Plücker直线摄影测量的理论与方法

Using linear features of high-resolution remote sensing images to extract space geographic information is the key research direction of photogrammetry. The existing line photogrammetry methods did not fully utilize the space linear geometric topology, so its geometric constraint conditions is weak. In essence, it is still the traditional point photogrammetry, rather than the "true" line photogrammetry. This project first time puts forward a brand new theory and method of Plücker line photogrammetry. Using Plücker coordinate to represent lines in space, then through the spatial screw movement of Plücker lines in the space, coordinate transformation between image lines and corresponding object lines are finally achieved.Based on the idea above, in-depth study will be launched in geometric topology relationship of coplanar, noncoplanar and overlap Plücker lines, and constructing true linear geometric imaging model, which includes coplanar condition equation, stereo model and bundle adjustment model based on Plücker lines, to enhance the intensity of stereo model and regional network, and improve the geometric positioning accuracy. Meanwhile, extensive line photogrammetry positioning experiments will be done to verify the theoretical results. This study will break the traditional concept of photogrammetry based on points, enrich and develop the theory and technology of true line photogrammetry, expand the application fields of line photogrammetry, and promote the development of Earth Information Science and Technology.

利用高分辨率遥感影像上的直线特征提取空间地理信息是摄影测量的重点研究方向。现有的直线摄影测量没有充分利用直线的几何拓扑关系，几何约束强度弱，在本质上仍是传统点摄影测量，而非"真"直线摄影测量。本课题首次提出Plücker直线摄影测量的全新理论和方法，将空间直线用Plücker坐标表示，通过Plücker直线在空间中的螺旋运动，实现像方直线到其对应地面直线物方坐标的变换。深入研究空间Plücker直线间的共面、异面和重合的几何拓扑关系，构建真直线几何成像模型，包括Plücker直线共面条件方程、立体模型和区域网平差模型，从而增强立体模型和区域网的几何强度，提高几何定位精度。同时，进行直线摄影测量几何定位实验，验证本课题的理论研究成果。该研究可望破除传统的、非本质的摄影测量理念的束缚，丰富与发展真直线摄影测量的理论和技术方法，拓展直线摄影测量的应用领域，推进地球信息科学与技术的发展。

本项目在多年研究直线摄影测量理论和对偶代数理论的基础上，针对现有直线摄影测量没有充分利用直线的几何拓扑关系，几何约束强度弱的问题，在国际上首次提出以对偶代数为基础理论的Plücker直线摄影测量的全新理论和方法，本项目的主要成果如下：1）利用Plücker 直线重合和共面的几何拓扑关系，提出了Plücker真直线几何成像模型：Plücker共线和共面条件方程，通过Plücker 直线的方向向量与矩向量满足的二阶约束条件，提高了成像模型的几何约束强度。2）实现了Plücker真直线几何成像模型在空间后方交会、相对定向、绝对定向和光束法平差中的应用，同时角元素和线元素的一体化并行解算，能使摄影光束的位置和姿态同时达到正确位置，从而降低了两者间的相关性，适用于大倾角摄影构型的可靠性定位。3）建立了点、线、线簇和点线联合的摄影测量平差模型，探讨了在统一的数学框架内进行不同类型的特征的坐标变换，能使不同类型的观测值的改正数同时达到精度要求，从而降低了平差的复杂度，提升了解算效率。本项目研究成果已经在LiDAR和影像的高精度配准、倾斜摄影测量和国产线阵卫星影像几何定位等领域得到推广应用，丰富与发展了“真”直线摄影测量的理论和技术方法。以本项目的研究成果为基础，课题组还在Plücker直线的理论基础上，进一步研究了旋量理论，即含旋距的Plücker直线，利用旋量几何结构允许直线以任意拓扑关系进行组合的特性，探索研究了其在星敏感器姿态确定上的应用，利用旋量簇改善恒星间的几何结构，初步解决了星敏定姿中平差模型内部可靠性低的难题，为进一步全面开展对偶代数在航天领域的应用研究打下了坚实的基础。