CN116559883A - 一种侧扫声呐图像的纠正方法以及侧扫声呐镶嵌影像 - Google Patents

一种侧扫声呐图像的纠正方法以及侧扫声呐镶嵌影像 Download PDF

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徐达
陈佳兵
吴修广
段文义
龚令平
刘振国
李最森
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Abstract

本发明公开了一种侧扫声呐图像的纠正方法以及侧扫声呐镶嵌影像，方法包括：获取水下地形的DEM模型；获取侧扫声呐的侧扫图像，侧扫图像包括若干单元图像，单元图像对应有航迹线和姿态数据；根据航迹线、姿态数据以及DEM模型将若干单元图像构建成虚拟侧扫影像；根据单元图像的航迹线迭代检索单元图像在虚拟侧扫影像中的航迹线和姿态数据，得到修正坐标；根据修正坐标校准单元图像在所述侧扫图像中的航迹线和姿态数据，得到校准后的侧扫图像。通过侧扫声呐的航迹线和姿态数据结合DEM模型构建虚拟影像，校正侧扫声呐图像从而获得高精度的侧扫声呐镶嵌影像，解决了传统的侧扫声呐数据受定位和姿态精度低而导致的相邻测线拼接错动过大的问题。

Description

一种侧扫声呐图像的纠正方法以及侧扫声呐镶嵌影像
技术领域
本发明涉及侧扫声呐图像技术，具体涉及基于DEM模型纠正侧扫声呐图像的技术。
背景技术
侧扫声呐技术能获取高分辨率的水下声学图像，常用于地貌数据采集和水下障碍物搜索，但是该技术无法得到水下高精度的地形数据。侧扫声呐技术一般采用拖拽拖鱼的方式采集水下地貌数据。数据处理主要由数据导入底跟踪、图像预处理、轨迹归位和数据判读这五部分组成。
其中，轨迹归位是根据拖鱼拖缆长度结合船载GNSS定位系统和拖鱼的姿态测量系统综合判断。拖拽式作业受船速、水流等多种因素的影响，拖鱼在水下的深度会发生很多变化，导致记录的航迹线和姿态数据精度过低。轨迹归位的计算由于误差过大致使同一水下物体在不同声呐图像中存在较大的错动，无法准确判别水下物体的真实的水下地理位置或准确还原真实的水下地貌，增大了后续的工作难度。
发明内容
为了解决侧扫声呐获得的水下地貌图像不准确的问题，本申请提供一种侧扫声呐图像的纠正方法。
一种侧扫声呐图像的纠正方法，包括以下步骤：
获取水下地形的DEM模型；
获取侧扫声呐的侧扫图像，所述侧扫图像包括若干单元图像，所述单元图像对应有航迹线和姿态数据；
根据所述航迹线、姿态数据以及所述DEM模型将若干单元图像构建成虚拟侧扫影像；
根据所述单元图像的航迹线迭代检索所述单元图像在所述虚拟侧扫影像中的航迹线和姿态数据，得到修正坐标；
根据所述修正坐标校准所述单元图像在所述侧扫图像中的航迹线和姿态数据，得到校准后的侧扫图像。
进一步地，根据所述单元图像的航迹线迭代检索所述单元图像在所述虚拟侧扫影像中的航迹线和姿态数据，具体包括：
根据所述单元图像的航迹线在所述虚拟侧扫影像中提取所述单元图像对应的校准影像，所述校准影像的范围大于所述单元图像的范围；
分别提取所述单元图像与所述校准影像的特征点；
匹配所述单元图像的特征点与所述校准影像的特征点得到若干匹配点对，并消除错误匹配点对；
根据匹配点对的平移和旋转关系得到平移参数和旋转参数；
根据所述平移参数和旋转参数校准所述单元图像的航迹线和姿态数据；
根据校准后所述单元图像的航迹线缩小所述校准影像的范围，并重复上述步骤，得到最终的航迹线和姿态数据。
进一步地，所述匹配点对的平移和旋转关系表达为：
其中，X、Y为虚拟侧扫影像中匹配的特征点的坐标，XCS、YCS为单元图像的特征点的坐标，T1、T2为平移参数、R1、R2为旋转参数。
进一步地，还包括对所述DEM模型进行灰度处理。
进一步地，获取水下地形的DEM模型包括：利用多波束测深系统对水下地形进行测量形成测量对象的图像点阵，并输出图像区域的三维坐标，根据所述三维坐标建立DEM模型。
进一步地，还包括对所述侧扫图像的单元图像进行预处理，具体包括斜距改正以及底跟踪。
进一步地，所述姿态数据为侧扫声呐在水中的每一时刻的姿态变化数据，包括横摇、纵摇、艏摇以及升沉。
一种侧扫声呐镶嵌影像，根据上述任一所述的侧扫声呐图像的纠正方法得到。
本发明的有益效果为：
通过侧扫声呐的航迹线和姿态数据结合DEM模型构建虚拟影像，并与实际的侧扫图像进行比对，通过修正航迹线和姿态数据使虚拟影像数据与实际侧扫图像一致，得到真实的侧扫声呐水下定位以及姿态数据，以此来校正侧扫声呐图像从而获得高精度的侧扫声呐镶嵌影像，解决了传统的侧扫声呐数据受定位和姿态精度低而导致的相邻测线拼接错动过大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是纠正方法的整体流程示意图。
具体实施方式
为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例1
本实施例提供一种侧扫声呐图像的纠正方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，获取水下地形的DEM模型。
利用多波束测深系统对水下地形进行测量形成测量对象的图像点阵，并输出图像区域的三维坐标，根据三维坐标建立DEM模型。并对DEM模型进行灰度处理，从而获得水下地貌灰度影像图。
多波束测深技术可获取高分辨率的定位精确的水下地形数据，进而生成高精度DEM模型，DEM模型可表达高程起伏形态。
S2，获取侧扫声呐的侧扫图像，侧扫图像包括若干单元图像。单元为侧扫图像的分割单位，不做特别限定，例如，一ping图像可属于单元图像。每一单元图像对应有该单元图像的航迹线和姿态数据。姿态数据为侧扫声呐在水中的每一时刻的姿态变化数据，包括横摇、纵摇、艏摇以及深沉数据。
对侧扫图像的单元图像进行预处理，包括斜距改正以及底跟踪。
底跟踪包括：侧扫声呐根据时序回波成像，对于第一个发射波束，其回波经历沿垂直方向的往返传播耗时后被接收到，因此在1Ping扫描线内出现一个从中间线到图像区的空白区段，即水柱区。对于接收到的第一个来自拖鱼正下方的回波，由于传播距离较短，能量损失较小，其回波强度最强，在图像中表征为该Ping的海底点；随后接收到的回波依次排列，形成Ping扫描线(Scanline)。随着测量载体的运动和换能器的连续发射和接收波束，Ping扫描线依次记录，其线即为海底线。同时也可得知拖鱼到海底的高度H，
H＝T×V
其中T为接收到的第一个来自拖鱼正下方的回波的单程时间，V为水中声波传播速度。
斜距改正包括：
侧扫声图上从左到右是按照声波返回时间长短来计算的，因此侧扫声图上反映的是换能器至海底的倾斜距离，声图上产生横向比例不统一，使目标发生横向变形。斜距就定义为从侧扫声呐头到地形某处的直线距离(一般忽略微观地形起伏)。因此我们就会发现，要使横向反映的是横距，使声图不发生变形，就要进行斜距校正。一般来说，可以使用以下公式实现
L就是斜距，H是侧扫声呐到海底的高度。
S3，根据步骤S2中获得的航迹线和姿态数据以及S1中获得的DEM模型将若干单元图像构建成虚拟侧扫影像。
S4，根据单元图像的航迹线，即单元图像在侧扫图像中的坐标信息，迭代检索单元图像在步骤S3中获得的虚拟侧扫影像中的航迹线和姿态数据，得到修正后的坐标信息。具体包括步骤S41～S46，以一ping图像举例说明。
S41，根据一ping图像A的航迹线在虚拟侧扫影像中提取对应的校准影像B，影像B和图像A在相同的位置区域，校准影像B的范围往图像A四周各延伸50米，从而保证图像A被影像B包含。
S42，利用sift算法分别提取图像A与影像B的特征点。
S43，利用最邻近方法匹配图像A的特征点与影像B的特征点，得到若干匹配点对；采用随机采样一致性(RANSAC)算对匹配的特征点进行错误匹配点对的消除。
S44，根据匹配点对的平移和旋转关系得到平移参数和旋转参数。匹配点对的平移和旋转关系表达如下：
其中，X、Y为虚拟侧扫影像中匹配的特征点的坐标，XCS、YCS为单元图像的特征点的坐标，T1、T2为平移参数、R1、R2为旋转参数。
则有：
X1＝R1XCS1+R2YCS1+1T1+0T2
Y1＝R1YCS1-R2XCS1+1T1+1T2
Xn＝R1XCSn+R2YCSn+1T1+0T2
Yn＝R1YCSn-R2XCSn+1T1+1T2
令：
则：
p＝(XTX)-1Xta
进而得到平移参数和旋转参数，平移参数对应着航迹线，旋转参数对应着姿态数据。
S45，根据所述平移参数和旋转参数校准所述单元图像的航迹线和姿态数据。
S46，根据校准后所述单元图像的航迹线缩小所述校准影像的范围，并重复上述步骤，得到最终的航迹线和姿态数据。
S5，根据步骤S4中得到的修正后的坐标信息校准单元图像在侧扫图像中的航迹线和姿态数据，得到校准后的侧扫图像。
根据本实施例的侧扫声呐图像的纠正方法可得到航迹线和姿态精度都更精确的高精度侧扫声呐镶嵌影像，侧扫声呐镶嵌影像也属于本发明的保护范围。
实施例2
本实施例公开了一种侧扫声呐图像的纠正系统，用于实现实施例1中的侧扫声呐纠正放，包括：
DEM单元，用于存储并处理水下地形的DEM模型。并对DEM模型进行灰度处理，从而获得水下地貌灰度影响图。
侧扫声呐单元，用于存储侧扫声呐的侧扫图像，所述侧扫图像包括若干单元图像，所述单元图像对应有航迹线和姿态数据。并对单元图像进行预处理，包括斜距改正以及底跟踪。
影像构建单元，用于根据侧扫单元存储的航迹线、姿态数据以及DEM单元存储DEM模型将若干单元图像构建成虚拟侧扫影像。
检索单元，用于根据所述单元图像的航迹线迭代检索所述单元图像在所述虚拟侧扫影像中的航迹线和姿态数据，得到修正坐标。具体操作为：
根据所述单元图像的航迹线在所述虚拟侧扫影像中提取所述单元图像对应的校准影像，所述校准影像的范围大于所述单元图像的范围；
分别提取所述单元图像与所述校准影像的特征点；
匹配所述单元图像的特征点与所述校准影像的特征点得到若干匹配点对，并消除错误匹配点对；
根据匹配点对的平移和旋转关系得到平移参数和旋转参数；
根据所述平移参数和旋转参数校准所述单元图像的航迹线和姿态数据；
根据校准后所述单元图像的航迹线缩小所述校准影像的范围，并重复上述步骤，得到最终的航迹线和姿态数据。
图像形成单元，用于根据所述修正坐标校准所述单元图像在所述侧扫图像中的航迹线和姿态数据，得到校准后的侧扫图像。
实施例3
本实施例公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可实现实施例1中的侧扫声呐图像的纠正方法。
计算机可读存储介质的形式可以为：具有一个或多个导线段的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或者上述任意合适的组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线段、电线段、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

Claims (10)

1.一种侧扫声呐图像的纠正方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取水下地形的DEM模型；
获取侧扫声呐的侧扫图像，所述侧扫图像包括若干单元图像，所述单元图像对应有航迹线和姿态数据；
根据所述航迹线、姿态数据以及所述DEM模型将若干单元图像构建成虚拟侧扫影像；
根据所述单元图像的航迹线迭代检索所述单元图像在所述虚拟侧扫影像中的航迹线和姿态数据，得到修正坐标；
根据所述修正坐标校准所述单元图像在所述侧扫图像中的航迹线和姿态数据，得到校准后的侧扫图像。
2.根据权利要求1所述的侧扫声呐图像的纠正方法，其特征在于，根据所述单元图像的航迹线迭代检索所述单元图像在所述虚拟侧扫影像中的航迹线和姿态数据，具体包括：
根据所述单元图像的航迹线在所述虚拟侧扫影像中提取所述单元图像对应的校准影像，所述校准影像的范围大于所述单元图像的范围；
分别提取所述单元图像与所述校准影像的特征点；
匹配所述单元图像的特征点与所述校准影像的特征点得到若干匹配点对，并消除错误匹配点对；
根据匹配点对的平移和旋转关系得到平移参数和旋转参数；
根据所述平移参数和旋转参数校准所述单元图像的航迹线和姿态数据；
根据校准后所述单元图像的航迹线缩小所述校准影像的范围，并重复上述步骤，得到最终的航迹线和姿态数据。
3.根据权利要求2所述的侧扫声呐图像的纠正方法，其特征在于，所述匹配点对的平移和旋转关系表达为：
其中，X、Y为虚拟侧扫影像中匹配的特征点的坐标，XCS、YCS为单元图像的特征点的坐标，T1、T2为平移参数、R1、R2为旋转参数。
4.根据权利要求1所述的侧扫声呐图像的纠正方法，其特征在于，还包括对所述DEM模型进行灰度处理。
5.根据权利要求1所述的侧扫声呐图像的纠正方法，其特征在于，获取水下地形的DEM模型包括：利用多波束测深系统对水下地形进行测量形成测量对象的图像点阵，并输出图像区域的三维坐标，根据所述三维坐标建立DEM模型。
6.根据权利要求1所述的侧扫声呐图像的纠正方法，其特征在于，还包括对所述侧扫图像的单元图像进行预处理，具体包括斜距改正以及底跟踪。
7.根据权利要求1所述的侧扫声呐图像的纠正方法，其特征在于，所述姿态数据为侧扫声呐在水中的每一时刻的姿态变化数据，包括横摇、纵摇、艏摇以及升沉。
8.一种侧扫声呐镶嵌影像，其特征在于，根据权利要求1-7任一所述的侧扫声呐图像的纠正方法得到。
9.一种侧扫声呐图像的纠正系统，其特征在于，包括：
DEM单元，用于存储并处理水下地形的DEM模型；
侧扫声呐单元，用于存储侧扫声呐的侧扫图像，所述侧扫图像包括若干单元图像，所述单元图像对应有航迹线和姿态数据；
影像构建单元，用于根据所述航迹线、姿态数据以及所述DEM模型将若干单元图像构建成虚拟侧扫影像；
检索单元，用于根据所述单元图像的航迹线迭代检索所述单元图像在所述虚拟侧扫影像中的航迹线和姿态数据，得到修正坐标；
图像形成单元，用于根据所述修正坐标校准所述单元图像在所述侧扫图像中的航迹线和姿态数据，得到校准后的侧扫图像。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117408879B (zh) * 2023-10-26 2024-05-10 中国人民解放军32021部队 一种侧扫声呐图像拼接方法和装置

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