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.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京100854；2.北京航天自動控制研究所，北京 100854；3.信息工程大學測繪學院，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.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京100854；2.北京航天自動控制研究所，北京 100854；3.信息工程大學測繪學院，鄭州450052)

介紹了基于GIS的飛行器定位系統的基本原理，研究了一種數字影像與GIS矢量數據的匹配方法.該方法采用局部最優與整體匹配相結合的匹配策略，利用數字影像上提取的線特征作為匹配的共軛實體，以線特征的角度、線特征的長度、相交線特征之間的夾角等作為匹配的匹配實體，通過計算匹配實體間的相似性測度實現共軛實體間的精確匹配.

飛行器導航；地理信息系統；匹配方法；線特征

地理信息是有關地理實體的性質、特征和運動狀態的表征及一切有用知識的信息，它具有區域性、多維結構特性和動態變化的特性.地理信息系統(GIS，geographic information system)是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，對空間相關數據進行采集、管理、操作、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的和動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統［1］.

利用GIS能夠實現快速、精確、綜合地對復雜環境下的飛行器進行空間定位，且具有定位精度高、自主性強、可靠性高，不受飛行距離的影響等優點.將GIS與慣性導航系統(INS)結合，可以實現 INS和GIS間的互補，充分發揮它們各自的優點，有利于對飛行器進行高速度、高精度的自主定位.

GIS矢量數據與數字圖像的精確匹配技術是基于GIS的飛行器定位系統中的關鍵技術之一，匹配的精度、速度和正確性直接影響著飛行器定位系統的精度、實時性和可靠性等性能指標，并決定著該定位系統的可用性.

1 基于G IS的飛行器定位系統

基于GIS的飛行器定位系統的基本結構如圖1所示.其中導引系統的功能是利用匹配定位得到的精確的位置信息和慣性測量裝置輸出的狀態信息，計算出飛行器的精確的狀態參數，并按照預定的制導規律進行計算，形成導引指令，送往控制系統［2］.

飛行器導引系統包括基于GIS的匹配定位子系統和導引指令形成子系統兩部分.基于GIS的匹配定位子系統由飛行器遙感裝置、GIS數據存儲器和圖像相關計算機組成.其中，圖像相關計算機的主要功能是通過對飛行器遙感裝置獲取的實時圖(數字影像)進行特征提取，并和預先存儲的GIS數據進行相關處理等，獲得飛行器當前的位置等狀態信息.本文主要針對由圖像相關計算機完成的GIS數據與數字影像的匹配進行研究.

圖1 基于GIS的飛行器定位系統結構示意圖

2 GIS數據與數字影像的匹配

在本文的研究中，選擇了數字影像中的各種線或面特征作為地理目標，所需的地理數據包括所選地理目標的幾何特征信息、位置信息和相應的屬性信息等.其中需要包括大量的地理目標的幾何特征信息，如線段的長度、線段的方向、拐點的信息等［3］.在地理信息的預處理階段需要對地理信息進行合理的精化和壓縮，并將所需的地理目標的幾何特征信息等提取出來.

通過將GIS中的地理目標與數字影像進行匹配可以在二者之間建立一種數據對應關系，為后續的飛行器定位提供依據.其核心內容主要包括共軛實體、匹配實體、相似性測度的選取，搜索策略以及匹配策略的確定等.

2.1 局部最優與整體匹配結合的匹配方法

根據GIS數據和數字影像的特點、飛行器定位系統的需求等，GIS地理目標與數字影像的匹配采用了局部最優和整體匹配相結合的匹配策略.利用從數字影像上提取的線特征作為匹配的共軛實體，以線特征的角度、線特征的長度、相交線特征之間的夾角等作為匹配的匹配實體，通過計算匹配實體間的相似性測度實現共軛實體間的精確匹配.具體實現過程如下.

(1)以從數字影像中提取出的某個線特征上的一個拐角參量為準，遍歷一條GIS數據坐標鏈上的每一個拐角信息，分別計算提取出的拐角與GIS數據坐標鏈上的每個拐角的相似性度量，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成的函數，記為

式中，θt為所選的從數字影像中提取出的拐角的大小，θg為對應的GIS數據中的拐角的大小，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為對應的GIS數據中組成拐角的兩線段中的一條線段的方向角；p1、p2為相應的權值.為相似性度量設定一個閾值，記錄相似性度量閾值范圍內對應的GIS數據的拐角信息，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GIS數據的拐角信息進行了篩選，獲得了局部的最優解.

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

(3)計算該提取出的線特征與對應的GIS數據坐標鏈的整體的相似性度量，相似性度量記為

設存在 m種情況，則可以分別計算出 ρ1，ρ2，…，ρm，取 f(j)=m in{ρ1，ρ2，…，ρm}.其中， dti為兩個相鄰角點之間的距離，dgi為對應的GIS數據中兩個相鄰角點之間的距離，dgi可能不唯一，αti是兩個相鄰角點之間連線的方向角，αgi是對應的GIS數據中兩個相鄰角點之間連線的方向角，p1、p2為相應的權值，φ根據GIS數據的精度確定.

(4)對其余的GIS數據坐標鏈進行上述(1)～(3)步的計算.

(5)求出 m in(f(j))，獲得折線數據整體匹配的最優解，并記錄對應的GIS數據中的地理目標的拐角信息，這時的拐角信息是唯一的.

(6)對從數字影像中提取出的其它線特征進行(1)～(5)步的處理.

通過上述計算，可以得到從數字影像中提取出的線特征與GIS數據中的地理目標的對應關系.

2.2 基于Hough變換的檢測和匹配

在求解飛行器的位置信息時，需要利用至少三對不在同一條直線上的匹配點的信息.而為了能夠精確的計算出位置信息，一般需要四對或四對以上的匹配點，并且在數字影像的四角附近應該都有匹配點.如果利用2.1中的匹配方法，得到的匹配點的個數和分布不能滿足這一要求，或者匹配的精度不高，則需要進行進一步處理，以得到滿足要求的GIS數據控制點及其對應的像點.

由于Hough變換［4-5］對噪聲不敏感、抗干擾能力強，對斷裂有免疫性，且檢測結果為目標的描述參數，能夠滿足本文的需求，因此本文采用該變換進行后續的檢測和匹配.這一方法要求所求得的GIS數據在數字影像上的像點坐標的精度較高，而由飛行器的慣性導航系統提供的位置、姿態等信息解得的像點坐標常常不能滿足該精度要求，因此，在檢測前，需要利用已經得到的GIS數據控制點及其對應像點的坐標解得一組匹配參數，對GIS數據對應的像點進行修正，以確保基于Hough變換的檢測和匹配能夠順利進行.

利用Hough變換進行檢測和匹配時，檢測直線位置的可靠性、相似性測度定義的科學性以及搜索策略的合理性尤為關鍵，直接決定著檢測和匹配結果的準確性、可靠性和匹配速度等.本文以修正后的GIS數據中折線段的影像空間長度和對應的參數空間θ為約束條件.在每個線段周圍開設一個窗口，利用Hough變換檢測直線，并分別對相鄰窗口檢測到的兩條直線求交點，以獲得一條折線，再計算該折線與GIS數據中折線的相似性測度.而后，按照設定的搜索步長和搜索范圍，改變搜索位置，即每個窗口的位置，重復以上步驟，得到在每個搜索位置的相似性測度.相似性測度數值最小時對應的位置即為最佳的匹配位置，相應的檢測出的直線和坐標即為最佳的匹配結果.如圖2所示，具體計算過程如下.

圖2 基于Hough變換檢測和匹配的流程示意圖

(1)根據通過匹配得到的GIS數據中的控制點及其對應的數字影像的像點坐標，對GIS數據中的地理目標在數字影像中的對應像點進行修正.

(2)將Hough變換中的參數平面 (ρ，θ)量化，設置二維累加數組 Q(ρi，θi)，并將該數組初始化為零，其中 (ρ，θ)是 Hough參數空間的坐標參數，是對 θ量化值及對應的ρ值的計數.

(3)在與GIS數據中的折線對應的數字影像上的折線的每個線段周圍，開設一個邊長等于該線段長度的正方形的檢測窗口，對該區域內的控制點，設置一個角度區間，即有權獲得“投票”的角度范圍，其中 θi′是 GIS數據中的折線對應的數字影像上的相應線段映射到參數空間的θ值，K為經驗權值.按照參數方程 ρ=x cosθ+y sinθ，對該區間中的每個θ值計算相應的ρ值，并將相應的累加數組加1.

對二維累加數組設置一個大小為P×Li′的閾值，將“得票”數即累加數組中對應的值大于閾值的點作為備選點，其中Li′為GIS數據中的折線對應的數字影像上的線段的長度，P為經驗權值，P∈(0，1).取備選點的極大值點為所需的峰值點，該點所對應的坐標即為檢測直線的參數.若不能獲得備選點，則說明該位置沒有正確的檢測結果，轉至步驟(5).

根據各窗口檢測直線的參數，計算相鄰檢測直線的交點坐標(x，y)、組成檢測折線的各線段的長度Li和交點處兩線段的夾角θi.

(4)計算上述檢測窗口內的GIS數據中的折線數據和檢測到的數字影像上折線數據的相似性測度，記為：

其中θi′為檢測出的數字影像上的折線的各個拐點的夾角，θi為GIS數據中相應的夾角，L′i為檢測出的折線的各個線段的長度，Li為GIS數據中相應的線段長度，p1、p2為經驗權值.當F最小時，檢測出的結果即為GIS數據中對應像點的精確位置.

(5)按照預先設定的每次窗口移動的長度，改變檢測窗口的位置，進行步驟(3)、(4)中的計算，直至遍歷完所有的搜索位置.

(6)選擇相似性測度F最小時的位置作為最佳匹配位置，相應檢測的直線段和坐標即為最佳匹配結果.

由此可以得到滿足要求的GIS數據控制點及其對應的像點，為后續的飛行器位置的精確求解提供依據.

2.3 實 驗

選取廣東某丘陵地區的航空影像和該地區的部分GIS數據為實驗數據，對上述方法進行驗證，該地區的地形較為復雜，地物豐富.實驗中，選用的數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數據是利用立體攝影測量的方法獲取的，其平面中誤差約為2m，高程中誤差約為1m.

通過對該數字影像和GIS數據進行相關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.利用上述算法對數字影像與GIS數據進行匹配.實驗結果證明，雖然GIS數據和數字影像的特征之間存在平移、旋轉和尺度變化，但所設計的局部最優與整體匹配相結合的匹配策略能夠實現二者的快速匹配，且在本次實驗中達到了100%的正確率，匹配結果是令人滿意的.然而，由于條件所限，本次實驗尚不充分，參與匹配的GIS數據和線特征數量不多，后續將根據條件和需求進一步開展實驗.

圖3 線特征示意圖

3 結 論

將GIS引入飛行器的控制系統中，利用GIS中蘊含的豐富的信息，為飛行器的實時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.實驗證明，本文提出的利用局部最優和整體匹配相結合的匹配策略能夠有效的應用于GIS地理目標與數字影像的匹配中，而利用基于hough變換的檢測和匹配方式能夠保證快速、精確的得到滿足要求的GIS數據控制點及其對應的像點坐標，為精確求解飛行器的位置信息提供依據.在后續的研究中，可以對上述算法進行有針對性的改進和優化，以降低軟件運行的時空開銷，為將此方法應用于高速、高精度的飛行器創造條件.

［1］朱恩利，李健輝.地理信息系統基礎及應用教程［M］.北京：機械工業出版社，2004

［2］徐延萬.彈道導彈運載火箭控制系統設計與分析［M］.北京：宇航出版社，1999

［3］李傳廣，郭海濤，張江水，等.一種基于動態規劃的遙感影像與GIS矢量數據匹配方法［J］.測繪科學技術學報，2010，27(4)：270-274

［4］張祖勛.數字攝影測量學［M］.武漢：武漢大學出版社，1997

［5］謝鳳英.Visual C++數字圖像處理［M］.北京：電子工業出版社，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

*國家自然科學基金(60874094)資助項目.

2010-06-10

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