一種基于圖像匹配的在軌高精度圖像定位方法
【專利摘要】一種基于圖像匹配的在軌高精度圖像定位方法，首先利用GPS數(shù)據(jù)、衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)、星敏數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)對衛(wèi)星獲得的遙感圖像進(jìn)行初步定位，并提取重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域圖像；然后以區(qū)域圖像中心經(jīng)緯度信息為索引在星上模板圖像庫中搜索與該區(qū)域圖像對應(yīng)的模板圖像，通過圖像匹配方法實(shí)現(xiàn)該區(qū)域圖像和對應(yīng)模板圖像的高精度匹配；最后根據(jù)模板圖像中對應(yīng)像素實(shí)際經(jīng)緯度信息對區(qū)域圖像的初步定位結(jié)果進(jìn)行修正，完成重點(diǎn)區(qū)域圖像的高精度定位。本發(fā)明方法突破了現(xiàn)有圖像定位技術(shù)瓶頸，可使圖像定位精度提升2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，有效提高了在軌圖像定位精度。
【專利說明】
一種基于圖像匹配的在軌高精度圖像定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種在軌圖像定位方法，特別是一種基于圖像匹配的在軌高精度圖像 定位方法，屬于航天遙感領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)遙感衛(wèi)星能夠?qū)Φ厍虼蠓秶鷧^(qū)域進(jìn)行觀測，能準(zhǔn)確感知并獲取海洋、地面信 息，及時(shí)提供決策支持，有助于快速解決突發(fā)事件。通過遙感衛(wèi)星獲取的遙感數(shù)據(jù)對海上、 地面等重要目標(biāo)進(jìn)行在軌檢測，能快速獲得艦船等重要目標(biāo)的位置信息，可滿足用戶對目 標(biāo)快速發(fā)現(xiàn)的高時(shí)效性需求。
[0003] 在星上目標(biāo)檢測系統(tǒng)或方法中，通常對衛(wèi)星獲取的目標(biāo)區(qū)域圖像進(jìn)行在軌檢測， 只能獲取目標(biāo)在區(qū)域圖像中的位置信息(行列號(hào)）。然而，為了方便用戶使用，還需要對圖像 進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)圖像行列號(hào)信息與地面實(shí)際經(jīng)煒度信息的轉(zhuǎn)換。目前的圖像定位方法主要 利用衛(wèi)星獲得的GPS觀測數(shù)據(jù)、星敏觀測數(shù)據(jù)、陀螺觀測數(shù)據(jù)、像點(diǎn)坐標(biāo)及時(shí)間系統(tǒng)觀測數(shù) 據(jù)，建立嚴(yán)密共線方程模型，同時(shí)考慮地球自轉(zhuǎn)、地球形狀以及各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，通過 地面區(qū)域目標(biāo)的地理坐標(biāo)作為引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)星上遙感圖像對應(yīng)的地面坐標(biāo)的快速計(jì)算。目前 該類方法定位精度只能達(dá)到百米級(jí)，無法滿足用戶對重要目標(biāo)位置的精確估計(jì)，實(shí)時(shí)跟蹤 等應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于圖像匹配的在軌 高精度圖像定位方法，解決了在軌圖像高精度定位的問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于圖像匹配的高精度在軌圖像定位方法，包括如下 步驟：
[0006] (1)按照重點(diǎn)區(qū)域經(jīng)煒度索引建立模板圖像庫，使得模板圖像庫中每幅圖像的像 素行列號(hào)與實(shí)際經(jīng)煒度 對應(yīng);模板圖像庫B為：
[0007] B = Bi U B2··· U Bk
[0008]其中，Bk為各個(gè)模板圖像，大小為M X N，k = 1，2... L，L為圖像庫中模板圖像的總個(gè) 數(shù);Bk(i，j)=Bk(xi，yj)，xi和yj分別為模板圖像Bk第i行第j列像元對應(yīng)的實(shí)際經(jīng)度和煒度 信息；
[0009] (2)利用輔助數(shù)據(jù)中的GPS信息、衛(wèi)星姿態(tài)信息、星敏信息、時(shí)標(biāo)信息，計(jì)算獲得星 上遙感圖像A對應(yīng)的地面經(jīng)煒度坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)圖像初步定位;并從完成初步定位的圖像A中提 取關(guān)注區(qū)域圖像At，其中，A t大小為M X N，4 e J ;
[0010] (3)計(jì)算關(guān)注區(qū)域圖像At的中心位置經(jīng)煒度，并以該經(jīng)煒度為索引，從模板圖像庫 B中檢索與之距離最近的模板圖像Bt ;At與Bt滿足如下約束條件：
[0011]
[0012]其中，\和h,.為圖像At中心位置經(jīng)度和煒度信息，xSi和·為圖像Bt中心位置經(jīng)度 和煒度信息，ε為條件閾值；
[0013] ⑷分別對區(qū)域圖像At和模板圖像Bt進(jìn)行特征提取，通過計(jì)算兩個(gè)特征集合的相似 度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像At與模板圖像Bt的高精度配準(zhǔn)；
[0014] (5)利用模板圖像Bt中像素經(jīng)煒度信息對區(qū)域圖像At中對應(yīng)的像素經(jīng)煒度信息進(jìn) 行替換修正，實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像A t的高精度定位。
[0015] 步驟⑷具體采用SIFT方法實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像At和模板圖像Bt的匹配：
[0016] 41)建立圖像的尺度空間，在尺度空間中搜索出圖像的局部極值點(diǎn)作為候選關(guān)鍵 點(diǎn)，去除對比度差的關(guān)鍵點(diǎn)和不穩(wěn)定的邊緣響應(yīng)點(diǎn)；
[0017] 42)確定關(guān)鍵點(diǎn)的主方向，生成關(guān)鍵點(diǎn)特征描述子，使每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)具有位置、尺度 和方向ig息；
[0018] 43)采用特征描述符向量之間的歐式距離度量兩個(gè)特征點(diǎn)之間的匹配程度。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0020] (1)本發(fā)明方法在現(xiàn)有圖像定位的基礎(chǔ)上，通過利用圖像匹配方法對定位結(jié)果進(jìn) 行修正，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域圖像的高精度定位，解決了以往方法定位精度低的問題。
[0021] (2)本發(fā)明方法利用事先建好的高精度模板圖像庫對區(qū)域圖像定位結(jié)果進(jìn)行校 正，降低了衛(wèi)星平臺(tái)、光學(xué)相機(jī)、觀測條件等因素對遙感影像幾何定位精度的造成的影響。
[0022] (3)本發(fā)明方法簡單可行，只需要在現(xiàn)有定位結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的圖像匹配就 可實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)高精度定位，可使現(xiàn)有定位精度提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，具有非常重要的實(shí)用價(jià) 值。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明方法處理流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]在星上目標(biāo)檢測系統(tǒng)或方法中，通常對衛(wèi)星獲取的目標(biāo)區(qū)域圖像進(jìn)行在軌檢測， 只能獲取目標(biāo)在區(qū)域圖像中的位置信息(行列號(hào)）。然而，為了方便地面用戶使用，還需要對 圖像進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)圖像行列號(hào)信息與地面實(shí)際經(jīng)煒度信息的轉(zhuǎn)換。目前的圖像定位方法 主要利用衛(wèi)星獲得的GPS觀測數(shù)據(jù)、星敏觀測數(shù)據(jù)、陀螺觀測數(shù)據(jù)、像點(diǎn)坐標(biāo)及時(shí)間系統(tǒng)觀 測數(shù)據(jù)，建立嚴(yán)密共線方程模型，同時(shí)考慮地球自轉(zhuǎn)、地球形狀以及各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換， 通過地面區(qū)域目標(biāo)的地理坐標(biāo)作為引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)星上遙感圖像對應(yīng)的地面坐標(biāo)的快速計(jì)算。 目前該類方法定位精度只能達(dá)到百米級(jí)，無法滿足用戶對重要目標(biāo)位置的精確獲取，實(shí)時(shí) 跟蹤等應(yīng)用需求。
[0025] 本發(fā)明方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0026] (1)按照用戶關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域經(jīng)煒度索引建立模板圖像庫，使得模板圖像庫中每 幅圖像的像素行列號(hào)與實(shí)際經(jīng)煒度一一對應(yīng)。模板圖像庫B為：
[0027] B = BiUB2--UBl
[0028]其中，Bk為各個(gè)模板圖像，Bk大小為MXN，k=l，2. . .L，L為圖像庫中模板圖像的總 個(gè)數(shù);Bk( i，j) =BkUi，yj)，xi和yj分別為模板圖像Bk第i行第j列像元對應(yīng)的實(shí)際經(jīng)度和煒 度信息。
[0029] (2)利用圖像A輔助數(shù)據(jù)中的GPS觀測數(shù)據(jù)、星敏觀測數(shù)據(jù)、陀螺觀測數(shù)據(jù)、像點(diǎn)坐 標(biāo)及時(shí)間系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)等建立嚴(yán)密共線方程模型，并根據(jù)衛(wèi)星幾何成像原理進(jìn)行坐標(biāo)變 換，組成衛(wèi)星、影像上目標(biāo)點(diǎn)、相應(yīng)地面目標(biāo)點(diǎn)三點(diǎn)共線的光束方程，與地球橢球面方程相 交即可得到目標(biāo)點(diǎn)的地面坐標(biāo)，完成圖像A初步定位。相機(jī)成像滿足共線方程：
[0030]
[0031] 其中：（x，y，-f)代表像點(diǎn)在相機(jī)測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo);f代表傳感器的主距;λ為縮 放比例；（Χμ,Υμ,Ζμ)代表像點(diǎn)對應(yīng)物方點(diǎn)M在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；（X GPS(t)，YGPS(t)，ZGPS ⑴）代表該像點(diǎn)成像時(shí)刻GPS測定衛(wèi)星在成像時(shí)刻的位置；Cf代表相機(jī)測量坐標(biāo)系到衛(wèi) 星本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣;代表衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到J2000坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣;代 表J2000坐標(biāo)系到WGS84坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；（D x，Dy，Dz)Bcidy代表傳感器投影中心相對于GPS 天線相位中心的偏心矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的相對坐標(biāo)。
[0032]完成圖像A的初步定位后，從圖像A中提取大小為MXN的用戶關(guān)注區(qū)域圖像At，其 中，4 cj ;
[0033] (3)計(jì)算區(qū)域圖像At的中心位置經(jīng)煒度，并以該經(jīng)煒度為索引，從模板圖像庫B中 檢索與之距離最近的模板圖像B tl3At與Bt滿足如下約束條件：
[0034]
[0035] 其中，AJPh,為圖像At中心位置經(jīng)度和煒度信息，~和3^,為圖像B t中心位置經(jīng)度 和煒度信息，ε為條件閾值。ε越小則精度越高，即，模板圖像Bt的中心實(shí)際位置與區(qū)域圖像At 的中心實(shí)際位置越接近。
[0036] (4)分別對區(qū)域圖像At和模板圖像Bt進(jìn)行特征提取，通過計(jì)算兩個(gè)特征集合的相似 度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像At與模板圖像B t的高精度匹配；
[0037]具體采用SIFT方法實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像At和模板圖像Bt的匹配:首先利用尺度空間的概 念建立圖像的尺度空間，在尺度空間中搜索出圖像的局部極值點(diǎn)作為候選關(guān)鍵點(diǎn)，去除對 比度低的關(guān)鍵點(diǎn)和不穩(wěn)定的邊緣響應(yīng)點(diǎn)，確定關(guān)鍵點(diǎn)的主方向，生成關(guān)鍵點(diǎn)特征描述子，使 每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)具有位置、尺度和方向信息，最后采用特征描述符向量之間的歐式距離度量兩 個(gè)特征點(diǎn)之間的匹配程度。
[0038] 41)特征點(diǎn)檢測
[0039] 特征點(diǎn)檢測可通過尺度空間極值點(diǎn)的檢測、關(guān)鍵點(diǎn)的精確定位、關(guān)鍵點(diǎn)方向的分 配三步驟完成。
[0040] 尺度空間極值點(diǎn)的檢測：高斯核是唯一可以產(chǎn)生多尺度空間的核，一幅二維圖像I (X，y)的尺度空間L(x，y，0)可表示為：
[0041] L(x,y,〇)=G(x,y,〇)XI(x,y)
[0042] 式中，σ為尺度空間的空間尺度因子;G(x，y，〇)為高斯核函數(shù)，其定義為
[0043]
[0044] 關(guān)鍵點(diǎn)的精確定位:為提高匹配的抗噪能力和穩(wěn)定性，通過擬合三維二次函數(shù)更 為精確的確定關(guān)鍵點(diǎn)的位置和尺度，設(shè)定閾值去除對比度低的關(guān)鍵點(diǎn)。
[0045] 關(guān)鍵點(diǎn)方向的分配:將關(guān)鍵點(diǎn)鄰域像素的梯度方向分布作為每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的指定方 向信息，梯度倌m(x.v)和方向θ(χ.νΗ十筧表汰式為m(x.v):
[0046]
[0047]
[0048] 通過直方圖統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)鄰域像素的梯度方向，直方圖的峰值代表該關(guān)鍵點(diǎn)的鄰域 梯度的主方向，作為該關(guān)鍵點(diǎn)的方向。至此，特征點(diǎn)檢測完畢，每一個(gè)特征點(diǎn)都包含位置、尺 度和方向三方面信息。
[0049] 42)特征點(diǎn)描述
[0050] 特征點(diǎn)描述通過對關(guān)鍵點(diǎn)周圍區(qū)域進(jìn)行圖像分塊，計(jì)算各塊內(nèi)的梯度直方圖，生 成獨(dú)特性的向量描述符，該向量描述符是該區(qū)域圖像信息的一種抽象表示.具體方法是：以 關(guān)鍵點(diǎn)為中心?。↖6 X 16)像素的窗口，在窗口中取(4X4)像素的區(qū)域形成一個(gè)種子點(diǎn)，共4 X4個(gè)種子點(diǎn)，在每個(gè)種子點(diǎn)區(qū)域內(nèi)分別計(jì)算8個(gè)方向的梯度累加值，繪制梯度方向的方向 直方圖，最終獲得一個(gè)4 X 4 X 8 = 128維的特征描述向量。
[0051 ] 43)特征點(diǎn)匹配
[0052] SIFT特征向量生成后，采用最近鄰距離算法進(jìn)行匹配，即采用和樣本特征點(diǎn)最近 鄰的特征點(diǎn)的歐式距離與次近鄰特征點(diǎn)的歐氏距離的比值與所設(shè)定閾值比較，若比值小于 閾值，則認(rèn)為特征點(diǎn)對匹配。
[0053] (5)利用模板圖像Bt中像素經(jīng)煒度信息對區(qū)域圖像At中對應(yīng)的像素經(jīng)煒度信息進(jìn) 行替換修正，實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像At的高精度定位。
[0054]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于圖像匹配的在軌高精度圖像定位方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 按照重點(diǎn)區(qū)域經(jīng)煒度索引建立模板圖像庫，使得模板圖像庫中每幅圖像的像素行 列號(hào)與實(shí)際經(jīng)煒度 對應(yīng);模板圖像庫B為： B = Bi U B2* * * U Bk 其中，Bk為各個(gè)模板圖像，大小為ΜXN，k= 1，2. . . L，L為圖像庫中模板圖像的總個(gè)數(shù);Bk (i，j) = BkUi，yj)，xi和yj分別為模板圖像Bk第i行第j列像元對應(yīng)的實(shí)際經(jīng)度和煒度信息； (2) 利用輔助數(shù)據(jù)中的GPS信息、衛(wèi)星姿態(tài)信息、星敏信息、時(shí)標(biāo)信息，計(jì)算獲得星上遙 感圖像A對應(yīng)的地面經(jīng)煒度坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)圖像初步定位;并從完成初步定位的圖像A中提取關(guān) 注區(qū)域圖像A t，其中，At大小為MXN，<c (3) 計(jì)算關(guān)注區(qū)域圖像At的中心位置經(jīng)煒度，并以該經(jīng)煒度為索引，從模板圖像庫B中檢 索與之距離最近的模板圖像B t;At與Bt滿足如下約束條件：其中，\和為圖像At中心位置經(jīng)度和煒度信息，心，和為圖像Bt中心位置經(jīng)度和煒 度信息，ε為條件閾值； (4) 分別對區(qū)域圖像At和模板圖像Bt進(jìn)行特征提取，通過計(jì)算兩個(gè)特征集合的相似度， 實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像At與模板圖像B t的高精度配準(zhǔn)； (5) 利用模板圖像Bt中像素經(jīng)煒度信息對區(qū)域圖像At中對應(yīng)的像素經(jīng)煒度信息進(jìn)行替 換修正，實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像At的高精度定位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像匹配的在軌高精度圖像定位方法，其特征在于： 步驟(4)具體采用SIFT方法實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像A t和模板圖像Bt的匹配： 41) 建立圖像的尺度空間，在尺度空間中搜索出圖像的局部極值點(diǎn)作為候選關(guān)鍵點(diǎn)，去 除對比度差的關(guān)鍵點(diǎn)和不穩(wěn)定的邊緣響應(yīng)點(diǎn)； 42) 確定關(guān)鍵點(diǎn)的主方向，生成關(guān)鍵點(diǎn)特征描述子，使每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)具有位置、尺度和方 向信息； 43) 采用特征描述符向量之間的歐式距離度量兩個(gè)特征點(diǎn)之間的匹配程度。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK106056605SQ201610369018
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】李曉博, 張建華, 肖化超, 王元樂
【申請人】西安空間無線電技術(shù)研究所