[发明专利]一种基于薄板样条插值的障碍物特征提取方法

摘要

一种基于薄板样条插值的障碍物特征提取方法，本发明涉及障碍物特征提取方法。本发明是要解决现有的基于平面拟合的障碍检测算法在高海拔时不能有效地提取障碍物的问题，而提出的一种基于薄板样条插值的障碍物特征提取方法。该方法是通过首先滤掉噪声点，自下而上建立控制点金字塔。通过金字塔顶层控制点建立初始薄板样条插值曲面。求该曲面与金子塔下一层控制点的残差，通过阈值处理剔除不满足条件的控制点，更新控制点矩阵，通过剩余的控制点建立新的插值曲面，重复上述过程，最终生成原始数据点的插值曲面等步骤实现的。本发明应用于障碍物特征提取领域。

主权项

1.一种基于薄板样条插值的障碍物特征提取方法，其特征在，该方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、根据行星着陆器在动力下降段的位置、姿态及扫描激光雷达参数获取Flash雷达视场内地形的三维高程数据；其中，Flash雷达视场内地形的三维高程数据指的是地形三维坐标点，包含两个水平方向的位置和高度信息：三维高程数据为地形的三维坐标xi,yi,zi；i＝1,2,3,...N；步骤二、对步骤一中获取的三维高程数据进行数字形态学处理，去除低值噪声点得到处理过的激光点数据；步骤三、将经过步骤二处理过的激光点数据进行降采样处理；将三维高程数据进行隔点采样，即根据2倍的相邻采样点距离，以自下而上的方式建立数据金字塔，金字塔的层数为M，确定金字塔中任意m层的数据点为m+1层2*2邻域内的最小高程数据点；将最小高程数据点称之为控制点；m∈M；步骤四、利用步骤三得到的每一层的控制点建立薄板样条插值曲面S；步骤五、利用步骤四得到数据金字塔第m层薄板样条曲面S与数据金字塔第m+1层的控制点做差得到残差，将残差通过阈值处理，剔除大于阈值的控制点，更新控制点数据，其中，阈值为金字塔每一层数据的均值；步骤六、从金字塔顶层，自上而下开始利用更新后的控制点数据重复步骤四和步骤五；最终得到数据金字塔最底层的更新后的控制点，利用最底层的更新后的控制点生成最终的薄板样条插值曲面；步骤七：利用步骤六生成的最终的薄板样条插值曲面与原高程数据r做差得到残差数据，利用残差数据建立粗糙度图；步骤八：求步骤六生成的最终的薄板样条插值曲面梯度，利用曲面梯度求地形坡度图；步骤二中对步骤一中获取的三维高程数据进行数字形态学处理，去除低值噪声点得到处理过的激光点数据的具体操作步骤如下：步骤二一、对原始高程数据r进行开运算，开运算是对数据进行腐蚀运算后在进行膨胀预算；窗口尺寸wo为探测器最大尺寸的2倍；其中，ro为经过开运算处理后的高程数据；e代表腐蚀运算，具体定义为：其中，r_er为经过腐蚀处理后的高程数据，z_i为高程数据点在窗口w_o下的高度值；代表膨胀运算，具体定义为：步骤二二、对ro再进行闭运算，窗口尺寸wc为探测器最大尺寸：rc为经过闭运算滤波后的点云数据；步骤四中所述的建立薄板样条曲面的具体操作步骤如下：步骤四一、给定滤波后的高程数据rc、正则参数λ、计算ω和a由下列线性方程组求得：式中，K，C和O为子矩阵，O为3×3零矩阵，定义如下：K＝{Ki,j}＝R(||(xi,yi)‑(xj,yj)||),  (6)其中，N为控制点的个数，R为核函数：Ki,j为i行j列的子矩阵；公式(5)等号右侧的o为3×1的零向量；Z为一维列向量，元素为高程数据rc的高度值，定义如下：Z＝[z1 z2 .. zN]T  (8)薄板样条曲面参数向量ω和a定义如下：ω＝[ω1,ω2,...,ωN]T  (9)a＝[a0,a1,a2]T  (10)式中，ω为控制点权重参数，a为多项式系数；步骤四二、求解出ω和a后，通过式(12)即得到插值曲面S定义为：步骤七中所述的利用残差数据建立粗糙度图的具体操作步骤如下：利用步骤六得到的最终插值曲面与原始高程数据r做差得到残差数据集合ε＝{εi|i＝1,2,3,...,N}；根据探测器岩石最大许可高度Rc，将粗糙度图Rscore定义为如下正规化函数：其中MAD为：