激光测距仪在卫星摄影测量中的应用
激光测距仪在卫星摄影测量中的应用
作者:陆春玲
卫星摄影测量理论是照相侦察卫星和摄影测绘卫星应用的基本原理。摄影测绘卫星的主 要任务是对指定地区的目标进行摄影和定位,并绘制目标地区地图。要求测绘相机内方位元 素测量精度高并保持稳定,图像几何精度高,畸变小,因此测绘相机常选择画幅式摄影机。另 外由于要求对目标精确定位,因此卫星的测轨精度要高,卫星的姿态控制精度和稳定度也要 高。随着卫星摄影测量技术向无地面控制点测图方向的发展,卫星在获得地像片的同时,还需 要用星相机同步摄影等手段进行卫星姿态的精确测定。激光测距仪作为独立提供距离观测值的仪器,在卫星对地测量中意义重大,能测定轨道点 高度,精确确定激光反射点的平面坐标和高程,并将反射点作为已知控制点,通过摄影解析三 角测量建立地图的平高控制,立体量测地面的地物,从而提高了测绘卫星的摄影定位能力。
2国外激光测距仪在卫星上的应用
早在1973年,“天空实验室”既研制出卫星雷达高度计,其主要任务是作概念性演示,测量 高度为43()km。1975年美国地球观洲卫星EOS - B平台上使用的地球科学激光测距系统 (GLRS),是用固体激光器,在705km大气层外测量卫星到地面目 标的垂直距离,用以监视地壳和大陆板块的运动,确定表面地形及云层、悬浮微粒的垂直分布。 它采用硅雪崩光电二极管作为接收器件,测高精度达到10cm。其设计难点在于:a)激光器的 设计;b)测距灵敏度;c)测高光束的指向精度;d)高釆样频率、宽带宽设计。 另外SEASAT- 1海洋卫星的专用激光测距仪,测距精度也达到10cm,平均测量距离为 800km,-
3航天激光测距仪的工作原理
航天激光测距仪由Nd:YAG(掺钗钮铝石榴石)固体激光器及发射光学系统、激光电源、 接收探测装置、信息处理和接收电路等组成。测距仪的发射光学系统一般是准直扩束系统,扩 束比由镜头口径和照射到地面的光斑尺寸决定。接收光学系统是一个望远系统,直接将光斑 聚焦在雪崩光电二极管上。
测距仪通过接收星上控制系统发来的指令进行工作。当收到测量准备信号时,测距仪自 动进行加电准备;当收到摄影时间同步信号时,激光器发出激光,由激光采样信号启动计数器 计时;接收光学系统收到地面激光反射信号后,经探测器完成光电转换,并停止计数器计时。
4航天激光测距仪在卫星摄影测量中应用的必要性
4.1提供轨道点真实航高
在轨道计算中,常把地球形状近似为旋转椭球体来建立地球模型,因此卫星 轨道高度是指卫星剑I旋转椭球体表面的距离。在大地测量中,常用大地水准面表示地球的近 似形状,它是一个假想的不规则表面,很象梨子的形状,与地球的真实形状很接近,实际地球在 此基础上还有高低起伏。无论是旋转椭球体还是大地水准面,都不是真实的地球形状,由于存 在模型误差,无法计算得很精确,目前除了粗略计算高度外,还没有一种方法能够直接提供卫 星到地面的真实航高,而有了激光测距仪测量距离。
4.2改正焦距误差
测绘相机的外方位元素,是指相机成像时在地面坐标系屮的位置(X、,YS,ZS)和姿态角 即,3,Q。无地面控制点测量就是指卫星不依赖地面控制点,而是利用卫星上星相机对星空 同步拍摄星像片,获得测绘相机对地摄影时刻的姿态角,并通过测轨和事后轨道精化获得对地 摄影时刻的位置坐标,从而获得测量需要的像片外方位元素。在测绘相机设计时,从卫星摄影 测量角度仅提出相机焦距等参数的检测精度要求,由其检测结果得到相机的内方位元素(主 点、主距、畸变等),作为摄影测量处理中的依据,因此相机焦距是一个很重要的参数。
传统概念下,在进行摄影三角测量时,把激光测距仪量测的距离用于确定地面几何模型的 比例尺(1/〃,= /7H),但由于失重状态下,相机的实际焦距会有微小的变化,将导致摄影三 角测量确定地面点高程的系统误差,甚至用精度很高的航天水准测量法,获取轨道点的高程数 据也有系统误差。根据俄罗斯测绘相机在轨飞行及检校数据,即使相机焦距在地面标定精度 满足要求,在轨飞行时相机焦距变化的均方根误差。
这对于实现百米高程精度来说,无疑是很大的误差了。通过图2的几何关系可知,如果没 有焦距误差的话,激光测距仪测量的距离0和摄影三角测量法得到的距离R对于同一厶点 应是相等的,但有了焦距误差计算出变化量,消除这一系统误差。测绘 相机焦距得到改正,摄影测量内符合精度也就提高了,这对于提高高程精度是至关重要的。
4.3提高高程精度
地面点定位是指给出地面点在大地水准面上的平面位置(经度、纬度)和地面点到大地水 准面的高度(称为绝对高程)。测绘相机高程信息的提取应用前方交会原理,由于像片有一定 的摄影重叠,可以建立立体像对,通过前后两张像片上同名像点的图象坐标,求解地面点三维坐标。
有了激光测距仪,可以根据各航线像片的立体俾对,建立摄影三角预构网。根据各航线像 片在地面坐标系中的位置和外方位元素求出激光反射点在像片上的投影坐标,再通过立体坐标量测仪根据坐标,恢复反射点在像片上的位置,确定出反 射点的平面坐标和高程,这样激光反射点就可以作为已知数据参加高程控制。利用激光测距 仪的实测数据,增加了地面控制点,高程精度得到提高。
由于激光测距仪能改正焦距误差、提高高程精度,因此还可解决同类但不同颗卫星像片测 绘地形图时,等高线偏差大的问题,提高地图之间的等高线接边精度。通常使用不同颗卫星的 卫片测绘地形图的等高线接边有2-3条的偏差,按4.2节的情况计算,焦距缩短3mm,高程 变化了18.86m,对1:10万比例尺的地形图,相当于有37.7~56.6m的高度偏差。
4.4控制摄影测量网比例尺误差传播
使用激光测距仪所提供的距离Dj ,能够精确地控制摄影测量网比例尺误差的传播。
在卫星摄影定位中无地面控制点条件下,一般把卫星摄影站坐标作为已知的观测值参加 控制。摄影站间的距离B(即摄影基线长)和摄影高度D,都是确定摄影测量网比例尺的主要 因素,但前者为间接观测值,而后者为直接观测值。基线误差能引起模型比例尺的变化,产生地 面点的平面和高程误差,测距仪记录的距离D,虽与摄影站基线长度值B都是相对值,在构网中都能起控制摄影测 量网的比例尺作用,但测距数据是完全独立的直接观测值,将有更强的控制条件。激光测距仪 测距误差与基线误差之间存在近似的比值关系。
当激光测距仪达到2m至5m的测距误差,相当于基线误差为1.38m~3.45m。因此可以得到 如下结论:
(1)当计时精度和测速精度得以满足时,激光测距仪测距误差导致的基线误差1.38m求出的基线误差3.8m降低1.75倍,并且在此情况下使用测距仪数据,因增加 了独立轨道观测量,将提高摄影成果的可靠性削质量。
(2)当计时精度和测速精度不能满足卫星祐技术指标要求时,激光测距仪就更能发挥其作 用,进一步改善摄影测量网的比例尺控制精度。
5结论
激光测距仪作为独立高度数据的测量系统,不仅能精确解算卫星至地面星下点的轨道点 高度,而且能改善摄影测量网的比例尺控制精度,从而精确地计算出地形的起伏形状,提高卫 星摄影测量的定位精度。其次激光测距仪能改正相机焦距误差,更好地完成无地面控制点制 图,并能为.摄影三角测量构网提供新的地面控制点。
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