本书主要介绍高分辨率光学遥感卫星影像区域网平差处理与应用，重点围绕高分辨率光学遥感卫星高精度区域网平差模型、方法和关键技术进行论述。全书共6章，综合介绍国内外高分辨率光学遥感卫星的技术发展现状，重点介绍高分辨率光学遥感卫星几何成像模型构建、高分辨率光学遥感卫星影像区域网平差模型构建、高分辨率光学遥感卫星影像匹配和大型区域网构建方法、高分辨率光学遥感卫星影像区域网平差参数解算和粗差探测方法、多源数据辅助光学遥感卫星影像区域网平差方法和典型多源遥感卫星影像区域网平差实验。 本书可供遥感科学与技术、地球空间信息科学、航空航天科学等科学领域和高分辨率光学遥感卫星应用领域的科研人员、工程开发人员、管理人员阅读参考。

第1章绪论
　　近年来高分辨率光学遥感卫星技术发展迅猛，光学遥感卫星空间分辨率不断提升，成像模式也越来越多样，提供了海量的多种高分辨率对地观测数据。本章将对当前国际上高分辨率光学遥感卫星的发展现状进行分析与总结，并进一步对高分辨率光学遥感卫星区域网平差中的关键技术进行简要说明。
　　1.1高分辨率光学遥感卫星发展现状
　　1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星，人类自此进入太空时代。搭载在卫星平台上的光学相机，可以快速获取地球表面大范围的影像数据，为获取全球地理空间数据提供了有效手段。半个多世纪以来，国际上光学卫星发展迅猛，美国、法国、英国、德国、俄罗斯、中国、日本、以色列及印度等国家均掀起了研制全球高分辨率光学遥感卫星的高潮，卫星性能得到不断提升，向着高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、多角度、小型敏捷等方向不断发展（朱仁璋等，2016a，2016b，2015）。目前，光学卫星影像空间分辨率已达到亚米级，时间分辨率和光谱分辨率也产生了质的飞跃，已广泛应用于导航定位、农业调查、环境保护、防灾减灾、海洋开发、城镇化研究等领域。
　　1.1.1 国外发展现状
　　1. 美国
　　美国对高分辨率光学遥感卫星研制起步较早，在技术和应用方面均处于世界前列。以下对美国IKONOS-2、QuickBird-2、GeoEye-1、WorldView系列卫星进行简单介绍。
　　1999年成功发射的IKONOS-2（图1.1），是全球首颗高分辨率商业遥感卫星。IKONOS-2可以通过对侧摆角和俯仰角的灵活调整实现对目标的多角度成像，进而获取异轨立体和同轨立体影像，实现单星立体测图。
　　图1.1IKONOS-2及其拍摄的影像
　　2001年，美国DigitalGlobe公司的QuickBird-2（图1.2）成功发射，平台采用三轴稳定设计，搭载Ball全球成像系统，采用平台和载荷一体化设计。QuickBird-2运行轨道高度约为450km，星体前后摆角度可达±30°，侧摆角度可达±45°，搭载的全色相机空间分辨率可达0.61m，是世界上首颗亚米级分辨率商业卫星。与IKONOS-2相同，QuickBird-2同样具备敏捷成像能力，可以实现单星立体观测。
　　图1.2QuickBird-2及其拍摄的影像
　　GeoEye-1（图1.3，前身为OrbView-5）由GeoEye商业成像公司（2013年被DigitalGlobe公司并购）研制，并于2008年9月6日搭载于Delta-II运载火箭成功发射，可获得地面分辨率为0.41m的全色及1.65m的多光谱影像。与QuickBird-2类似，GeoEye-1同样采用星载一体化设计思路，卫星平台由GeneralDynamics/C4Systems公司（前身为SpectrumAstro）设计，卫星构型以星上主要载荷为中心进行布局，提高了有效载荷比。GeoEye-1高精度姿轨测量器件组由双军用高精度星敏、高精度陀螺、10芯太阳敏感器、3个磁力矩器及2台全球定位系统（globalpositioningsystem，GPS）接收机组成，指向角精度可达75″，指向测量精度可达0.4″，姿态稳定度可达0.007″/s；姿态控制设备包括8台先进的零动量偏置飞轮、3台磁力矩器和8台22.2N的推力器，具有±60°的星体指向能力和灵活的敏捷机动能力。GeoEye-1影像定位精度可达平面2.5m（circularerror90%，CE90）、高程3m（linearerror90%，LE90）。
　　图1.3GeoEye-1及其拍摄的影像
　　WorldView系列卫星是美国NextView计划的重要组成部分，该计划是由美国国家地理空间情报局（NationalGeospatial-IntelligenceAgency，NGA）发起的一项军民两用对地观测计划，除为Google、Microsoft、DigitalGlobe等公司提供高品质商业影像外，还为美国情报部门提供高分辨率军用影像信息。
　　WorldView-1（图1.4）和WorldView-2（图1.5）分别于2007年9月和2009年10月发射，均采用BATC（BallAerospace& TechnologiesCorporation）研制的BCP-5000卫星平台。WorldView-1仅具备全色成像能力，配备控制力矩陀螺及星敏感器、高精度陀螺和GPS接收机等姿态轨道测定/控制设备，可获得较强的星体指向能力（±45°）。WorldView-2除全色成像外，首次将多光谱相机由 4个谱段增加到 8个。WorldView-1和 WorldView-2所载的相机分别为WV60（WorldView-60camera）和WV110（WorldView-110camera）。WV60相机由BATC研制，由光学系统、焦平面单元（focalplaneunit，FPU）和数字处理单元（digitalprocessingunit，DPU）组成，用于绘制精确的地图，检测地形、地物变化，以及对影像进行深度分析。其中，FPU和DPU由ITT空间系统部门（ITTSpaceSystemsDivision）设计，光学系统采用与QuickBird-2相同的设计。WV110全部由ITT空间系统部门研制，相比于WV60增加了多光谱成像能力。
　　图1.4 WorldView-1
　　图1.5 WorldView-2
　　WorldView-3（图1.6）于2014年8月13日发射，是第一颗多负载、高光谱、高分辨率的商业卫星。WorldView-3在WorldView-1和WorldView-2基础上继续提升技术水平，可提供分辨率0.31m全色、1.24m多光谱、3.7m短波红外和30mCAVIS（Clouds、Aerosols、Vapors、Ice和Snow）影像。WorldView-3光谱谱段附加CAVIS谱段，即短波红外波段，可穿透雾霾、烟尘及其他空气颗粒还原真实地物信息，甚至可穿过海洋表面进行精确的成像。图1.6WorldView-3及其拍摄的影像
　　WorldView-4为原计划于2013年发射的GeoEye-2。GeoEye商业成像公司于2007年10月提出GeoEye-2计划，并和ITT公司及洛马公司合作研制。2013年2月1日，DigitalGlobe公司对GeoEye公司进行并购，GeoEye-2在完成制造和检测之后推迟发射。2014年7月31日，DigitalGlobe公司将GeoEye-2更名为WorldView-4。WorldView-4于2016年11月成功发射，可获取1.36m分辨率的多光谱影像和0.34m的全色影像，与WorldView-3组成对地观测星座，实现协同对地观测。
　　2. 法国
　　法国在高分辨率光学遥感卫星的研制上起步晚于美国，但发展很快，代表了欧洲天基光学成像的*高水平。1982年法国国家空间研究中心（NationalCentreforSpaceStudies，CNES）创建了SPOTImage公司，奠定了法国卫星商业化的基础。从1986年第一颗SPOT（SystemePourl'ObservationdelaTerre，SatelliteforObservationofEarth）卫星发射以来，至今已发射了SPOT-1～7号卫星。继SPOT系列后CNES发展了Pleiades双星观测星座，是世界上首*可提供每日重访的高分辨率光学遥感卫星星座。
　　SPOT是欧洲第一个地球观测卫星项目，于1977年由CNES提出，用于探测地球资源，观测人类活动，监测和预测气候变化、海洋活动等自然现象。
　　SPOT-1/2/3采用近极地圆形太阳同步轨道，轨道倾角为93.7°，平均高度为832km，搭载两台高分辨率可见（highresolutionvisible，HRV）传感器，可获取分辨率10m的全色影像和分辨率20m的多光谱影像，并可通过交向观测获得立体像对，便于进行立体测图。SPOT-4在第一代SPOT系列卫星SPOT-1/2/3的基础上增加了一个短波红外波段，可以获取分辨率10m的全色影像和分辨率20m的多光谱影像。同时，SPOT-4也携带了宽视域植被探测仪，对自然植被和农作物进行连续监测，对大范围的环境变化、气象、海洋等应用研究很有意义。
　　SPOT-5在SPOT-1～4号卫星的基础上进一步提高了立体成像能力，可以获取同轨或异轨立体影像，是世界上首颗具有同轨立体成像能力的商业卫星。SPOT-5载有AstriumSAS研制的 2台高分辨率几何（highresolutiongeometric，HRG）成像相机、1台高分辨率立体视觉（highresolutionstereoscopic，HRS）成像相机和1台植被探测仪（Vege-tation）。基于HRG的成像模式，SPOT-5可获取分辨率2.5m的影像，单台相机幅宽可达60km。HRS成像相机的两个望远镜在卫星上沿轨迹方向倾斜安装，分别为前视20°和后视20°，同时拍摄卫星星下点前后的全色影像（幅宽120km），并可实现立体观测。卫星定位精度（无地面控制点）均方根值优于50m。
　　SPOT-6可采用同轨前、后视立体或前、下、后三视立体成像，具有60km的大幅宽成像能力，可获取1.5m分辨率的全色影像和6m分辨率的多光谱影像。作为SPOT-6的双子卫星，SPOT-7与其处于同一轨道高度，彼此相隔180°，同样具有60km的大幅宽，两颗卫星在轨时每天的获取能力可达到600万km2，相当于法国面积的十倍。SPOT-6/7加入Pleiades星座，并与Pleiades-1A/1B协同观测：①SPOT-6/7以1.5m的地面分辨率（全色）覆盖较广的区域；②Pleiades-1A/1B对目标区域以亚米级地面分辨率（全色）进行详查。
　　Pleiades为CNES高分光学成像星座（high-resolutionopticalimagingconstellationofCNES），包含Pleiades-lA/1B两颗卫星。Pleiades-1A于2011年12月16日发射，Pleiades-1B于2012年12月2日发射，两星相距180°分布在同一太阳同步轨道上，保证Pleiades星座的重访周期为1天。Pleiades星座用于大面积区域测绘，以及矿业、工业、军事区域及自然灾害的监测等。Pleiades-lA/1B由AirbusDefenceandSpace研制，采用AstroSat-1000平台，全色影像地面采样距离为0.5m。Pleiades的特点是卫星具有快速机动与稳定控制能力及高数据采集能力，可整体绕滚动轴、俯仰轴大角度侧摆，在很短的时间内调整观测角度，灵活地实现对不同目标的观测，其带地面控制点的影像定位精度达到1m，无地面控制点的定位精度达到10m（CE90）。
　　3. 英国
　　英国光学卫星以萨瑞卫星技术有限公司（Sur-reySatelliteTechnology，SSTL）研制的小型卫星为主，主要包括灾害监测星座（disastermonitoringconstellation，DMC）系列卫星。DMC是由英国牵头的国际合作项目，利用星座内各国家地面站获取影像信息并共享遥感数据，以较大的陆地覆盖面积提供环境监测与灾害预警。第一代灾害监测星座参与国家为阿尔及利亚、英国、尼日利亚和土耳其，第二代灾害监测星座参与国家为中国、英国、西班牙和尼日利亚，第三代灾害监测星座为中英合作的Beijing-2小卫星星座。
　　NigeriaSat-2于2011年8月17日发射，由英国SSTL研制，尼日利亚国家空间研究与发展局（NationalSpaceResearchandDevelopmentAgency，NASRDA）运营。卫星采用SSTL的SSTL-300平台结构，为获取高机动性，采用致密型结构，无液体推进剂，且太阳电池阵固定在星体侧面。姿态控制采用4个MicrowheelLOSP动量轮和4个SST

目录
第1章绪论1
1.1高分辨率光学遥感卫星发展现状1
1.1.1国外发展现状1
1.1.2国内发展现状8
1.2高分辨率光学遥感卫星区域网平差关键技术11
1.2.1匹配构网12
1.2.2平差模型构建12
1.2.3参数求解13参考文献13
第2章高分辨率光学遥感卫星影像区域网平差15
2.1几何定位时空基准15
2.1.1时间基准定义16
2.1.2空间坐标系统及其转换16
2.2成像几何模型24
2.2.1严密成像几何模型24
2.2.2有理函数模型30
2.3区域网平差模型34
2.3.1基于条带影像的严密成像几何模型34
2.3.2基于单景影像的有理函数模型41
2.3.3基于条带严密成像几何模型与基于单景影像有理函数模型对比44
参考文献45
第3章高分辨率光学遥感卫星影像区域网构建47
3.1影像连接点匹配47
3.1.1*小二乘影像匹配47
3.1.2SIFT特征点匹配48
3.1.3基于相位信息的影像匹配50
3.1.4松弛概率匹配52
3.1.5基于深度学习的影像匹配54
3.2大型区域网高效匹配构建55
3.3GPU匹配加速策略57参考文献59
第4章高分辨率光学遥感卫星影像区域网平差解算61
4.1平差参数求解61
4.1.1误差方程构建61
4.1.2改化法方程建立63
4.1.3改化法方程存储63
4.1.4改化法方程求解65
4.2基于虚拟控制点的无控制区域网平差方法66
4.2.1虚拟控制点定权67
4.2.2顾及弱交会的连接点定权68
4.3区域网内观测条件异常影像自动检测70
4.3.1平差参数理论精度评估70
4.3.2观测异常影像自动检测73
4.4粗差探测与剔除74
4.4.1数据探测法74
4.4.2向后-向前选择法75
4.4.3选权迭代法75
4.4.4RANSAC粗差剔除方法77参考文献78
第5章多源数据辅助光学遥感卫星影像区域网平差80
5.1DEM数据辅助的光学遥感卫星影像区域网平差方法80
5.2激光测高数据辅助的光学遥感卫星影像区域网平差方法82
5.2.1平差模型构建82
5.2.2平差物方坐标初值确定83参考文献85
第6章典型多源遥感卫星影像区域网平差实验87
6.1实验平台简介87
6.1.1功能介绍88
6.1.2功能特点88
6.2高分一号WFV影像全国区域网平差实验89
6.2.1实验数据89
6.2.2实验结果与分析89
6.3资源三号卫星全国一张图工程平差实验93
6.3.1实验数据93
6.3.2实验结果与分析93