火星地形测绘多源数据联合平差与密集匹配技术研究

After lunar exploration, Mars exploration is the hot spot in deep space exploration field. Mars topographic mapping is the basis for scientific research and it is also very important for safe landing. Photogrammetric processing of satellite stereo imagery is the main method to generate digital elevation model of Mars. Due to the distance between Earth and Mars, the accuracy of position and attitude measurement is very limited for Mars exploration. Meanwhile, most area on Mars are the same as the desert area on Earth, which makes the image matching a difficult problem. Obviously, it is unsuccescful to extract digital elevation model of Mars with usual method. . Key technologies of Mars topographic mapping are researched, which include the combined bundle adjustment of Mars surface imagery with limited accuracy of position and attitude information and the dense image matching of Mars surface imagery with little texture. Tests are performed with real data and simulation data simultaneously. The result of our research can provide support for China’s future Mars exploration task.

继月球探测之后，火星探测是本世纪各国深空探测活动的重点。火星地形测绘是开展火星科学研究的基础，获取高分辨率火星地形数据也是着陆器安全着陆的前提。通过火星轨道器在轨飞行获取火星表面立体影像并进行后期摄影测量处理是获取火星表面地形数据的主要方法。由于火星距离地球较远，火星探测器定姿、定轨精度非常有限，且火星表面地形类似于地球表面的沙漠、戈壁区域，因此火星地形测绘摄影测量处理的难度更大。为保证我国未来火星探测任务的顺利实施，迫切需要开展火星地形测绘原理与方法的研究。. 本项目针对火星地形测绘中的关键技术开展研究，重点解决定姿、定轨精度受限情况下的火星表面影像多源数据联合平差以及火星表面影像纹理稀疏区域密集匹配等难点问题，结合国外实测数据与仿真数据进行试验验证，为我国未来开展火星探测获取高精度地形数据奠定基础。

研究背景：.我国将于2020年实施首次火星探测工程，高精度火星测绘数据是开展着陆区选址、巡视器任务规划以及火星地质、地貌等科学研究的基础。由于火星距离地球较远（最近距离约为5千万公里），探测器的定轨、定姿精度有限，而且火星表面无高精度控制点数据，影像纹理稀疏，特征点提取困难，这些因素导致火星测绘工作存在很多技术难点。..本项目的主要研究内容包括以下几个方面：.（1）为提高卫星遥感影像数据处理效率，研究了卫星线阵影像地面点反投影快速算法，并在此基础上进行遥感影像的几何纠正。反投影算法也用于将近似影像上匹配出的同名点反投影至原始影像。.（2）研究了基于近似正射影像的行星表面影像密集匹配算法，利用影像金字塔匹配策略，将每一层生成的DEM信息用于纠正下一级金字塔影像，使得同名像点的像素坐标差越来越小，从而提升影像匹配效率。.（3）开展影像与激光测高数据的联合平差，通过利用激光测高数据生成的DEM引入高程控制信息，提升火星测绘成果的绝对精度。..重要结果：.（1）在已有线阵影像地面点反投影算法的研究基础上，优化了基于物方几何约束的地面点反投影快速算法，并应用于卫星线阵影像几何纠正、影像匹配等领域，使得卫星线阵影像摄影测量处理效率取得了显著提升。.（2）提出了一种基于迭代DEM信息的行星表面线阵影像密集匹配方法，用于生成逐像素DEM，该算法能够较好地解决火星表面影像纹理稀疏区域的密集匹配问题，生成更为精细的火星表面DEM数据。..研究成果与学术交流：.（1）发表SCI收录论文一篇，EI收录论文4篇，中文核心期刊2篇；3次参与国际学术交流会议，2016年8月赴捷克参加ISPRS国际摄影测量与遥感大会（张贴报告），2017年8月参加香港ISPRS 行星遥感与制图专题研讨会（口头报告），2017年10月参加第三届北京月球与深空探测国际研究会（口头报告）。.（2）专利授权三项。.（3）参与编写《深空行星形貌测绘的理论技术与方法》（2016年12月，科学出版社），负责火星测绘章节。..关键数据及其科学意义：.利用火星快车HRSC的实测数据，生成了多轨高精度地形数据，可以用于着陆区选址及巡视器探测任务规划。