CN101726298B - 一种用于前视导航制导的立体地标选择和参考图制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于飞行器前视导航制导的立体地标选择和参考图制备方法，具体为：首先结合预设航路参数利用数字正射影像图(DOM)进行场景分析，初步确定目标背景材质类型和航迹上可能出现的立体地标，然后利用数字表面模型(DSM)模拟预设航路上的飞行场景，分析目标和立体地标的被遮挡情况，根据立体地标的选取准则验证和确定航路上用作导航的立体地标，制作地标多视点多尺度光学特征图，计算出各地标的相关参数，制备相应的带参数的参考图。本发明有效地解决了飞行目的地在被遮挡或者缺乏显著性情况下，依据基准数据有效选择导航制导间接识别所需的立体地标和制备带参数的参考图的方法，为导航制导提供了有效的导航信息和支撑保障。

Description

一种用于前视导航制导的立体地标选择和参考图制备方法

技术领域

本发明属于飞行器前视导航制导与成像自动目标识别的技术领域，具体涉及一种用于飞行器前视导航制导的立体地标选择和参考图制备方法，利用多种数据源合理和正确选择立体地标，据此制备立体地标的参考图，为目标识别算法、航迹规划和前视导航制导提供技术支撑。

背景技术

无人飞行器和有人飞行器对城市地区地面导航点的自动精确识别定位是一个有广泛应用价值的挑战性难题。

郭文普，孙继银，李钊等在“基于卫星图像的三维前视基准图制备方法”，无线电工程，信息与信息处理，Vol.37No.122007中提出一种可视光波段下用于景象匹配的前视基准图制备方法。该方法的核心步骤是利用规划航迹上的卫星影像立体像对，通过一种三维重建算法生成DEM(DigitalElevation Model，数字高程模型)数据，叠加正射影像，最后生成前视基准图像序列，从而与前视实时图进行匹配，匹配正确率达到83％。但是该方法无法解决目标被遮挡或成像特征不显著的情况下导航定位的问题，无法满足目标较远时的精确导航需求，无法满足复杂城区环境下精确识别定位、导航制导的需求。

从前视成像的几何角度考虑，城市地区的建筑物常常处于复杂的场景当中，待识别定位的建筑物可能受到周围高大建筑物或自然景物的遮挡，不可能直接捕获、匹配定位。另一方面，当成像距离较远时，致使目标或导航点在所成图像上占据的面积很小，缺乏显著性，直接捕获、匹配定位可靠性很差。这些因素导致了导航点的几何不可视性，使直接识别、导航制导不可行或不可能。

从成像的光学特性方面考虑，在不同时相、天候和光照条件下，在不同的成像高度、成像距离和成像角度的情况下，成像器所获取的光学图像中目标建筑物会表现不同的成像特征，导致缺乏光学成像的稳定性。这些因素也大大增加了直接识别、导航制导的难度。

飞行器导航制导到某建筑物目的地的前提条件是必须能准确检测、识别该建筑物。然而几何的可视性和不同时相、天候下的成像不确定性导致了直接识别定位复杂场景中目标不可行或不可能。

因此，开展了利用平面或立体地标间接定位识别目标的方法研究和应用。

张天序，汪小平等在专利申请“一种利用立体地标进行定位识别地面立体建筑物的方法”中提出了一种利用立体地标定位识别地面立体建筑物的方法，目的在于实现动平台条件下待识别定位的建筑物在实时红外成像过程中不可视或可视但成像特性不显著时，如目标局部对比度差、目标相似模式多等情况，对地面立体建筑物进行间接识别定位。但上述专利申请没有涉及如何选择立体地标以及如何制备立体地标参考图。

间接识别定位目标的前提条件是准确识别定位地标。因此，地标的选择和参考图制备成为目标间接定位识别的关键问题。目前还没有公开文献报道如何利用基准数据选择立体地标的方法以及制备该地标前视参考图的方法。实际条件下，实地测绘目标及其区域的可能性很小，通过遥感卫星传感器可获取目标及其近邻区的基准数据，主要包括数字正射影像图(DOM)、数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM)、区域三维模型(3D)，如何充分利用这些基准数据来选择立体地标从而达到飞行器精确导航制导是非常关键的。

发明内容

本发明提供了一种利用地面基准数据选择飞行器精确导航制导所用的立体地标和参考图制备的方法。目的在于解决在导航定位点不可视或直接识别困难且无法实地测绘目标及其近邻区域的情况下，为飞行器前视间接识别定位目的地的导航制导问题提供数据支持和方法依据。

一种用于飞行器前视导航制导的立体地标选择方法，按照以下步骤进行：

(S1)沿预设航迹在传感器视场覆盖范围内选取潜在立体地标；

(S2)对导航区域进行三维重建，按照预设航迹模拟生成飞行序列成像图；

(S3)在飞行序列成像图中，对各潜在立体地标进行几何可视性分析从而确定其在预设航迹上的可视距离范围；

(S4)在飞行序列成像图中，对各潜在立体地标进行显著性分析；潜在立体地标的显著性表征为

表示在模拟成像图中潜在立体地标的投影面积，S_Img表示潜在立体地标的实际成像面积；

(S5)分别计算各潜在立体地标的孤立性；孤立性表征为

V_R为潜在立体地标体积，V代表局部区域S内所有建筑物的总体积，v_i代表局部区域S内第i个建筑物的体积，h_i代表局部区域S内第i个建筑物的高度，H_max代表局部区域S内建筑物的最大高度，局部区域S表示以潜在立体地标为中心，面积为

的区域，S_R代表潜在立体地标的表面积，h_R代表潜在立体地标的高度，π为圆周率；

(S6)选取可视距离范围、显著性、孤立性均满足用户设定值的潜在立体地标为最终立体地标。

一种用于飞行器前视导航制导的立体地标参考图制备方法，按照如下步骤进行：

(T1)按照步骤(S1)～(S6)选取立体地标；

(T2)制备立体地标的结构元素系列图；

(T3)将立体地标参数写入与其对应的参考图所绑定的地标文件中，地标参数包括：地标类型，地标编号，地标可视时的俯仰角的范围，立体地标出现的距离范围，目标和立体地标的长、宽、高，地标建筑物种两两单个建筑物间在进入方向上的距离，该立体地标中的结构个数，该立体地标形状类型、立体地标形心坐标相对与目标形心坐标的偏差。

本发明的技术效果体现在：第一，提出了导航制导中当目标不可视或不显著情况下，需要对目标采取间接定位时，立体地标的选择和参考图制备方法。第二，本发明提出了目标的动态可视性分析方法，进行不同尺度的遮挡分析，提出了地标选取时的孤立性判别准则。第三，本发明完全基于地面基准数据和飞行器的航行参数和环境状况，包括飞行航向、飞行高度，飞行时间以及由飞行时间决定的太阳高度角、气象温度状况等数据，获得所需的参数信息和先验知识，并用参数文件体现所制备的参考图包含的信息和知识。参数文件的内容包括目标和地标的多视点多尺度仿真图，结构元素图以及目标和地标的几何尺寸、几何类型、结构特点、与目标的相对位置关系以及根据知识判断的成像明暗特点等。该方法的提出丰富了参考图的内涵，将以往简单的模板图(序列)发展成为现在的一系列包含信息和知识的参考图。在实际使用这种参考图时，这些参数可以直接提供给导航定位算法使用，有效的支撑了导航定位算法，提高了导航定位算法的智能性。

附图说明

图1为本发明总体流程图；

图2为数字正射影像图；

图3为正射影像图中目的地建筑物位置示意图；

图4为传感器视场覆盖范围示意图；

图5为几何可视性分析示意图；

图6为三维仿真场景中的立体地标和目标示意图；

图7为叠加了数字正射影像的三维仿真场景示意图；

图8为建筑物孤立特性示意图；

图9为DSM数据按高度量化的建筑物局部区域顶视图；

图10(a)～(h)表示距离目标10km～3km情况下场景模拟图；

图11(a)～(h)依次表示方位角为0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度和315度时地标的光学仿真特性视图；

图12(a)～(h)表示距离目标10km～3km情况下立体地标结构元素图；

图13为地标与目标的相对关系图；

图14为DSM数据按照高度量化得到的顶视图。

具体实施方式

本发明以飞行器预设航路上有立体地标可用为实施条件。图2为导航目的地区域的数字正射影像图示例，该图像分辨率为2.5米，大小为800×800像素。下面以图2包含某立体建筑物、河流、道路、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，本例中飞行器飞行高度为h＝1000米，进入角度为与正北方向的夹角α＝243度，成像传感器水平视场角为

度，垂直视场角为φ度，目标位置用实线框体标示，立体地标用间断线框体标示。总体流程图1所示，具体为：

1、初步确定预设航路上可能出现的立体地标

(1.1)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，以及传感器的水平视场角

垂直视场角φ，以及成像传感器俯仰角θ，计算视场成像覆盖范围，由图4(a)可知，视场覆盖范围为一梯形ABCD，计算如下：

$\mathrm{EF}=\frac{h}{\tan (\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\φ}}{2})}-\frac{h}{\tan (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\φ}}{2})}$

$L_1=h/\sin (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\φ}}{2})$

$L_2=h/\sin (\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\φ}}{2})$

(1.2)在视场覆盖范围内选取潜在立体地标。

初步判定立体地标时，应使待选地标尽可能满足以下四条准则，具体包括：一、潜在立体地标在航线附近；二、潜在立体地标在导航目的地附近；三、潜在立体地标体量大、显著；四、初步判定潜在立体地标在预设航线方向被遮挡的可能性小。对图2进行分析，首先按照预设航路方向，如图3所示，初步判定航线附近靠近目标区存在三栋高大的立体建筑物，根据航路方向，在目标东北方向的三栋建筑物可能会出现在视场中，并且成像过程中该三栋建筑物会出现在目标的前方，初步判定为潜在立体地标1，同时，在目标西南方向的高塔也可能会在成像中出现，初步判定为潜在立体地标2。

2、验证和确定预设航路上的立体地标

(2.1)利用数字表面模型(DSM)模拟场景

(2.1.1)数字表面模型三维重建

数字表面模型(DSM)测量时以大地水准面为基准，测量值反映了地物表面高出水平面的距离，所以，如果给出区域的数字表面模型，可以将数字表面模型可视化，能很好显示出城市区域的场景。首先借助OpenGL图形库函数编程对该例子中的数字表面模型进行三维重建，本例的数字表面模型覆盖范围为Row×Col平方米(Row＝2000，Col＝2000)，采样间隔为r米(r＝1.0)，总的采样点数为

三维重建的同时，进行基于成像器的成像投影模拟，得到如图6所示的显示结果。根据成像传感器的规格设定，所得成像大小为W×H(W和H的单位为像素)。为了能够更好的体现模型的真实程度，将相同大小、相同区域的数字正射影像图作为模型的表面纹理叠加到模型上，可视化显示结果如图7所示。

(2.1.2)模拟场景

根据步骤2.1.1建立的可视化模型，可以通过变化观察点模拟飞行器在飞行高度为h＝1000米，进入角度为α＝243度(与正北向夹角)，距离目标[D₀，D_Nearest](其中D₀表示初始距离即为最远距离10km，D_Nearest表示终止距离即为最近距离3km)内航迹上的场景情况，如图10所示。

(2.2)几何可视性分析

(2.2.1)分析潜在立体地标在航迹上的几何可视性

由场景仿真图对步骤1初步确定的两组立体地标分析其几何可视性。

如图5所示，地面建筑物的几何可视性可以通过前方的建筑物的遮挡范围计算所得。飞行器成像仪所处位置为S点，距离地面高度h，目标T的高度为H_T，宽度为W_T，长度为L_T，潜在立体地标前方有建筑物B₁，B₂，...，B_n，其在潜在立体地标上的投影高度分别为O₁，O₂，...，O_n。目标可视比率σ为目标可视部分的体积V_v除以目标的体积V_T，则：

$\mathrm{\σ}=\frac{V_v}{V_T}\×100\%=\frac{H_T-\max (O_1,O_2,...O_n)}{H_T}\×100\%$

实例中，根据Johnson准则认定可视率为50％以下时，其为几何不可视。通过上述方式计算，当飞行器成像仪所处位置为S为10km，9km……，5km时，立体地标1可视，则立体地标1的可视距离范围为[10km，5km]，同理获得立体地标2的可视距离范围为[10km，7km]。

(2.2)空间孤立性分析

如图7所示，城市建筑物被周围的地物簇拥，空间孤立性分析有利于选取局部区域相对孤立的大型建筑物作为地标，为间接识别导航定位服务。孤立性是指地标的体积占其所处的局部区域内地物总体积的比率。孤立系数越大，表明地标越孤立。确定局部区域面积S的公式为：

$S=\mathrm{\π}\·{\left(\frac{S_R}{h_R}\right)}^2$

说明局部区域面积的确定跟地标的形状有关系。孤立系数计算公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_S=\frac{V_R}{V},$ $V=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{v}_i\·\sqrt{\frac{h_i}{H_{\max }}}$

其中孤立系数ρ_S∈(0，1]，V_R代表地标体积，V代表局部区域S所有建筑物总体积，

代表区域内建筑物i的权重，用其高度h_i与区域内最大高度H_max之比作为度量。其中S_R代表地标的表面积，h_R代表地标的高度。

(2.3)显著性分析

对于每一幅模拟成像图，通过投影计算地标在该模拟成像图中所占面积

与模拟成像面积S_Img的比值越大，显著性越高，且须满足：

如果连续的多幅模拟成像图中同一地标满足显著性要求，则认为该地标在这些模拟成像图对应的采样范围内具有良好的显著性。显著性表明了地标在实际图像中的几何显著程度，即地标占据了多大的图像空间，一般将σ₀设定为0.05，σ_R越大表明越显著。

(2.4)根据立体地标选取准则，确定航路上的立体地标

(2.4.1)立体地标选取准则：

(I)该地标在飞行航路上具有较宽的几何可视距离范围；

(II)该地标具有孤立性；

(III)该地标尺度足够大，具有显著性。；

在满足以上条件的基础上，还可额外考虑地标的材质光学成像特性：如果指该地标材质与周边形成差异即地标与周边场景有明显的亮度差，则该地标容易识别，可选为地标。

实例中，ρ₀取经验值0.5，σ₀取经验值0.05；根据地标选取准则(I)，立体地标1是三栋结构相同的立体建筑物，通过场景模拟可知其在[10km，5km]范围内是几何可视的，未有遮挡，距离小于5km范围时立体地标部分出视场；另外，该地标形状显著，体积较大，且三栋结构独特；该立体地标材质一致；材质可预测为钢筋混凝土。因此，建议选取立体地标1。立体地标2，根据正射影像图，判断其为塔状建筑物，通过场景模拟可知其在[10km，7km]范围内是几何可视的，未有遮挡，距离小于7km范围时立体地标部分出视场，出现的距离跨度不大；另外，该地标形状显著，体积较大，但单个的高大建筑物在该场景模拟中出现较多；因此，不选取立体地标2。

根据立体地标选取准则(II)，如图8所示，通过对DSM数据计算，三栋建筑物作为的一组立体地标的孤立系数为0.587，符合选取准则。

根据立体地标选取准则(III)，根据三维飞行模拟图10所示，立体地标1在距离飞行器10km至5km范围的σ_R值依次为0.069、0.089、0.113、0.156、0.208、0.311，符合显著性准则。

通过三维飞行模拟，该立体地标1持续出现于视场之中。与此同时，通过分析正射影像图和三维模型，该立体地标1为高层楼房，材质与周边具有明显的亮度差，具备要求。

综合上述判断，在飞行高度h＝1000米，进入角度为α＝243度，距离[10km，5km]范围内，可以选取立体地标1作为间接识别导航定位过程中的立体地标。而通过计算，在[5km，3km]距离范围内，目标的可视率达到100％，完全可视，可直接识别目标导航。通过使用本发明中选取的的立体地标进行间接定位导航，同时，与直接识别目标导航相结合，可以显著解决目标不可视情况下的导航制导问题。

3、制备立体地标的带参数的参考图

(3.1)获得地标、目标的几何形态

根据DSM数据得到：目标长L_T米，宽W_T米，高H_T米；单个地标长L_R米，宽W_R米，高H_R米。

(3.2)对地标进行建模仿真

如图11所示，通过量测DSM(数字表面模型)数据对地标进行建模仿真，并确定其材质类型(钢结构、玻璃或者钢筋混凝土等)，从而获得地标的多尺度多视点的仿真特性视图。

(3.3)制备立体地标的参考图

如图10所示，步骤2得到了飞行模拟仿真序列采样图，通过观察该序列图发现，在此航迹上[10km，5km]范围内，立体地标1持续显著出现在视场，在[5km，3km]范围内，立体地标超出视场，而此时目标却不再被立体地标1遮挡，所以，在[10km，5km]范围内将立体地标1作为间接识别时的立体地标，而在[5km，3km]范围内，目标完全可视，使用直接识别。同时，我们将该立体地标1相对于目标的位置在参考图中反映出来。接下来，如图12所示，制备出地标的结构元素系列图。

(3.4)基于场景和知识的分析和预测

假设实时图的拍摄时间为2007年10月21日，下午2点49分，飞行高度1000米，进入角243度，地点为北半球中纬度地区。可知，飞行器是在逆光的条件下拍摄的，又由于立体地标1的材质预测类型为钢筋混凝土。可以预计，建筑物的背光面在成像时会表现出低亮度的特点，并将在参考图参数文件中体现出来。

(3.5)获得地标与目标的空间关系

如图13所示，目标相对地标d_x＝d_tx-d_rx，d_y＝d_ty-d_ry。两者间的直线距离为D_TR＝1075米。

(3.6)制备带参数的立体地标参考图

这里带参数的立体地标参考图是指在之前步骤制备的参考图基础上，将该参考图所能反映的各参数写入与参考图绑定的txt文件，参数主要有地标类型，地标编号，地标可视时的俯仰角的范围，立体地标出现的距离范围，目标、立体地标的(长，宽，高)，地标建筑物种两两单个建筑物间在进入方向上的距离，该立体地标中的结构个数，该立体地标形状类型(0表示矩形，1表示其他)，该立体地标形心坐标相对与目标形心坐标的偏差。涉及到具体位置的以参考图左上角为起点，横轴用宽度表示，纵轴用高度表示，地标与目标的相对位置用目标的位置减去地标的位置。将这些计算的参数写入txt中的格式如下所示：

目标的长宽高：长L_T米，宽W_T米，高H_T米

目标个数：n_T

目标形状类型：0表示矩形，1表示其他形状

飞行高度：h米

飞行进入角：α度

参考图分辨率：R，单位：米

参考图结构元素模板是否反色：1(1代表反色，0代表不反色)

目标在水平方向的可视系数：1千米作为一个采样间隔，系数范围是0～1.0目标在垂直方向的可视系数：1千米作为一个采样间隔，系数范围是0～1.0地标类型：-1(-1表示立体地标)

地标编号：N_R

地标可视俯仰角：(p_i，p_j)，单位：度

立体地标出现的距离范围：(D_i，D_j)，单位：米

立体地标长宽高：(L_R，W_R，H_R)，单位：米

立体地标两两间距离间隔：I，单位：米

立体地标结构个数：n_R

立体地标形状类型：0(0表示矩形，1表示其它)

地标1与目标位置偏差：(x_RT，y_RT)

实例中，参考图绑定的参数文件中的参数实际为：

15 82 100//目标的长宽高，飞行进入正对面的高、宽、纵深宽度

1        //目标个数

0        //目标形状类型，0矩形，1其它形状

1000     //飞高，米

243      //飞行进入角，度

2.5      //参考图分辨率

1        //1反色，0不反色

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1//X方向(水平方向)可见系数

0.50 0.55 0.60 0.65 0.75 0.90 0.90 1.00 1.00 1.00//Y方向(垂直方向)可见系数，从10KM开始每隔1KM设置一个可见系数

-1          //地标类型，0表示平面地标，-1表示立体地标

1           //地标编号

0 20        //地标可视时的俯仰角范围

5000 10000  //立体地标出现的距离范围

15 28 80    //立体地标的长宽高

40          //立体地标两两间在飞行进入方向上的间隔，单个地标间隔为0

3         //立体地标结构个数

0         //立体地标形状类型，0表示矩形，1表示其它

-322 284  //立体地标形心与目标形心坐标的偏差

Claims (2)

1.一种用于飞行器前视导航制导的立体地标选择方法，按照以下步骤进行：

(S1)沿预设航迹在传感器视场覆盖范围内选取潜在立体地标；

(S2)对导航区域进行三维重建，按照预设航迹模拟生成飞行序列成像图；

(S3)在飞行序列成像图中，对各潜在立体地标进行几何可视性分析从而确定其在预设航迹上的可视距离范围；

(S4)在飞行序列成像图中，对各潜在立体地标进行显著性分析；潜在立体地标的显著性表征为

表示在模拟成像图中潜在立体地标的投影面积，S_Img表示潜在立体地标的实际成像面积；

(S5)分别计算各潜在立体地标的孤立性；孤立性表征为

V_R为潜在立体地标体积，V代表局部区域S内所有建筑物的总体积，v_i代表局部区域S内第i个建筑物的体积，h_i代表局部区域S内第i个建筑物的高度，H_max代表局部区域S内建筑物的最大高度，局部区域S表示以潜在立体地标为中心，面积为

的区域，S_R代表潜在立体地标的表面积，h_R代表潜在立体地标的高度，π为圆周率；

(S6)选取可视距离范围、显著性、孤立性均满足用户设定值的潜在立体地标为最终立体地标。

2.一种用于飞行器前视导航制导的立体地标参考图制备方法，按照如下步骤进行：

(T1)按照权利要求1所述的步骤(S1)～(S6)选取立体地标；

(T2)制备立体地标的结构元素系列图；

(T3)将立体地标参数写入与其对应的参考图所绑定的地标文件中，地标参数包括：地标类型，地标编号，地标可视时的俯仰角的范围，立体地标出现的距离范围，目标和立体地标的长、宽、高，地标建筑物中两两单个建筑物间在进入方向上的距离，该立体地标中的结构个数，该立体地标形状类型、立体地标形心坐标相对于目标形心坐标的偏差。

Images