基于GIS的飛行器定位中的匹配方法*

王麗娜，高曉穎，郭海濤，張江水

(1.宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100854；2.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；3.信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，鄭州450052)

基于GIS的飛行器定位中的匹配方法*

王麗娜1，2，高曉穎1，2，郭海濤3，張江水3

(1.宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100854；2.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；3.信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，鄭州450052)

介紹了基于GIS的飛行器定位系統(tǒng)的基本原理，研究了一種數(shù)字影像與GIS矢量數(shù)據(jù)的匹配方法.該方法采用局部最優(yōu)與整體匹配相結(jié)合的匹配策略，利用數(shù)字影像上提取的線特征作為匹配的共軛實(shí)體，以線特征的角度、線特征的長(zhǎng)度、相交線特征之間的夾角等作為匹配的匹配實(shí)體，通過(guò)計(jì)算匹配實(shí)體間的相似性測(cè)度實(shí)現(xiàn)共軛實(shí)體間的精確匹配.

飛行器導(dǎo)航；地理信息系統(tǒng)；匹配方法；線特征

地理信息是有關(guān)地理實(shí)體的性質(zhì)、特征和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表征及一切有用知識(shí)的信息，它具有區(qū)域性、多維結(jié)構(gòu)特性和動(dòng)態(tài)變化的特性.地理信息系統(tǒng)(GIS，geographic information system)是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)［1］.

利用GIS能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確、綜合地對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的飛行器進(jìn)行空間定位，且具有定位精度高、自主性強(qiáng)、可靠性高，不受飛行距離的影響等優(yōu)點(diǎn).將GIS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn) INS和GIS間的互補(bǔ)，充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)點(diǎn)，有利于對(duì)飛行器進(jìn)行高速度、高精度的自主定位.

GIS矢量數(shù)據(jù)與數(shù)字圖像的精確匹配技術(shù)是基于GIS的飛行器定位系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，匹配的精度、速度和正確性直接影響著飛行器定位系統(tǒng)的精度、實(shí)時(shí)性和可靠性等性能指標(biāo)，并決定著該定位系統(tǒng)的可用性.

1 基于G IS的飛行器定位系統(tǒng)

基于GIS的飛行器定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中導(dǎo)引系統(tǒng)的功能是利用匹配定位得到的精確的位置信息和慣性測(cè)量裝置輸出的狀態(tài)信息，計(jì)算出飛行器的精確的狀態(tài)參數(shù)，并按照預(yù)定的制導(dǎo)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，形成導(dǎo)引指令，送往控制系統(tǒng)［2］.

飛行器導(dǎo)引系統(tǒng)包括基于GIS的匹配定位子系統(tǒng)和導(dǎo)引指令形成子系統(tǒng)兩部分.基于GIS的匹配定位子系統(tǒng)由飛行器遙感裝置、GIS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和圖像相關(guān)計(jì)算機(jī)組成.其中，圖像相關(guān)計(jì)算機(jī)的主要功能是通過(guò)對(duì)飛行器遙感裝置獲取的實(shí)時(shí)圖(數(shù)字影像)進(jìn)行特征提取，并和預(yù)先存儲(chǔ)的GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理等，獲得飛行器當(dāng)前的位置等狀態(tài)信息.本文主要針對(duì)由圖像相關(guān)計(jì)算機(jī)完成的GIS數(shù)據(jù)與數(shù)字影像的匹配進(jìn)行研究.

圖1 基于GIS的飛行器定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 GIS數(shù)據(jù)與數(shù)字影像的匹配

在本文的研究中，選擇了數(shù)字影像中的各種線或面特征作為地理目標(biāo)，所需的地理數(shù)據(jù)包括所選地理目標(biāo)的幾何特征信息、位置信息和相應(yīng)的屬性信息等.其中需要包括大量的地理目標(biāo)的幾何特征信息，如線段的長(zhǎng)度、線段的方向、拐點(diǎn)的信息等［3］.在地理信息的預(yù)處理階段需要對(duì)地理信息進(jìn)行合理的精化和壓縮，并將所需的地理目標(biāo)的幾何特征信息等提取出來(lái).

通過(guò)將GIS中的地理目標(biāo)與數(shù)字影像進(jìn)行匹配可以在二者之間建立一種數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)的飛行器定位提供依據(jù).其核心內(nèi)容主要包括共軛實(shí)體、匹配實(shí)體、相似性測(cè)度的選取，搜索策略以及匹配策略的確定等.

2.1 局部最優(yōu)與整體匹配結(jié)合的匹配方法

根據(jù)GIS數(shù)據(jù)和數(shù)字影像的特點(diǎn)、飛行器定位系統(tǒng)的需求等，GIS地理目標(biāo)與數(shù)字影像的匹配采用了局部最優(yōu)和整體匹配相結(jié)合的匹配策略.利用從數(shù)字影像上提取的線特征作為匹配的共軛實(shí)體，以線特征的角度、線特征的長(zhǎng)度、相交線特征之間的夾角等作為匹配的匹配實(shí)體，通過(guò)計(jì)算匹配實(shí)體間的相似性測(cè)度實(shí)現(xiàn)共軛實(shí)體間的精確匹配.具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下.

(1)以從數(shù)字影像中提取出的某個(gè)線特征上的一個(gè)拐角參量為準(zhǔn)，遍歷一條GIS數(shù)據(jù)坐標(biāo)鏈上的每一個(gè)拐角信息，分別計(jì)算提取出的拐角與GIS數(shù)據(jù)坐標(biāo)鏈上的每個(gè)拐角的相似性度量，該相似性度量是由拐角大小和組成拐角的兩條線段中的一條線段的方向角構(gòu)成的函數(shù)，記為

式中，θt為所選的從數(shù)字影像中提取出的拐角的大小，θg為對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)中的拐角的大小，αt為組成提取出的拐角的兩線段中的一條線段的方向角；αg為對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)中組成拐角的兩線段中的一條線段的方向角；p1、p2為相應(yīng)的權(quán)值.為相似性度量設(shè)定一個(gè)閾值，記錄相似性度量閾值范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)的拐角信息，該拐角是不唯一的，而所選的提取出的拐角信息是唯一的.這一步對(duì)GIS數(shù)據(jù)的拐角信息進(jìn)行了篩選，獲得了局部的最優(yōu)解.

(2)分別以(1)中使用的提取出的線特征上的其它拐角為準(zhǔn)，進(jìn)行類似于式(1)中的計(jì)算.

(3)計(jì)算該提取出的線特征與對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)坐標(biāo)鏈的整體的相似性度量，相似性度量記為

設(shè)存在 m種情況，則可以分別計(jì)算出 ρ1，ρ2，…，ρm，取 f(j)=m in{ρ1，ρ2，…，ρm}.其中， dti為兩個(gè)相鄰角點(diǎn)之間的距離，dgi為對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)中兩個(gè)相鄰角點(diǎn)之間的距離，dgi可能不唯一，αti是兩個(gè)相鄰角點(diǎn)之間連線的方向角，αgi是對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)中兩個(gè)相鄰角點(diǎn)之間連線的方向角，p1、p2為相應(yīng)的權(quán)值，φ根據(jù)GIS數(shù)據(jù)的精度確定.

(4)對(duì)其余的GIS數(shù)據(jù)坐標(biāo)鏈進(jìn)行上述(1)～(3)步的計(jì)算.

(5)求出 m in(f(j))，獲得折線數(shù)據(jù)整體匹配的最優(yōu)解，并記錄對(duì)應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)中的地理目標(biāo)的拐角信息，這時(shí)的拐角信息是唯一的.

(6)對(duì)從數(shù)字影像中提取出的其它線特征進(jìn)行(1)～(5)步的處理.

通過(guò)上述計(jì)算，可以得到從數(shù)字影像中提取出的線特征與GIS數(shù)據(jù)中的地理目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

2.2 基于Hough變換的檢測(cè)和匹配

在求解飛行器的位置信息時(shí)，需要利用至少三對(duì)不在同一條直線上的匹配點(diǎn)的信息.而為了能夠精確的計(jì)算出位置信息，一般需要四對(duì)或四對(duì)以上的匹配點(diǎn)，并且在數(shù)字影像的四角附近應(yīng)該都有匹配點(diǎn).如果利用2.1中的匹配方法，得到的匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)和分布不能滿足這一要求，或者匹配的精度不高，則需要進(jìn)行進(jìn)一步處理，以得到滿足要求的GIS數(shù)據(jù)控制點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn).

由于Hough變換［4-5］對(duì)噪聲不敏感、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)斷裂有免疫性，且檢測(cè)結(jié)果為目標(biāo)的描述參數(shù)，能夠滿足本文的需求，因此本文采用該變換進(jìn)行后續(xù)的檢測(cè)和匹配.這一方法要求所求得的GIS數(shù)據(jù)在數(shù)字影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)的精度較高，而由飛行器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置、姿態(tài)等信息解得的像點(diǎn)坐標(biāo)常常不能滿足該精度要求，因此，在檢測(cè)前，需要利用已經(jīng)得到的GIS數(shù)據(jù)控制點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)像點(diǎn)的坐標(biāo)解得一組匹配參數(shù)，對(duì)GIS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)進(jìn)行修正，以確?；贖ough變換的檢測(cè)和匹配能夠順利進(jìn)行.

利用Hough變換進(jìn)行檢測(cè)和匹配時(shí)，檢測(cè)直線位置的可靠性、相似性測(cè)度定義的科學(xué)性以及搜索策略的合理性尤為關(guān)鍵，直接決定著檢測(cè)和匹配結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和匹配速度等.本文以修正后的GIS數(shù)據(jù)中折線段的影像空間長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的參數(shù)空間θ為約束條件.在每個(gè)線段周?chē)_(kāi)設(shè)一個(gè)窗口，利用Hough變換檢測(cè)直線，并分別對(duì)相鄰窗口檢測(cè)到的兩條直線求交點(diǎn)，以獲得一條折線，再計(jì)算該折線與GIS數(shù)據(jù)中折線的相似性測(cè)度.而后，按照設(shè)定的搜索步長(zhǎng)和搜索范圍，改變搜索位置，即每個(gè)窗口的位置，重復(fù)以上步驟，得到在每個(gè)搜索位置的相似性測(cè)度.相似性測(cè)度數(shù)值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的位置即為最佳的匹配位置，相應(yīng)的檢測(cè)出的直線和坐標(biāo)即為最佳的匹配結(jié)果.如圖2所示，具體計(jì)算過(guò)程如下.

圖2 基于Hough變換檢測(cè)和匹配的流程示意圖

(1)根據(jù)通過(guò)匹配得到的GIS數(shù)據(jù)中的控制點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的數(shù)字影像的像點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)GIS數(shù)據(jù)中的地理目標(biāo)在數(shù)字影像中的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)進(jìn)行修正.

(2)將Hough變換中的參數(shù)平面 (ρ，θ)量化，設(shè)置二維累加數(shù)組 Q(ρi，θi)，并將該數(shù)組初始化為零，其中 (ρ，θ)是 Hough參數(shù)空間的坐標(biāo)參數(shù)，是對(duì) θ量化值及對(duì)應(yīng)的ρ值的計(jì)數(shù).

(3)在與GIS數(shù)據(jù)中的折線對(duì)應(yīng)的數(shù)字影像上的折線的每個(gè)線段周?chē)_(kāi)設(shè)一個(gè)邊長(zhǎng)等于該線段長(zhǎng)度的正方形的檢測(cè)窗口，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的控制點(diǎn)，設(shè)置一個(gè)角度區(qū)間，即有權(quán)獲得“投票”的角度范圍，其中 θi′是 GIS數(shù)據(jù)中的折線對(duì)應(yīng)的數(shù)字影像上的相應(yīng)線段映射到參數(shù)空間的θ值，K為經(jīng)驗(yàn)權(quán)值.按照參數(shù)方程 ρ=x cosθ+y sinθ，對(duì)該區(qū)間中的每個(gè)θ值計(jì)算相應(yīng)的ρ值，并將相應(yīng)的累加數(shù)組加1.

對(duì)二維累加數(shù)組設(shè)置一個(gè)大小為P×Li′的閾值，將“得票”數(shù)即累加數(shù)組中對(duì)應(yīng)的值大于閾值的點(diǎn)作為備選點(diǎn)，其中Li′為GIS數(shù)據(jù)中的折線對(duì)應(yīng)的數(shù)字影像上的線段的長(zhǎng)度，P為經(jīng)驗(yàn)權(quán)值，P∈(0，1).取備選點(diǎn)的極大值點(diǎn)為所需的峰值點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即為檢測(cè)直線的參數(shù).若不能獲得備選點(diǎn)，則說(shuō)明該位置沒(méi)有正確的檢測(cè)結(jié)果，轉(zhuǎn)至步驟(5).

根據(jù)各窗口檢測(cè)直線的參數(shù)，計(jì)算相鄰檢測(cè)直線的交點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)、組成檢測(cè)折線的各線段的長(zhǎng)度Li和交點(diǎn)處兩線段的夾角θi.

(4)計(jì)算上述檢測(cè)窗口內(nèi)的GIS數(shù)據(jù)中的折線數(shù)據(jù)和檢測(cè)到的數(shù)字影像上折線數(shù)據(jù)的相似性測(cè)度，記為：

其中θi′為檢測(cè)出的數(shù)字影像上的折線的各個(gè)拐點(diǎn)的夾角，θi為GIS數(shù)據(jù)中相應(yīng)的夾角，L′i為檢測(cè)出的折線的各個(gè)線段的長(zhǎng)度，Li為GIS數(shù)據(jù)中相應(yīng)的線段長(zhǎng)度，p1、p2為經(jīng)驗(yàn)權(quán)值.當(dāng)F最小時(shí)，檢測(cè)出的結(jié)果即為GIS數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)像點(diǎn)的精確位置.

(5)按照預(yù)先設(shè)定的每次窗口移動(dòng)的長(zhǎng)度，改變檢測(cè)窗口的位置，進(jìn)行步驟(3)、(4)中的計(jì)算，直至遍歷完所有的搜索位置.

(6)選擇相似性測(cè)度F最小時(shí)的位置作為最佳匹配位置，相應(yīng)檢測(cè)的直線段和坐標(biāo)即為最佳匹配結(jié)果.

由此可以得到滿足要求的GIS數(shù)據(jù)控制點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)，為后續(xù)的飛行器位置的精確求解提供依據(jù).

2.3 實(shí) 驗(yàn)

選取廣東某丘陵地區(qū)的航空影像和該地區(qū)的部分GIS數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，該地區(qū)的地形較為復(fù)雜，地物豐富.實(shí)驗(yàn)中，選用的數(shù)字影像的像元大小為0.06mm，主距為156mm，攝影高度約為1700m.所用的GIS數(shù)據(jù)是利用立體攝影測(cè)量的方法獲取的，其平面中誤差約為2m，高程中誤差約為1m.

通過(guò)對(duì)該數(shù)字影像和GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理及特征提取等，可以獲取能夠用于匹配的線特征，如圖3所示.利用上述算法對(duì)數(shù)字影像與GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，雖然GIS數(shù)據(jù)和數(shù)字影像的特征之間存在平移、旋轉(zhuǎn)和尺度變化，但所設(shè)計(jì)的局部最優(yōu)與整體匹配相結(jié)合的匹配策略能夠?qū)崿F(xiàn)二者的快速匹配，且在本次實(shí)驗(yàn)中達(dá)到了100%的正確率，匹配結(jié)果是令人滿意的.然而，由于條件所限，本次實(shí)驗(yàn)尚不充分，參與匹配的GIS數(shù)據(jù)和線特征數(shù)量不多，后續(xù)將根據(jù)條件和需求進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn).

圖3 線特征示意圖

3 結(jié) 論

將GIS引入飛行器的控制系統(tǒng)中，利用GIS中蘊(yùn)含的豐富的信息，為飛行器的實(shí)時(shí)定位提供了一條快速、可靠的途徑，有利于研究出高性能的飛行器定位系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的利用局部最優(yōu)和整體匹配相結(jié)合的匹配策略能夠有效的應(yīng)用于GIS地理目標(biāo)與數(shù)字影像的匹配中，而利用基于hough變換的檢測(cè)和匹配方式能夠保證快速、精確的得到滿足要求的GIS數(shù)據(jù)控制點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)，為精確求解飛行器的位置信息提供依據(jù).在后續(xù)的研究中，可以對(duì)上述算法進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)和優(yōu)化，以降低軟件運(yùn)行的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)，為將此方法應(yīng)用于高速、高精度的飛行器創(chuàng)造條件.

［1］朱恩利，李健輝.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)及應(yīng)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

［2］徐延萬(wàn).彈道導(dǎo)彈運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：宇航出版社，1999

［3］李傳廣，郭海濤，張江水，等.一種基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的遙感影像與GIS矢量數(shù)據(jù)匹配方法［J］.測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，27(4)：270-274

［4］張祖勛.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，1997

［5］謝鳳英.Visual C++數(shù)字圖像處理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008

A GIS-Based M atching M ethod for Vehicle Navigation

WANG Lina1，2，GAO Xiaoying1，2，GUO Haitao3，ZHANG Jiangshui3
(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligent Control， Beijing 100854， China； 2.Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854， China；3.Institute of Surveying and Mapping； Information Engineering University， Zhengzhou 450052，China)

The principle of vehicle navigation based on GIS is introduced.In this paper a matching method of image and GIS data is put forward.Thismethod adopts a matching strategy of local optimum and global matching combined.The line features extracted from the image are taken as conjugate entities，and angles and lengths of line features asmatching entities.The accurate matching of conjugate entities is realized by calculating sim ilarity measures ofmatching entities.

vehicle navigation； GIS； matching； line features

V4

A

1674-1579(2011)01-0033-03

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.01.007

*國(guó)家自然科學(xué)基金(60874094)資助項(xiàng)目.

2010-06-10

王麗娜(1979—)，女，山東人，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理(e-mail：violina@126.com).