Диссертация (Автоматическая сшивка радиолокационных изображений земной поверхности при неизвестных элементах внешнего ориентирования), страница 8

В настоящее время не существует алгоритма, способногопроводить объективную оценку насыщенности семантики РЛИ.4. При неизвестных элементах внешнего ориентирования и географическойпривязкиРЛИземнойповерхностикорегистрациюизображенийнеобходимо проводить путем анализа областей перекрытия. Для поискаопорных точек в областях перекрытия целесообразно модернизироватьалгоритм SURF и использовать его в совокупности с алгоритмом поискаближайшего соседа с разбиением в kd-дерево.47ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА АВТОМАТИЧЕСКОГОФОРМИРОВАНИЯ ЕДИНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ КАРТЫ ЗЕМНОЙПОВЕРХНОСТИ2.1 Оптимальный алгоритм сшивки радиолокационных изображений земнойповерхностиПусть во входном наборе РЛИ земной поверхности имеется Ii – i-еизображение, которое может быть описано, как:I i : P i →B i , Pi ⊂ℝ 2 , B i ⊂ℝ ,(13)где Pi – множество точек на изображении, а Bi – множество яркостей.Тогда процесс формирования РЛИ Ii можно представить, как отображение Fi:F i : P Ei → Pi , P Ei ⊂ℝ3 ,(14)где PEi – область земной поверхности, попавшая в район съемки.

Проекциюмножества PEi на плоскость земной поверхности представим, как отображение Ji(рисунок 2.1):J i : P Ei → P Si , P Si⊂ℝ2 ,(15)где PSi – ортогонально спроецированное на плоскость земной поверхностимножество PEi.Для входного набора перекрывающихся РЛИ земной поверхностисправедливо:Ω48∀ I i ∈Ω ∃ I j ∈Ω: O Eij= P Ei ∩P Ej ≠∅ ,(16)где OEij – область местности, попавшая одновременно на РЛИ Ii и Ij, тогда областиперекрытия (области с общей семантикой) на РЛИ Ii и Ij:O iij =F i (OEij ), Oijj = F j (O Eij ), O iij ⊂P i , O ijj ⊂P j .(17)Рисунок 2.1 – Ортогональная проекция области земной поверхности, попавшей врайон съемки, на плоскость земной поверхностиЦелью оптимального алгоритма сшивки является формирование единойрадиолокационной карты путем преобразования всех входных изображений внекую единую СК.

Таким образом, для каждого изображения необходимо найтипреобразование Gi:G i : P i → Li , Li ⊂P R , P R =∪ Li ,i(18)где Li – множество точек РЛИ земной поверхности Ii, преобразованного в единуюСК, а PR – искомая единая радиолокационная карта такая, что:∃af : P S → P R ,(19)49где af – некоторое аффинное преобразование.

Условие (19) обеспечиваетсохранение информативности полученной единой радиолокационной карты –позволяет сохранить дешифровочные признаки объектов интереса, а такжепредставление об их взаимном расположении на местности. Фактически данноеусловиеговоритоминимизацииугламеждуплоскостямиединойрадиолокационной карты и земной поверхности.Для существования взаимно-однозначного отображения (19) необходимо,чтобы для всех пар перекрывающихся РЛИ Ii и Ij из (16) выполнялось уравнение:∫‖Gi (xi )−G j (x j )‖2 d x E=0,(20)x E ∈O Eij , x i =F i (x E ), x j =F j (x E ),(21)xEгде xE – точка на местности, попавшая на оба РЛИ Ii и Ij, а xi и xj – ее изображенияна них.Таким образом, опираясь на (18) – (21), можно сформулировать следующиекритерииоптимальнойпроцедурысшивкиРЛИ.Первыйкритерийоптимальности искомого алгоритма сшивки РЛИ земной поверхности, опираясьна (20) и (21), может быть представлен, как:E=∑ ∑ E ij =0 , E ij =ij{∫‖Gi ( xi )−G j (x j )‖2 d x E ,если O Eij ≠∅,0,если O Eij =∅.xEВторой критерий оптимальности(22)алгоритма сшивки РЛИ земнойповерхности с учетом пояснений к условию (19) представим, как:α SR =0,где αSR – угол между плоскостями PS и PR.(23)50Таким образом, необходимо разработать алгоритм автоматический сшивкиРЛИ земной поверхности, удовлетворяющий указанным критериям.2.2 Геометрические искажения РЛИ земной поверхностиТочность передачи на изображении относительного положения элементовместности и объектов мониторинга на ней является важной характеристикой каккаждого РЛИ, так и искомой единой радиолокационной карты.

Плоскость РЛИ,сформированного с помощью РЛС землеобзора, отличается от плоскости земнойповерхностиданногоучасткаместности,врезультатечеговозникаютгеометрические искажения.Под геометрическими искажениями РЛИ земной поверхности будемпониматьнарушениегеометрическогоподобияирасположенияприрадиолокационном отображении местности и объектов на ней.Геометрические искажения РЛИ земной поверхности, согласно [2] и [19],могут быть обусловлены следующими факторами:– флуктуация фазы траекторных сигналов на интервале синтезированияапертуры;– траекторные нестабильности носителя РЛС;– атмосферная рефракция радиоволн;– кривизна Земли;– разноракурсная съемка;– ошибки пересчета наклонной дальности в горизонтальную;– смещения отметок, обусловленные случайным характером изменения высотместности;– эффекты наложения и радиотени у высотных объектов;– смещениеотметок,вызванныедвижениемотносительно подстилающей поверхности.наблюдаемыхобъектов51Современные алгоритмы этапа первичной обработки РЛИ значительноуменьшают влияние траекторных нестабильностей носителя РЛС и флуктуацийфазы траекторных сигналов на формирование РЛИ, поэтому данные факторыможно не учитывать.Явление атмосферной рефракции радиоволн обусловлено изменениемпоказателя преломления атмосферы с высотой, что вызывает искривлениетраектории радиоволн и увеличение времени их распространения [2].

Изменениемдальности из-за искривления траектории радиоволн можно пренебречь вследствиеего малых значений (единицы метров для космических РСА), в то время какувеличение времени распространения радиоволн вызывает значительно большуюошибку по дальности:[ ( )Δ R р≈ R⋅ n+]H δn−1 ,2 δH(24)где R – полученная наклонная дальность, H – высота полета носителя РЛС, n –коэффициент преломления тропосферы на уровне моря (~1,00035), аδ n/δ H –градиент коэффициента преломления по высоте ( ∼4⋅10−8 ). В этой связи приведении съемки с больших высот будут наблюдаться сдвиг и масштабные(гомографические) искажения по дальности на изображениях.ОшибкиприформированииРЛИ,вызванныекривизнойземнойповерхности, оцениваются выражением [77]:Δ Rк ≈где y – горизонтальная дальность,y 2 tgβ,2 RЗ(25)β – угол падения радиоволн, а RЗ – радиусЗемли (~6371 км).

В полной мере данные ошибки проявляют себя при обработкеРЛИ, полученных с помощью РСА космического базирования.52Положение изображений элементов местности и объектов мониторинга наРЛИ земной поверхности в значительной степени обуславливается ракурсомсъемки, который характеризуется положением носителя РЛС и углом падениярадиоволн (или углом визирования наблюдаемых объектов). Геометрическиеискажения в данном случае имеют вид сдвига (параллельного переноса), поворотаили изменения масштаба (в том числе неоднородного – разного по осям ординат иабсцисс, который называется гомографическими искажениями) изображенияотносительно снимаемого участка местности.Ошибки пересчета наклонной дальности в горизонтальную приводят кгомографическим или проективным искажениям (рисунок 1.2). Похожий эффектвозникает при изменении линейного размера элемента разрешения вдоль линиипути с удалением от носителя РСА, что наблюдается при одинаковом временисинтезирования апертуры для каждого значения наклонной дальности приформировании РЛИ.Возвышение отдельных объектов над подстилающей поверхностью илиизменение высот местности приводят к смещению отметок по горизонтальнойдальности, что порождает эффекты наложения и радиотени (рисунок 2.2) [2, 78].Смещение отметок по дальности обусловлено тем, что верхняя частьвозвышенности расположена ближе к РЛС (точка 2 на рисунке 2.2, а), чемобъекты, которые находятся внизу на той же горизонтальной дальности (точка 1на рисунке 2.2, а).

Смещение высотного объекта на РЛИ происходит в сторонууменьшения дальности (в то время как радиотень от него отбрасывается впротивоположную сторону), в результате чего изображения двух соседнихобъектов могут сблизиться или наложиться друг на друга. Такой случай показанна рисунке 2.2, б, где изображение высотного здания наложилось на изображениеплощади.53б)а)Рисунок 2.2 – Смещение отметок возвышенностей по горизонтальной дальности,порождающее эффект наложения (инверсию) и области радиотени (а), и примерналожения изображения высотного здания на РЛИ земной поверхности (б)Смещение отметок, вызванные движением наблюдаемых объектов, чащевсего носят локальный характер на РЛИ земной поверхности.

При использованииРСА изображение движущегося объекта размазывается вследствие изменения егоположения на интервале синтезирования апертуры. Кроме того, из-за эффектаДоплера, возникающего при движении объекта относительно подстилающейповерхности, наблюдается смещение его изображения на РЛИ относительнореального положения (рисунок 2.3).Рисунок 2.3 – Смещение движущегося поезда на РЛИ земной поверхности542.3 Квазиоптимальный алгоритм сшивки радиолокационных изображенийземной поверхности2.3.1 Невозможность построения оптимального алгоритмаГеометрические искажения локального характера являются неотъемлемойчастью РЛИ земной поверхности.

Смещение изображений высотных объектов(эффект наложения или инверсия) в значительной степени зависит от ракурсасъемки, что приводит к различным их положениям относительно подстилающейповерхности на разных РЛИ. Из-за эффекта Доплера похожая картинанаблюдается при сдвиге относительно подстилающей поверхности движущихсяобъектов.