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經(jīng)驗(yàn)交流

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位
時(shí)間:2011年01月28日   作者:佚名  點(diǎn)擊次數(shù): 【字體:

摘要:為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)定位自動(dòng)化,提高雷達(dá)定位的精度,針對(duì)電子海圖信息和雷達(dá)信息匹配定位進(jìn)行了研究。采用輪廓相似度概略定位與輪廓特征點(diǎn)匹配定位相結(jié)合的方法,克服單一匹配容易誤匹的現(xiàn)象,達(dá)到提高定位精度,保證實(shí)時(shí)性的目的。詳細(xì)論述了雷達(dá)回波圖象輪廓特征點(diǎn)集和電子海圖圖像輪廓特征點(diǎn)集的建立方法,輪廓相似度的計(jì)算和概略定位方法,特征點(diǎn)集匹配集的確定和平差求最或然船位的方法。通過示例驗(yàn)證了研究的可行性及在各種定位條件下的定位準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:船舶、艦船工程;導(dǎo)航雷達(dá);電子海圖;特征點(diǎn)集;輪廓相似度;匹配定位

傳統(tǒng)的雷達(dá)定位,不僅需要航海人員進(jìn)行測(cè)量標(biāo)繪,存在測(cè)量和標(biāo)繪誤差影響定位精度,還可能出現(xiàn)認(rèn)錯(cuò)目標(biāo),定位錯(cuò)誤,危及船舶航行安全的可能性。

隨著科技的發(fā)展,各種新技術(shù)應(yīng)用于航海,特別是電子海圖技術(shù)、圖像采集技術(shù)、噪聲處理技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)定位自動(dòng)化,提高定位精度已經(jīng)成為可能。對(duì)此問題,人們已經(jīng)做了許多相關(guān)研究,提出了各種匹配定位的方法[1-2]。但實(shí)踐證明,由于雷達(dá)回波圖像的特殊性和海上目標(biāo)的多樣性,采用單一的匹配方法,常常會(huì)出現(xiàn)誤匹現(xiàn)象,導(dǎo)致出現(xiàn)較大的定位誤差。

本文以匹配理論為基礎(chǔ),針對(duì)雷達(dá)回波的特征,采用輪廓匹配與特征點(diǎn)匹配相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信息與電子海圖信息的匹配定位,減小誤匹率,提高定位的精度和實(shí)時(shí)性。

1匹配定位原理與方法

1.1匹配定位原理

同一場(chǎng)景使用不同的傳感器獲得的圖像一般會(huì)有所不同,圖像匹配就是尋找兩幅不同圖像之間的空間位置關(guān)系。雷達(dá)和電子海圖信息匹配定位,是根據(jù)雷達(dá)探測(cè)的回波圖像和航海保證部門提供的電子海圖圖像,求出雷達(dá)圖像掃描中心對(duì)應(yīng)的海圖坐標(biāo)。

圖像匹配的方法很多,如基于圖像灰度[5]、基于特征點(diǎn)[6]、基于輪廓[7-8]等。輪廓匹配是通過計(jì)算兩個(gè)圖像邊緣的相似度,判斷兩個(gè)圖像的一致性。特征點(diǎn)匹配是在兩個(gè)圖像中選取一些特征點(diǎn),建立特征點(diǎn)集,對(duì)兩個(gè)特征點(diǎn)集進(jìn)行匹配,從而達(dá)到圖像的匹配。

1.2雷達(dá)匹配定位的特點(diǎn)

雷達(dá)與電子海圖信息匹配定位的特點(diǎn)是:

1)通常匹配的兩幅圖像只存在有規(guī)律的變化(位移、旋轉(zhuǎn)、縮放等),但雷達(dá)的回波圖象由于雷達(dá)探測(cè)的特點(diǎn)及受到各種干擾影響,會(huì)出現(xiàn)一些不規(guī)則變形(雜波、遮擋、展寬、粘連等),和與之匹配的海圖圖像產(chǎn)生較大的差異,加上海上目標(biāo)復(fù)雜,不同位置的目標(biāo)回波非常相似,容易出現(xiàn)誤匹現(xiàn)象。試驗(yàn)表明,誤匹率首先與目標(biāo)的分布范圍有關(guān),在沒有干擾、回波方位分布大于4情況下,利用特征點(diǎn)匹配定位的準(zhǔn)確率約90%,但當(dāng)目標(biāo)回波方位分布范圍小于3、或受到干擾時(shí),準(zhǔn)確率會(huì)急劇降低;誤匹率與推算船位的誤差也有密切關(guān)系,推算船位誤差越大,誤匹率越高。

2)實(shí)時(shí)性要求比較高,包括信息采集、去噪、匹配的全部定位工作,應(yīng)盡量在1s以內(nèi)完成,匹配定位時(shí)間應(yīng)更短。

1.3雷達(dá)匹配定位的方法

根據(jù)雷達(dá)回波和誤匹特點(diǎn),雷達(dá)與電子海圖匹配定位采用輪廓匹配與特征點(diǎn)匹配相結(jié)合的方法,先計(jì)算輪廓相似度,縮小推算船位誤差范圍,然后再用特征點(diǎn)匹配進(jìn)行精確定位。具體做法是:

1)根據(jù)雷達(dá)回波圖像,建立雷達(dá)回波輪廓特征點(diǎn)集(Q),然后以推算船位為中心,采用搜尋方式,以適當(dāng)間隔密度向外擴(kuò)散性地設(shè)定推算船位,建立每個(gè)推算船位對(duì)應(yīng)的海圖輪廓特征點(diǎn)集(P),計(jì)算P集與Q集的相似度,尋找相似度達(dá)到設(shè)定門值(或相似度最大)的點(diǎn)。

2)以此點(diǎn)為中心,進(jìn)行特征點(diǎn)匹配定位。

此時(shí),由于推算船位誤差較小,P集和Q集差異不大,出現(xiàn)誤匹的可能性大大降低;特征點(diǎn)匹配往往是幾十個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平差處理,相當(dāng)于通常雷達(dá)定位測(cè)幾十個(gè)目標(biāo),精度可大大提高;雖然采用搜尋式縮小推算船位誤差,由于P集與Q集相似度計(jì)算非常簡(jiǎn)單,可以保證定位的實(shí)時(shí)性。

2建立輪廓特征點(diǎn)集

建立輪廓特征點(diǎn)集是匹配定位的基礎(chǔ),是計(jì)算相似度和進(jìn)行匹配定位的依據(jù)。輪廓特征點(diǎn)集包括雷達(dá)回波特征點(diǎn)集和電子海圖特征點(diǎn)集。

2.1雷達(dá)回波輪廓特征點(diǎn)集(Q)

根據(jù)雷達(dá)定位測(cè)近距離目標(biāo)邊緣的特點(diǎn),建立雷達(dá)回波輪廓特征點(diǎn)集非常簡(jiǎn)單,只需下列兩步:

1)根據(jù)采集的回波信號(hào),換算成方位F和距離D(均取整,單位:方位為度,距離為量程/300)。

2)取每個(gè)方向上距離最近的一個(gè)回波信號(hào)點(diǎn),組成雷達(dá)回波圖象特征點(diǎn)集(Q)。

上述建立的雷達(dá)回波特征點(diǎn)集的依據(jù)是:同一方向,只有最近的回波是目標(biāo)邊緣;方位精度為1°,距離精度為量程/300,與雷達(dá)的探測(cè)精度基本一致,特征點(diǎn)數(shù)少于360個(gè),可以保證匹配的速度和精度。

2.2電子海圖輪廓特征點(diǎn)集(P)

根據(jù)雷達(dá)定位的原理,電子海圖輪廓特征點(diǎn)應(yīng)在雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi),位于水面的目標(biāo),如助航標(biāo)志、島礁岸線等,這些點(diǎn)在電子海圖的海洋陸地(ocldntl)、助航標(biāo)志(anvgptp)等圖層文件中。

建立電子海圖輪廓特征點(diǎn)集方法如下:

1)根據(jù)推算船位選取相應(yīng)的海圖數(shù)據(jù)庫(kù);分別打開含有水面目標(biāo)信息的圖層文件,每個(gè)圖層包括圖形文件(﹡.shp)、索引文件(﹡.shx)和屬性文件(﹡.dbs);

2)按序在屬性文件中讀取記錄屬性,找到對(duì)應(yīng)屬性的記錄號(hào),按記錄號(hào)到索引文件中獲取記錄偏移量和記錄長(zhǎng)度,再到圖形文件中按偏移量和記錄長(zhǎng)度,讀取記錄數(shù)據(jù),根據(jù)矢量海圖的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式,從記錄中得到位置點(diǎn)信息(a,b);

3)將位置信息換算成經(jīng)緯度坐標(biāo)(φ,λ):

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位 (1)

(1)中,α,b單位為cm(φz,λz)為海圖基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo);c為海圖比例尺;

4)計(jì)算相對(duì)推算船位的方位距離(取與Q集一樣的單位并取整),剔除距離大于量程的點(diǎn);

重復(fù)“2)”、“3)”、“4)”,直至文件結(jié)束;

5)取每個(gè)方向上距離最近的點(diǎn)組成海圖特征點(diǎn)集(P)。

電子海圖特征點(diǎn)集的建立流程如圖1

3.1輪廓相似度計(jì)算

輪廓相似度根據(jù)不同的目的,有不同的定義,Q集中與P集相容特征點(diǎn)的數(shù)量N與特征點(diǎn)總數(shù)M之比,可通過簡(jiǎn)單的判斷計(jì)數(shù)得到。

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

1 電子海圖特征點(diǎn)集建立流程

P集相容特征點(diǎn)是指,Q集中有特征點(diǎn)(F,D),P集中在(σF,σD)范圍內(nèi)也存在特征點(diǎn)。σF、σD是分別為方位和距離允許誤差。

3.2輪廓相似度應(yīng)用

輪廓相似度的高低,說明兩個(gè)點(diǎn)集對(duì)應(yīng)區(qū)域之間的差異。相似度越高,兩個(gè)區(qū)域越相近,推算船位越接近實(shí)際船位。因此,采用搜尋方式,以推算船位為中心,向外擴(kuò)散性的設(shè)定推算經(jīng)、緯度,計(jì)算對(duì)應(yīng)的P集,及P集與Q集的相似度,選擇相似度高的推算船位,可以達(dá)到概略定位,縮小推算船位誤差的目的,具體流程如圖2。輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

2 利用相似度概略定位流程

通過圖2的流程計(jì)算得到的船位(φ2,λ2),一般要比初始推算船位(φc,λc)接近實(shí)際船位。

流程中將向外擴(kuò)散半徑大于0.75量程作為終止條件,當(dāng)推算誤差大于0.75量程時(shí),量程應(yīng)大一檔工作。µM是相似度的門值,當(dāng)相似度達(dá)到µM時(shí),就認(rèn)為所得船位已滿足所需精度。

P集隨推算船位變化,搜尋過程中需要反復(fù)讀取海圖數(shù)據(jù),可在第一次建立P集時(shí),將在以推算船位為中心,1.75量程為半徑范圍內(nèi)的屬性符合要求的點(diǎn),存入臨時(shí)內(nèi)存,后面計(jì)算P集時(shí),只需對(duì)內(nèi)存操作,數(shù)據(jù)量小,不必進(jìn)行屬性判別,可大大提高速度。

如把初始半徑、擴(kuò)散步長(zhǎng)設(shè)定小一些,得到的結(jié)果將會(huì)更接近實(shí)際船位,因此可用此法進(jìn)行特殊情況下定位。

4特征點(diǎn)匹配定位

4.1確定匹配集

確定匹配集就是確定P集和Q集中特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,剔除冗余點(diǎn)??刹捎每焖倨ヅ渌惴?/SPAN>[9]進(jìn)行,是一種基于聚類的點(diǎn)匹配方法[10]的改進(jìn)。具體步驟是:

1)Q集的點(diǎn)轉(zhuǎn)換為相對(duì)雷達(dá)掃描中心的坐標(biāo)(xqj,yqj):xqj=DsinF,yqj=DcosF

2)P集的點(diǎn)轉(zhuǎn)換為相對(duì)推算船位的坐標(biāo)(xPi,ypi):xpi=λλcypi=φφc。

3)計(jì)算同一點(diǎn)集中所有兩兩點(diǎn)(pipj)、(qaqb)之間的距離和方向。

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位 2

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位 3

4)尋找支持度最大的點(diǎn)對(duì),獲取匹配集

對(duì)任意一個(gè)點(diǎn)對(duì)pi輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位qa若在點(diǎn)集PQ中存在其他的點(diǎn)對(duì),如pj輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位qb,同時(shí)滿足:

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位,︱θab-θij︱<σθ,則稱點(diǎn)對(duì)pjqb是點(diǎn)對(duì)的piqa支持點(diǎn)。σρσθ分別為距離和方向的匹配誤差域值。一個(gè)點(diǎn)對(duì)擁有的支持點(diǎn)對(duì)數(shù)量,稱為該點(diǎn)對(duì)的支持度。擁有的支持點(diǎn)對(duì)數(shù)量,稱為該點(diǎn)對(duì)的支持度。

在兩個(gè)特征點(diǎn)集中,嘗試所有可能的點(diǎn)對(duì),計(jì)算每個(gè)點(diǎn)對(duì)的支持度,支持度最大的點(diǎn)對(duì)和它的全部支持點(diǎn)對(duì)就構(gòu)成匹配集。

確定匹配點(diǎn)對(duì)集的流程如圖3

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

3 確定匹配點(diǎn)對(duì)集流程

4.2平差定位

平差定位就是根據(jù)匹配點(diǎn)對(duì)集的信息,求取最佳的推算船位修正量,進(jìn)而求得觀測(cè)船位。

設(shè)匹配集由M組點(diǎn)對(duì)組成,根據(jù)最小二乘法原理,最佳的船位修正量△X和△y的計(jì)算公式為設(shè):

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位 輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位 輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

D=M×C-QX2-QY2

則:

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位 4

5匹配定位實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

5.1匹配定位實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上面分析,導(dǎo)航雷達(dá)與電子海圖信息匹配定位流程如圖4。

輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

4 匹配定位流程

在定位計(jì)算中,考慮了下列方面:

1)雷達(dá)回波方位分布范圍DF,是一個(gè)非常重要的量,許多參數(shù)需根據(jù)DF來確定。如概略定位向外擴(kuò)散的初始半徑R0和步長(zhǎng)B、Q集與P集相容性域值σF和σD、相似度的門值μM匹配點(diǎn)對(duì)集的距離誤差域值σp、方位誤差域值σθ等,這些量都是DF的函數(shù)。

2)考慮當(dāng)回波方位分布DF小于4時(shí),誤匹率比較高,此時(shí)不再進(jìn)行匹配定位,將利用相似度概略定位得到的位置作為實(shí)測(cè)船位,此時(shí)設(shè)定的擴(kuò)散密度應(yīng)比較高,門值μM較大。

3)特征點(diǎn)匹配定位,隨著特征點(diǎn)數(shù)增加,精度會(huì)適當(dāng)提高,但時(shí)間會(huì)大大增加。由圖3可以看出,確定匹配集需要進(jìn)行四重循環(huán),每次循環(huán)的大小分別是Q集和P集的特征點(diǎn)數(shù),因此,兩個(gè)特征點(diǎn)集的大小對(duì)匹配定位速度影響很大。經(jīng)過大量計(jì)算表明,綜合考慮定位精度和速度,Q集特征點(diǎn)數(shù)取≤75比較合適,當(dāng)點(diǎn)數(shù)>75時(shí),采取等間隔剔除,既可保證定位精度,又能保證定位速度。

5.2匹配定位驗(yàn)證

利用VC++6.0,對(duì)上述研究進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行實(shí)際匹配試驗(yàn),驗(yàn)證其可行性和定位精度。

試驗(yàn)條件:試驗(yàn)船在萬山海區(qū)航行得到的不同位置25幅雷達(dá)回波圖像(量程都是6 nmile,目標(biāo)回波方位分布最大為31(5-A),最小為1(5-B,每幅圖象有當(dāng)時(shí)的GPS(Global Positioning System)位置作為準(zhǔn)確船位,萬山海區(qū)的(1100 000)電子海圖(C1076)。 輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的雷達(dá)海圖匹配定位

5 雷達(dá)回波圖象

試驗(yàn)方法:將雷達(dá)回波圖像,經(jīng)過采集、去噪,建立Q集,對(duì)GPS位置增加不大于75%量程的隨機(jī)誤差作為推算船位,進(jìn)行匹配定位。每幅雷達(dá)回波圖像,進(jìn)行10000次定位試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)定位的誤差情況。為檢驗(yàn)匹配定位的抗干擾能力,根據(jù)建立Q集的不同,分別進(jìn)行了3種類型試驗(yàn):

1)無干擾,直接利用雷達(dá)回波圖象采集數(shù)據(jù);

z)輕度干擾,對(duì)雷達(dá)回波圖象采集數(shù)據(jù),加方位小于1°,距離小于100m的隨機(jī)誤差;

3)中度干擾,對(duì)雷達(dá)回波圖象采集數(shù)據(jù),加方位小于,距離小于200m的隨機(jī)誤差。試驗(yàn)結(jié)果如表1

1匹配定位試驗(yàn)結(jié)果

類型

方位分布(°)

試驗(yàn)組數(shù)/

試驗(yàn)次數(shù)/萬次

最大誤差/ n mile

均方差/

n mile

平均用時(shí)/s

1

>45

20

20

0.155

0.063

0.35

<45

5

5

0.347

0.087

0.39

2

>45

20

20

0.451

0.094

0.38

<45

5

5

0.367

0.091

0.42

3

>45

20

20

0.672

0.129

0.41

<45

5

5

0.767

0.164

0.45

6結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明,采用輪廓與特征點(diǎn)結(jié)合的方法進(jìn)行雷達(dá)與電子海圖信息匹配定位,能有效地防止誤匹,具有較高的定位精度、較好的實(shí)時(shí)性和一定的抗干擾能力。

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作者:何立居,李啟華  來源:中國(guó)航海

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