耿 迅

1.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州450052；2.西安測(cè)繪總站，陜西 西安710054

火星形貌測(cè)繪是火星探測(cè)的基本任務(wù)，高精度的火星形貌數(shù)據(jù)是火星探測(cè)器著陸區(qū)選址以及著陸器自主導(dǎo)航的重要保障。火星探測(cè)工程不能利用GNSS等手段對(duì)探測(cè)器進(jìn)行精密定軌，無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)輔助定位，且火星表面影像紋理信息貧乏，導(dǎo)致火星形貌測(cè)繪面臨許多難題。本文對(duì)火星形貌攝影測(cè)量涉及的探測(cè)遙感影像幾何處理、火星表面影像與激光測(cè)高數(shù)據(jù)聯(lián)合平差、火星表面影像密集匹配以及火星形貌DEM的自動(dòng)提取等技術(shù)進(jìn)行了研究。論文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下：

（1）分析了現(xiàn)階段我國(guó)開(kāi)展火星形貌測(cè)繪面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)，研究了火星形貌測(cè)繪涉及的坐標(biāo)系、制圖投影以及高程基準(zhǔn)等基礎(chǔ)問(wèn)題。剖析了國(guó)外ISIS行星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、PDS行星數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及SPICE輔助任務(wù)數(shù)據(jù)相結(jié)合的行星攝影測(cè)量技術(shù)方法，重點(diǎn)研究了歐空局火星快車(chē)HRSC與美國(guó)火星偵察軌道器HiRISE影像攝影測(cè)量預(yù)處理方法，構(gòu)建了HRSC衛(wèi)星影像嚴(yán)密幾何模型。

（2）提出了一種基于最佳掃描行快速搜索策略的線陣影像地面點(diǎn)反投影算法，通過(guò)計(jì)算線陣影像掃描行投影面間的幾何距離進(jìn)行最佳掃描行預(yù)估，優(yōu)化了線陣CCD分段方法，并充分利用物方幾何約束快速確定分段投影面，從而實(shí)現(xiàn)最佳掃描行的快速、精確定位。該算法最佳掃描行計(jì)算無(wú)須初始值，計(jì)算效率優(yōu)于傳統(tǒng)的基于共線條件方程迭代的像方計(jì)算方法，可提升火星探測(cè)遙感影像幾何糾正效率，在衛(wèi)星影像幾何糾正、影像融合以及影像匹配等處理過(guò)程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

（3）將高精度的激光測(cè)高數(shù)據(jù)作為附加觀測(cè)方程引入火星形貌的光束法整體平差，構(gòu)建了火星表面影像與激光測(cè)高數(shù)據(jù)聯(lián)合平差數(shù)學(xué)模型，基于定向片平差模型以及四元數(shù)理論推導(dǎo)了聯(lián)合平差誤差方程式。利用火星快車(chē)HRSC影像與MOLA激光測(cè)高數(shù)據(jù)開(kāi)展聯(lián)合平差試驗(yàn)，結(jié)果表明該平差方法可提高火星表面影像的無(wú)控幾何定位精度。

（4）針對(duì)火星快車(chē)HRSC線陣影像提出了基于水平糾正影像的近似核線重采樣方法，算法首先將火星表面原始線陣影像糾正為相對(duì)水平影像，在嚴(yán)密幾何模型的基礎(chǔ)上建立水平影像與原始影像之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，再利用投影軌跡法確定同名像點(diǎn)的核線幾何關(guān)系，在水平影像上確定近似核線方向并進(jìn)行核線重采樣。該線陣影像近似核線重采樣方法理論嚴(yán)密，可減少幾何畸變等因素對(duì)火星表面影像匹配的影響，將二維匹配轉(zhuǎn)換為一維匹配，提高火星表面影像匹配的精度與可靠性。

（5）提出了基于逐層加密、優(yōu)選強(qiáng)角點(diǎn)、仿射變換結(jié)合多重幾何約束構(gòu)建點(diǎn)位精確預(yù)測(cè)模型的匹配策略，通過(guò)SURF匹配算法獲取初始匹配點(diǎn)位，利用Shi－Tomasi算子提取均勻分布的特征點(diǎn)，基于KD樹(shù)算法快速確定鄰近已知點(diǎn)，通過(guò)鄰近已知點(diǎn)并結(jié)合核線約束與地形約束條件構(gòu)建點(diǎn)位預(yù)測(cè)模型。設(shè)計(jì)了基于精確點(diǎn)位預(yù)測(cè)模型（P3M）的火星表面影像匹配方法，驗(yàn)證了該匹配方法的點(diǎn)位預(yù)測(cè)精度、穩(wěn)定性以及抗粗差能力。基于該方法自動(dòng)提取火星表面DEM，其精度與歐空局結(jié)果誤差在1—2個(gè)像素。

（6）提出了一種火星表面影像逐像素匹配方法，設(shè)計(jì)了逐像素匹配并行任務(wù)分解策略，利用三軌HRSC影像開(kāi)展逐像素匹配試驗(yàn)，結(jié)果表明基于精確點(diǎn)位預(yù)測(cè)的逐像素匹配方法可有效解決火星表面影像紋理稀疏區(qū)域的匹配問(wèn)題，獲得精細(xì)的火星形貌DEM。