开展太阳系小天体的探测活动可以帮助人类深入了解宇宙奥秘,推动航天技术向更深层次发展。由于小天体的尺寸小、微弱的引力环境以及缺乏足够的先验知识,因此探测器下降附着是非合作目标的空间交会过程。相比于月球和火星等天体,小天体探测要求更高的导航精度和更精准的测控技术,是我国由航天大国向航天强国迈进的必由之路。我国在小天体探测方面虽起步较晚,但计划开展的地球准卫星2016HO3小行星附着取样和主带彗星133P绕飞的多任务探测对解决科学与工程问题具有深远意义。在小天体附着采样过程中,在轨自主地形相对导航需要精准的三维模型支撑,因此研究一种高分辨率和高精度的三维重建方法至关重要。基于现有的小天体探测任务,本文研究了小天体探测视觉任务中各阶段使用的三维建模方法和科学载荷,提出了小天体三维建模的阶段性方法。本文主要研究内容有:(1)基于搭建的仿真环境生成了用于小天体建模和动力学参数估计的观测数据。小天体探测中,因为通讯时延和载荷设备的存储空间有限,所以需要传回尽可能有效的数据。而光学三维重建精度又取决于图像数据的质量,因此本文提出了基于观测和光照条件的观测轨道约束方法。(2)基于立体几何学的三维建模方法,实现了光度学三维建模的初始模型。光度学建模方法本质上是迭代优化的立体建模方法,因此本文实现了基于立体摄影测的三维建模方法。结果表明,基于运动推断结构的稀疏重建结果可以作为光度学建模的初始模型;基于多视图立体的稠密模型表面纹理特征丰富。为了课题后续在同一世界坐标系下比较立体几何学和光度学三维模型,本文实现了基于相机位姿的三维模型对齐的方法,并初步分析了三维建模的轨道误差。(3)研究了基于光度学的小天体三维建模方法的整体流程,实现了局部地形三维重建。针对立体几何学三维建模存在的图像信息使用不充分的问题,研究了基于光度学的三维建模方法,主要包括Landmark选取、近距离阶段基于Harris-SIFT的Landmark匹配跟踪方法、基于光度学的地形优化、基于立体几何学的相机外参数估计、高程图到三角面模型的转换以及全局模型融合的方法和实现过程。