CN102175227A - 一种探测车在卫星图像上的快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测车在卫星图像上的快速定位方法，其包括以下步骤：1)将探测车上立体相机获取的以探测车为中心的360°范围内水平视角的地面立体图像生成垂直视角的正射影像；2)对生成的正射影像提取SIFT关键点；3)对卫星图像进行直方图拉伸和低通滤波去噪处理，然后对处理后的卫星图像提取SIFT关键点；4)对正射影像和卫星图像进行SIFT关键点匹配；5)采用相似变换模型的RANSAC算法对粗差进行剔除；6)利用粗差剔除后剩余正确的匹配点计算相似变换系数，然后由相似变换模型和探测车在正射影像中的位置计算得到探测车在卫星图像中的位置。本发明实现了无石块平坦环境下探测车在卫星图像中的快速定位，提高了探测车定位的定位速度与精确度。

Description

一种探测车在卫星图像上的快速定位方法

技术领域

本发明涉及一种深空探测领域中探测车的自动定位方法，特别是关于一种无石块平坦环境下探测车在卫星图像上的快速定位方法。

背景技术

深空探测领域中探测车(或机器人)的定位在深空探测任务中对于探测车的安全行驶、科学目标和工程目标的实现都至关重要。现有常用的探测车导航定位方法主要有航迹推算法、视觉测程法和基于光束法平差的定位方法。在美国勇气号和机遇号火星车运行过程中，航迹推算、视觉测程法和基于光束法平差的定位方法均得到了应用。基于里程表和IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)的航迹推算方法在车轮打滑时会有较大误差，IMU所量测的方位角随时间有漂移误差，用全景相机拍摄的太阳图像可以改正方位角误差。视觉测程法基于导航相机图像通过特征点跟踪实现车上实时定位，但由于需要在很短距离连续拍照而导致运行速度太慢，因而主要用于短距离关键路径上的定位。基于光束法平差的定位方法是将导航相机和全景相机在不同摄站拍摄的图像连接起来构成图像网，通过对图像网的光束法平差提高图像位置和方位参数以及地面点位置的精度和一致性，从而实现火星车的长距离高精度定位；光束法平差定位方法不需要短距离连续拍照，可以在火星车整个路径上进行，定位精度较高。航迹推算、视觉测程法和基于光束法平差定位方法的定位误差随着运行距离的增长都会不可避免地累计增大，定位精度分别可达到10％、3％、0.2％。可以预计在今后的任务中，长距离路线的设计与探测车的定位将是一项更加繁重的工作，上述导航定位方法将面临挑战，需要采用新的观测手段和新的方法予以加强。

随着行星卫星图像的分辨率越来越高，如火星HiRISE图像分辨率可达0.25m。如果将探测车地面立体图像与高分辨率卫星图像对比将探测定位在卫星图像上，则可以消除仅利用地面传感器和图像进行探测车定位的误差累计，将探测车定位精度提高卫星图像1个像素以内，从而大大提高探测车执行任务的安全性和效率。目前探测车地面立体图像同卫星图像的比对是通过人工目视解译来实现的，耗时长、难度大、精度低。探测车地面立体图像与卫星图像分别是从水平和竖直两个不同的视角方向获取的图像，分辨率相差也很大，进行地面立体图像和卫星图像的匹配是十分困难的。针对勇气号探测车着陆区分布着大量石块的地形特点，Hwangbo等人近期进行了卫星和地面立体图像集成的探测车定位方法研究，其基本过程包括从卫星和地面立体图像分别提取石块，利用提取的石块进行卫星图像和地面立体图像进行匹配从而达到探测车定位的目的，其定位精度可以达到卫星图像1个像素以内。但机遇号探测车着陆区主要是沙丘和平坦岩石露头，上述方法无法应用，在此类区域还没有将卫星图像和地面立体图像联合起来定位的自动化方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种无石块平坦环境下探测车在卫星图像上的快速定位方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种探测车在卫星图像上的快速定位方法，其包括以下步骤：1)将探测车上立体相机获取的以探测车为中心的360°范围内水平视角的地面立体图像生成垂直视角的正射影像；2)对生成的正射影像提取SIFT关键点；3)对卫星图像进行直方图拉伸和低通滤波去噪处理，然后对处理后的卫星图像提取SIFT关键点；4)对正射影像和卫星图像进行SIFT关键点匹配；5)采用相似变换模型的RANSAC算法对粗差进行剔除；6)利用粗差剔除后剩余正确的匹配点计算相似变换系数，然后由相似变换模型和探测车在正射影像中的位置计算得到探测车在卫星图像中的位置，即实现探测车在卫星图像上的快速定位。

在进行步骤1)时，正射影像的生成步骤如下：(1)采用算子进行探测车地面立体图像对的特征点提取，并采用最小二乘匹配方法匹配同名点；(2)空间前方交会计算所有匹配特征点的三维坐标；(3)基于特征点的三维坐标构建不规则三角网；(4)通过不规则三角网内插构建数字高程模型；(5)基于数字高程模型、原始立体影像及图像内外方位元素生成正射影像。

在进行步骤4)时，取正射影像和卫星图像中欧式距离最近的前两个关键点，在这两个关键点中，如果最近的距离除以次近的距离小于某个比例阈值，则接受这一对关键点为SIFT匹配点。

所述比例阈值取0.75～0.85。

在进行步骤5)时，相似变换模型的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}a& -b\\ b& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}c\\ d\end{array}\right]$

式中，

为关键点的卫星图像坐标，

为关键点在正射影像中的坐标，a、b、c、d为相似变换系数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明首先通过地面立体图像自动生成正射影像，进而通过正射影像和卫星图像间的特征匹配实现无石块平坦环境下探测车在卫星图像中的快速定位，提高了探测车定位的定位速度与精确度。2、本发明能够消除航迹推算法和光束法平差的探测车定位的累积误差、将探测车的定位精度提高至卫星图像的一个像素以内。

附图说明

图1是本发明的流程图

图2是本发明正射影像的生成步骤图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)将探测车上立体相机获取的以探测车为中心的360°范围内水平视角的地面立体图像生成垂直视角的正射影像。如图2所示，正射影像的生成步骤如下：

(1)采用

算子进行探测车地面立体图像对的特征点提取，并采用最小二乘匹配方法匹配同名点；

(2)空间前方交会计算所有匹配特征点的三维坐标；

(3)基于特征点的三维坐标构建不规则三角网；

(4)通过不规则三角网内插构建数字高程模型；

(5)基于数字高程模型、原始地面立体影像及图像内外方位元素生成正射影像。

2)对生成的正射影像提取SIFT(Scale-invariant feature transform，尺度不变特征变换)关键点。

3)对卫星图像进行直方图拉伸和低通滤波去噪处理，然后对处理后的卫星图像提取SIFT关键点。

4)对正射影像和卫星图像进行SIFT关键点匹配，具体方式是取正射影像和卫星图像中欧式距离最近的前两个关键点，在这两个关键点中，如果最近的距离除以次近的距离小于某个比例阈值，则接受这一对关键点为SIFT匹配点。降低这个比例阈值，SIFT匹配点数目会减少，但更加稳定，为了匹配足够多的关键点，比例阈值一般取0.75～0.85。

5)由于SIFT匹配中会存在错误的匹配点(简称粗差)，因此采用相似变换模型的RANSAC算法对粗差进行剔除，其中相似变换模型的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}a& -b\\ b& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}c\\ d\end{array}\right]$

式中，

为关键点的卫星图像坐标，

为关键点在正射影像中的坐标，a、b、c、d为相似变换系数。

6)利用粗差剔除后剩余正确的匹配点计算相似变换系数，然后由相似变换模型和探测车在正射影像中的位置(即正射影像中心)计算得到探测车在卫星图像中的位置，即实现了探测车在卫星图像中的快速定位。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种探测车在卫星图像上的快速定位方法，其包括以下步骤：

1)将探测车上立体相机获取的以探测车为中心的360°范围内水平视角的地面立体图像生成垂直视角的正射影像；

2)对生成的正射影像提取SIFT关键点；

3)对卫星图像进行直方图拉伸和低通滤波去噪处理，然后对处理后的卫星图像提取SIFT关键点；

4)对正射影像和卫星图像进行SIFT关键点匹配；

5)采用相似变换模型的RANSAC算法对粗差进行剔除；

6)利用粗差剔除后剩余正确的匹配点计算相似变换系数，然后由相似变换模型和探测车在正射影像中的位置计算得到探测车在卫星图像中的位置，即实现探测车在卫星图像上的快速定位。

2.如权利要求1所述的一种探测车在卫星图像上的快速定位方法，其特征在于：在进行步骤1)时，正射影像的生成步骤如下：

(1)采用

算子进行探测车地面立体图像对的特征点提取，并采用最小二乘匹配方法匹配同名点；

(2)空间前方交会计算所有匹配特征点的三维坐标；

(3)基于特征点的三维坐标构建不规则三角网；

(4)通过不规则三角网内插构建数字高程模型；

(5)基于数字高程模型、原始立体影像及图像内外方位元素生成正射影像。

3.如权利要求1或2所述的一种探测车在卫星图像上的快速定位方法，其特征在于：

在进行步骤4)时，取正射影像和卫星图像中欧式距离最近的前两个关键点，在这两个关键点中，如果最近的距离除以次近的距离小于某个比例阈值，则接受这一对关键点为SIFT匹配点。

4.如权利要求3所述的一种探测车在卫星图像上的快速定位方法，其特征在于：所述比例阈值取0.75～0.85。

5.如权利要求1或2或4所述的一种探测车在卫星图像上的快速定位方法，其特征在于：在进行步骤5)时，相似变换模型的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}a& -b\\ b& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}c\\ d\end{array}\right]$

式中，

为关键点的卫星图像坐标，

为关键点在正射影像中的坐标，a、b、c、d为相似变换系数。

6.如权利要求3所述的一种探测车在卫星图像上的快速定位方法，其特征在于：在进行步骤5)时，相似变换模型的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}a& -b\\ b& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}c\\ d\end{array}\right]$

式中，为关键点的卫星图像坐标，为关键点在正射影像中的坐标，a、b、c、d为相似变换系数。

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