一种全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法与流程

技术特征：
1.一种全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：包括如下步骤，s1、将测区内连续覆盖的遥感卫星立体影像构建一个平差区域网，并采用像方仿射变换补偿的基于有理函数模型的区域网平差模型；有理函数模型即rfm；s2、在平差区域网内立体影像上布设密集的连接点；s3、选取并从互联网上下载测区内一种或多种免费全球数字高程模型产品，并根据地表高程起伏情况将测区概略地划分为平地、丘陵和山地三种地形区域，结合全球数字高程模型产品在不同地形区域的高程精度经验值，分别为平差计算时求解的位于三种地形区域的连接点对应地面点高程值改正数设置不同的高程约束规则；s4、确定连接点对应地面点的平面坐标初值、高程值初值以及影像rfm仿射变换模型参数初值；s5、针对每个连接点，将影像rfm的仿射变换参数和连接点对应地面点的三维坐标作为未知数，逐点构建连接点的误差方程；s6、对误差方程进行法化，获取法方程；采用最小二乘平差原理对法方程进行整体平差计算，计算每张影像rfm的仿射变换参数以及连接点对应地面点的三维坐标的改正数；s7、每完成一次平差计算，判断是否满足平差收敛条件，若是，则平差计算结束；若否，则利用平差计算获取的改正数更新影像rfm的仿射变换参数以及连接点对应地面点的三维坐标，同时利用高程约束规则对更新后的不同地形区域连接点对应地面点的高程值进行修改，重复步骤s5到s6，再次进行平差迭代计算，直到满足收敛条件为止；s8、利用最后一次平差迭代计算得到的影像rfm的仿射变换参数，对影像rfm进行像方仿射变换补偿，为每张影像生成新的rfm。2.根据权利要求1所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤s1中的rfm是利用有理多项式建立影像的像方与其对应的物方之间的数学映射关系，rfm方程定义为，rfm方程定义为，其中，(p,l,h)为归一化后的地面坐标；(x,y)为归一化后的影像坐标；num
s
(p,l,h)、den
s
(p,l,h)、num
l
(p,l,h)和den
l
(p,l,h)分别表示一般多项式，多项式中每一个变量p,l,h的幂均不超过3次，所有变量的幂之和也不超过3次；影像rfm的误差补偿采用像方仿射变换模型，则rfm描述的像点坐标(x,y)和地面点坐标(p,l,h)之间的关系被修正为，标(p,l,h)之间的关系被修正为，其中，(
△
x,
△
y)为影像坐标(x,y)的系统误差像方补偿值，其值为，
△
y＝a0 a1·
y a2·
x
△
x＝b0 b1·
y b2·
x其中，(a0,a1,a2,b0,b1,b2)表示仿射变换模型的参数。3.根据权利要求1所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤s2中先采用影像自动匹配算法匹配连接点，当影像自动匹配算法匹配的连接点分布不均匀、数量不足或维度不够时，采用人工判读方法补测连接点。4.根据权利要求1所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤s3中将测区划分为平地、丘陵和山地三种地形区域时，利用全球数字高程模型计算各立体影像覆盖范围的地面坡度角和高程差，当立体影像覆盖范围内地面坡度角小于2度或高程差小于80米，则该立体影像覆盖区域为平地地形区域；当立体影像覆盖范围内地面坡度角小于6度或高程差小于300米，则该立体影像覆盖区域为丘陵地形区域；否则则为山地地形区域。5.根据权利要求1所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤s3中，根据所采用的全球数字高程模型产品在不同地形区域的高程精度经验值，分别设置每次平差迭代时计算平地、丘陵和山地地形区域连接点对应地面点高程改正值的高程约束规则，具体如下，h
plan_corr
∈[(h
init
‑
σ
plan
)，(h
init
σ
plan
)]h
hill_corr
∈[(h
init
‑
σ
hill
)，(h
init
σ
hill
)]h
mount_corr
∈[(h
init
‑
σ
mount
)，(h
init
σ
mount
)]其中，h
plan_corr
、h
hill_corr
和h
mount_corr
分别为平差计算获取的平地、丘陵和山地地形区域的连接点对应地面点的高程改正值，h
init
为根据连接点对应地面点平面经纬度坐标从全球数字高程模型产品上直接读取的高程值，σ
plan
、σ
hill
和σ
mount
分别为全球数字高程模型产品在平地、丘陵和山地地形区域的高程中误差经验值。6.根据权利要求1所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤s4中，连接点对应地面点平面坐标的初值是通过影像rfm对连接点进行直接前方交会获取；影像rfm仿射变换模型的初值由人为预设；连接点对应地面点高程初值是根据连接点对应地面点平面坐标初值从全球高程模型产品上读取获得。7.根据权利要求1所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤s5中，逐点构建的连接点的误差方程如下，v＝ax by
‑
l,p式中，v＝[v
x v
y
]
t
表示连接点行和列坐标观测值的残差向量；x＝[
△
a0ꢀ△
a1ꢀ△
a2ꢀ△
b0ꢀ△
b1ꢀ△
b2]
t
为影像rfm的像方坐标系统误差仿射变换补偿模型参数的改正数向量，y＝[
△
lat
ꢀ△
lon
ꢀ△
h]
t
为连接点对应地面点三维坐标的改正数向量；为未知数x的系数矩阵；为未知数y的系数矩阵；为初值计算得到的常数项；p为权矩阵。8.根据权利要求7所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：
步骤s6具体包括如下内容，s61、根据最小二乘平差原理，对误差方程进行法化，得到的法方程如下，记为，s62、对误差方程进行变换消去x，只求解其中的仿射变换参数的改正数，然后利用前方交会的方式更新连接点对应地面点的三维坐标，将上式变换为，nt＝g其中，n中为2阶对角矩阵，在计算时通过对每个小矩阵求逆的方式得到；s63、求解出之后便能够分别得到n、g，针对公式nt＝g，利用共轭梯度下降法进行迭代求解，当两次求解得到的t的差值小于设定的阈值或者求解次数超过预设次数时结束迭代，输出得到最终的t，即仿射变换参数的改正数。9.根据权利要求5所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤s7中，利用高程约束规则对每次平差迭代计算后获取的改正后的连接点对应地面点高程值进行修改，具体为，针对平地地形区域的连接点，采用下式进行高程约束，针对丘陵地形区域的连接点，采用下式进行高程约束，针对山地地形区域的连接点，采用下式进行高程约束，10.根据权利要求2所述的全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，其特征在于：步骤s8具体包括如下内容，s81、采用影像原始rfm计算影像四个角点对应的地面范围，利用全球数字高程模型计算该影像覆盖区域的最大和最小高程值；将影像覆盖区域在高程方向以一定的间隔分层，在平面上以一定的格网大小建立地面规则格网，构建一个虚拟的地面点立体空间格网，作
为控制点格网；利用影像原始rfm以及平差获取的仿射变换参数，计算所有控制点在影像上的影像坐标；加密控制点格网和层，建立独立的检查点；s82、采用最小二乘平差原理求解rfm参数；首先将rfm方程变形为f
y
＝num
l
(p,l,h)
‑
y*den
l
(p,l,h)＝0f
x
＝num
s
(p,l,h)
‑
x*den
s
(p,l,h)＝0则获取线性化误差方程为，v＝bx
‑
l,w其中，x＝[a
1i a
2j a
3i a
4j
]
t
，w为权矩阵；根据最小二乘平差原理，求解获取影像新rfm参数为，x＝(b
t
b)
‑1b
t
ls83、利用影像新rfm计算检查点对应的影像坐标，比较与利用影像原始rfm以及仿射变换参数计算的检查点对应影像坐标之间的差值，评定影像新rfm精度，在达到精度要求时输出影像新的rfm参数，为每张影像生成新rfm。

技术总结
本发明公开了一种全球数字高程模型约束的影像区域网平差方法，首先构建立体影像平差区域网，布设密集连接点。随后获取测区内全球数字高程模型数据，将测区划分为平地、丘陵和山地三种地形区域，设置利用全球数字高程模型数据针对平差计算获得的不同地形区域内连接点对应地面点高程值改正数的约束规则；最后开展区域网平差计算，在每次迭代计算时均利用该约束规则对连接点对应地面点的高程值改正数进行约束，直至平差结束，并根据平差结果为每张影像生成新的成像几何模型参数文件。本发明通过在不同地形区域采用不同规则使用全球数字高程模型对区域网平差进行高程约束，实现无地面控制条件下卫星遥感影像高程精度的大幅度提升。度提升。度提升。


技术研发人员：周平 唐新明 王懿哲 王霞 刘昌儒 王艺颖 岳明宇 郭莉 李丹丹
受保护的技术使用者：自然资源部国土卫星遥感应用中心
技术研发日：2021.07.12
技术公布日：2021/10/19