测绘学报

当期目录

2022年第51卷第12期刊出日期：2022-12-20

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天绘二号卫星系列专栏

天绘二号卫星关键技术

楼良盛, 刘志铭, 张昊, 钱方明, 张笑微

2022, 51(12): 2403-2416. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210567

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天绘二号卫星是我国第1个InSAR测绘卫星,也是第1个近距离编队卫星系统,它由两颗合成孔径雷达卫星组成,采用异轨道面卫星编队、一发双收雷达收发模式的技术体制,利用卫星编队形成干涉所需的基线,可以快速测制全球1∶5万比例尺数字表面模型和雷达正射影像。本文在介绍了InSAR测量原理基础上,阐述了天绘二号卫星技术体制;在该体制下,为了确保系统性能及产品精度,需要解决卫星编队、双星协同工作、高精度内定标、基线确定、高精度基线测量、高精度基线定标、高保相成像及利用双频解算干涉相位绝对模糊数等关键技术,文中对这些关键技术进行了分析研究,并提出了解决途径。在天绘二号卫星研制期间,利用仿真数据和半实物仿真试验对关键技术解决途径的可行性进行了验证;卫星发射上天后,在轨测试结果表明,系统运行状态良好,主要性能指标优于设计指标,由此进一步验证了关键技术解决途径的可行性和方法的正确性。

天绘二号卫星双基成像几何模型改正算法

陈刚, 钱方明, 刘志铭, 楼良盛

2022, 51(12): 2417-2424. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210328

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主辅星的成像几何模型直接影响着InSAR数据处理的多个环节,包括复影像概略配准、去平地效应、InSAR定位、基线定标、区域网平差、正射纠正等。天绘二号卫星在成像时,为了保证算法统一,主辅星都采用了收发分置的双基成像几何模型。对于影像概略配准、去平地效应、InSAR定位等环节,双基成像模型只是增加了算法的复杂度,但对于基线定标,这带来了新的挑战:①现有基线定标算法均针对主辅星为单基成像的几何模型,无法适用于天绘二号;②收发两两组合产生4条基线,4条基线存在相关,导致基线定标难以实施。为了确保基线定标精度,本文提出了主辅星双基成像几何模型改正算法,并对辅星成像几何模型的改正精度进行了分析。理论分析和试验表明该方法引入误差很小,可以忽略不计。

天绘二号卫星两种基线定标模型比较分析

钱方明, 陈刚, 楼良盛, 刘薇, 张昊, 孟欣

2022, 51(12): 2425-2432. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210316

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天绘二号卫星系统中两颗对等的卫星于2019年7月初形成绕飞编队,采用一发双收体制获取全球雷达干涉数据,精确的干涉基线是实现高精度测绘产品生产的前提。本文给出了主雷达APC坐标系中的基线定义,介绍了一发双收体制下,基于辅雷达距离改化方程和多普勒方程的单景数据基线定标模型和平行基线误差、有效基线误差分步求解的近远波位联合基线定标模型。根据基线误差交会原理给出了控制点选取策略,即在近、远距端子条带内选取控制点的策略。利用天绘二号获取的17次新疆定标场数据开展了单景数据基线定标和近远波位联合基线定标试验,并对两种基线定标模型定标后的地面定位精度进行了分析。结果表明:单景数据模型标出的水平基线误差均值为-2.74mm,垂直基线误差均值为-5.49mm,近远波位联合模型标出的水平基线误差均值为-1.95mm,垂直基线误差均值为-5.84mm,近远波位联合基线定标后比单景数据基线定标后系统地面定位精度高。

分布式InSAR卫星系统编队指标体系研究

陈力, 张德新, 陈筠力, 邵晓巍

2022, 51(12): 2433-2439. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210375

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天绘二号是我国首个近距离双星编队分布式InSAR卫星系统,它的出现使我国具备了全球数字表面模型和雷达正射影像获取能力。针对全球高程数据(1∶50000)快速获取的需求,本文以天绘二号为背景,基于一体化设计理念,提出一种分布式InSAR卫星系统编队设计、控制和规划技术指标体系论证方法。本文方法在充分考虑分布式InSAR卫星编队技术指标对系统应用性能耦合影响的基础上,建立了满足图像旁向重叠度、干涉成像基线和对地观测效能3类应用需求的编队技术指标论证模型。本文方法将编队理论融入工程实践,可实现快捷、高效的分布式SAR卫星编队系统设计目标,支撑型号装备研制与地面运管系统开发。天绘二号在轨运行结果表明,卫星编队技术指标论证结果合理可行,各项性能指标分配准确。

多约束条件分布式InSAR编队构形工程优化方法

李楠, 丛琳, 陈重华, 赵迪, 侯雨生, 陈熙之

2022, 51(12): 2440-2447. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210381

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卫星编队构形是影响分布式InSAR系统DEM性能的关键因素,本文针对天绘二号卫星系统需求提出了一种基于多个约束条件的分布式InSAR编队构形工程优化设计方法。该方法结合工程实际,首先分析并确定了构形设计的多约束条件;然后通过引入了编队相对运动学模型,实现了设计约束的数学描述;最后以构形被动安全性最优为目标,借助蚁群算法对相对运动构形参数进行优化设计。仿真试验表明,文中方法寻优得到的构形设计结果满足工程约束,具备良好的被动安全性,并且该方法的有效性已经过天绘二号卫星在轨飞行验证。

InSAR卫星编队构形保持控制方法

陈重华, 李楠, 完备, 杜耀珂, 王文妍, 孙英梅

2022, 51(12): 2448-2454. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210382

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分布式干涉合成孔径雷达卫星编队构形保持控制精度是影响基线长度,进而影响高程测量精度的关键因素之一。依据编队动力学相对轨道根数描述和分析,在传统脉冲控制方案基础上,结合工程实际补偿了控制过程中相对轨道根数间的耦合影响,优化设计了一种面内、面外独立控制的无偏四脉冲编队保持控制方法,并制定了相应的控制策略。该方法已应用于天绘二号卫星,通过地面仿真及在轨数据证明了方法的正确性,从而有效保证了干涉基线在全球尺度的预期分布,为陆地高程测量任务顺利开展提供保障。

天绘二号时间同步误差分析与评估验证

黄艳, 张笑微, 丛琳, 董小环

2022, 51(12): 2455-2461. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220219

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天绘二号卫星采用异轨道面卫星编队、雷达一发双收工作的技术体制,在该技术体制下,协同工作的雷达间必须建立时间同步、相位同步和空间同步。时间同步误差是影响测绘产品幅宽、接收星图像质量和回波相干性的重要因素。本文详述了卫星时间同步机理,从时间同步建立和维持两方面对时间同步误差进行了分析评估,针对时间同步误差对系统性能影响进行了系统分析。卫星地面测试和在轨试验表明,误差分析评估结论可靠。

基于误差修正的卫星在轨质心高精度预估与验证

陈汀, 李五, 吴远波, 李世忠, 邵龙

2022, 51(12): 2462-2469. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210388

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在星载精密定轨中,通常需要对观测数据进行接收天线质心偏移修正,将测量数据参考点修正到卫星质心,不同方向的质心偏移误差对定轨结果影响差异显著。由于大型平面可展开天线和太阳电池阵的重量和尺寸较大,同时由于地面测试设备、测试方法、环境因素等原因导致地面状态下难以直接测得在大型平面可展开天线和太阳电池阵均展开下的卫星质心,此外,星上其他展开部件等均能在不同程度上影响卫星的质心,这些因素都直接增大了准确预估卫星在轨质心的难度。针对卫星质心误差对分布式SAR卫星基线测量精度的影响,本文从提高卫星质心预估精度的角度,在现有质心测量技术的基础上,提出了一种卫星质心在轨预估技术。利用足够多的实际可测的零部件质量和质心信息,将质心计算与实测数据相结合,基于误差修正理论,实现了以二阶精度计算卫星质心的方法,在工程上有较广的适用范围。采用该方法对某卫星在轨质心误差进行了分析,并经在轨试验标校后,取得了预期的效果,证明了该方法合理可行。

天绘二号双星方位向天线方向图在轨测量关键技术

高敬坤, 汪志龙, 程家胜, 丛琳, 范炜康, 胡振龙

2022, 51(12): 2470-2480. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210373

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对星载SAR天线方向图进行在轨测量,是进行星载SAR定标、性能调优以及指标测试必不可少的环节。实际测试中通常将SAR天线方向图分为距离向和方位向分别测量。天绘二号卫星组由两颗卫星构成,在轨测试初期,两颗卫星采用一前一后间隔约40km的跟飞模式,并各自工作于SAR模式以便于分别进行单颗卫星的定标、调优与测试。在进行方位向SAR天线方向图测试时,出现了地面接收机中两星信号交叠在一起的情况,导致现有的针对单颗SAR卫星设计的方位向天线方向图测试方法难以直接使用。针对这一问题,本文提出了一种高效的全自动的双星方位向天线方向图信号分离方法。在对地面接收机信号进行建模与分析的基础上,提出了基于关键脉冲上升沿提取、脉冲位置估计、脉冲幅度估计3个主要部分的信号分离方法,实现了地面接收机中两星信号的分离。在实现信号分离的基础上,后续方向图测量可按照传统单星的测量方法进行,试验结果表明本文方法的有效性。该方法保证了天绘二号卫星在轨测试的顺利进行,并使得测试效率相比于每颗星单独测试得以翻倍。该方法可用于未来相似型号卫星的在轨测试中。

天绘二号卫星系统定位精度浅析

李世忠, 叶宇, 范炜康, 丛琳, 高敬坤, 邵龙

2022, 51(12): 2481-2492. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210397

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天绘二号是我国首个分布式干涉微波测绘卫星系统,本文对其定位精度进行了初探,根据InSAR机理模型分析了影响定位精度的误差源,设计了InSAR数据处理流程,利用地面设计及在轨实测的基线测量精度、地面处理精度指标,对平原、山地地区的卫星定位精度开展了在轨初步测试验证。结果表明,卫星在编队构形700~1050m基线长度下,在轨获取实测数据处理后平面、高程精度均优于原仿真分析结果,根据地形图测绘规范要求,满足我国平地、山地地区1∶50000比例尺地形图测绘精度。

天绘二号双星InSAR成像与DSM生成技术

向建冰, 吕孝雷, 付希凯, 薛飞扬, 云烨, 叶宇, 何可

2022, 51(12): 2493-2500. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210323

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天绘二号是编队飞行的双卫星合成孔径雷达系统,相比于传统InSAR系统,它能够消除时间和大气等去相干源,产生高相干性的SAR图像对。本文首先阐述了基于双曲等效的双星干涉扩展线性调频变标(extended chirp scaling, ECS)成像处理算法,并引入预滤波处理混合基线带来的相干性降低和干涉相位误差等问题。然后介绍了双星模式下干涉处理方法和三维重建的技术流程。最后用天绘二号某试验场山地区域的原始回波数据进行了干涉成像试验,并用生成的SAR图像对进行三维重建,分析了图像的相干性,相位解缠结果与DSM重建结果。试验结果验证了本文的干涉成像算法具有良好聚焦性和保相性,同时验证了数据的干涉测量和三维重建能力。

天绘二号卫星单幅SAR影像定位性能评估

王赛, 孟欣, 楼良盛, 陈刚, 钱方明, 刘志铭

2022, 51(12): 2501-2507. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210329

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为了评估天绘二号卫星单幅SAR影像定位性能,本文采用了基于距离-多普勒模型、地球模型与数字高程模型进行定位的理论与方法,从预测像点坐标及地面定位两个方面进行定位试验,并对结果进行分析。利用不同地区的3景天绘二号卫星主星SAR影像进行定位试验,其中预测像点精度在1像素左右,地面定位精度在2m以内。结果表明天绘二号卫星系统参数可靠,具备高精度定位能力,可以为地面定位、生成雷达正射影像等任务提供可靠数据保证。

天绘二号01组SAR图像质量评价

王伟, 李春艳, 孙韬, 杨戬峰, 喻夏琼, 务宇宽

2022, 51(12): 2508-2516. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210420

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天绘二号01组卫星于2019年4月30日成功发射,包含高分辨率的合成孔径雷达以及高精度的星间相对状态测量设备等有效载荷,可以获取全天候、全天时的雷达干涉图像数据和辅助测量数据,用于科学试验研究、国土资源普查及测绘地理信息等领域。为了衡量该卫星的成像能力,本文利用基于点目标和基于面目标的多项SAR图像客观质量评价指标,对该星组两颗卫星的图像进行了客观、全面地评价分析。分析结果显示,天绘二号A星、B星的成像质量均可以达到卫星设计指标的要求,意味着天绘二号卫星图像在后续的目标区域选择与分析、图像目标识别、目标特征提取等应用中具有可靠的精度保证。两颗卫星的大部分客观指标基本相当,并且两颗卫星都满足距离向的空间分辨率优于方位向的空间分辨率,距离向的积分旁瓣比和峰值旁瓣比优于方位向。在距离向上,点目标的能量越集中,从雷达图像中检测出暗目标和弱目标的能力越强。通过试验分析,在距离向A星拥有更低的峰值旁瓣比,即在距离向成像质量上A星略优于B星。

基于超像素分割与多信息融合的叠掩和阴影区域检测法

刘鹏, 李真芳, 楼良盛, 杨伟明, 王震

2022, 51(12): 2517-2530. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220111

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InSAR信号处理中,叠掩和阴影区域严重破坏了InSAR相位图的连续性,导致高程反演出现错误。本文提出一种基于多信息融合的超像素检测算法,以弥补传统的基于幅度和相干系数阈值检测、恒虚警检测和局部频率检测等逐像素检测方法的不足。由于缺少真实场景的数字高程模型,导致无法验证所提算法在实际应用中的准确性,因此本文提出了基于先进积分方程近似模型的频域回波模拟技术,用于模拟给定场景的SAR回波数据以验证本文算法。仿真数据和TH-2数据试验表明,本文算法能够区分SAR图像中98%以上的叠掩区和阴影区。最后,通过将检测出的叠掩和阴影区域在相位解缠过程中进行掩膜,进一步提高了相位解缠速度和DEM产品精度。

摄影测量学与遥感

高分影像密集建筑物Correg-YOLOv3检测方法

陈占龙, 李双江, 徐永洋, 徐道柱, 马超, 赵军利

2022, 51(12): 2531-2540. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210177

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精准地检测建筑物目标对于城市规划、智慧城市建设和军事民事活动中均有重要意义。针对高分辨率遥感影像中密集型建筑物检测框重叠比高的问题,本文提出了一种Correg-YOLOv3(corner regression-based YOLOv3)检测方法,该方法以YOLOv3网络架构为基础,通过嵌入角点回归机制,增设一个关于顶点相对于边界框中心点的偏移量的额外损失项,扩展其输出维度,使其可同时输出矩形检测框及建筑物角点,实现密集分布的建筑物精准定位。最后,通过试验对本文方法进行定性和定量的评估。试验研究结果表明:本文方法检测精度、召回率、F₁和平均精度分别达到了96.45%、95.75%、96.10%和98.05%,较原算法YOLOv3分别提高了2.73%、5.4%、4.1%和4.73%。因此,本文方法有效解决了高分影像中密集型建筑物的检测问题。

结合棋盘格与旋转摄影的多镜头全景摄像机组合标定

黄明益, 吴军, 彭智勇

2022, 51(12): 2541-2556. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210337

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针对多镜头全景摄像机MPC组合标定依赖于高精度3D控制信息的应用限制,本文提出一种结合旋转摄影的MPC棋盘格标定方法,将MPC置于二维转台对棋盘格进行旋转摄影并将标定过程分为两个阶段:①侧视摄像机旋转序列影像标定。结合棋盘格与转台坐标系设置建立旋转摄影严格方程并以之为基础给出侧视摄像机外参初值,进而以棋盘格影像角点及相邻侧视摄像机间的连接点为观测值,对侧视摄像机外参及棋盘格外部参数整体进行平差优化求解。②中心摄像机多视几何标定。将转台旋转坐标系原点平移至全部侧视摄像机摄影中心几何重心建立MPC空间坐标系,以此为基础利用中心摄像机与侧视摄像机间的多视几何关系及通过旋转摄影获得的大量连接点为观测值,对中心摄像机外参实施光束法平差优化求解。试验结果表明,本文方法仅使用普通二维数控转台和单个棋盘格即可实现MPC摄像机外参的高精度标定,成本低、操作简单且对实时环境要求低,成功摆脱对3D标定场的依赖,具有良好的应用价值。

博士论文摘要

基于结构信息的异源遥感图像局部特征描述符研究

付志涛

2022, 51(12): 2557-2557. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210021

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RSSI在室内定位中的测量特性及应用研究

薛卫星

2022, 51(12): 2558-2558. doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210114

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