一种用于前视导航制导的平面地标选择和参考图制备方法
专利名称：一种用于前视导航制导的平面地标选择和参考图制备方法
技术领域：
本发明属于导航制导和图像处理交叉的科学技术领域，具体涉及到一种用于飞行
器导航制导的平面地标选择和参考图制备方法，为飞行器前视导航制导提供导航基准数据 和技术支持。
背景技术：
有人驾驶和无人驾驶飞行器的全天时前视导航制导一直都是导航制导领域中重 要且具有挑战性的研究课题。 飞行器要利用前视成像装置导航定位到目的地，必须解决一系列技术难点，提出 并实现合适和正确的定位方法。飞行目的地常常处于复杂的自然背景当中，特别在城区，目 的地常常处于复杂楼群之中。从光学成像角度考虑，目的地和场景之间存在相互遮挡；另 外，在不同时相、不同气候、不同光照、不同成像高度、不同成像距离和不同成像角度的情况 下，光学成像传感器所获取的目的地光学图像呈现不同的特性且复杂多变。因此，在远距离 条件下，目的地看不见或看不清的情况下，采取直接导航制导方法往往是不可行和不可靠 的。如果飞行目的地周边区域存在平面景物且能将此平面景物作为导航定位过程中的地面 标志(以下简称平面地标)，那么可通过对平面地标的定位间接导航到目的地。
当导航成像传感器处于不同高度、不同距离和不同观察角度的情况下，平面地标
在成像时可能会因为周边建筑物和地形起伏等对其的遮挡导致几何上的部分或整个的不 可见性。另外，平面地标在不同的环境和光照条件下的光学成像特性有变化。而且，在飞行 过程中，导航成像传感器所处的视点和环境的不同，平面地标会存在多视点、多尺度不同表 现形态的问题，所以用于前视导航制导的平面地标的选择和参考图的制备是一个非常复杂 困难的任务。 美国发展的无人飞行器使用"惯导+景象匹配"组合导航系统，其景象匹配是采用 下视光学匹配(传感器垂直于飞行器正下方)，发展了下视光学匹配导航参考图的选择和 制备技术，没有考虑前视条件下的场景地标的匹配识别定位及其参考图制备问题，而且下 视视场覆盖范围小，因此其应用受到限制。国内也未有对飞行器前视导航制导平面地标选 择和参考图制备方法研究的公开报道。而平面地标的选择和用于导航制导的参考图的制 备对飞行器在城区的前视导航制导定位具有重大应用价值。为了解决导航制导中的这个难 题，必须发明一种能用于飞行器前视导航制导的平面地标选择和参考图制备方法。
发明内容
本发明提供一种用于飞行器前视导航制导的平面地标选择和参考图制备方法，目 的在于解决飞行器目的地直接定位困难情况下的间接导航定位问题，为飞行器前视导航制 导提供导航基准数据和技术支持。
—种用于前视导航制导的平面地标选择方法，具体为在飞行视点P处计算传感
器视场覆盖范围，在此范围内选取平面显著性因子n、被遮挡因子P和反差性因子C均满足用户设定要求的平面地物作为平面地标；其中， 显著性因子7 = |， A为在视点P下平面地物的投影面积，S为在视点P下成像传 感器所成光学图像的面积； 被遮挡因子// = + ^ 。为在视点？下平面地物的被遮挡面积； 反差性因子C-t5，I为在视点P下平面地物在光学图像中的平均亮度，E为在
五
视点P下平面地物的邻域在光学图像中的平均亮度。 —种用于前视导航制导的平面地标参考图制备方法，具体为按照上述平面地标 选择方法选择平面地标，根据卫星正射影像图制备平面地标的正射参考图，通过透视变换 将正射参考图变换为不同视点的前视参考图，建立与前视参考图相关联的参数信息库，参 数库包括平面地标的特征参数、飞行目的地的特征参数、大地坐标系下平面地标与目的地 的空间约束关系特征参数信息。 本发明针对前视导航制导存在的难点，提出了一种能为前视导航制导提供基准数 据的平面地标选择和参考图制备方法，该方法的发明点以及技术效果体现在
(1)本发明提出了平面地标的选取准则，解决了前视导航制导中平面地标选择这 个关键的问题。前视成像导航技术可用于飞行器导航，通过光学传感器的前视成像目标识 别来纠偏。但一般的前视目标识别导航方法都是采取直接捕获识别目标来纠正实际飞行航 迹与规划航路的偏差，在远距离条件下，目的地看不见或看不清的情况下，直接导航定位方 法往往是不可行和不可靠的。实际上，通过寻找目标周围其他物体的方法间接寻找目标更 符合人类的视觉导航机理，也就是说，当我们意图使飞行器飞到目的地的时候，如果此目的 地相对于其所在的场景不可见或特征不显著时，我们应采取先定位目的地所在场景中具有 某种显著性特征的地物结构，再间接定位到目的地。因此，如何选择平面型地物作为地标就 是一个非常关键的问题。本发明提出了平面地标的选取准则，依照其在光学成像实时图中 占有足够比例，几何可见和存在局部反差等为原则。依据预设航路和成像传感器参数对平 面地物进行几何可视分析和辐射可视分析来确定预设航路上最终使用的可靠的平面地标， 解决了平面地标的选择这个关键的问题，是本发明的重要发明点。通过对预设航路的分析 能为正确找到目的地的航路规划提供技术支持，为前视导航制导提供了导航基准数据，克 服了现有下视和前视成像导航技术的缺点。 (2)本发明制备平面地标多视点、多尺度的动态前视特征参考图和建立特征参考 图的参数库，能很好的应用于前视导航制导平面地标景象匹配定位。传统方法制备的下视 导航参考图是根据遥感卫星图片制备成的二值或多值下视参考图，适用于下视景象匹配导 航。前视导航制导时成像传感器所处的不同视点、不同环境都会使得光学图像中目的地及 周边区域表现出不同的形态(形状、尺度、亮暗等)，因此传统的参考图不能满足前视导航 制导的实时应用。本发明根据前视导航制导成像传感器获取的光学图像特点制备多视点、 多尺度的动态前视平面地标特征参考图，能很好的应用于前视导航制导平面地标景象匹配 定位。而且其具有独特的特征参考图参数库，包括飞行目的地的特征参数、平面地标特征参 数和目的地与平面地标空间约束关系特征参数，这是导航制导的另一发明点。在实际使用 这种参考图时，特征参考图和特征参考图参数库可以直接提供算法使用，提高了算法的智能性。
图1为本发明的总体流程图； 图2为包含立体建筑物、河流、陆地的数字正射影像图； 图3为预设飞行方向和目标位置示意图； 图4为飞行器传感器视场覆盖范围示意图； 图5为透视变换几何模型示意图； 图6为多边形近似表示平面地标示意图； 图7为平面地标被周边场景遮挡示意图； 图8为用DSM数据生成前视场景图像的流程； 图9为三维透视变换模型示意图； 图10为选取的平面地标示意图； 图11为在预设视点Q下的前视场景图像； 图12为在预设Q下的场景光学图像； 图13为制备的河流地标正射参考图，白色方点为两个待识别建筑物； 图14为预设航路飞行高度h = 1000m，进入方位角a = 43°生成的前视序 列参考图；其中14(a)传感器与目的地距离(1= 10km， 14(b)为d二9km， 14(c)为 d = 8km， 14 (d)为d = 7km， 14 (e)为d = 6km， 14 (f)为d = 5km， 14 (g)为d = 4km， 14 (h)
为d = 3km ; 图15为河流地标参考图及河流地标形殊点与建筑物正投影形心的位置关系图； 图16为大地坐标系下平面地标形殊点与平面物体形心点之间的空间约束关系示 意图； 图17为大地坐标系下平面地标形殊点与立体建筑物形殊点之间的空间约束关系 示意具体实施例方式
本发明是在飞行目的地处于远距离、看不见或看不清但目的地周边存在平面地标
的条件下实施的。本发明总体流程图如图l所示。下面以图2包含立体建筑物、河流、陆地
的数字正射影像图为例对本发明作进一步详细的说明。如图3所示，飞行预设航路的飞行
高度h，进入角度a (与正北方向的夹角)，成像传感器俯仰角e，传感器横向视场角p、传
感器纵向视场角小，正射影像图分辨率r。圆点标示了飞行器目的地位置。 1平面地标的选择 1. 1建立平面地标选取准则 (I)平面地标形状显著。形状显著是指平面地标在实时图像中占到一定比例、相似 模式较少、易于区分。 定义在视点P(h， a ， 9 )下平面地标的投影面积为A，成像传感器所成光学图像行 数为R0W，图像列数C0L，面积为S。平面地标投影面积占总的图像大小比例为n，则显著性 因子
<formula>formula see original document page 6</formula> 如果n > np， np取值范围为5% 10^，则该平面地标视点p(h， a， e)下具
有形状显著性。
(II)平面地标几何可视。几何可视是指平面地标全部或大部分不被周边背景遮挡。 定义在视点P (h， a ， 9 )下平面地标的投影面积为A，被遮挡面积为Au。，则被遮挡 因子= i 如果ii《iip， ~取值范围为30% 10X，则该平面地标在视点P(h， a ， 9)下 几何上可见。 (m)平面地标反射、辐射可视。反射、辐射可视是指平面地标在光学图像中与周 边区域存在反差。 定义在视点P(h， a ， 9 )下平面地标在光学图像中的平均亮度为I，周围近邻区域 的平均亮度为E，则反差因子 C =
'-五 如果C > Cp， Cp取值范围为5% 10%，则该平面地标在视点P(h， a ， 9 )下局部
存在反差。 1. 2计算传感器视场覆盖范围 根据预设航迹，利用航迹飞行高度h，以及传感器横向成像角度p、纵向成像角度 小，以及成像俯仰角9 ，计算视场成像覆盖范围，由图4可知，视点P(h， a ， e)下传感器视 场覆盖范围为一梯形ABCD，具体计算如下
tan(0-垂)tan("垂) 么
A =/z/sin(6> + ^) ￡2=/z/sin(0 —$
J5 = 2*A/sin
殳
C￡> = 2*Z2/sinf 2 2 1. 3对平面地物进行分析 在预设航路视点P(h， a ， 9 )下传感器视场覆盖范围梯形ABCD内选择平面地标， 通过对视场范围内的所有平面地物进行显著性分析、几何可视性分析和反射、辐射可视性 分析，根据分析结果最终确定该视点下使用的平面地标。
1. 3. 1平面地物显著性分析
(1)透视变换几何模型 透视变换几何模型如图5所示，其中小为传感器纵向成像视场角，P为传感器横 向成像角，实时成像行数为ROW，列数为COL， a为成像方位角，9为成像俯仰角，h为成像 高度。T。(x。， y。)为大地坐标系下光轴瞄准点，l\(Xl， y》为大地坐标系下的某个成像点，则 在光电传感器获取的实时成像图中T。的像素点位置为(COL/2,ROW/2)，设1\在光电传感器 获取的实时成像图中的像素点位置为(U0L， T^ROW)，则计算UOL和T^ROW的过程如 下 0T0 = h/tan 9OM = 0T0+ (y「y。) X cos a + (x「x。) X sin a tan ( Z OMP) = h/OM T^ROW = R0W/2+ ( Z OMP— 9 ) *ROW/小
7] 一 C(9Z = CO丄/ 2 + arctan[((X — ;c。 ) x cos a -— > 。 ) x sin or) /(/z / sin(ZOMP))] * C(9Z / p 其中，0T。为光轴指向与大地水平面交点T。与成像仪投影至大地0点的距离，M点 为1\点投影至光轴纵向方向与0T。直线的交点。 由以上分析可知，只要知道大地坐标系下某点与光轴瞄准点之间的位置偏差，就
可以解算该点在实时成像中的位置。
(2)显著性分析 显著性分析就是解算平面地物在实时图像中所占比例。在大地坐标系下，平面 地标可用有n个顶点的多边形近似表达，如图6所示，多边形顶点为Pjx" y》，P2(x2， y2)， P3(x3， y3) ， ... ， Pn(xn， yn)，是有序的排列。 在光轴瞄准点位置0和视点P的参数h， a ， 9确定的条件下，运用透视变换可
解算出该视点P(h， a， 9)下平面地标在实时图像中的投影多边形顶点Qjx' 》，
Q2(x' 2，y' 2)，Q3(x' 3，y' 3)…，Qn(x' n，y' n)。 我们知道已知三点A(Xl， y》，B(x2， y2) ， C(x3， y3)围成的面积为 S (A， B， C) = 0. 5* I (Xl-x3) (y2_y3) - (x2_x3) (y「y》 = 0. 5* I x^-x^+x^-x^+x^-x^ 那么在视点P(h， a ， 9 )下平面地标在实时图像中的投影多边形面积A可通过多 个三角形累积得到为A = 0. 5* I S (Q" Q2， Q3) +S (Q2， Q3， Q4) + +S (Qn—2， Qn—" Qn) +S (Qn—n Qn， Q》 =0.5*|x' iy' 2_x' 2y' i+x' 2y' 3_x' 3y' 2+x' 3y' 「x'3+x' 2y' 3_x' 3y
,2+X' 3y,4_X' 3+X' 2_X' 2y, 4.…+x' n—2y' n—「x' n—iy' n—2+x' n—j' n_x' n—一x' n—2_x' n—2y' n+... 则有显著性因子 7 =- 1. 3. 2平面地物几何可视性分析 平面地物几何可视性指在飞行器成像传感器所处视点P下平面地物几何形态的可见程度。 平面地标有无被遮挡受到其所处场景、观察视点的影响。 一般认为平面的高度为
零，所以其周边有高度的地物都可能对其造成遮挡，如图7所示。另外视点的不同也会使平
面地物的被遮挡情况发生变化，所以对平面地物的遮挡分析是非常复杂的问题。 本发明充分利用目的地区域数字表面模型(Digital Surface Model)，它是一定
范围内规则格网点的平面坐标(X， Y)及其高度(Z)的数据集，主要描述在区域地貌形态上
的高度数据。所以对DSM数据三维重建可以得到区域场景信息，运用三维透视变换可得到
各视点下的场景图像。处理流程如图8所示。 三维透视变换(perspective transform)的主要任务是计算成像面坐标系中的点 yp')与P点在世界坐标系中的坐标(x，y，z)之间的关系。如图9所示，步骤如
<formula>formula see original document page 8</formula>
下
坐标(、
1、通过坐标系变换，将世界坐标系中的点P坐标(x， y， z)转化为相机坐标系中的 l， z》。通过计算得到坐标系变换矩阵 <formula>formula see original document page 8</formula>
可以计算出
xe =cos 〃 一 _y sin/ , _ye -xsiny^siny — jKCOSyffsiny + cosy, ze =xsin"cos;r —>" cos/ cosy —zsin;r + m
其中w = Vfl2 +62 +c2为相机离物体的距离，P为方位偏转角，r为俯仰角。 n、通过投影，将相机坐标系中的坐标(^，l，z》映射到成像坐标系(xs，ys)
由相机模型工=i = ，其中f为相机焦距，可得 4& ye <formula>formula see original document page 8</formula> 改变|3 ， y即从不同角度观察一个物体； 改变u值，即把相机移动到接近物体或远离物体。 得到视点P(h， a， 9)的场景图像后，可以估算出平面地物在此视点下被遮挡的 面积Au。，所以可解算出平面地物的被遮挡因子<formula>formula see original document page 8</formula>
1. 3. 3平面地物反射、辐射可视性分析 成像传感器将接收到的能量映射成光学图像中的灰度值，传感器接收到的场景中某一部分的能量强度越大，反映在图像中的这部分的灰度值越亮。除场景本身的辐射和反射之外，大气的状态(包括大气辐射、环境辐射以及辐射在传输过程中的衰减)也会对成像产生很大的影响。因此，对平面地物进行反射、辐射分析，就必须考虑环境及背景因素的影响，到达传感器成像面上各点的辐射应该是考虑了大气和背景环境所对应的辐射与大气衰减以及传感器光谱响应共同作用的结果。传感器接受能量方程式 Zy = Jf，Q(A)丄^,/U L。bserver = Ldirect (入) cos ( 9》 P (l-frac) t path+〃太阳/月亮漫反射项Ldirect (入)* P A frac f卿 norm t path(入)+〃太阳/月亮镜面反射项
La麵nt(入)PA 、ath(A)+〃周围环境(天空)反射项
(1-P.)、础^)+〃热反射项Lpath( A ) (I- t path( X )) 〃传输路径的发射与散射项 式中A为辐射波长，A工 A 2为辐射波长范围。Ld是到达传感器成像面上的辐射能量；Q ( A )是传感器的光谱响应；L。bsCTVCT是到达传感器表面的辐射能量；Lambient ( A )是物体表面的环境辐射能量；L^t(A)是太阳(或月亮)辐射能量；Lthe^(入)是与物体表面等温的黑体辐射能量；Lpath( A )是物体表面与传感器之间的路径辐射能量；t path( A )是物体与传感器表面的大气透射比；P A是物体表面的漫反射系数；fM。是物体表面的镜面反射比；9 i是太阳(或月亮)光线与物体成像面法线间的夹角；fmg是物体表面镜面反射的角度依赖关系式；norm是镜面反射的归一化系数。 在能量方程式的每个累加项右边"〃"注释处标明了该能量因子的来源。可见，能量方程式有5个组成因子，总的辐射能量为该5个因子的叠加，概况起来，传感器接收到的总能量主要包括反射能量、发射能量和路径传输能量。 有了对场景物体的几何描述、物体的位置、状态参考及气象条件后，通过传感器接收能量方程可解算场景中各部分的表面温度和不同波段的辐射特征分布。
解算在视点P(h， a ， 9 )下平面地物在光学图像中的平均亮度为I，周围近邻区域的平均亮度为E，则反差因子I/ —￡| C = 1.4确定平面地标 将显著性因子n 、被遮挡因子y和反差因子c满足用户设定值的平面地物确认为
预设航路视点P(h， a ， 9 )下平面地标。
在有两个或多个平面地物的显著性因子n、被遮挡因子y和反差因子c满足用户
设定值的条件下，可额外考虑平面地物的材质均匀性，选择材质相对均匀和光学成像的明暗是我们熟知的平面地物作为平面地标。 根据预设航路视点下平面地标的选择情况，可选择出整个预设航路范围内的平面地标。 下面提供一个实例
本实例在以目的地为中心的区域lkmX 1km范围内选取平面地标，预设飞行器视点Q参数飞行高度h = 1000m,进入方位角a =43° ，与目的地间的距离d = 10km，俯仰角
e = arctanS = 5.7r ，正射影像图分辨率r = 0. 5m，如图10所示，图中再次标示出了预设航迹
方向，从正射影像图能明显地选出目的地周边的平面地物1河流和平面地物2道路。
在传感器预设视点Q下，河流在实时图像中所占比例^ > 5%和道路在实时图像中所占比例112>5%，能满足形状显著性要求。在传感器预设视点Q下，目的地区域DSM数据(大小2001mX2001m，采样间隔
1.0m)按照图8所示流程得到该视点下的场景图像，如图ll所示。估算出河流被遮挡比例
P i《30%，而道路周边有很多的建筑物，道路在此视点下几乎被完全的遮挡。 在传感器预设视点Q下，对河流和道路的白天反射、辐射特性分析，得到如图12所
示的光学图像。河流反差Q > 5%，道路反差(:2 > 5%，能满足局部反差的要求。 综合上述分析和计算，根据平面地标选取准则可知，在该视点下应该选择河流作
为该预设视点Q下的平面地标。随着飞行器临近目的地过程中，视点参数e在发生变化，
同理可对河流进行显著性分析、几何分析和反射、辐射分析，在3km《d《10km范围内河流
符合平面地标选取准则，因此本实例中在预设航迹h = 1000m， a =43° ， 3km《d《10km
内选择河流作为间接定位使用的平面地标。 2参考图制备 2. 1平面地标多视点多尺度前视特征参考图制备 平面地标参考图的制备基于数字正射影像图(DOM)，首先把平面地标制备成下视的正射参考图1。，主要包括地标形状5^. (i为平面地标序号，l《i《n，n为最多的平面地
标数目)、目标位置^^. (j为目标序号，1《j《m， m为最多的目标数目)、地标灰度G^.和
背景灰度Ge，则々=/O^L,,^)，Gz,G^)， lS/^w， 因为视点的不同，平面地标同样会在传感器所成光学图像中呈现不同的形态。运用透视变换的几何模型可将平面地标正射参考图变换成前视多视点多尺度参考图。
本实例中选取河流作为平面地标，制备的平面地标正射参考图如图13所示。
在飞行高度h = 1000m，方位角a =43° ，以两个目标中心C为光轴瞄准点，得到多视点、多尺度的前视参考图如图14所示。
2. 2建立参考图特征库 ①平面地标的特征参数记录平面地标形殊点LSPi, j (Xij， yij)位置，LSPi, j (Xj， y》为第i个平面地标的第j个形殊点坐标。本实例在河流地标的参考图上，选取河流分叉区域作为局部感兴趣区，并将该区域取为经验值大小300像素高300像素宽，在此子区内，选取四个点作为形殊点，第一点为该子区的形心，其坐标记为LSPia (1050， 720);第二点为左边一段弧线状河岸线的曲率最大点，其坐标记为LSPu(998，687)，；第三点为右上角一段弧线状河岸线的曲率最大点，其坐标记为LSPu(1095，689)，；第四点为右下角一段弧线状河岸线的曲率最大点，其坐标记为LSPw(1071，779)，。在图15中以一组实心的圆点加以标注。
10
②目的地的特征参数 (I)如果目的地是平面物体，那么其几何特征有平面物体的形心TPi和面积TAi， i =1，2， . . . ， n分别表示平面物体的序号。 (II)如果目的地为立体建筑物，则其几何特征有等效高度THi、等效宽度TWp等效 长度TLi、周长TPi = 2 X (THi+TWi)、面积= TI^ X 、体积TV' i = TH丄X X Tl^， i = 1，2， . . . ， n分别表示目标建筑物的序号； 本实例中目的地为两栋建筑物，等效高度为65米、等效宽度TWi为25米、等效 长度TLi为29米、周长TPi = 2X (THi+TWi)为180米、面积TAi = T^XTWi为1625平方米、 体积TVi = THiXTWiXTLi为47125立方米，i = 1，2。 ③卫星遥感图片中平面地标与目的地之间的空间约束关系特征参数
(I)如果目的地为平面物体，平面地标形殊点与平面物体形心之间的约束关系 U(""k， A、"k)Aw-、-k ，A、"力,"^ ,q=l，2，3...， j = 1，2，3. . . ， k = 1，2，3...，(、,力9)为第q个目的地正投影的形心坐标，(x^,;^&)为第j
个平面地标的第k个形殊点坐标； (II)如果目的地为立体建筑物，则 (a)平面地标形殊点与建筑物正投影的形心之间的约束关系Aq,j乂(A、,j,k， △ 、, j, k) ， A、," = — , A、,v，* =力,—， q = 1 ， 2， 3. ， j = 1 ， 2， 3.，
k = 1，2，3...，(、,力。).为第q个目标建筑物正投影的形心坐标，(^",力s^)为第j个平 面地标的第k个形殊点坐标； (b)平面地标形殊点与建筑物可见表面的形心之间的约束关系
A q, m, j, k2 ( A 2Xq, m, j, k， △ 2yq, m, j, k) ， ^2 ,》 丄4 = A; —'A^&m'W = —少iS^ ， HI = 1 ， 2，
3. . . ，(^^,J^;J为第q个目标建筑物可见表面的第m个形心坐标，(^^^，j^^)为第j个 平面地标的第k个形殊点坐标； (c)平面地标形殊点与建筑物可见表面的角点之间的约束关系 Aq,r,j,k3(A、,r,j,k， A3yq,r,j,k)，A3 ,，"=xcv—=>H,—>^, ，q= 1，2， 3. . . ，r = 1，2，3. . . ，(x ,yc^)为第q个建筑物可见表面的第r个角点坐标，(x^,&^)
为第j个平面地标的第k个形殊点坐标。 以一个平面物体与一个平面地标为例的示意图如图16所示，包括平面地标形殊 点与平面物体形心之间的约束关系Au,/， Au乂， Au丫。 以一栋建筑物与一个平面地标为例时的示意图如图17所示，包括平面地标形殊 点与建筑物正投影的形心之间的约束关系Au,/、平面地标形殊点与建筑物可见表面的形 心之间的约束关系Au丄/与Au丄/，其中，oxyz表示大地坐标系，o' x' y' z'表示建 筑物坐标系。 在本实例中，待识别建筑物(左边一栋)正投影的形心1\为(927,949)、待识 别建筑物(右边一栋)正投影的形心T2为(985， 1008)、建筑物正投影的形心与河道地 标形殊点之间的空间约束关系集为(用x坐标及y坐标来描述)(Au,/(-123，229)、
11A u,21 (-71， 262)、 A u,31 (-168， 260)、 A (-144， 170) ; A (-65， 288) 、 Au,21(—13， 321) 、 A2 ! 31 (-110， 319) 、 A2 ! (-86，229M 。
权利要求
一种用于前视导航制导的平面地标选择方法，具体为在飞行视点P处计算传感器视场覆盖范围，在此范围内选取平面显著性因子η、被遮挡因子μ和反差性因子C均满足用户设定要求的平面地物作为平面地标；其中，显著性因子 <mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>A</mi> <mi>S</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>A为在视点P下平面地物的投影面积，S为在视点P下成像传感器所成光学图像的面积；被遮挡因子 <mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>A</mi><mi>uo</mi> </msub> <mi>A</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>Auo为在视点P下平面地物的被遮挡面积；反差性因子 <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>|</mo><mi>I</mi><mo>-</mo><mi>E</mi><mo>|</mo> </mrow> <mi>E</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>I为在视点P下平面地物在光学图像中的平均亮度，E为在视点P下平面地物的邻域在光学图像中的平均亮度。
2. —种用于前视导航制导的平面地标参考图制备方法，具体为按照权利要求l所述 平面地标选择方法选择平面地标，根据卫星正射影像图制备平面地标的正射参考图，通过 透视变换将正射参考图变换为不同视点的前视参考图，建立与前视参考图相关联的参数信 息库，参数库包括平面地标的特征参数、飞行目的地的特征参数、大地坐标系下平面地标与 目的地的空间约束关系特征参数信息。
全文摘要
本发明公布了一种用于前视导航制导的平面地标选择和参考图制备方法，具体为在飞行视点处计算传感器视场覆盖范围，在此范围内选取平面地物作为平面地标，选取的平面地标满足良好的形状显著性、几何可见性、局部反差性。选好平面地标后，制备该平面地标正射下视参考图，由该参考图制备多视点、多尺度的前视导航制导用参考图，并建立与其关联的特征参数库。本发明能有效解决在动平台条件下，目的地光学成像特征不可见或不显著时，飞行器利用前视成像装置获取场景平面地标，根据平面地标前视参考图导航到目的地的问题，为飞行器精确导航定位提供重要导航基准数据和方法支撑，提升前视导航制导定位的灵活性和可靠性。
文档编号G01C21/24GK101726297SQ200910273308
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者万美君, 孙思远, 张天序, 敖国庆, 李成, 杨卫东, 杨效余, 毛麟, 汪小平, 王曼, 王登位, 郑璐璐 申请人:华中科技大学
技术领域：
本发明属于导航制导和图像处理交叉的科学技术领域，具体涉及到一种用于飞行
器导航制导的平面地标选择和参考图制备方法，为飞行器前视导航制导提供导航基准数据 和技术支持。
背景技术：
有人驾驶和无人驾驶飞行器的全天时前视导航制导一直都是导航制导领域中重 要且具有挑战性的研究课题。 飞行器要利用前视成像装置导航定位到目的地，必须解决一系列技术难点，提出 并实现合适和正确的定位方法。飞行目的地常常处于复杂的自然背景当中，特别在城区，目 的地常常处于复杂楼群之中。从光学成像角度考虑，目的地和场景之间存在相互遮挡；另 外，在不同时相、不同气候、不同光照、不同成像高度、不同成像距离和不同成像角度的情况 下，光学成像传感器所获取的目的地光学图像呈现不同的特性且复杂多变。因此，在远距离 条件下，目的地看不见或看不清的情况下，采取直接导航制导方法往往是不可行和不可靠 的。如果飞行目的地周边区域存在平面景物且能将此平面景物作为导航定位过程中的地面 标志(以下简称平面地标)，那么可通过对平面地标的定位间接导航到目的地。
当导航成像传感器处于不同高度、不同距离和不同观察角度的情况下，平面地标
在成像时可能会因为周边建筑物和地形起伏等对其的遮挡导致几何上的部分或整个的不 可见性。另外，平面地标在不同的环境和光照条件下的光学成像特性有变化。而且，在飞行 过程中，导航成像传感器所处的视点和环境的不同，平面地标会存在多视点、多尺度不同表 现形态的问题，所以用于前视导航制导的平面地标的选择和参考图的制备是一个非常复杂 困难的任务。 美国发展的无人飞行器使用"惯导+景象匹配"组合导航系统，其景象匹配是采用 下视光学匹配(传感器垂直于飞行器正下方)，发展了下视光学匹配导航参考图的选择和 制备技术，没有考虑前视条件下的场景地标的匹配识别定位及其参考图制备问题，而且下 视视场覆盖范围小，因此其应用受到限制。国内也未有对飞行器前视导航制导平面地标选 择和参考图制备方法研究的公开报道。而平面地标的选择和用于导航制导的参考图的制 备对飞行器在城区的前视导航制导定位具有重大应用价值。为了解决导航制导中的这个难 题，必须发明一种能用于飞行器前视导航制导的平面地标选择和参考图制备方法。
发明内容
本发明提供一种用于飞行器前视导航制导的平面地标选择和参考图制备方法，目 的在于解决飞行器目的地直接定位困难情况下的间接导航定位问题，为飞行器前视导航制 导提供导航基准数据和技术支持。
—种用于前视导航制导的平面地标选择方法，具体为在飞行视点P处计算传感
器视场覆盖范围，在此范围内选取平面显著性因子n、被遮挡因子P和反差性因子C均满足用户设定要求的平面地物作为平面地标；其中， 显著性因子7 = |， A为在视点P下平面地物的投影面积，S为在视点P下成像传 感器所成光学图像的面积； 被遮挡因子// = + ^ 。为在视点？下平面地物的被遮挡面积； 反差性因子C-t5，I为在视点P下平面地物在光学图像中的平均亮度，E为在
五
视点P下平面地物的邻域在光学图像中的平均亮度。 —种用于前视导航制导的平面地标参考图制备方法，具体为按照上述平面地标 选择方法选择平面地标，根据卫星正射影像图制备平面地标的正射参考图，通过透视变换 将正射参考图变换为不同视点的前视参考图，建立与前视参考图相关联的参数信息库，参 数库包括平面地标的特征参数、飞行目的地的特征参数、大地坐标系下平面地标与目的地 的空间约束关系特征参数信息。 本发明针对前视导航制导存在的难点，提出了一种能为前视导航制导提供基准数 据的平面地标选择和参考图制备方法，该方法的发明点以及技术效果体现在
(1)本发明提出了平面地标的选取准则，解决了前视导航制导中平面地标选择这 个关键的问题。前视成像导航技术可用于飞行器导航，通过光学传感器的前视成像目标识 别来纠偏。但一般的前视目标识别导航方法都是采取直接捕获识别目标来纠正实际飞行航 迹与规划航路的偏差，在远距离条件下，目的地看不见或看不清的情况下，直接导航定位方 法往往是不可行和不可靠的。实际上，通过寻找目标周围其他物体的方法间接寻找目标更 符合人类的视觉导航机理，也就是说，当我们意图使飞行器飞到目的地的时候，如果此目的 地相对于其所在的场景不可见或特征不显著时，我们应采取先定位目的地所在场景中具有 某种显著性特征的地物结构，再间接定位到目的地。因此，如何选择平面型地物作为地标就 是一个非常关键的问题。本发明提出了平面地标的选取准则，依照其在光学成像实时图中 占有足够比例，几何可见和存在局部反差等为原则。依据预设航路和成像传感器参数对平 面地物进行几何可视分析和辐射可视分析来确定预设航路上最终使用的可靠的平面地标， 解决了平面地标的选择这个关键的问题，是本发明的重要发明点。通过对预设航路的分析 能为正确找到目的地的航路规划提供技术支持，为前视导航制导提供了导航基准数据，克 服了现有下视和前视成像导航技术的缺点。 (2)本发明制备平面地标多视点、多尺度的动态前视特征参考图和建立特征参考 图的参数库，能很好的应用于前视导航制导平面地标景象匹配定位。传统方法制备的下视 导航参考图是根据遥感卫星图片制备成的二值或多值下视参考图，适用于下视景象匹配导 航。前视导航制导时成像传感器所处的不同视点、不同环境都会使得光学图像中目的地及 周边区域表现出不同的形态(形状、尺度、亮暗等)，因此传统的参考图不能满足前视导航 制导的实时应用。本发明根据前视导航制导成像传感器获取的光学图像特点制备多视点、 多尺度的动态前视平面地标特征参考图，能很好的应用于前视导航制导平面地标景象匹配 定位。而且其具有独特的特征参考图参数库，包括飞行目的地的特征参数、平面地标特征参 数和目的地与平面地标空间约束关系特征参数，这是导航制导的另一发明点。在实际使用 这种参考图时，特征参考图和特征参考图参数库可以直接提供算法使用，提高了算法的智能性。
图1为本发明的总体流程图； 图2为包含立体建筑物、河流、陆地的数字正射影像图； 图3为预设飞行方向和目标位置示意图； 图4为飞行器传感器视场覆盖范围示意图； 图5为透视变换几何模型示意图； 图6为多边形近似表示平面地标示意图； 图7为平面地标被周边场景遮挡示意图； 图8为用DSM数据生成前视场景图像的流程； 图9为三维透视变换模型示意图； 图10为选取的平面地标示意图； 图11为在预设视点Q下的前视场景图像； 图12为在预设Q下的场景光学图像； 图13为制备的河流地标正射参考图，白色方点为两个待识别建筑物； 图14为预设航路飞行高度h = 1000m，进入方位角a = 43°生成的前视序 列参考图；其中14(a)传感器与目的地距离(1= 10km， 14(b)为d二9km， 14(c)为 d = 8km， 14 (d)为d = 7km， 14 (e)为d = 6km， 14 (f)为d = 5km， 14 (g)为d = 4km， 14 (h)
为d = 3km ; 图15为河流地标参考图及河流地标形殊点与建筑物正投影形心的位置关系图； 图16为大地坐标系下平面地标形殊点与平面物体形心点之间的空间约束关系示 意图； 图17为大地坐标系下平面地标形殊点与立体建筑物形殊点之间的空间约束关系 示意具体实施例方式
本发明是在飞行目的地处于远距离、看不见或看不清但目的地周边存在平面地标
的条件下实施的。本发明总体流程图如图l所示。下面以图2包含立体建筑物、河流、陆地
的数字正射影像图为例对本发明作进一步详细的说明。如图3所示，飞行预设航路的飞行
高度h，进入角度a (与正北方向的夹角)，成像传感器俯仰角e，传感器横向视场角p、传
感器纵向视场角小，正射影像图分辨率r。圆点标示了飞行器目的地位置。 1平面地标的选择 1. 1建立平面地标选取准则 (I)平面地标形状显著。形状显著是指平面地标在实时图像中占到一定比例、相似 模式较少、易于区分。 定义在视点P(h， a ， 9 )下平面地标的投影面积为A，成像传感器所成光学图像行 数为R0W，图像列数C0L，面积为S。平面地标投影面积占总的图像大小比例为n，则显著性 因子
<formula>formula see original document page 6</formula> 如果n > np， np取值范围为5% 10^，则该平面地标视点p(h， a， e)下具
有形状显著性。
(II)平面地标几何可视。几何可视是指平面地标全部或大部分不被周边背景遮挡。 定义在视点P (h， a ， 9 )下平面地标的投影面积为A，被遮挡面积为Au。，则被遮挡 因子= i 如果ii《iip， ~取值范围为30% 10X，则该平面地标在视点P(h， a ， 9)下 几何上可见。 (m)平面地标反射、辐射可视。反射、辐射可视是指平面地标在光学图像中与周 边区域存在反差。 定义在视点P(h， a ， 9 )下平面地标在光学图像中的平均亮度为I，周围近邻区域 的平均亮度为E，则反差因子 C =
'-五 如果C > Cp， Cp取值范围为5% 10%，则该平面地标在视点P(h， a ， 9 )下局部
存在反差。 1. 2计算传感器视场覆盖范围 根据预设航迹，利用航迹飞行高度h，以及传感器横向成像角度p、纵向成像角度 小，以及成像俯仰角9 ，计算视场成像覆盖范围，由图4可知，视点P(h， a ， e)下传感器视 场覆盖范围为一梯形ABCD，具体计算如下
tan(0-垂)tan("垂) 么
A =/z/sin(6> + ^) ￡2=/z/sin(0 —$
J5 = 2*A/sin
殳
C￡> = 2*Z2/sinf 2 2 1. 3对平面地物进行分析 在预设航路视点P(h， a ， 9 )下传感器视场覆盖范围梯形ABCD内选择平面地标， 通过对视场范围内的所有平面地物进行显著性分析、几何可视性分析和反射、辐射可视性 分析，根据分析结果最终确定该视点下使用的平面地标。
1. 3. 1平面地物显著性分析
(1)透视变换几何模型 透视变换几何模型如图5所示，其中小为传感器纵向成像视场角，P为传感器横 向成像角，实时成像行数为ROW，列数为COL， a为成像方位角，9为成像俯仰角，h为成像 高度。T。(x。， y。)为大地坐标系下光轴瞄准点，l\(Xl， y》为大地坐标系下的某个成像点，则 在光电传感器获取的实时成像图中T。的像素点位置为(COL/2,ROW/2)，设1\在光电传感器 获取的实时成像图中的像素点位置为(U0L， T^ROW)，则计算UOL和T^ROW的过程如 下 0T0 = h/tan 9OM = 0T0+ (y「y。) X cos a + (x「x。) X sin a tan ( Z OMP) = h/OM T^ROW = R0W/2+ ( Z OMP— 9 ) *ROW/小
7] 一 C(9Z = CO丄/ 2 + arctan[((X — ;c。 ) x cos a -— > 。 ) x sin or) /(/z / sin(ZOMP))] * C(9Z / p 其中，0T。为光轴指向与大地水平面交点T。与成像仪投影至大地0点的距离，M点 为1\点投影至光轴纵向方向与0T。直线的交点。 由以上分析可知，只要知道大地坐标系下某点与光轴瞄准点之间的位置偏差，就
可以解算该点在实时成像中的位置。
(2)显著性分析 显著性分析就是解算平面地物在实时图像中所占比例。在大地坐标系下，平面 地标可用有n个顶点的多边形近似表达，如图6所示，多边形顶点为Pjx" y》，P2(x2， y2)， P3(x3， y3) ， ... ， Pn(xn， yn)，是有序的排列。 在光轴瞄准点位置0和视点P的参数h， a ， 9确定的条件下，运用透视变换可
解算出该视点P(h， a， 9)下平面地标在实时图像中的投影多边形顶点Qjx' 》，
Q2(x' 2，y' 2)，Q3(x' 3，y' 3)…，Qn(x' n，y' n)。 我们知道已知三点A(Xl， y》，B(x2， y2) ， C(x3， y3)围成的面积为 S (A， B， C) = 0. 5* I (Xl-x3) (y2_y3) - (x2_x3) (y「y》 = 0. 5* I x^-x^+x^-x^+x^-x^ 那么在视点P(h， a ， 9 )下平面地标在实时图像中的投影多边形面积A可通过多 个三角形累积得到为A = 0. 5* I S (Q" Q2， Q3) +S (Q2， Q3， Q4) + +S (Qn—2， Qn—" Qn) +S (Qn—n Qn， Q》 =0.5*|x' iy' 2_x' 2y' i+x' 2y' 3_x' 3y' 2+x' 3y' 「x'3+x' 2y' 3_x' 3y
,2+X' 3y,4_X' 3+X' 2_X' 2y, 4.…+x' n—2y' n—「x' n—iy' n—2+x' n—j' n_x' n—一x' n—2_x' n—2y' n+... 则有显著性因子 7 =- 1. 3. 2平面地物几何可视性分析 平面地物几何可视性指在飞行器成像传感器所处视点P下平面地物几何形态的可见程度。 平面地标有无被遮挡受到其所处场景、观察视点的影响。 一般认为平面的高度为
零，所以其周边有高度的地物都可能对其造成遮挡，如图7所示。另外视点的不同也会使平
面地物的被遮挡情况发生变化，所以对平面地物的遮挡分析是非常复杂的问题。 本发明充分利用目的地区域数字表面模型(Digital Surface Model)，它是一定
范围内规则格网点的平面坐标(X， Y)及其高度(Z)的数据集，主要描述在区域地貌形态上
的高度数据。所以对DSM数据三维重建可以得到区域场景信息，运用三维透视变换可得到
各视点下的场景图像。处理流程如图8所示。 三维透视变换(perspective transform)的主要任务是计算成像面坐标系中的点 yp')与P点在世界坐标系中的坐标(x，y，z)之间的关系。如图9所示，步骤如
<formula>formula see original document page 8</formula>
下
坐标(、
1、通过坐标系变换，将世界坐标系中的点P坐标(x， y， z)转化为相机坐标系中的 l， z》。通过计算得到坐标系变换矩阵 <formula>formula see original document page 8</formula>
可以计算出
xe =cos 〃 一 _y sin/ , _ye -xsiny^siny — jKCOSyffsiny + cosy, ze =xsin"cos;r —>" cos/ cosy —zsin;r + m
其中w = Vfl2 +62 +c2为相机离物体的距离，P为方位偏转角，r为俯仰角。 n、通过投影，将相机坐标系中的坐标(^，l，z》映射到成像坐标系(xs，ys)
由相机模型工=i = ，其中f为相机焦距，可得 4& ye <formula>formula see original document page 8</formula> 改变|3 ， y即从不同角度观察一个物体； 改变u值，即把相机移动到接近物体或远离物体。 得到视点P(h， a， 9)的场景图像后，可以估算出平面地物在此视点下被遮挡的 面积Au。，所以可解算出平面地物的被遮挡因子<formula>formula see original document page 8</formula>
1. 3. 3平面地物反射、辐射可视性分析 成像传感器将接收到的能量映射成光学图像中的灰度值，传感器接收到的场景中某一部分的能量强度越大，反映在图像中的这部分的灰度值越亮。除场景本身的辐射和反射之外，大气的状态(包括大气辐射、环境辐射以及辐射在传输过程中的衰减)也会对成像产生很大的影响。因此，对平面地物进行反射、辐射分析，就必须考虑环境及背景因素的影响，到达传感器成像面上各点的辐射应该是考虑了大气和背景环境所对应的辐射与大气衰减以及传感器光谱响应共同作用的结果。传感器接受能量方程式 Zy = Jf，Q(A)丄^,/U L。bserver = Ldirect (入) cos ( 9》 P (l-frac) t path+〃太阳/月亮漫反射项Ldirect (入)* P A frac f卿 norm t path(入)+〃太阳/月亮镜面反射项
La麵nt(入)PA 、ath(A)+〃周围环境(天空)反射项
(1-P.)、础^)+〃热反射项Lpath( A ) (I- t path( X )) 〃传输路径的发射与散射项 式中A为辐射波长，A工 A 2为辐射波长范围。Ld是到达传感器成像面上的辐射能量；Q ( A )是传感器的光谱响应；L。bsCTVCT是到达传感器表面的辐射能量；Lambient ( A )是物体表面的环境辐射能量；L^t(A)是太阳(或月亮)辐射能量；Lthe^(入)是与物体表面等温的黑体辐射能量；Lpath( A )是物体表面与传感器之间的路径辐射能量；t path( A )是物体与传感器表面的大气透射比；P A是物体表面的漫反射系数；fM。是物体表面的镜面反射比；9 i是太阳(或月亮)光线与物体成像面法线间的夹角；fmg是物体表面镜面反射的角度依赖关系式；norm是镜面反射的归一化系数。 在能量方程式的每个累加项右边"〃"注释处标明了该能量因子的来源。可见，能量方程式有5个组成因子，总的辐射能量为该5个因子的叠加，概况起来，传感器接收到的总能量主要包括反射能量、发射能量和路径传输能量。 有了对场景物体的几何描述、物体的位置、状态参考及气象条件后，通过传感器接收能量方程可解算场景中各部分的表面温度和不同波段的辐射特征分布。
解算在视点P(h， a ， 9 )下平面地物在光学图像中的平均亮度为I，周围近邻区域的平均亮度为E，则反差因子I/ —￡| C = 1.4确定平面地标 将显著性因子n 、被遮挡因子y和反差因子c满足用户设定值的平面地物确认为
预设航路视点P(h， a ， 9 )下平面地标。
在有两个或多个平面地物的显著性因子n、被遮挡因子y和反差因子c满足用户
设定值的条件下，可额外考虑平面地物的材质均匀性，选择材质相对均匀和光学成像的明暗是我们熟知的平面地物作为平面地标。 根据预设航路视点下平面地标的选择情况，可选择出整个预设航路范围内的平面地标。 下面提供一个实例
本实例在以目的地为中心的区域lkmX 1km范围内选取平面地标，预设飞行器视点Q参数飞行高度h = 1000m,进入方位角a =43° ，与目的地间的距离d = 10km，俯仰角
e = arctanS = 5.7r ，正射影像图分辨率r = 0. 5m，如图10所示，图中再次标示出了预设航迹
方向，从正射影像图能明显地选出目的地周边的平面地物1河流和平面地物2道路。
在传感器预设视点Q下，河流在实时图像中所占比例^ > 5%和道路在实时图像中所占比例112>5%，能满足形状显著性要求。在传感器预设视点Q下，目的地区域DSM数据(大小2001mX2001m，采样间隔
1.0m)按照图8所示流程得到该视点下的场景图像，如图ll所示。估算出河流被遮挡比例
P i《30%，而道路周边有很多的建筑物，道路在此视点下几乎被完全的遮挡。 在传感器预设视点Q下，对河流和道路的白天反射、辐射特性分析，得到如图12所
示的光学图像。河流反差Q > 5%，道路反差(:2 > 5%，能满足局部反差的要求。 综合上述分析和计算，根据平面地标选取准则可知，在该视点下应该选择河流作
为该预设视点Q下的平面地标。随着飞行器临近目的地过程中，视点参数e在发生变化，
同理可对河流进行显著性分析、几何分析和反射、辐射分析，在3km《d《10km范围内河流
符合平面地标选取准则，因此本实例中在预设航迹h = 1000m， a =43° ， 3km《d《10km
内选择河流作为间接定位使用的平面地标。 2参考图制备 2. 1平面地标多视点多尺度前视特征参考图制备 平面地标参考图的制备基于数字正射影像图(DOM)，首先把平面地标制备成下视的正射参考图1。，主要包括地标形状5^. (i为平面地标序号，l《i《n，n为最多的平面地
标数目)、目标位置^^. (j为目标序号，1《j《m， m为最多的目标数目)、地标灰度G^.和
背景灰度Ge，则々=/O^L,,^)，Gz,G^)， lS/^w， 因为视点的不同，平面地标同样会在传感器所成光学图像中呈现不同的形态。运用透视变换的几何模型可将平面地标正射参考图变换成前视多视点多尺度参考图。
本实例中选取河流作为平面地标，制备的平面地标正射参考图如图13所示。
在飞行高度h = 1000m，方位角a =43° ，以两个目标中心C为光轴瞄准点，得到多视点、多尺度的前视参考图如图14所示。
2. 2建立参考图特征库 ①平面地标的特征参数记录平面地标形殊点LSPi, j (Xij， yij)位置，LSPi, j (Xj， y》为第i个平面地标的第j个形殊点坐标。本实例在河流地标的参考图上，选取河流分叉区域作为局部感兴趣区，并将该区域取为经验值大小300像素高300像素宽，在此子区内，选取四个点作为形殊点，第一点为该子区的形心，其坐标记为LSPia (1050， 720);第二点为左边一段弧线状河岸线的曲率最大点，其坐标记为LSPu(998，687)，；第三点为右上角一段弧线状河岸线的曲率最大点，其坐标记为LSPu(1095，689)，；第四点为右下角一段弧线状河岸线的曲率最大点，其坐标记为LSPw(1071，779)，。在图15中以一组实心的圆点加以标注。
10
②目的地的特征参数 (I)如果目的地是平面物体，那么其几何特征有平面物体的形心TPi和面积TAi， i =1，2， . . . ， n分别表示平面物体的序号。 (II)如果目的地为立体建筑物，则其几何特征有等效高度THi、等效宽度TWp等效 长度TLi、周长TPi = 2 X (THi+TWi)、面积= TI^ X 、体积TV' i = TH丄X X Tl^， i = 1，2， . . . ， n分别表示目标建筑物的序号； 本实例中目的地为两栋建筑物，等效高度为65米、等效宽度TWi为25米、等效 长度TLi为29米、周长TPi = 2X (THi+TWi)为180米、面积TAi = T^XTWi为1625平方米、 体积TVi = THiXTWiXTLi为47125立方米，i = 1，2。 ③卫星遥感图片中平面地标与目的地之间的空间约束关系特征参数
(I)如果目的地为平面物体，平面地标形殊点与平面物体形心之间的约束关系 U(""k， A、"k)Aw-、-k ，A、"力,"^ ,q=l，2，3...， j = 1，2，3. . . ， k = 1，2，3...，(、,力9)为第q个目的地正投影的形心坐标，(x^,;^&)为第j
个平面地标的第k个形殊点坐标； (II)如果目的地为立体建筑物，则 (a)平面地标形殊点与建筑物正投影的形心之间的约束关系Aq,j乂(A、,j,k， △ 、, j, k) ， A、," = — , A、,v，* =力,—， q = 1 ， 2， 3. ， j = 1 ， 2， 3.，
k = 1，2，3...，(、,力。).为第q个目标建筑物正投影的形心坐标，(^",力s^)为第j个平 面地标的第k个形殊点坐标； (b)平面地标形殊点与建筑物可见表面的形心之间的约束关系
A q, m, j, k2 ( A 2Xq, m, j, k， △ 2yq, m, j, k) ， ^2 ,》 丄4 = A; —'A^&m'W = —少iS^ ， HI = 1 ， 2，
3. . . ，(^^,J^;J为第q个目标建筑物可见表面的第m个形心坐标，(^^^，j^^)为第j个 平面地标的第k个形殊点坐标； (c)平面地标形殊点与建筑物可见表面的角点之间的约束关系 Aq,r,j,k3(A、,r,j,k， A3yq,r,j,k)，A3 ,，"=xcv—=>H,—>^, ，q= 1，2， 3. . . ，r = 1，2，3. . . ，(x ,yc^)为第q个建筑物可见表面的第r个角点坐标，(x^,&^)
为第j个平面地标的第k个形殊点坐标。 以一个平面物体与一个平面地标为例的示意图如图16所示，包括平面地标形殊 点与平面物体形心之间的约束关系Au,/， Au乂， Au丫。 以一栋建筑物与一个平面地标为例时的示意图如图17所示，包括平面地标形殊 点与建筑物正投影的形心之间的约束关系Au,/、平面地标形殊点与建筑物可见表面的形 心之间的约束关系Au丄/与Au丄/，其中，oxyz表示大地坐标系，o' x' y' z'表示建 筑物坐标系。 在本实例中，待识别建筑物(左边一栋)正投影的形心1\为(927,949)、待识 别建筑物(右边一栋)正投影的形心T2为(985， 1008)、建筑物正投影的形心与河道地 标形殊点之间的空间约束关系集为(用x坐标及y坐标来描述)(Au,/(-123，229)、
11A u,21 (-71， 262)、 A u,31 (-168， 260)、 A (-144， 170) ; A (-65， 288) 、 Au,21(—13， 321) 、 A2 ! 31 (-110， 319) 、 A2 ! (-86，229M 。
权利要求
一种用于前视导航制导的平面地标选择方法，具体为在飞行视点P处计算传感器视场覆盖范围，在此范围内选取平面显著性因子η、被遮挡因子μ和反差性因子C均满足用户设定要求的平面地物作为平面地标；其中，显著性因子 <mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>A</mi> <mi>S</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>A为在视点P下平面地物的投影面积，S为在视点P下成像传感器所成光学图像的面积；被遮挡因子 <mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>A</mi><mi>uo</mi> </msub> <mi>A</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>Auo为在视点P下平面地物的被遮挡面积；反差性因子 <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>|</mo><mi>I</mi><mo>-</mo><mi>E</mi><mo>|</mo> </mrow> <mi>E</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>I为在视点P下平面地物在光学图像中的平均亮度，E为在视点P下平面地物的邻域在光学图像中的平均亮度。
2. —种用于前视导航制导的平面地标参考图制备方法，具体为按照权利要求l所述 平面地标选择方法选择平面地标，根据卫星正射影像图制备平面地标的正射参考图，通过 透视变换将正射参考图变换为不同视点的前视参考图，建立与前视参考图相关联的参数信 息库，参数库包括平面地标的特征参数、飞行目的地的特征参数、大地坐标系下平面地标与 目的地的空间约束关系特征参数信息。
全文摘要
本发明公布了一种用于前视导航制导的平面地标选择和参考图制备方法，具体为在飞行视点处计算传感器视场覆盖范围，在此范围内选取平面地物作为平面地标，选取的平面地标满足良好的形状显著性、几何可见性、局部反差性。选好平面地标后，制备该平面地标正射下视参考图，由该参考图制备多视点、多尺度的前视导航制导用参考图，并建立与其关联的特征参数库。本发明能有效解决在动平台条件下，目的地光学成像特征不可见或不显著时，飞行器利用前视成像装置获取场景平面地标，根据平面地标前视参考图导航到目的地的问题，为飞行器精确导航定位提供重要导航基准数据和方法支撑，提升前视导航制导定位的灵活性和可靠性。
文档编号G01C21/24GK101726297SQ200910273308
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者万美君, 孙思远, 张天序, 敖国庆, 李成, 杨卫东, 杨效余, 毛麟, 汪小平, 王曼, 王登位, 郑璐璐 申请人:华中科技大学
最新回复(0)