Диссертация (Автоматическая сшивка радиолокационных изображений земной поверхности при неизвестных элементах внешнего ориентирования)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиРоманов Александр АлексеевичАВТОМАТИЧЕСКАЯ СШИВКА РАДИОЛОКАЦИОННЫХИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ НЕИЗВЕСТНЫХЭЛЕМЕНТАХ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯСпециальность: 05.12.14 – Радиолокация и радионавигацияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук, профессорТатарский Б.Г.Москва 20162СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5ГЛАВА1.АНАЛИЗМЕТОДОВОБРАБОТКИРАДИОЛОКАЦИОННЫХИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ............................................................121.1 Радиолокационный мониторинг земной поверхности.........................................121.2 Обзор программных комплексов и алгоритмов сшивки изображений...............241.3 Обзор методов определения качества изображений............................................281.4Анализавтоматическихметодовобнаруженияопорныхточекнарадиолокационных изображениях с перекрытием.....................................................311.4.1 Алгоритмы выделения и описания точек интереса на изображении..............331.4.2 Интегральные изображения.................................................................................381.4.3 Краткий обзор алгоритмов поиска ближайшего соседа....................................401.5 Постановка задачи на исследование......................................................................44Выводы по главе 1.........................................................................................................46ГЛАВА2.ФОРМИРОВАНИЯРАЗРАБОТКААЛГОРИТМААВТОМАТИЧЕСКОГОЕДИНОЙРАДИОЛОКАЦИОННОЙКАРТЫЗЕМНОЙПОВЕРХНОСТИ............................................................................................................472.1 Оптимальный алгоритм сшивки радиолокационных изображений земнойповерхности....................................................................................................................472.2 Геометрические искажения РЛИ земной поверхности........................................502.3 Квазиоптимальный алгоритм сшивки радиолокационных изображений земнойповерхности....................................................................................................................542.3.1 Невозможность построения оптимального алгоритма.....................................542.3.2 Автоматический поиск опорных точек на перекрывающихся РЛИ.................542.3.3 Количественная характеристика насыщенности семантики РЛИ....................602.3.4 Вычисление ориентации двух перекрывающихся РЛИ с помощью нейронныхсетей................................................................................................................................6532.3.5 Вычисление ориентации двух перекрывающихся РЛИ с помощью методанаименьших квадратов..................................................................................................752.3.6 Построение графа связности...............................................................................822.3.7 Уточнение ориентации набора перекрывающихся РЛИ...................................852.4 Общая структура алгоритма автоматической сшивки РЛИ земной поверхностис перекрытием при неизвестных элементах внешнего ориентирования.................90Выводы по главе 2.........................................................................................................93ГЛАВА 3.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПОПРАКТИЧЕСКОЙСШИВКИРЕАЛИЗАЦИИАЛГОРИТМАРАДИОЛОКАЦИОННЫХАВТОМАТИЧЕСКОЙИЗОБРАЖЕНИЙЗЕМНОЙПОВЕРХНОСТИ............................................................................................................953.1 Поэтапное моделирование алгоритма сшивки радиолокационных изображенийземной поверхности......................................................................................................953.1.1 Количественная оценка насыщенности семантики РЛИ земной поверхности.........................................................................................................................................963.1.2 Автоматический поиск опорных точек на перекрывающихся РЛИ.................993.1.3 Алгоритм поиска ориентации двух перекрывающихся РЛИ с помощьюметода наименьших квадратов...................................................................................1043.1.4 Уточнение ориентации базового РЛИ...............................................................1063.2 Предложения по формату хранения единой многослойной радиолокационнойкарты.............................................................................................................................1093.3 Моделирование алгоритма автоматической сшивки радиолокационныхизображений.................................................................................................................1103.4 Влияние высотных объектов и рельефа местности на точность сшивки.........1143.5 Влияние кривизны земной поверхности на точность сшивки..........................118Выводы по главе 3.......................................................................................................125ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................127СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..........................................................................................130СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................1314ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................145Приложение А.

Свойства проективного преобразования........................................145Приложение Б. Сравнительные результаты поиска опорных точек с помощьюоригинального и модифицированного алгоритмов SURF.......................................147Приложение В. Входные данные и результаты моделирования алгоритма поискаориентации двух перекрывающихся РЛИ земной поверхности.............................149Приложение Г. Интерфейс программы автоматической сшивки РЛИ земнойповерхности..................................................................................................................153Приложение Д.

Входные данные и результаты моделирования алгоритмаавтоматической сшивки радиолокационных изображений земной поверхности. 155Приложение Е. Абсолютная и относительная ошибки определения расстояния наплоскости единой радиолокационной карты............................................................1665ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования. Радиолокационные станции (РЛС)землеобзора как космического, так и авиационного базирований приобретают всебольшее значение при решении задач мониторинга земной поверхности.Современные РЛС с синтезированием апертуры (РСА) позволяют получитьрадиолокационные изображения (РЛИ) высокого разрешения при любыхпогодных условиях и времени суток [1].Наиболееответственнымитрудоемкимвидомобработкиданныхрадиолокационного мониторинга земной поверхности является дешифрирование.Поэтому разработка теории и систем автоматизированного или автоматическогодешифрирования РЛИ является одной из важнейших задач, решение которойпозволит повысить оперативность получения результатов радиолокационногомониторинга [2].Съемка большой территории множеством различных РЛС с получениемРЛИ высокого разрешения (например, при прожекторном режиме РСА)способствует формированию множества отдельных изображений, дешифрироватькоторые целесообразно в виде единой многослойной радиолокационной карты.Ошибка географической привязки РЛИ земной поверхности, полученнойРСА авиационного базирования, может достигать сотен метров вследствиесовокупности влияния множества факторов (рельефа местности, траекторныхнестабильностейипрочих),чтоделаетневозможнымформированиерадиолокационной карты путем простого наложения отдельных РЛИ согласноизвестной географической привязке.

Кроме того, зачастую привязка РЛИ кместности осуществляется операторами вручную по заранее определеннымэталонным объектам, что значительно увеличивает время обработки РЛИ.Целью диссертационной работы является повышение эффективности истепениавтоматизациинеизвестнымипроцедурыэлементамисшивкивнешнегоРЛИземнойориентирования.поверхностиДлясдостижения6поставленной цели в ходе диссертационного исследования необходимо решитьследующие задачи:1. Разработать и провести анализ алгоритмов поиска областей перекрытиядвух РЛИ – областей с общей семантикой.2.

Провести оценку возможности расчета взаимной ориентации двух РЛИ наоснове областей с общей семантикой.3. Разработать и провести анализ алгоритмов расчета взаимной ориентациидвух перекрывающихся РЛИ на основе областей с общей семантикой сучетом возможных геометрических искажений РЛИ земной поверхности.4. Выполнитьразработкуипровестианализалгоритмовуточненияориентации нескольких перекрывающихся РЛИ.5.

Разработать алгоритм автоматической сшивки РЛИ земной поверхности принеизвестных элементах внешнего ориентирования.6. Осуществить оценку влияния различных факторов на точность результатовсшивки РЛИ.Объект исследования. В диссертационной работе в качестве объектаисследования рассматриваются РСА авиационного и космического базирований,формирующие РЛИ земной поверхности с высоким разрешением.Предмет исследования. Алгоритм автоматической сшивки РЛИ земнойповерхности, полученных с помощью различных РСА, при неизвестныхэлементах внешнего ориентирования.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.