火星形貌摄影测量技术研究

耿 迅

1.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州450052；2.西安测绘总站，陕西 西安710054

火星形貌测绘是火星探测的基本任务，高精度的火星形貌数据是火星探测器着陆区选址以及着陆器自主导航的重要保障。火星探测工程不能利用GNSS等手段对探测器进行精密定轨，无控制点数据辅助定位，且火星表面影像纹理信息贫乏，导致火星形貌测绘面临许多难题。本文对火星形貌摄影测量涉及的探测遥感影像几何处理、火星表面影像与激光测高数据联合平差、火星表面影像密集匹配以及火星形貌DEM的自动提取等技术进行了研究。论文主要研究内容与结果如下：

（1）分析了现阶段我国开展火星形貌测绘面临的主要技术难点，研究了火星形貌测绘涉及的坐标系、制图投影以及高程基准等基础问题。剖析了国外ISIS行星数据处理系统、PDS行星数据系统以及SPICE辅助任务数据相结合的行星摄影测量技术方法，重点研究了欧空局火星快车HRSC与美国火星侦察轨道器HiRISE影像摄影测量预处理方法，构建了HRSC卫星影像严密几何模型。

（2）提出了一种基于最佳扫描行快速搜索策略的线阵影像地面点反投影算法，通过计算线阵影像扫描行投影面间的几何距离进行最佳扫描行预估，优化了线阵CCD分段方法，并充分利用物方几何约束快速确定分段投影面，从而实现最佳扫描行的快速、精确定位。该算法最佳扫描行计算无须初始值，计算效率优于传统的基于共线条件方程迭代的像方计算方法，可提升火星探测遥感影像几何纠正效率，在卫星影像几何纠正、影像融合以及影像匹配等处理过程中具有重要的应用价值。

（3）将高精度的激光测高数据作为附加观测方程引入火星形貌的光束法整体平差，构建了火星表面影像与激光测高数据联合平差数学模型，基于定向片平差模型以及四元数理论推导了联合平差误差方程式。利用火星快车HRSC影像与MOLA激光测高数据开展联合平差试验，结果表明该平差方法可提高火星表面影像的无控几何定位精度。

（4）针对火星快车HRSC线阵影像提出了基于水平纠正影像的近似核线重采样方法，算法首先将火星表面原始线阵影像纠正为相对水平影像，在严密几何模型的基础上建立水平影像与原始影像之间的坐标转换关系，再利用投影轨迹法确定同名像点的核线几何关系，在水平影像上确定近似核线方向并进行核线重采样。该线阵影像近似核线重采样方法理论严密，可减少几何畸变等因素对火星表面影像匹配的影响，将二维匹配转换为一维匹配，提高火星表面影像匹配的精度与可靠性。

（5）提出了基于逐层加密、优选强角点、仿射变换结合多重几何约束构建点位精确预测模型的匹配策略，通过SURF匹配算法获取初始匹配点位，利用Shi－Tomasi算子提取均匀分布的特征点，基于KD树算法快速确定邻近已知点，通过邻近已知点并结合核线约束与地形约束条件构建点位预测模型。设计了基于精确点位预测模型（P3M）的火星表面影像匹配方法，验证了该匹配方法的点位预测精度、稳定性以及抗粗差能力。基于该方法自动提取火星表面DEM，其精度与欧空局结果误差在1—2个像素。

（6）提出了一种火星表面影像逐像素匹配方法，设计了逐像素匹配并行任务分解策略，利用三轨HRSC影像开展逐像素匹配试验，结果表明基于精确点位预测的逐像素匹配方法可有效解决火星表面影像纹理稀疏区域的匹配问题，获得精细的火星形貌DEM。