坐標(biāo)p(x,y)的相互轉(zhuǎn)換。以MEX HRSC影像為例，地面點(diǎn)P(X,Y,Z)與像點(diǎn)p(x,y)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

圖2 線陣推掃式影像地面點(diǎn)反投影示意圖Fig.2 Illustration of back projection of linear pushbroom images

為了提升最佳掃描線的迭代計(jì)算效率，本文采用基于物方投影面約束的快速反投影算法進(jìn)行線陣推掃式影像的地面點(diǎn)反投影計(jì)算[18-19]。先利用線陣推掃式影像的嚴(yán)密幾何模型建立每一條掃描線的物方投影面（例如第i條掃描線的物方投影面為SiAiBi），然后在地面點(diǎn)反投影迭代計(jì)算時(shí)，利用地面點(diǎn)至投影面的距離作為幾何約束條件輔助確定地面點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最佳掃描線。地面點(diǎn)P與某一掃描線所構(gòu)成的物方投影面之間的距離 L的計(jì)算公式為

其中：A、B、C、D是物方投影面的法線方向，可由空間3點(diǎn)Si、Ai、Bi的三維坐標(biāo)計(jì)算得出。由于基于物方投影面的迭代計(jì)算過(guò)程是簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算，并且迭代收斂速度快，因此地面點(diǎn)反投影過(guò)程的計(jì)算效率可以得到顯著提升。

2.2 快速幾何糾正

線陣推掃式遙感影像的幾何糾正通常采用反解法，即對(duì)于正射影像圖上的每一個(gè)像素，先計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)坐標(biāo)，再由地面點(diǎn)坐標(biāo)反求出像點(diǎn)坐標(biāo)（即地面點(diǎn)反投影過(guò)程），然后將該像點(diǎn)的灰度值進(jìn)行內(nèi)插處理并賦值給正射影像圖。USGS ISIS系統(tǒng)提供了cam2map工具軟件用于生成DOM。由于ISIS系統(tǒng)的線陣推掃式相機(jī)模型采用計(jì)算效率偏低的二分法確定最佳掃描線，導(dǎo)致地面點(diǎn)反投影計(jì)算的效率較低，因此cam2map在處理線陣推掃式行星遙感影像（例如LRO NAC、MEX HRSC）時(shí)非常耗時(shí)。

本文通過(guò)優(yōu)化線陣推掃式遙感影像的相機(jī)模型提升地面點(diǎn)反投影迭代計(jì)算效率，并且采用多線程程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步提高正射影像生成的處理效率，與USGS ISIS軟件相比，單線程幾何糾正處理的計(jì)算效率可提升3～5倍，多線程幾何糾正處理的計(jì)算效率可提升10～20倍（4線程）。

2.3 連接點(diǎn)控制網(wǎng)構(gòu)建

通過(guò)spiceinit獲取的影像初始位置、姿態(tài)信息（即外方位元素）的精度偏低，需要利用光束法平差進(jìn)行精化。光束法平差的關(guān)鍵是獲取均勻分布的可靠連接點(diǎn)，在USGS ISIS系統(tǒng)中稱為控制網(wǎng)（control network）。高精度的連接點(diǎn)控制網(wǎng)是獲得高質(zhì)量行星攝影測(cè)量成果的前提。USGS ISIS提供了autoseed、cnetref、pointreg等一系列控制網(wǎng)構(gòu)建工具，但是其計(jì)算效率較低，并且經(jīng)常出現(xiàn)匹配處理失敗的情況，不適合大數(shù)據(jù)量的連接點(diǎn)提取，而且相關(guān)匹配算法難以用于畸變較為嚴(yán)重的立體影像（例如MEX HRSC的前、后視圖像）。

本文先利用線陣推掃式遙感影像的快速反投影算法生成近似正射影像，然后在近似正射影像上采用歸一化相關(guān)系數(shù)方法匹配連接點(diǎn)，再利用地面點(diǎn)反投影算法將匹配的連接點(diǎn)轉(zhuǎn)換至原始影像空間。由于在近似正射影像空間進(jìn)行匹配，立體影像的分辨率變?yōu)橐恢?，同時(shí)也消除了地形起伏與攝影角度不同帶來(lái)的幾何畸變影響，并且能夠利用影像初始位置、姿態(tài)信息輔助確定匹配點(diǎn)的起始位置，因此能夠提升連接點(diǎn)提取步驟的計(jì)算效率與匹配精度。

2.4 光束法平差

USGS ISIS提供了jigsaw工具用于光束法平差，jigsaw軟件的計(jì)算效率較高，對(duì)深空探測(cè)任務(wù)各種傳感器的支持也比較好。因此，本文將匹配的連接點(diǎn)轉(zhuǎn)換至ISIS軟件支持的PVL （Parameter Value Language）控制網(wǎng)文件格式進(jìn)行光束法平差處理。光束法平差的一個(gè)難點(diǎn)是設(shè)置不同類型觀測(cè)值的權(quán)值，主要涉及探測(cè)器位置與姿態(tài)觀測(cè)值、控制點(diǎn)觀測(cè)值等。權(quán)值設(shè)置可以依據(jù)探測(cè)器定軌、定姿精度進(jìn)行設(shè)置，也需要一定的工程經(jīng)驗(yàn)。光束法平差通常需要經(jīng)過(guò)幾次迭代，每一次平差時(shí)需要剔除連接點(diǎn)中的粗差，通常認(rèn)為當(dāng)像點(diǎn)觀測(cè)值殘差小于1個(gè)像素，平差指標(biāo)Sigma0值小于0.5時(shí)可以認(rèn)為獲得了理想的平差結(jié)果（實(shí)際精度情況受探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響）。若要提升絕對(duì)幾何定位精度，則需要在光束法平差過(guò)程中引入控制數(shù)據(jù)。但是，現(xiàn)有行星表面控制數(shù)據(jù)的分辨率與精度較低，尤其是缺乏高精度的平面控制數(shù)據(jù)，實(shí)際工程應(yīng)用中通常引入激光測(cè)高數(shù)據(jù)或者由激光測(cè)高數(shù)據(jù)生成的DEM作為高程控制信息。

2.5 數(shù)字高程模型與正射影像圖生成

在光束法平差后，利用立體像對(duì)進(jìn)行影像匹配可以獲取密集的匹配點(diǎn)，再利用立體影像空間前方交會(huì)計(jì)算出點(diǎn)云的三維坐標(biāo)，從而自動(dòng)構(gòu)建出DEM。通常使用ISIS軟件進(jìn)行行星遙感影像的預(yù)處理與光束法平差，再利用ASP軟件生成DEM。ASP軟件自動(dòng)生成DEM的分辨率與原始影像分辨率基本相同，但是存在較多噪聲，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常需要將自動(dòng)生成的DEM重采樣為3～5倍原始影像分辨率。

通過(guò)幾何糾正可以消除各種畸變的影響，生成含有精確地理信息的DOM。生成DOM時(shí)需要利用影像的外方位元素以及參考DEM，因此光束法平差的精度以及DEM的精度會(huì)直接影響DOM的成果精度。在生成正射影像圖時(shí)，可以利用USGS ISIS提供的cam2map軟件以及自主研發(fā)的快速幾何糾正軟件。

3 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)選取4幅LRO NAC影像與5幅MEX HRSC影像進(jìn)行處理（影像基本信息見(jiàn)表1）。LRO NAC影像數(shù)據(jù)位于“嫦娥四號(hào)”著陸區(qū)，影像分辨率為0.88～1.18 m；MEX HRSC影像數(shù)據(jù)覆蓋Mars 2020任務(wù)預(yù)選著陸區(qū)的Jezero撞擊坑，影像分辨率為14～22 m。利用USGS ISIS 3.5.2軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、輻射校正、光束法平差等處理，使用自主研發(fā)軟件進(jìn)行相機(jī)模型構(gòu)建、幾何糾正、連接點(diǎn)提取等處理，使用ASP 2.6.0軟件生成數(shù)字高程模型。試驗(yàn)軟件環(huán)境為64位Ubuntu 14.04操作系統(tǒng)（安裝在VMWare虛擬機(jī)上）；硬件環(huán)境為Intel Core i7-7 500 2.7 GHz CPU與8 GB內(nèi)存。月球與火星制圖分別采用1 737.4 km與3 396.19 km的正球體，地圖投影采用Equirectangular投影方式。

表1 測(cè)試影像基本信息Table 1 Basic information of the test images

3.1 光束法平差精度分析

基于初始的影像位置、姿態(tài)信息以及USGS ISIS軟件內(nèi)置的月球、火星全球DEM數(shù)據(jù)，使用自主研發(fā)的幾何糾正軟件模塊將試驗(yàn)影像處理生成近似正射影像圖，在近似正射影像圖上提取連接點(diǎn)，再轉(zhuǎn)換為ISIS系統(tǒng)支持的PVL控制網(wǎng)文件格式用于光束法平差。MEX HRSC影像共提取495個(gè)連接點(diǎn)，LRO NAC測(cè)試影像共獲取187個(gè)連接點(diǎn)，兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的連接點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖3～4。

圖3 MEX HRSC影像連接點(diǎn)分布示意圖Fig.3 Illustration of tie points distribution of MEX HRSC images

圖4 LRO NAC影像連接點(diǎn)分布示意圖Fig.4 Illustration of tie points distribution of LRO NAC images

使用jigsaw進(jìn)行光束法平差，兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的Simga0值均小于0.3，光束法平差后影像像方殘差值見(jiàn)表2，殘差分布見(jiàn)圖5～6。分析像方殘差結(jié)果可知，LRO NAC與MEX HRSC影像光束法平差的像方殘差值均小于半個(gè)像素，表明影像匹配精度較高，不同條帶之間外方位元素的不一致性得到消除。連接點(diǎn)幾何定位精度見(jiàn)圖7～8。分析結(jié)果可知，LRO NAC影像平面定位精度為0.5～1.0 m，高程定位精度為1.0～1.5 m；MEX HRSC影像平面定位精度為4～10 m，高程方向上大部分連接點(diǎn)的定位精度為10～20 m，少量連接點(diǎn)的定位精度接近30 m。結(jié)合影像分辨率可知，LRO NAC與MEX HRSC影像均可達(dá)到平面約0.5～1個(gè)像素，高程約1～2個(gè)像素的定位精度，與對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星遙感影像的幾何定位精度基本一致。

圖5 LRO NAC影像光束法平差后像方殘差分布圖Fig.5 Image residuals of the bundle adjustment for LRO NAC images

圖6 MEX HRSC影像影像光束法平差后像方殘差分布圖Fig.6 Image residuals of the bundle adjustment for MEX HRSC images

圖7 LRO NAC影像光束法平差連接點(diǎn)幾何定位精度Fig.7 The posterior geometric accuracy of tie points for LRO NAC images

圖8 MEX HRSC影像光束法平差連接點(diǎn)幾何定位精度Fig.8 The posterior geometric accuracy of tie points for MEX HRSC images

表2 光束法平差影像殘差值Table 2 Image residuals of bundle adjustment results

3.2 數(shù)字高程模型精度分析

光束法平差之后，可以利用ASP的stereo、point2dem等工具軟件自動(dòng)生成DEM。LRO NAC原始影像之間幾何變形較小，可以直接用于密集匹配；而MEX HRSC影像由于攝影角度差異大，影像之間幾何變形較大，直接在原始影像上匹配比較困難，因此可以先糾正為正射影像，然后在正射影像上匹配生成DEM。LRO NAC測(cè)試影像選用M1303619844LE與M1303640934LE組成立體像對(duì)，而MEX HRSC測(cè)試影像選用h7289 nd2、s12、s22（即下視、前視、后視）組成立體像對(duì)。自動(dòng)生成的DEM與交會(huì)殘差見(jiàn)圖9～10，LRO NAC立體影像生成的DEM重采樣為5 m格網(wǎng)間距，MEX HRSC立體影像生成的DEM重采樣為50 m格網(wǎng)間距。分析LRO NAC與MEX HRSC立體影像的DEM交會(huì)殘差圖可知，大部分區(qū)域的交會(huì)殘差值為1～2個(gè)像素，表明影像匹配精度與光束法平差精度較高。受光照不足、陰影、紋理稀疏等因素影響，立體影像中也有少部分區(qū)域未匹配出同名點(diǎn)，例如圖9（a）左下角的撞擊坑（圖中顯示為白色無(wú)效值區(qū)域）。另外，圖9 （b）中DEM交會(huì)殘差圖顯示出有規(guī)律的條紋形狀，可能是由衛(wèi)星平臺(tái)的高頻顫振引起，本文未對(duì)顫振做進(jìn)一步處理。

圖9 LRO NAC立體影像自動(dòng)提取DEM結(jié)果Fig.9 The DEM results of LRO NAC stereo images

圖10 MEX HRSC立體影像自動(dòng)提取DEM結(jié)果Fig.10 The DEM results of MEX HRSC stereo images

由于月球、火星表面通常缺乏高精度的絕對(duì)控制數(shù)據(jù)，行星攝影測(cè)量的絕對(duì)定位精度通常依賴于探測(cè)器定軌、定姿數(shù)據(jù)的精度。利用行星遙感影像生成DEM時(shí)的交會(huì)殘差及連接點(diǎn)幾何定位精度能夠表明立體影像之間的內(nèi)部符合精度較好，實(shí)際上是對(duì)光束法平差后相對(duì)定位精度的評(píng)價(jià)。為了提升絕對(duì)定位精度，可以使用激光測(cè)高數(shù)據(jù)獲取的DEM添加高程控制，或者將激光測(cè)高足印數(shù)據(jù)與影像進(jìn)行融合處理，即將高精度的激光測(cè)距信息作為觀測(cè)值與影像觀測(cè)值進(jìn)行聯(lián)合平差，進(jìn)一步提升絕對(duì)定位精度。

3.3 正射影像圖精度分析

利用光束法平差后的精化外方位元素以及自動(dòng)生成的高分辨率DEM糾正生成DOM，結(jié)果如圖11～12所示。圖11（a）是M1303619844LE/RE構(gòu)成的正射影像鑲嵌圖，影像分辨率為0.9 m，圖中藍(lán)色方框標(biāo)注了圖11（b）、（c）局部區(qū)域影像拼接效果（M1303619844LE與M1303640934LE重疊區(qū)域），紅色五角星標(biāo)注了“嫦娥四號(hào)”著陸點(diǎn)以及“玉兔二號(hào)”月球車在影像獲取時(shí)刻的位置，具體可參見(jiàn)圖11（d）。圖12（a）是利用h7289 nd2影像制作的正射影像圖，影像分辨率為14 m，影像中間是Jezero撞擊坑，圖中藍(lán)色方框標(biāo)注了右側(cè)圖12（b）、（c）局部區(qū)域影像拼接效果（h7289 nd2與s12重疊區(qū)域），左側(cè)為nd2通道影像，右側(cè)為s12通道影像。由正射影像拼圖結(jié)果可知，使用光束法平差精化的外方位元素以及生成的高分辨率DEM可以顯著降低正射影像圖的幾何拼接誤差。

圖11 “嫦娥四號(hào)”著陸區(qū)LRO NAC正射影像圖Fig.11 The digital orthophoto map of LRO NAC images for the landing site of Chang’E-4

圖12 Mars 2020預(yù)選著陸區(qū)MEX HRSC正射影像圖Fig.12 The digital orthophoto map of MEX HRSC images for the candidate landing site of Mars 2020

4 結(jié) 論

本文針對(duì)線陣推掃式行星遙感影像攝影測(cè)量處理過(guò)程中的正射影像生成與控制網(wǎng)構(gòu)建步驟進(jìn)行算法優(yōu)化，自主研發(fā)了快速幾何糾正與連接點(diǎn)提取軟件模塊，顯著提升了線陣推掃式行星遙感影像的攝影測(cè)量處理效率。但是，自主研發(fā)的軟件模塊目前僅能支持LRO NAC與MEX HRSC的相機(jī)模型，下一步需要結(jié)合月球、火星全球遙感制圖的需求，支持更多的深空探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)，并采用GPU計(jì)算、集群處理等技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化算法性能，以適用于大數(shù)據(jù)量處理的需求。

中國(guó)的深空探測(cè)將持續(xù)向著“開(kāi)放、合作、共建、共享”的方向發(fā)展，而科學(xué)數(shù)據(jù)的高效處理是深空探測(cè)工程任務(wù)與行星科學(xué)研究的基礎(chǔ)。當(dāng)前，綜合利用國(guó)內(nèi)外多探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)制作更高精度、更高分辨率的行星制圖產(chǎn)品仍然面臨諸多技術(shù)難題。針對(duì)行星遙感影像特點(diǎn)，自主研發(fā)一系列的攝影測(cè)量軟件工具是深空探測(cè)遙感測(cè)繪中必不可少的基礎(chǔ)性工作。