火星形貌测绘是开展火星科学研究的基础,高精度的火星形貌数据是着陆区选址以及辅助着陆器安全着陆的重要保障。火星探测工程本身难度较大,探测任务整体成功率较低。由于火星距离地球较远,不能利用GPS等手段进行精密定轨,无控制点数据辅助定位,且火星表面影像纹理信息贫乏,导致火星形貌摄影测量面临许多难题。本文在分析火星形貌测绘技术难点的基础上,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DEM自动提取等技术难点进行了深入的研究。论文完成的主要工作和创新点如下:1.阐述了火星形貌测绘的研究背景及意义,系统分析了火星测绘任务以及测绘传感器设计的特点,深入剖析了国外火星形貌摄影测量的研究现状及发展趋势,分析了现阶段我国开展火星测绘面临的主要技术难题。2.阐明了火星形貌测绘涉及的坐标系、制图投影及高程基准等基础问题,深入剖析了国外行星数据处理系统、行星数据系统以及辅助任务数据相结合的行星摄影测量技术体系,重点研究了火星快车HRSC与火星侦察轨道器HiRISE影像摄影测量预处理方法,在此基础上构建了HRSC影像严密几何模型。3.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,解决了算法涉及的线阵CCD分段、分段投影面确定等问题,通过试验验证算法的正确性与高效性,试验结果表明基于地面点反投影快速算法可大幅度提升卫星影像几何纠正效率,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。4.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,并通过试验验证了方法的可行性,结果表明该平差方法可显著提高火星表面影像的几何定位精度。5.在深入研究了火星遥感影像几何畸变、尺度变化、亮度变化、阴影等影响要素的基础上,针对火星快车HRSC传感器设计并实现了基于水平纠正影像的近似核线重采样方法,可显著减少几何畸变等诸多因素对影像匹配的影响,并通过试验验证了HRSC影像核线重采样方法的正确性和有效性。6.提出了基于精确点位预测模型(P3M)的火星表面影像匹配方法,阐述了逐层加密、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新思路,通过对比试验验证了该匹配算法的可行性,结果表明算法在点位预测精度、稳定性以及抗粗差能力方面具有优势。7.提出了基于P3M模型的火星形貌DEM的自动提取方法,实现了核线影像同名点空间前方交会及坐标转换、DEM格网点内插以及粗差点剔除功能,试验结果表明本文算法提取DEM与欧空局的DEM在精度上具有可比性和合理性。8.提出了一种火星表面影像逐像素匹配方法,针对单机多核并行模式设计了逐像素匹配任务并行分解策略,并通过试验验证了逐像素匹配方法的可行性,结果表明采用逐层加密匹配、点位精确预测以及逐像素匹配相结合的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,获得极为精细的火星形貌DEM。