[发明专利]一种数据空洞的自适应插值/分割处理方法

说明书

本发明提供了一种数据空洞自适应插值/分割方案，该方法可用于含有数据空洞的REM的三维高程匹配，属于地形辅助导航领域。由于实际匹配中数据空洞是不可避免的，本发明提出了一种有效的解决方案。该发明首先包括利用基准图误差率对DEM进行分类，提取DEM中的ROI；然后利用插值误差率计算REM与ROI之间的插值误差，根据插值误差对数据空洞大小进行分类；最后利用自适应插值/分割策略对REM进行处理，降低实际匹配中数据空洞对三维高程匹配的影响。

技术领域

本发明提供了一种数据空洞自适应插值/分割处理方法，该方法可用于含有数据空洞的实时高程图(Real-time Elevation Map，REM)的三维高程匹配，属于地形辅助导航领域。

背景技术

完全自主的地形辅助导航系统可广泛应用于复杂电磁环境、深空探测和水下等领域，在国民经济和国防建设中起着卫星导航或其它导航无法替代的独特作用。与传统的单点和一维序列匹配相比，基于三维高程采样的三维地形匹配中由于采样点大幅度增加，大大降低了地形相似性所导致的误匹配概率；与二维景象匹配中基准图和采样的实时图的像素值均为灰度值不同，三维地形匹配中的均为地形高程，在地形起伏显著区域匹配性能更好，所以，三维高程匹配在高精度自主导航方面具有独特的优势和广阔的应用前景。

三维地形辅助导航的基本工作原理如图1所示，首先将匹配区域的地形数字化，构建基于数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的基准图数据库，存储在导航计算机中；当载体通过已经数字化的匹配地形区域时，利用三维高程测量传感器测量载体所在位置处的地形REM；然后，如图2所示，以惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)的当前位置(i,j)为中心，根据INS在经度和纬度方向位置误差估计值的较大值σ，按3σ准则，在基准图数据库中确定待匹配区域，待匹配区域总共包含I×J个DEM，中心坐标为(i,j)的DEM 记为DEM_(i,j)；最后，在待匹配区域内，将REM与待匹配区域所包含的DEM基准图进行匹配计算，得到匹配的位置，并将该匹配位置反馈给INS，修正INS的累积误差。

常用的三维高程测量传感器包括干涉合成孔径雷达(InterferometricSynthetic Aperture Radar，InSAR)、激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)、立体视觉相机、超声波测距仪和红外线测距仪等。但是，这些三维高程测量传感器在实时获取REM时，容易产生数据空洞，严重影响了地形辅助导航系统的匹配性能和可用性。本发明以InSAR为例介绍数据空洞的产生原因。

InSAR测量是近期发展起来的一项三维地形高程测量技术，是合成孔径雷达技术(Synthetic Aperture Radar，SAR)的应用延伸和扩展。InSAR测量技术利用同一地区的两幅 SAR图像作为基本处理数据，通过干涉和相位解缠等处理，得到三维地形高程图像。InSAR 测量可以全天候、全天时工作，测绘范围大，数据处理效率高。

然而，如图3所示，在SAR图像中，由于成像和地面场景间的几何关系，叠掩和阴影是较为普遍存在的现象，特别是在山区或城区等地形高程起伏较大的区域。叠掩和阴影区域在相位图上对应着无法解缠的区域，导致REM中出现数据缺失，产生数据空洞，如图4所示，其中REM数据正常点的总数为P，数据空洞的个数为M，第m个数据空洞的数据缺失个数为N_m。

在地形测绘中，采用多角度测量，利用多幅图之间的互补性，消除数据空洞的影响。但是，由于应用地形辅助导航的载体只是一次性通过目标区域，无法进行多角度测量，且地形辅助导航在地形高程起伏较大的区域导航性能较好，因此，在基于InSAR测量的地形辅助导航中容易产生数据空洞。在现有的相关研究中，重点关注了三维高程地图的特征提取方法、快速计算算法和匹配算法等问题，对三维高程测量中存在的数据空洞问题尚未研究。因此，研究一种数据空洞自适应插值/分割处理方法，以降低数据空洞对三维高程地形匹配性能的影响，具有重要的应用价值。

发明内容