CN107504974A - 地形分块与地形测点加权的地形匹配定位方法 - Google Patents
地形分块与地形测点加权的地形匹配定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的在于提供地形分块与地形测点加权的地形匹配定位方法，影响地形匹配定位精度的有两方面的因素：地形的适配性和地形测量误差。对于适配性较大的局部地形区域可以提供较多的地形信息，而测量误差会使局部地形产生畸变，给地形匹配定位带来负面影响。由于适配性和地形的测量误差都是局部地形的特征，为了体现适配性和局部地形测量误差对匹配定位的影响，将地形进行分块并利用适配性对分块子地形图中的节点进行加权，同时在匹配过程中利用分快子地形的残差统计方差估计子地形图的测量误差，并对子地形图中的节点进行加权处理，利用适配性和测量误差得到的权值同时对子地形图中的节点进行加权，通过迭代过程获得最优的地形匹配定位结果。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种地形匹配定位方法，具体地说是深海地形匹配定位方法。
背景技术
深海地形的测绘主要依靠AUV来完成，由于AUV作业能力和导航精度的限制，在大范围的绘图过程中需要先得到一些局部小区域的地形图最后进行拼接处理得到大范围的水下地形图。此外，在测量过程中需要利用已获得的地形图进行地形匹配定位以此修正导航误差。地形拼接和地形匹配定位过程都需要高精度的地形匹配定位方法，由于地形匹配定位的精度主要有两个方面的影响：地形的适配性和地形测量误差及地形插值重构过程中导致的地形畸变误差。现有的地形匹配定位方法并没有考虑地形的适配性，而且对于地形的测量误差也只是考虑成高斯噪声，这些简化处理使得定位结果的和似然函数的收敛性并不好，同时定位的精度也容易受到地形适配性和地形畸变误差的影响。
本发明主要是出于对匹配过程中地形适配性和地形畸变误差对地形匹配定位精度的考虑，通过对先验地形的分块对地形的测量点进行加权处理。
发明内容
本发明的目的在于提供考虑对匹配过程中地形适配性和地形畸变误差对地形匹配定位精度的地形分块与地形测点加权的地形匹配定位方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明地形分块与地形测点加权的地形匹配定位方法，其特征是：
(1)进行初匹配，并将测量地形的测点分块：
假设分块子地形图的边界点为k，设定先验地形图地形图的分块大小，将先验地形图分割成M×N块子地形图，每一个子地形图的边界上的地形节点数为k，计算每一个地形点的适配性量化参数，量化参数采用地形节点的8方向信噪比：
式中：i,j分别表示鲜艳地形图节点的行和列索引号，d表示先验地形的网格边长，k表示表示8个方向的索引号，表示地形节点i,j在k方向的梯度，σ表示地形测量误差；
计算每一个分块的适配性参数：
式中：p表示分块自地图的边界地形节点个数，I,J表示地形分块的行和列索引号；
利用最大化原则将8个方向上的信息量化成一个量
同时根据下式对测量地形进行初步的定位，得到初步定位偏差(dx1，dy1)，然后利用定位偏差对测量地形进行位置修正，得到初步修正后的测量地形：
式中：Xp表示地形匹配定位的位置，i,j表示搜索区域内搜索点的索引号， zk表示MTM地形图中的点，表示在搜索点(i,j)处测量地形序列zk在DEM中的差值点高度；
(2)获取测量地形的适配性权值和测量误差权值：
根据修正后的测量地形和先验地形，得到先验地形与测量地形的重叠区域的节点序列，Zn和Zd分别表示重叠区域中位于先验地形和测量地形图中的节点；
根据步骤(1)中得到的先验地形的分块信息得到Zn中的地形节点所在的地形分块索引，根据节点所在的地形分块的适配性参数对先验地形和测量地形重叠区域的每一个节点序列Zn进行加权，假设节点位于分块 (I,J)中，则节点的权值为即位于(I,J)分块内的地形节点取值均为获取所有的Zn序列点的权值λi后对权值进行归一化处理，该权值为地形适配性权值，
根据步骤(1)中的匹配定位计算位置修正后的先验地形和测量地形的高度偏差序列残差：
Δh＝[Z-h(Xp)]
残差的均值和方差估计：
根据计算得到的每一个地形分块中的残差方差对Zn地形节点进行加权，与权值λi的确定方法一致，同一个地形块中的地行节点的测量误差权值大小相同，用1/σi表示Zn中的节点地形测量误差权值，对地形测量误差权值进行归一化处理：
(3)根据步骤(2)中得到的适配性权重和测量误差权值计算归一化的匹配权值：
(4)根据步骤(3)中得到的先验地形和测量地形交叠区域内节点的权值重新计算定位点；
其中：qi表示最终得到的节点权值；
(5)判断是否达到迭代终点，如果达到则返回定位结果Xp，若没有达到迭代终点则回到步骤(2)。
本发明的优势在于：由于适配性和地形的测量误差都是局部地形的特征，为了体现适配性和局部地形测量误差对匹配定位的影响，将地形进行分块并利用适配性对分块子地形图中的节点进行加权，同时在匹配过程中利用分快子地形的残差统计方差估计子地形图的测量误差，并对子地形图中的节点进行加权处理，这样利用适配性和测量误差得到的权值同时对子地形图中的节点进行加权，通过迭代过程获得最优的地形匹配定位结果。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为地形节点适配性计算时的8个离散方向；
图3为地形分块结果；
图4为地形重叠结果；
图5为适配性权值的计算方法；
图6为地形测量误差权值的计算方法；
图7为地形分块与加权匹配定位拼接方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-7，地形分块与地形测点加权的地形匹配定位方法主要步骤包括，将先验地形图001进行分块，计算分块后的每一个子地图的适配性参数002，对测量地形004进行初步匹配定位计算003根据匹配结果对测量地形进行修正，然后根据分块结果002和修正后的地形进行适配性权值008和测量误差权值的计算006的计算，然后对权值分别进行归一化处理，再利用权值进行加权匹配定位010，判断是否达到了迭代次数011如果没有则一直迭代直到迭代完成，虚线框内表示迭代过程。最后输出匹配定位修正后的测量地形012。
1、初匹配和测量地形的测点分块
设定先验地形图地形图201的分块大小(假设分块子地形图的边界点为k)。将先验地形图(DEM)201分割成M×N块子地形图，每一个子地形图的边界上的地形节点数为k，如图1所示表示先验地形的分块情况。计算每一个地形点 301、202的适配性量化参数，量化参数采用地形节点的8方向302信噪比：
式中：
i,j分别表示鲜艳地形图节点的行和列索引号；
d表示先验地形的网格边长；
k表示表示8个方向的索引号；
表示地形节点i,j在k方向的梯度；
σ表示地形测量误差；
计算每一个分块的适配性参数，计算公式如下：
式中：
p表示分块自地图的边界地形节点个数；
I,J表示地形分块的行和列索引号；
利用最大化原则将8个方向上的信息量化成一个量
同时根据下面的公式对测量地形进行初步的定位，得到初步定位偏差 (dx1，dy1)，然后利用定位偏差对测量地形进行位置修正，得到初步修正后的测量地形。
式中：
Xp表示地形匹配定位的位置；
i,j表示搜索区域内搜索点的索引号；
zk表示MTM地形图中的点；
表示在搜索点(i,j)处测量地形序列zk在DEM中的差值点高度；
2、测量地形的适配性权值和测量误差权值计算
根据修正后的测量地形(MTM)301和先验地形(DEM)，得到DEM与MTM的重叠区域的节点序列302，Zn和Zd分别表示重叠区域中位于DEM地形和MTM地形图中的节点。
根据1中得到的DEM的分块303信息得到Zn中的地形节点所在的地形分块索引，根据节点所在的地形分块的适配性参数对DEM201和MTM301重叠区域302的每一个节点序列Zn进行加权，假设节点位于分块(I,J)中，则节点的权值为也就是说位于(I,J)分块内的地形节点取值均为获取所有的Zn序列点的权值λi后对权值进行归一化处理，该权值称为地形适配性权值。
然后，根据1中的匹配定位计算位置修正后的DEM201和MTM301的高度偏差序列残差：
Δh＝[Z-h(Xp)]
残差的均值和方差估计：
根据计算得到的每一个地形分块中的残差方差对Zn地形节点进行加权，与权值λi的确定方法一致，同一个地形块中的地行节点的测量误差权值大小相同，用1/σi表示Zn中的节点地形测量误差权值，对地形测量误差权值进行归一化处理：
3、根据2中得到的适配性权重和测量误差权值计算归一化的匹配权值：
4、根据3中得到的DEM201和MTM301交叠区域302内节点的权值重新计算定位点；
其中：qi表示最终得到的节点权值；
5、判断是否达到迭代终点，如果达到则返回定位结果Xp，若没有达到迭代终点则回到步骤2。
Claims (1)
1.地形分块与地形测点加权的地形匹配定位方法，其特征是：
(1)进行初匹配，并将测量地形的测点分块：
假设分块子地形图的边界点为k，设定先验地形图地形图的分块大小，将先验地形图分割成M×N块子地形图，每一个子地形图的边界上的地形节点数为k，计算每一个地形点的适配性量化参数，量化参数采用地形节点的8方向信噪比：
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式中：i,j分别表示鲜艳地形图节点的行和列索引号，d表示先验地形的网格边长，k表示表示8个方向的索引号，表示地形节点i,j在k方向的梯度，σ表示地形测量误差；
计算每一个分块的适配性参数：
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式中：p表示分块自地图的边界地形节点个数，I,J表示地形分块的行和列索引号；
利用最大化原则将8个方向上的信息量化成一个量
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同时根据下式对测量地形进行初步的定位，得到初步定位偏差(dx1，dy1)，然后利用定位偏差对测量地形进行位置修正，得到初步修正后的测量地形：
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式中：Xp表示地形匹配定位的位置，i,j表示搜索区域内搜索点的索引号，zk表示MTM地形图中的点，表示在搜索点(i,j)处测量地形序列zk在DEM中的差值点高度；
(2)获取测量地形的适配性权值和测量误差权值：
根据修正后的测量地形和先验地形，得到先验地形与测量地形的重叠区域的节点序列，Zn和Zd分别表示重叠区域中位于先验地形和测量地形图中的节点；
根据步骤(1)中得到的先验地形的分块信息得到Zn中的地形节点所在的地形分块索引，根据节点所在的地形分块的适配性参数对先验地形和测量地形重叠区域的每一个节点序列Zn进行加权，假设节点位于分块(I,J)中，则节点的权值为即位于(I,J)分块内的地形节点取值均为获取所有的Zn序列点的权值λi后对权值进行归一化处理，该权值为地形适配性权值，
根据步骤(1)中的匹配定位计算位置修正后的先验地形和测量地形的高度偏差序列残差：
Δh＝[Z-h(Xp)]
残差的均值和方差估计：
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根据计算得到的每一个地形分块中的残差方差对Zn地形节点进行加权，与权值λi的确定方法一致，同一个地形块中的地行节点的测量误差权值大小相同，用1/σi表示Zn中的节点地形测量误差权值，对地形测量误差权值进行归一化处理：
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(4)根据步骤(3)中得到的先验地形和测量地形交叠区域内节点的权值重新计算定位点；
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其中：qi表示最终得到的节点权值；
(5)判断是否达到迭代终点，如果达到则返回定位结果Xp，若没有达到迭代终点则回到步骤(2)。
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