一種利用河道地標(biāo)間接定位識(shí)別立體建筑物的方法

專利名稱：一種利用河道地標(biāo)間接定位識(shí)別立體建筑物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于成像自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與導(dǎo)航制導(dǎo)交叉的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及 一種動(dòng)平臺(tái)條件下基于河道地標(biāo)的地面立體建筑物間接定位識(shí)別方法，用 于飛行器前視導(dǎo)航時(shí)捕獲與定位地面立體建筑物。
背景技術(shù)：
地面立體建筑物是人工建筑的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行精確定位與識(shí) 別可滿足無(wú)人飛行器和有人飛行器在城市地區(qū)的自主精確導(dǎo)航、飛行器避 撞等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。地面立體建筑物通常處于復(fù)雜的自然場(chǎng)景之中，特 別在城區(qū)，多數(shù)情況下跟其周邊建筑關(guān)聯(lián)成片，處于樓群之中。由于飛行 器飛行航線的可變性及飛行器慣性導(dǎo)航定位的偏差，導(dǎo)致在城市地區(qū)中對(duì) 地面立體建筑物的定位識(shí)別是一項(xiàng)困難的任務(wù)。
如果飛行器要導(dǎo)航定位到某立體建筑物，當(dāng)然要能檢測(cè)、識(shí)別該建筑 物。然而在城市地區(qū)中檢測(cè)識(shí)別定位立體建筑物是十分困難的。
張前進(jìn)，郭雷在"基于特征學(xué)習(xí)的建筑物自動(dòng)識(shí)別算法研究"，彈箭與
制導(dǎo)學(xué)報(bào)，Vol.27 No.3 March 2007中提出了一種基于類特征學(xué)習(xí)的算法結(jié) 構(gòu)。利用建筑物頂部的高亮度特性，采用基于灰度的OTSU方法實(shí)現(xiàn)圖像 的粗略分割；然后采用二階高斯馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)(GMRF)模型描述已分割 圖像，得到目標(biāo)/背景類的6維特征向量；以此特征向量及粗分割的類標(biāo)記 為訓(xùn)練集，訓(xùn)練支持向量機(jī)(SVMs)分類器學(xué)習(xí)兩類特征，再用訓(xùn)練過(guò)的 分類器重新分割圖像；最后采用基于先驗(yàn)知識(shí)的規(guī)則對(duì)分割區(qū)域進(jìn)行建筑 物/非建筑物的判定。該方法的成立基于一個(gè)明顯的假設(shè)，即建筑物頂部的 高亮度特性，這一假設(shè)在實(shí)際的建筑物光學(xué)成像中是不能保證的，因此， 其適用范圍有限。陶文兵，和卩健，田金文在"一種新型的航空?qǐng)D像城區(qū) 建筑物自動(dòng)提取方法"，計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，Vol.26 No.7 July 2003中提出了一種從航空城區(qū)圖像中自動(dòng)提取矩形建筑物的方法，該方法基于從航空城區(qū)圖像
中提取的邊緣，經(jīng)過(guò)輪廓跟蹤，采用Splitting (分裂)方法提取直線，得出 其相應(yīng)的直線幾何圖形。但在使用該方法時(shí)，邊緣信息的初始檢測(cè)結(jié)果多 為不連續(xù)的線段，因此需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行合并、調(diào)整等處理。當(dāng)面對(duì)較為復(fù) 雜的自然場(chǎng)景圖像時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的線段，使得合并、調(diào)整處理的 計(jì)算復(fù)雜度大幅度增加，從而難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。金泰松，葉聰穎， 李翠華，劉明業(yè)在"一種復(fù)雜場(chǎng)景下建筑目標(biāo)識(shí)別方法"，計(jì)算機(jī)工程， Vol.33 No.6 March 2007中提出了一種基于建筑目標(biāo)的豎直線特征尋找圖像 中存在建筑目標(biāo)區(qū)域的方法，考慮了目標(biāo)特征的相互關(guān)系，給出了一種新 的模板匹配算法，跟傳統(tǒng)的方法相比，運(yùn)行時(shí)間減少了。但是該方法在目 標(biāo)跟背景之間的局部反差不明顯的情況下，豎直線條的提取將變得極為困 難。
以上方法都是直接檢測(cè)識(shí)別定位立體建筑物，沒(méi)有將建筑物目標(biāo)置于 自然場(chǎng)景的"上下文"之中，因此，難免局限于就建筑物識(shí)別定位而談建 筑物識(shí)別定位。當(dāng)立體建筑物相對(duì)于其所在城市地區(qū)場(chǎng)景特征不顯著，如 距離較遠(yuǎn)、光照條件不好、相似模式較多時(shí)，直接檢測(cè)定位識(shí)別是不可行 的。為了解決這一導(dǎo)航定位難題，必須發(fā)明新的定位識(shí)別方法。
實(shí)際上，間接尋找目標(biāo)的方法更符合人類的視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)理，也就是說(shuō)， 當(dāng)我們?cè)谝鈭D捕獲一個(gè)目標(biāo)的時(shí)候，如果此目標(biāo)相對(duì)于其所在的場(chǎng)景特征 不顯著時(shí)，我們通常采取先捕獲目標(biāo)所在場(chǎng)景中具有某種顯著性特征的地 物結(jié)構(gòu)，再間接定位到我們感興趣的目標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)感興趣對(duì)象的直接 定位與識(shí)別。
穿越城區(qū)的河道地標(biāo)在許多城市中是常見(jiàn)的，而且河道地標(biāo)具有條帶 狀分布的特征，蜿蜒曲折的居多，其上可供選擇使用的形殊點(diǎn)很多，利用 河道地標(biāo)間接導(dǎo)航定位是可行的。如何利用河道地標(biāo)進(jìn)行城區(qū)內(nèi)立體建筑 物的檢測(cè)定位，構(gòu)成了本發(fā)明的核心內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用河道地標(biāo)間接定位識(shí)別地面立體建筑物的方法，
6目的在于解決動(dòng)平臺(tái)條件下，待識(shí)別建筑物光學(xué)成像特征不顯著時(shí)，如被 隱藏、被遮擋、建筑物模式重復(fù)較多、光學(xué)成像中建筑物局部對(duì)比度差等 的多種情況下，對(duì)城區(qū)立體建筑物的定位識(shí)別問(wèn)題，為飛行器前視導(dǎo)航時(shí) 捕獲與定位地面立體建筑物提供支持。
一種利用河道地標(biāo)間接定位識(shí)別立體建筑物的方法，按照以下步驟進(jìn)
(1) 計(jì)算河道地標(biāo)與立體建筑物在參考圖中的位置差異；
(2) 在實(shí)時(shí)圖中確定建筑物目標(biāo)的局部感興趣區(qū)域
(2.1) 確定河道地標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置；
(2.2) 利用步驟(1)的位置差異以及步驟(2.1)的河道地標(biāo)位置解 算立體建筑物目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置；
(2.3) 在實(shí)時(shí)圖中選取局部感興趣區(qū)域，該區(qū)域以立體建筑物目標(biāo)在 實(shí)時(shí)圖中的位置為中心，局部感興趣區(qū)域的高度H^-《^x《，^""s表示建 筑物目標(biāo)成像高度，LS"。；局部感興趣區(qū)域的寬度^",U、 ^表 示建筑物目標(biāo)成像寬度，""6;
(3) 以局部感興趣區(qū)域?yàn)樘幚韺?duì)象識(shí)別立體建筑物目標(biāo)。
本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在目前前視成像導(dǎo)航技術(shù)廣泛應(yīng)用在飛行器
導(dǎo)航中，它主要是通過(guò)光學(xué)傳感器的前視成像目標(biāo)識(shí)別來(lái)糾偏，但一般的 前視目標(biāo)識(shí)別導(dǎo)航方法都是采取直接識(shí)別目標(biāo)來(lái)糾正實(shí)際飛行航路與規(guī)劃 航路的偏差，這在待識(shí)別建筑物光學(xué)成像特征不顯著時(shí)，如被隱藏、被遮 擋、建筑物相似模式較多、光學(xué)成像中建筑物局部對(duì)比度差等的多種情況 下，直接識(shí)別定位立體建筑物是不可靠的。實(shí)際上，迂回尋找目標(biāo)的方法 更符合人類的視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)理，也就是說(shuō)，當(dāng)我們?cè)谝鈭D捕獲一個(gè)目標(biāo)的時(shí) 候，如果此目標(biāo)相對(duì)于其所在的場(chǎng)景特征不顯著時(shí)，我們通常采取先捕獲 目標(biāo)所在場(chǎng)景中具有某種顯著性特征的地物結(jié)構(gòu)，再間接定位到我們感興 趣的目標(biāo)，從而達(dá)到對(duì)感興趣對(duì)象的間接定位與識(shí)別。河道地標(biāo)在城區(qū)中是很多的，而且河道地標(biāo)具有條帶狀分布的特征，蜿蜓曲直的居多，其上 可供選擇使用的形殊點(diǎn)很多。如何利用河道地標(biāo)進(jìn)行城區(qū)內(nèi)立體建筑物的 檢測(cè)定位，構(gòu)成了本發(fā)明所的關(guān)鍵點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)對(duì)河道地標(biāo)的定位來(lái)找 到河道地標(biāo)的角偏差，再根據(jù)此河道地標(biāo)的偏移量，反推建筑物目標(biāo)的角 偏差，從而達(dá)到對(duì)飛行器在飛行過(guò)程中不斷糾偏，并最終導(dǎo)航定位到預(yù)定 建筑物目標(biāo)的目的。本發(fā)明對(duì)動(dòng)平臺(tái)條件下城區(qū)復(fù)雜背景中的建筑物進(jìn)行 間接識(shí)別定位，具有很好的魯棒性和定位精度，可滿足無(wú)人或有人飛行器 在城市地區(qū)的自主精確導(dǎo)航、飛行器避撞等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。


圖1為本發(fā)明總體流程圖； '圖2為通過(guò)河道地標(biāo)間接定位到包含建筑物的感興趣區(qū)流程圖； 圖3為感興趣區(qū)內(nèi)直接識(shí)別定位流程圖； 圖4為透視變換模型圖5為大地坐標(biāo)系下河道地標(biāo)形殊點(diǎn)與建筑物形殊點(diǎn)之間的空間約束 關(guān)系示意圖6為實(shí)時(shí)圖中心與地標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系圖7為光軸瞄準(zhǔn)點(diǎn)^與地標(biāo)在飛行方向縱軸上的投影M之間的位置關(guān) 系圖8為光軸瞄準(zhǔn)點(diǎn)^與地標(biāo)在飛行方向橫軸上的投影N之間的位置關(guān)
系；
圖9為正北方向與飛行方向示意圖； 圖IO為大地坐標(biāo)系中光軸與目標(biāo)縱向位置關(guān)系圖； 圖ll為大地坐標(biāo)系中光軸與目標(biāo)橫向位置關(guān)系圖； 圖12為飛行方向示意圖13為包含某建筑物，河道，陸地的衛(wèi)星遙感圖14為河道地標(biāo)參考圖及河道地標(biāo)形殊點(diǎn)與建筑物正投影形心的位 置關(guān)系圖；圖15為河道地標(biāo)的形殊點(diǎn)集^&、 z^，2、
筑物正投影的形心Tl和K之間的空間約束關(guān)系；
圖16為某成像姿態(tài)參數(shù)下的光學(xué)實(shí)時(shí)圖像； 圖17為分別以圖13中的4個(gè)形殊點(diǎn)1^^、 瞄準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)的匹配結(jié)果；
圖18為圖17中resultl-result4的平均結(jié)果圖； 圖19為間接定位結(jié)果圖； 圖20為包含建筑物的局部感興趣區(qū)子圖； '圖21為對(duì)圖20形態(tài)學(xué)背景抑制后的結(jié)果圖； 圖22為對(duì)圖21灰度級(jí)合并后的結(jié)果圖； 圖23為對(duì)圖22自適應(yīng)遞推分割后的結(jié)果圖； 圖24為感興趣區(qū)內(nèi)豎直線條檢測(cè)結(jié)果圖； 圖25為最終的建筑物識(shí)別結(jié)果圖。
龐
，4與左右兩棟建
L^,3、丄Si^為光軸
具體實(shí)施例方式
在足夠的飛行高度和一個(gè)恰當(dāng)?shù)娘w行角度下，河道地標(biāo)的可見(jiàn)性是可 以保證的，因而，本發(fā)明是在河道地標(biāo)可見(jiàn)的情況下來(lái)考慮的。
下面以圖12包含某立體建筑物、河道、陸地的衛(wèi)星遙感圖為例對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。總體流程圖如圖1所示。 1、地面準(zhǔn)備
(1.1) 按照預(yù)先規(guī)劃好的航跡進(jìn)入方向，選擇航路上可見(jiàn)的河道地標(biāo) 候選集，為可靠起見(jiàn)，通常選擇待識(shí)別建筑物近鄰區(qū)的河道地標(biāo)。圖12和 圖13為河道地標(biāo)近鄰區(qū)2000米X2000米范圍的衛(wèi)星遙感圖，在圖12中還 標(biāo)注出了獲取前視光學(xué)圖像時(shí)的飛行方向；
(1.2) 建立河道地標(biāo)及待識(shí)別建筑物的幾何基準(zhǔn)特征庫(kù)，同時(shí)在衛(wèi)星
遙感圖片中建立各河道地標(biāo)與待識(shí)別建筑物之間的空間約束關(guān)系特征庫(kù)。 ①河道地標(biāo)的幾何特征庫(kù)在河道地標(biāo)的參考圖上，選取河道分叉區(qū)域作為我們的局部感興趣區(qū)，并將該區(qū)域取為經(jīng)驗(yàn)值大小300像素高300 像素寬，在此子區(qū)內(nèi)，選取四個(gè)點(diǎn)作為形殊點(diǎn)，第一點(diǎn)為該子區(qū)的形心， 其坐標(biāo)為(1050， 720)，記為丄^，,；第二點(diǎn)為左邊一段弧線狀河岸線的曲
率最大點(diǎn)，其坐標(biāo)為(998， 687)，記為L(zhǎng)S/^;第三點(diǎn)為右上角一段弧線狀 河岸線的曲率最大點(diǎn)，其坐標(biāo)為(1095， 689)，記為丄^,;第四點(diǎn)為右下 角一段弧線狀河岸線的曲率最大點(diǎn)，其坐標(biāo)為(1071， 779)，記為L(zhǎng)Si^。 在圖13中以一組實(shí)心的圓點(diǎn)加以標(biāo)注，該組點(diǎn)即為后面透視變換時(shí)光軸瞄 準(zhǔn)點(diǎn)可能的偏差點(diǎn)。
② 待識(shí)別建筑物的幾何基準(zhǔn)特征庫(kù)高度J7/,為65米、寬度7^為25 米、周長(zhǎng)77^為180米、面積L4,為1625平方米、形狀因子rs,為1.587， / = 1，2 分別表示左右兩棟建筑物；
③ 衛(wèi)星遙感圖片中河道地標(biāo)與待識(shí)別建筑物之間的空間約束關(guān)系特征 庫(kù)河道地標(biāo)和待識(shí)別建筑物之間的空間約束關(guān)系包括①河道地標(biāo)形殊 點(diǎn)與建筑物正投影的形心之間的約束關(guān)系《^(A、^,A、，,》， A、w, =、 — ， A'^,w =力?！賣(mài)c 《=1,2,3.."乂 = 1,2,3.."& = 1,2,3...， (x7;,,j^) 為第《個(gè)建筑物正投影的形心坐標(biāo)，,A,S^ )為第_/個(gè)河道地標(biāo)的第A個(gè) 形殊點(diǎn)坐標(biāo)；②河道地標(biāo)形殊點(diǎn)與建筑物可見(jiàn)表面的形心之間的約束關(guān)系
AL^,A(A2 ,m丄^A2:^,加,丄》，厶2^ ，丄4 =XSr, 一巧,"(.，厶2乂,,》',,4 一少"T,,，附二1，2,3…，
( "'，^J為第《個(gè)建筑物可見(jiàn)表面的第m個(gè)形心坐標(biāo)，(& ，力,)為第 7'個(gè)河道地標(biāo)的第A個(gè)形殊點(diǎn)坐標(biāo)；③河道地標(biāo)形殊點(diǎn)與建筑物可見(jiàn)表面的 角點(diǎn)之間的約束關(guān)系， =X(V_XW,，
A、C&v ， q = l，2，3.."r = 1，2，3... ， ^;^ )為第《個(gè)建筑物可見(jiàn)表面的第r個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，(&^'力K')為第J個(gè)河道地標(biāo)的第A:個(gè)形殊點(diǎn)坐標(biāo)。 以一棟建筑物與一個(gè)河道地標(biāo)為例時(shí)的示意圖如圖5所示，包括河道地 標(biāo)形殊點(diǎn)與建筑物正投影的形心之間的約束關(guān)系A(chǔ)"，，、河道地標(biāo)形殊點(diǎn)與建 筑物可見(jiàn)表面的形心之間的約束關(guān)系《^與Afm,其中，wj;2表示大地 坐標(biāo)系，oxyz表示建筑物坐標(biāo)系。
在本實(shí)例中，待識(shí)別建筑物(左邊一棟)正投影的形心7;為(927， 949)、 待識(shí)別建筑物(右邊一棟)正投影的形心K為(985， 1008)、建筑物正投 影的形心與河道地標(biāo)形殊點(diǎn)之間的空間約束關(guān)系集為(用x坐標(biāo)及y坐標(biāo) 來(lái)描述)- (A;丄，(-123， 229)、 A;12 (-71， 262)、 A;13 (-168， 260)、 A;I4 (-144， 170); (-65， 288)、《u (-13， 321)、 (-110， 319)、《14 (-86，
229) }，如圖15所示；
(1.3)制備河道地標(biāo)的參考圖。前面已經(jīng)講過(guò)，在制備參考圖時(shí)，需 要根據(jù)地標(biāo)本身的光學(xué)特性對(duì)其賦予不同的灰度值，以此為指導(dǎo)，制備出 此河道地標(biāo)的參考圖如圖14所示，在圖14上再次標(biāo)注圖13中己經(jīng)標(biāo)注過(guò) 的6個(gè)點(diǎn)；
2、定位階段I :包含建筑物的局部感興趣區(qū)定位
(2.1) 飛行器沿規(guī)劃的航跡飛行，搜索距離當(dāng)前時(shí)刻最近的河道地標(biāo)， 按預(yù)計(jì)當(dāng)其出現(xiàn)在視場(chǎng)中時(shí)刻，啟動(dòng)對(duì)河道地標(biāo)的捕獲；
(2.2) 根據(jù)捕獲河道地標(biāo)時(shí)的飛行器成像姿態(tài)參數(shù)，將前述制備好的 河道地標(biāo)參考圖透視變換到前視狀態(tài)。
透視變換的幾何模型圖如圖4所示，設(shè)r。(;c。,j;。)為光軸所在點(diǎn)，f，
(L,A)為地面上的某個(gè)點(diǎn)，則在光電成像傳感器所獲取到的前視圖像中71。
的像素點(diǎn)位置為(COZ/2, i or/2)，設(shè)z;在前視圖像中的像素點(diǎn)位置為 co丄，r,—i o『)，貝Ui十算r,—coL禾口7;—i cw的過(guò)程如下
iiOr0 =/ /tan^
= Oro _>>0)xcosa + (xi —x。)xsina tan(ZOMP) = /z/OM
;—i 置=i 醇/ 2 + (ZOM戶-0 * i 置/ 0 COZ = arctan
其中，or。為r。(光軸的觸地點(diǎn))點(diǎn)到O點(diǎn)(觀察視點(diǎn)在地面上的垂直 投影)的距離，點(diǎn)M為h點(diǎn)朝光軸縱向投影時(shí)與or。的交點(diǎn)，/2為觀察視點(diǎn) 尸的高度，"為方位角，e為俯仰角，^為攝像機(jī)縱向視場(chǎng)角，^為攝像機(jī) 橫向視場(chǎng)角。
本實(shí)例在透視變換時(shí)，光軸的瞄準(zhǔn)點(diǎn)分別為圖14中的z^,,、 l^,2 、丄^，3 和LSi^。當(dāng)光軸的瞄準(zhǔn)點(diǎn)為L(zhǎng)S&時(shí)，透視變換后的特征模板大小為寬44像 素高71像素，如圖17 (al)所示，同實(shí)時(shí)圖(如圖16所示)匹配后的結(jié) 果如圖17 (bl)所示，其中十字叉在寬度為320像素高度為256像素的圖 像平面上的坐標(biāo)為(204， 139)，以resultl表示；當(dāng)光軸的瞄準(zhǔn)點(diǎn)為時(shí)，
透視變換后的特征模板大小為寬44像素高71像素，如圖17 (a2)所示， 同實(shí)時(shí)圖匹配后的結(jié)果如圖17 (b2)所示，其中十字叉在寬度為320像素 高度為256像素的圖像平面上的坐標(biāo)為(196， 137)，以result2表示；當(dāng)光 軸的瞄準(zhǔn)點(diǎn)為丄s&時(shí)，透視變換后的特征模板大小為寬44像素高71像素，
如圖17 (a3)所示，同實(shí)時(shí)圖匹配后的結(jié)果如圖17 (b3)所示，其中十字 叉在寬度為320像素高度為256像素的圖像平面上的坐標(biāo)為(200， 145)， 以result3表示；當(dāng)光軸的瞄準(zhǔn)點(diǎn)為L(zhǎng)^,4時(shí)，透視變換后的特征模板大小為
寬44像素高71像素，如圖17 (a4)所示，同實(shí)時(shí)圖匹配后的結(jié)果如圖17(b4)所示，其中十字叉在寬度為320像素高度為256像素的圖像平面上 的坐標(biāo)為 (190 ，139 )，以 result4 表示。令 result=
(resultl卄esult2卄esult3+result4) /4，貝U result表示匹酉己后的平均{立置，其 值為(197， 140)，如圖18所示，此像素坐標(biāo)即為后續(xù)間接定位感興趣區(qū) 時(shí)的依據(jù)。相比于采用單個(gè)光軸瞄準(zhǔn)點(diǎn)，本發(fā)明的匹配結(jié)果在時(shí)間序列上 的穩(wěn)定性增加了很多。
在匹配時(shí)，我們采用的是去均值歸一化的灰度互相關(guān)匹配算法，其原 理為
'設(shè)參考圖為G,，其大小為M,乂，實(shí)時(shí)圖為G,，其大小為M,xiV,，且 Ms <Mr ， 7VV < 乂 。貝U參考圖中以(u,v)為左上角、大小為M、 xX的子圖《(w，v) 與實(shí)時(shí)圖&間的去均值歸一化互相關(guān)度量/^,"為
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莊§ [ W + ", 乂 + v) — G""，v)]2莊§ & (/，刀_ 其中^巧與5分別為《(w, v)與Gs的灰度均值。由p ,"構(gòu)成的相關(guān)系 錄矩陣稱為相關(guān)面。再?gòu)挠?jì)算出的匹配相關(guān)面數(shù)據(jù)P(",v)中選取出極值點(diǎn)即 可得到匹配定位點(diǎn)，在此可以發(fā)現(xiàn)，互相關(guān)匹配算法的運(yùn)算量主要集中在
相關(guān)面數(shù)據(jù)^"，v)的計(jì)算上。
在實(shí)時(shí)性要求較高的情形下，除了保證計(jì)算結(jié)果的精確性之外，以存 儲(chǔ)空間換取計(jì)算時(shí)間也是一種十分有效的途徑。將上述給出的歸一化去均 值互相關(guān)匹配度量轉(zhuǎn)化為
<formula>formula see original document page 13</formula>其中，實(shí)時(shí)圖G、的均值5和平方和ZSG、(/,力2項(xiàng)只需計(jì)算一次，參考
圖子圖Gr(w, v)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差」J] ￡ G力'+ w, y + v)2 - MsiV, G>,v)可以
\ '=戶i
預(yù)先計(jì)算并載入外部存儲(chǔ)器，這樣相關(guān)匹配算法的計(jì)算消耗主要集中在 f;[G力+ W + v)x《(/,川的計(jì)算上，即參考子圖G^，v)與實(shí)時(shí)圖G,之間的二維
點(diǎn)積計(jì)算。
通過(guò)匹配確定河道地標(biāo)在實(shí)時(shí)圖上的位置的詳細(xì)流程圖如圖2所示。
(2.3)確定建筑物目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置。 河道地標(biāo)間接定位的具體算法實(shí)現(xiàn)步驟為
假定通過(guò)匹配定位后，地標(biāo)在實(shí)時(shí)圖上的位置為(^A)，它與實(shí)時(shí)圖中 心的位置關(guān)系示意圖如圖6所示。令7 (9『為實(shí)時(shí)圖行數(shù)，09丄為實(shí)時(shí)圖列 數(shù)，則實(shí)時(shí)圖中心的坐標(biāo)為(i CW/2,C(9i:/2)。令^為縱向視場(chǎng)角，p為橫向
視場(chǎng)角，"為方位角，^為俯仰角，/2為視點(diǎn)尸的高度，如圖4所示。
(2.3.1)計(jì)算(AA)與光軸瞄準(zhǔn)點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下沿進(jìn)入方向的偏移
①縱向距離i^
如圖7，令MT(^丄,，貝lj
A= …t,~x-
丄,=
tan(e-^) tan^
②橫向距離A 如圖8，令707^ =丄2 ，
14〃2 CO丄
丄，=-^-x tan A
一-/ ') 〃2
(2.3.2) 由Zpi^計(jì)算在正北方向上的投影量血2,c^
如圖9，令CD-Z!， "￡ =丄2，貝廿ZEDG二a， CF = A2，尸￡ =辦2，貝U
血2 =丄2 cos ci! +,sin or 辦2 = A cos a -丄2 sin <2
由于在大地坐標(biāo)系下，地標(biāo)的位置是已知的，因此，由上述計(jì)算出的 血2,辦2即可得到光軸瞄準(zhǔn)點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的位置，而光軸瞄準(zhǔn)點(diǎn)與目標(biāo)在 大地坐標(biāo)系下的位置偏移量血,，咖是已知的，但此偏移數(shù)量是相對(duì)于是正北
方向的，需要轉(zhuǎn)化為相對(duì)于是飛行方向的偏移量血;,辦;。
再次采用圖9，令CZ^辦;，￡>￡ =血;，Z￡ZX = "， CF = ^， F五-辦,，
求解方程
J (ix=t/x, cos " + * sin " [y乂 = * cos " - ^ sin "
得
A =血cos a: — sin " 辦，=浙cos " +血]sin a
(2.3.3) 計(jì)算目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的最終位置(X,，i;) ①計(jì)算^
如圖io，令ro《-A， /;=辦;，貝u
tan A =-rA = atan-r
v D/W
1 2 ^ d =/7/sin/ 3
②計(jì)算《
.如圖ii，令《『=血;，貝u
/ , = atan 4
v cm戌隋 X=-+ co丄
2 p
至此，即得到了目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置(《，。。
本實(shí)例中，令步驟(1.2)中的四個(gè)河道地標(biāo)形殊點(diǎn)的平均位置為Z^尸， 則丄5^= (LS^ + ZSi^+丄S/^ + L^P /4，其值為(1053， 718)，另外，左邊 一棟建筑物在參考圖中的正投影 ;為(927， 949)，河道地標(biāo)形殊點(diǎn)在實(shí)時(shí) 圖中的平均位置result為(197， 140)，利用LS尸和7]之間的位置約束關(guān)系《u
(-126， 231)，基于丄SP、 A;u和result得到(間接定位后的位置坐標(biāo)為(145， 103)，如圖19中左邊的十字叉所示；再利用丄S戶和7^之間的位置約束關(guān)系 A1" (-68， 273)，基于LSi3、 A^,和result得到72間接定位后的位置坐標(biāo)為
(152, 109)，如圖19中右邊的十字叉所示。對(duì)(145， 103)和(152， 109) 兩點(diǎn)求平均后得到位置(148， 106)，。
(2.4)在實(shí)時(shí)圖中，由前述確定局部感興趣區(qū)域大小的經(jīng)驗(yàn)公式得寬 度為48像素高度為60像素的子圖，該子圖以(148， 106)為中心，如圖20所示，該子圖即為通過(guò)本發(fā)明的間接定位思想所得到的包含建筑物的局 部感興趣區(qū)，最后的直接定位操作就是在此子區(qū)內(nèi)進(jìn)行的。 3、定位階段II:局部感興趣內(nèi)區(qū)直接識(shí)別定位 .當(dāng)局部感興趣區(qū)內(nèi)反差顯著時(shí)，在局部感興趣區(qū)內(nèi)進(jìn)行基于形態(tài)學(xué)的 建筑物目標(biāo)識(shí)別，其流程圖如圖3所示，最終完成對(duì)建筑物的識(shí)別定位， 否則，繼續(xù)進(jìn)行間接定位操作。
(3.1) 形態(tài)學(xué)背景抑制，根據(jù)包含建筑物的局部感興趣區(qū)子圖20所對(duì)
應(yīng)的姿態(tài)參數(shù)，即俯仰角^、方位角"、成像高度/2，計(jì)算得到此時(shí)的建筑
物成像大小為高31像素寬12像素，在進(jìn)行形態(tài)學(xué)背景抑制時(shí)，為保證建 筑物目標(biāo)不被抑制掉，實(shí)際采用的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素應(yīng)略小于建筑物的實(shí)際 成像大小。確定形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素大小的經(jīng)驗(yàn)公式為^/ = i/，x//， S/Z為形 態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素高度，//^表示建筑物成像寬度，//的典型值為0.8; S『=^mgXT7， S『為形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素高度，『，表示建筑物成像寬度，？7的
典型值為0.8。在本實(shí)施例中，用此公式計(jì)算后得形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素為高24 像素寬9像素。形態(tài)學(xué)背景抑制后的結(jié)果如圖21所示；
(3.2) 灰度級(jí)合并，對(duì)形態(tài)學(xué)背景抑制后的圖21進(jìn)行灰度級(jí)合并，以 減少圖像的灰度級(jí)。灰度級(jí)合并后的結(jié)果如圖22所示；
(3.3) 遞推分割，對(duì)灰度級(jí)合并后的圖22，將其灰度級(jí)從高到低作為 分割門(mén)限，進(jìn)行遞推分割，圖23為第一次遞推分割后的二值圖，此時(shí)已分 割出我們所需要的建筑物目標(biāo)，因此，遞推分割過(guò)程不再往下進(jìn)行；
(3.4) 感興趣區(qū)特征提取，提取圖23中兩個(gè)感興趣區(qū)的特征量，其中 右邊一個(gè)感興趣區(qū)的特征量為面積(372像素)、重心(34， 39)、周長(zhǎng)(78像素)、高度(29像素)、寬度(13像素)；左邊一個(gè)感興趣區(qū)的特征量為
面積(250像素)、重心(14， 41)、周長(zhǎng)(66像素)、高度(25像素)、寬 度(IO像素)；
(3.5) 特征匹配，本實(shí)施例建筑物基準(zhǔn)特征庫(kù)中各特征量分別為面
積(372像素)、周長(zhǎng)(86像素)、高度Gl像素)、寬度(12像素)，將圖 15中兩個(gè)感興趣區(qū)的特征量同此建筑物基準(zhǔn)特征庫(kù)進(jìn)行比較，以確定各特 征量之間的相對(duì)誤差量，比較后得右邊一個(gè)感興趣區(qū)各特征量之間的相對(duì) 誤差如下面積誤差(0像素)、周長(zhǎng)誤差(-8像素)、高度誤差(-2像素)、 寬度誤差(l像素)、總誤差(-5像素)，分析此結(jié)果得知，此總誤差的絕對(duì) 值在建筑物特征庫(kù)中允許的總誤差(282像素)范圍之內(nèi)，因此，右邊的感 興趣區(qū)匹配成功；左邊一個(gè)感興趣區(qū)各特征量之間的相對(duì)誤差如下面積 誤差(-122像素)、周長(zhǎng)誤差(-20像素)、高度誤差(-6像素)、寬度誤差 (-2像素)、總誤差(-150像素)，分析此結(jié)果得知，此總誤差的絕對(duì)值在 建筑物特征庫(kù)中允許的總誤差(282像素)范圍之內(nèi)，因此，左邊的感興趣 區(qū)匹配成功。
(3.6) 感興趣區(qū)豎條驗(yàn)證，為提高識(shí)別結(jié)果的可靠性，對(duì)上述特征匹 配后保留下來(lái)的兩個(gè)感興趣區(qū)回到原圖進(jìn)行豎直線條驗(yàn)證，若豎直線條數(shù) 大于或等于l，則驗(yàn)證成功，保留該感興趣區(qū)域。線條提取時(shí)采用的兩個(gè)線 模板如下
其中垂直線模板為<formula>formula see original document page 19</formula>
其中水平線模板為
<formula>formula see original document page 19</formula>
豎直線條提取后的結(jié)果如圖24(a)和圖24(b)所示。
(3.7)感興趣區(qū)豎條驗(yàn)證，在豎直線條數(shù)大于或等于1的前提下，尋找 局部對(duì)比度最大的感興趣區(qū)作為最終的特征匹配結(jié)果，至此即得到了最終 的識(shí)別結(jié)果，轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)圖坐標(biāo)系后的最終識(shí)別結(jié)果如圖25所示，至此即 完成整個(gè)的建筑物識(shí)別任務(wù)。
權(quán)利要求
1、一種利用河道地標(biāo)間接定位識(shí)別立體建筑物的方法，按照以下步驟進(jìn)行(1)計(jì)算河道地標(biāo)與立體建筑物在參考圖中的位置差異；(2)在實(shí)時(shí)圖中確定建筑物目標(biāo)的局部感興趣區(qū)域(2.1)確定河道地標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置；(2.2)利用步驟(1)的位置差異以及步驟(2.1)的河道地標(biāo)位置解算立體建筑物目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置；(2.3)在實(shí)時(shí)圖中選取局部感興趣區(qū)域，該區(qū)域以立體建筑物目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置為中心，局部感興趣區(qū)域的高度Hsub＝Himg×ξ，Himg表示建筑物目標(biāo)成像高度，1.5≤ξ≤3；局部感興趣區(qū)域的寬度Wsub＝Wimg×γ，Wimg表示建筑物目標(biāo)成像寬度，2≤γ≤6；(3)以局部感興趣區(qū)域?yàn)樘幚韺?duì)象識(shí)別立體建筑物目標(biāo)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用河道地標(biāo)間接定位識(shí)別立體建筑物的方 法，其特征在于，所述步驟(2.2)按照如下方式確定立體建筑物目標(biāo)在實(shí) 時(shí)圖中的位置(2.2.1)計(jì)算河道地標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置(12,"與成像儀光軸瞄準(zhǔn)點(diǎn) 在大地坐標(biāo)系下沿飛行方向的偏移量^,丄2: <formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula>其中-為縱向視場(chǎng)角，p為橫向視場(chǎng)角，"為方位角，^為俯仰角，/2 為成像高度，AO『為實(shí)時(shí)圖行數(shù)，CC^為實(shí)時(shí)圖列數(shù)；(2.2.2) 分別計(jì)算偏移量A，A在正北方向上的投影量血<formula>formula see original document page 3</formula>(2.2.3) 將投影量血2,辦2轉(zhuǎn)換為相對(duì)于飛行方向的偏移量血;，辦;<formula>formula see original document page 3</formula>(2.2.4) 計(jì)算目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖的位置(X,，。<formula>formula see original document page 3</formula>
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用河道地標(biāo)間接定位識(shí)別立體建筑物的方 法，其特征在于，所述步驟(2.1)在確定河道地標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置時(shí)，首先要對(duì)參考圖作透視變換，具體方式為令7。(;c。,y。)為成像儀光軸瞄準(zhǔn)點(diǎn)，5 (^，；)為參考圖上的任意一點(diǎn)， 則在實(shí)時(shí)圖中T。的位置為i CW/2)，設(shè)f,在實(shí)時(shí)圖中的位置為 (7J—C6^, 7J一/ 6WO，貝lJi十算7; — CO丄禾口7;一i CW的過(guò)程如下<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 4</formula> 其中，h為成像高度，"為方位角，0為俯仰角，-為攝像機(jī)縱向視場(chǎng) 角，^為攝像機(jī)橫向視場(chǎng)角。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種利用河道地標(biāo)間接定位識(shí)別地面立體建筑物的方法，具體為首先捕獲河道地標(biāo)，再解算立體建筑物目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置，接著以立體建筑物目標(biāo)位置為中心，在實(shí)時(shí)圖中選取局部感興趣區(qū)，最后在局部感興趣內(nèi)區(qū)直接識(shí)別定位建筑物目標(biāo)。本發(fā)明能對(duì)動(dòng)平臺(tái)條件下城區(qū)復(fù)雜背景中的建筑物進(jìn)行間接識(shí)別定位，具有很好的魯棒性和定位精度，可滿足無(wú)人或有人飛行器在城市地區(qū)的自主精確導(dǎo)航、飛行器避撞等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
文檔編號(hào)G06K9/00GK101620671SQ20091006362
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者萬(wàn)美君, 孫思遠(yuǎn), 張?zhí)煨? 敖國(guó)慶, 成 李, 楊效余, 麟 毛, 汪小平, 曼 王, 王登位, 鄭璐璐 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)