在卫星重力场测量中,星星跟踪是获取中高阶重力场模型的有效方式,是GRACE Follow-on、GRACE II等下一代国际重力卫星所采用的测量方式.星星跟踪重力卫星任务设计需要考虑轨道高度、星间距离、定轨误差、星间距离变化率测量误差、非引力干扰确定误差、任务测量时间和数据采样间隔等任务参数,这些参数共同决定了重力场测量的时间分辨率、空间分辨率及其精度等重力场测量性能.如何分析这些系统参数对重力场测量性能的复杂物理机理,进而提出合理、优化的任务参数设计方法,是星星跟踪重力场测量系统设计中的重要问题.为此,本文建立了星星跟踪重力场测量性能的解析计算模型,并利用GRACE重力卫星测量参数验证了该解析模型,进而提出了重力卫星系统参数设计方法,为实现星星跟踪重力场测量性能最大化奠定了理论基础.
卫星轨道作为构建高分辨率遥感影像严密几何成像模型的必要参数,其精度对卫星影像几何定位精度有直接影响,故研究如何获取卫星成像时刻的精确位置具有重要意义.本文分别基于最佳平方逼近多项式和最佳一致逼近多项式对ZY-3卫星实时轨道与事后精密轨道进行拟合与平滑,进一步探讨实时轨道预报的可行性.研究结果表明,最佳平方逼近多项式拟合结果明显优于最佳一致逼近多项式拟合结果,且事后精密轨道拟合精度为厘米级,可以改善并提高实时轨道精度及进行轨道短期预报,为遥感影像高精度几何处理提供精确可靠的外方位线元素.
卫星姿态作为构建ZY-3卫星高分辨率遥感影像严密几何成像模型的必要参数,其精度对卫星影像几何定位精度有直接影响,因此研究如何获取卫星成像时刻的三线阵影像扫描行精确姿态具有重要意义.本文分别基于多项式插值方法、多项式拟合方法及球面线性插值方法对ZY-3卫星星上直传精密姿态进行拟合与平滑,进一步与基于高精度几何定标场反演的对地相机精密姿态进行比较.研究结果表明,基于欧拉角姿态参数的插值拟合方法同样适用于四元数姿态参数,两者精度相当,且姿态拟合精度可以达到1～2角秒级,为遥感影像高精度几何处理提供精确可靠的外方位角元素.
针对机场飞机变化检测时效性要求高的特点,提出遥感图像在轨变化检测的方法.该方法利用遥感卫星前后两幅机场图像,通过SURF方法配准并进行仿射变换,然后利用显著目标检测方法缩小目标检测区域,最后利用本文提出的圆周信息匹配方法,将二维图像匹配转换为一维信息检测的问题,实现对飞机的检测.利用前后两轨卫星遥感图像进行试验,仿真结果表明,配准精度达到±1个像素,能准确检测出飞机目标,说明该方法能准确高效地检测出机场飞机变化信息.
低对比度是微光图像的主要特征之一,因此对比度增强处理是微光图像处理的重要方面.本文首先对常用数字图像对比度增强方法——灰度变换和直方图均衡的基本原理和实现方法进行了阐述,然后针对实际试验中获取的典型低对比度微光图像进行了对比度增强处理,并且对比分析了几种增强方法所得到的图像处理效果,最后总结了典型低对比度微光图像对比度增强方法各自的优缺点及其适用性.
随着高分辨率对地观测技术的快速发展,我国已具备获取高空间分辨率和较高光谱分辨率遥感图像的能力.在高分辨率对地观测条件下,能够进行检测的目标最小尺度在不断提升,使得复杂场景中的目标检测成为可能.针对机载高分成像获取的高光谱图像中目标检测问题,本文提出了一种基于张量表示的目标检测新框架及稀疏目标检测新方法.首先,利用张量模型对输入高光谱图像数据进行低秩分解和表示,所得到的投影分量能够表示高光谱图像的空间-光谱整体信息;其次,将稀疏表示方法同传统目标匹配检测方法相结合,构成稀疏匹配目标检测算子,对低秩张量分解的投影数据进行检测.本文所提出稀疏张量目标检测新方法能够有效地挖掘和利用局部区域目标的空间-光谱联合信息,提高高分条件下复杂场景目标检测的性能、降低虚警率.本文利用两组真实的航空系统高光谱图像进行仿真试验,试验结果表明所提出的方法检测性能明显优于当前国际主流遥感图像目标检测方法.
在三维经典扰动位协方差模型基础上,推导获得局部重力异常协方差模型、局部扰动重力协方差模型,以及扰动重力和重力异常的互协方差模型,这3个模型在忽略小项后是一致的,即航空扰动重力数据与地面重力异常数据的联合处理采用一个模型即可,大大简化了处理流程.以最小二乘配置理论及本文推导的协方差模型为基础,构建了航空扰动重力测线数据与地面重力异常数据一体化处理的具体方法,利用该方法可推估地面待求点的重力异常数据,且处理过程自动完成了航空扰动重力数据的向下延拓,同时也大大削弱了航空数据中存在的系统偏差影响.在某试验区开展了一体化处理试验,结果表明,采用一体化处理得到的重力异常数据比单独使用5'分辨率航空重力数据推估获得的数据精度提高2.4 mGal,比单独使用2.5'分辨率地面重力数据推估获得的数据精度提高1.2 mGal.
在基于运动传感器测量数据的机载SAR运动补偿方法中,IMU/GPS测量误差和地物定位误差等非理想因素的存在会导致相位补偿量的不准确,进而引入残余运动误差,影响SAR图像质量.本文针对IMU的各项测量误差、系统延时误差、多普勒中心频率误差、参考DEM误差等影响轨迹测量和地物定位精度的具体因素展开研究,建立了上述因素与残余运动误差之间的函数关系.该函数关系显示,残余运动误差主要来源于航迹测量误差和地物定位误差,航迹测量误差主要根源于IMU/GPS测量单元中加速度计的常值漂移和IMU关于姿态角的测量误差,地物定位误差主要根源于参考DEM误差等因素.本文通过建模分析,完成了对机载SAR运动补偿精度退化机理的研究.
针对无人机遥感平台进行动态监测要求快速检索、快速处理航拍图片的需求特点,提出了一种快速处理策略.通过对下传实时视频的内容理解在航拍图片采集时执行分类标记,并由此进行筛选分类,从而在时间轴上实现了待处理航拍图片的快速索引;通过构建拼接压缩图和原始航拍图的关系,对低分辨率拼接图上的任意区域均可关联到包含该区域的高分辨率原始图片,从而兼顾拼接图概貌展示处理的快速性和原有信息的细节展示性.依据该策略设计了一套低失真、快速地面信息处理流程,创造性解决海量数据检索盲目性和大数据处理复杂性问题,符合无人机动态监测的应用需求,具有广阔应用前景.
在影像匹配的研究上,SIFT算法在特征匹配方面的应用一直是国内外学者关注的热点之一.最近几年,有研究者提出了SURF算法,该算法是在SIFT算法基础上作了一些改进后得到的新算法.为了比较这两种算法在影像特征点提取上的优劣性,本文开发了相应的软件程序,并采用无人机遥感影像数据进行了算法的实例验证.发现相比于SIFT算法,SURF算法在影像特征点提取中无论是运算速度还是提取的特征点数量都有较大进步.基于此将SURF算法应用到无人机遥感影像拼接中并通过高斯滤波对拼接影像进行平滑处理,获得了令人满意的拼接影像.
Contourlet变换是一种具有多分辨率、多方向性的图像二维表示方法.为了对遥感图像进行质量评价,本文提出了一种基于Contourlet变换的梯度结构相似度(GSSIM)无参考遥感图像质量评价方法.首先根据主观质量评价标准,组织20位遥感专家采用DMOS评分方法对150幅高斯噪声图像和150幅椒盐噪声图像进行评价,建立主观评分库;然后将待评价失真遥感图像通过高斯低通滤波器来构造参考图像,并对图像进行Contourlet变换,计算GSSIM,实现质量评价;最后,为了定量分析算法的性能,将评价结果回归到DMOS空间,并与RMSE(均方根误差)、PSNR(峰值信噪比)等评价方法进行比较.试验结果表明,该方法能客观地评价遥感图像的质量,其结果与人眼视觉评判结果一致.
针对高分影像质量判定的需求,提出色度过滤法和半逆法相结合的云检测算法.根据色度过滤,识别可疑云区,生成搜索掩码;利用半逆法,生成原图的半逆图像,度量色度差异,识别高亮云区;由高亮云区在掩码区迭代搜索,进一步达到对薄云的检测,迭代策略的使用避免了城区对薄云区检测的干扰.该方法在大量高分影像数据上进行试验验证, 均得到较好结果.
地面激光雷达与影像数据通过配准和纹理映射生成彩色仿真模型,但由于分辨率的差异,相邻两张影像与模型的纹理映射会出现纹理接缝现象.针对这一问题,本文以点云深度图像基准面为载体,把重叠影像投影到基准面上生成基准影像,并通过重叠基准影像的匹配对纹理接缝处进行纠正,纠正后无缝的基准影像再反投影回模型,生成无缝仿真模型.该方法解决了激光雷达与影像缝纹理接缝问题,具有一定的现实性意义.
鱼眼镜头具有短焦距、大视场的优点,在虚拟实景、视频监控、智能交通、机器人导航等领域得到广泛的应用.随着测绘科学技术的发展,希望在广视角图片上有更多的信息,同时通过这些信息的获取能够更好地服务社会.鱼眼镜头摄像机拍摄的影像具有非常严重的变形,需要通过一定的方法将其纠正.本文提出了一种基于球面模型鱼眼影像畸变差修正、共线条件方程及相似三角形原理的全景影像可量测性方法,使全景图像在测绘领域的应用更加广泛.
地形校正是遥感影像定量化应用环节之一,以往的地形校正研究多是针对一景影像中很小的局部影像块来进行处理研究的,对整景大场景影像进行地形校正的研究尚不多.基于此,本文利用高分一号的宽视场相机拍摄的16 m分辨率的遥感影像,研究大场景下地形校正方法,对C校正模型进行了改进,在C校正模型中加入了反射角的影响,并且验证了改进模型的合理性;最后对改进的模型与余弦校正模型、传统的C校正模型的处理结果进行了比较.通过分析,利用改进的模型,影像的标准差普遍变小,影像校正后的阴阳坡亮度值趋于一致的趋势更明显.试验结果表明,对大场景、非星下点成像的遥感影像利用改进模型进行地形校正效果明显增强.
根据高分辨率遥感影像的特点,利用面向对象的方法对高分辨率遥感影像进行了水体提取.选取最优分割尺度和分割参数对试验区进行了分割;建立了对象知识库;选择合适的阈值参数进行了水体的提取和河流、湖泊的分类;把面向对象方法分类结果与传统方法分类结果进行了对比分析.试验表明,面向对象水体提取方法具有更高的精度,不仅有效地区分了水体和阴影,而且很大程度上抑制了"椒盐现象".
从灾后遥感图像中快速准确地识别救灾帐篷有利于灾后救援工作的高效开展.本文结合实际应用需求,在前人研究的基础上,提出了一种结合数学形态学与多角度模板匹配的高分辨率遥感图像救灾帐篷识别方法.首先从遥感图像中选择帐篷模板并从中提取形状特征与光谱特征;然后将各波段灰度图像二值化并进行数学形态学运算,参考帐篷的形状特征提取出候选目标;最后根据帐篷的光谱特征,将候选目标与帐篷模板进行多角度匹配,剔除匹配度较低的伪目标,完成救灾帐篷识别.试验结果表明,本方法的识别精度达90%以上,具有较高的应用价值.
遥感影像道路提取一直是遥感应用的重点研究方向之一.传统的基于像素级的道路提取方法侧重于考虑影像的像素信息,并没有考虑到地物目标之间的空间依赖性.本文针对高分辨率遥感影像,提出了一种新的面向对象的道路提取方法,其基本思想是利用道路的多尺度特性,将不同尺度的道路提取结果进行集成,得到最终的道路提取结果.方法的主要过程是首先建立不同的图像尺度层,根据道路对象内部的同质性和道路与背景间的异质性给出道路提取的最优尺度层;其次,在道路的最优尺度上提取道路的主干道;最后依次在各小尺度层上通过道路生长的方法实现道路的完整提取.试验结果表明本文所提方法能明显提高道路的提取精度.
地表覆盖分类是我国地理国情普查的重要内容.地理国情普查要求的地物类别非常细致,对影像分类技术提出了很大的挑战.本文总结了山西省地理国情普查试点中的实践经验,结合面向对象分类技术、人工实地采集分类样本及分层次分类的思想,并加入适当的人工干预过程,提出了一个利用高分辨率遥感影像进行国情监测影像分类的方案.试验表明本文方案能够兼顾作业效率和分类精度,为我国国情普查的工程化作业提供了一条可行的备选技术路径.
本文以World View-2高分遥感影像数据为例采用规则集开发的模式进行地图要素提取,对主要制图要素图像进行了分割、分类试验,实现了多尺度分割的层次构建和制图地物要素分级分类.
为了满足高分辨率遥感图像解译及应用的需要,就必须要有海量多源异构数据的支撑,实现多源异构数据的快速关联组织与分析,解决数据种类多、数据量大、数据内容庞杂、数据结构松散和数据关联复杂等难题已成为迫切需要.本文提出了以目标对象为核心的数据关联模型,构建了基于时空统一的地理编码,实现多源异构数据的关联组织和基于统一时空框架的数据分析.
目标探测是高光谱图像的重要应用之一.目前已经有了很多的目标探测算法,然而这些算法要求目标与背景是线性可分的.在实际的高光谱数据中,这一要求往往难以满足.本文提出了一种基于非线性主成分分析的高光谱图像目标探测算法.该方法先利用神经网络将高光谱图像进行非线性降维,从而使得在降维后的数据中目标与背景线性可分;然后使用约束能量最小化算法进行目标探测,为了取得较好的目标探测效果,保留了图像原始的特征.针对模拟数据和真实高光谱图像数据的试验表明,基于神经网络的非线性主成分分析可以将线性不可分的目标与背景分离.使用非线性特征和原始特征的组合可以获得更好的目标探测效果.
在处理新型高分辨率遥感卫星影像时,传统的像素级融合方法会引起绿色植被区域较大的光谱扭曲.本文提出一种适合资源三号卫星影像的融合新方法,可以很好地解决此问题.首先对全色图像进行低通滤波并下采样得到退化后的图像HP,利用回归方法建立多光谱影像与图像HP的方程求解回归系数,考虑到绿色植被颜色失真严重,采用NDVI进行分类,分别求取绿地和非绿地的回归系数进行分类融合.试验结果证明,该方法在提高多光谱影像分辨率的同时,尽可能多地保持了光谱信息,特别是绿色植被区域,融合效果要好于其他方法.
以嫦娥二号(CE-2)DOM数据为几何纠正和色调调整底图,采用SIFT自动匹配算法实现影像精纠正,并提出一种基于直方图匹配思想的线性变换色调调整方法,最终完成嫦娥三号(CE-3)着陆区高分辨率窄角相机(LROC-NAC)影像快速拼接,为着陆点周围的地形地貌和地质构造综合分析提供数据.结果表明,该方法解决了LROC-NAC高分辨率影像快速拼接关键问题,实现了色调连续、纹理清晰、地物完整的拼接效果,具有较高的应用价值.
在高分辨率遥感影像中检测车辆目标是影像识别和检测的重要研究方向,能够为宏观交通状态判别提供支撑.本文设计了一种快速有效的基于高分卫星影像的车辆目标检测方法.该方法首先将与遥感影像对应区域的已有矢量面状道路对影像进行掩膜处理,仅留下影像中道路部分,再采用Otsu双阈值法分割道路中的暗色车目标和亮色车目标,最后利用车辆目标的形态特征对其进行检索,以获得车辆目标的检索结果.试验表明,本文方法具有较好的检测效果.
多通道SAR系统克服了传统成像模式中最小天线面积条件的限制,可以同时实现高分辨率、宽测绘带SAR成像.然而,多通道SAR系统方位向信号存在非均匀采样的现象,进而造成SAR图像虚假目标的出现.因此,方位向非均匀采样信号的重构对成像质量具有至关重要的影响.卫星姿态误差会导致方位向非均匀采样信号的重构出现偏差,大大降低了图像质量.本文通过建立一发八收星载SAR回波信号模型,推导出方位向信号非均匀采样所引起的虚假目标的位置和强度的计算公式,并分析了在不同视角下偏航、俯仰、横滚3个方向的姿态误差对成像质量产生的影响.
建立了一种面向大角度立面影像拼接的可靠匹配方法.该方法首先以SIFT特征向量双向最邻近距离比(BNNDR)作为匹配测度条件得到初匹配,考虑到大角度影像特点,分别应用核线约束和视差梯度约束条件,精化得到可靠的同名特征点,最后通过多次单应性确定立面待拼接区域的同名特征点,匹配结果和拼接效果表明,该方法可保障大角度立面影像拼接同名点的可靠性与准确性.
"遥感原理与应用课程设计"创新型实验课程建设是遥感系列实验课程改革与创新的一个重要组成部分,该创新型实验教学将国际先进的CDIO教育理念与遥感实验教学相结合,合理选择遥感工程应用中的实际项目内容"遥感专题信息提取"进行实验教学CDIO转化,给学生营造一种近似真实的项目环境,开展工程化、项目式教学改革.通过设置调研构思环节、自主设计环节、开发实现环节、运行应用环节,使学生能系统地经历一个完整项目的整体实践.通过项目和团队工作的实际训练,不仅使学生重视专业知识学习,而且也锻炼了学生的专业技能,培养了团队协作精神."遥感原理与应用课程设计"创新型实验教学的建设对深化遥感系列实验课程的改革与创新具有一定的参考作用.
