基于数字高程模型的高空远距离航空相机对地目标定位技术研究

doi:DEED1A64F78787638268997BBA4F262B

	基于数字高程模型的高空远距离航空相机对地目标定位技术研究
	乔川
学位类型	博士
导师	丁亚林
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	高空远距离航空相机目标定位数字高程模型误差分析交互多模型卡尔曼滤波图像配准
摘要	高空远距离航空相机作为目前获取地面目标区域图像信息的主要光电设备之一,可在10km到20km高空对10km到100km之间的目标进行成像测量。以其作用距离远,成像分辨率高、定位精度高等优势,已在航空遥感领域得到广泛应用。为了更加准确的获取战场信息,精确打击地面目标,提高目标的定位精度十分重要,而复杂的空中环境导致高空远距离大角度倾斜成像的航空相机目标定位难度巨大,目前这是航空成像测量领域中一个亟待解决的问题。因此,本文提出了一种适用于高空远距离航空相机的目标定位方法,并分析了造成定位误差的主要因素,提高了对目标的定位精度。本文讨论了高空远距离航空相机对地目标定位技术的理论基础和发展现状,对目标定位的各个环节进行了系统地研究。为准确地获取目标的地理位置信息,提出了基于数字高程模型的对地目标定位方法,采用蒙特卡洛法分析了影响目标定位精度的因素,为实际工程应用提供理论指导。深入分析目标的运动特性,设计了一种交互多模型卡尔曼滤波器,实现了对定位精度的进一步提高。利用定位数据获取的图像地理位置信息,提出了一种航空遥感图像自动配准算法,实现了对无明显特征的航空遥感图像的配准。最后将算法移植到DSP中,设计并制作了定位解算模块,并利用实际飞行试验了目标定位算法和图像配准算法的有效性。本文具体工作可分为以下几部分:为准确地获取目标地理位置信息,提出了基于数字高程模型的对地目标定位方法。依据机载GPS(Global Position System,全球定位系统)/INS(Inertial Navigation System,惯性导航系统)组合导航系统测量的航空相机的位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息,利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向,利用地球椭球模型和数字高程模型,确定目标点的经纬度信息。该方法不需要激光测距设备,可对复杂地形区域目标进行定位。分析讨论了影响目标定位精度的主要因素,并采用蒙特卡洛法对目标定位精度进行仿真分析。仿真实验结果表明,地形误差对目标定位精度影响很大,当成像倾角小于30°时,定位误差主要来源于目标大地高误差。采用基于数字高程模型的目标定位算法,在垂直成像时,定位精度可达到30m以内,当成像倾角在0~70°之间时,对山地地区(地形起伏标准差为190m)目标定位,可将定位精度提高5~7倍,对丘陵地区(地形起伏标准差为100m)目标定位,可将定位精度提高3~4倍。利用高空远距离航空相机的监视跟踪能力,对目标进行多次成像测量,采用滤波的方式进一步减小目标定位误差。深入研究目标的运动特性,建立了目标速度矢量方向发生变化(目标转弯)时的运动模型,采用两个系统状态方程,设计了交互多模型卡尔曼滤波对运动目标的位置进行估计,实现目标定位精度的进一步提高。通过仿真实验,将交互多模型卡尔曼滤波定位算法与传统基于单一直线运动模型的卡尔曼滤波定位算法进行比较。结果显示,传统卡尔曼滤波定位算法可将目标定位精度提高2~3倍,而文中设计的交互多模型卡尔曼滤波定位算法可将目标定位精度提高3~4倍。说明交互多模型卡尔曼滤波定位算法能够更好地适应目标的运动状态。基于特征信息的图像配准算法无法对无明显特征的航空遥感图像进行配准,针对这一问题,提出了一种基于地理位置信息的图像自动配准算法。首先确定两幅航空遥感图像的重叠区域;然后在其中一幅图像的重叠区域内选取匹配点,并利用目标定位算法计算匹配点的地理位置信息;最后计算该匹配点对应另一幅航空遥感图像的像素值,实现图像的配准。该方法不需要提取图像的特征信息,因此对特征不明显的航空遥感图像也适用。经过仿真实验验证,其配准精度可优于15像素。设计了基于DSP芯片的定位解算模块用于实现定位算法的实时解算。通过飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性。在载机飞行高度15000m时,对不同成像倾角的目标采用基于地球椭球模型和基于数字高程模型的定位算法对目标进行定位。采用数字高程模型的对地目标定位算法可有效降低地形起伏对目标定位的影响,从而将目标定位精度提高2~4倍。对基于地理位置信息的图像配准算法进行验证,结果表明,对于特征不明显的两幅航空遥感图像,采用基于特征信息的配准算法无法进行配准,采用文中基于地理位置的图像配准算法可准确获取匹配点的像素值,从而实现配准。综上所述,本文通过对高空远距离航空相机定位方法的研究,在现有研究成果的基础上,提出了一种基于数字高程模型的对地目标定位方法,有效提高了对地目标定位精度,对航空光电测量领域的发展具有重要意义。
页数	136
DOI	DEED1A64F78787638268997BBA4F262B
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63866
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	乔川. 基于数字高程模型的高空远距离航空相机对地目标定位技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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基于数字高程模型的高空远距离航空相机对地（8175KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文