一种基于图像匹配的在轨高精度图像定位方法技术

一种基于图像匹配的在轨高精度图像定位方法，首先利用GPS数据、卫星姿态数据、星敏数据等辅助数据对卫星获得的遥感图像进行初步定位，并提取重点关注区域图像；然后以区域图像中心经纬度信息为索引在星上模板图像库中搜索与该区域图像对应的模板图像，通过图像匹配方法实现该区域图像和对应模板图像的高精度匹配；最后根据模板图像中对应像素实际经纬度信息对区域图像的初步定位结果进行修正，完成重点区域图像的高精度定位。本发明专利技术方法突破了现有图像定位技术瓶颈，可使图像定位精度提升2～3个数量级，有效提高了在轨图像定位精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在轨图像定位方法，特别是一种基于图像匹配的在轨高精度图像定位方法，属于航天遥感领域。
技术介绍
光学遥感卫星能够对地球大范围区域进行观测，能准确感知并获取海洋、地面信息，及时提供决策支持，有助于快速解决突发事件。通过遥感卫星获取的遥感数据对海上、地面等重要目标进行在轨检测，能快速获得舰船等重要目标的位置信息，可满足用户对目标快速发现的高时效性需求。在星上目标检测系统或方法中，通常对卫星获取的目标区域图像进行在轨检测，只能获取目标在区域图像中的位置信息(行列号)。然而，为了方便用户使用，还需要对图像进行定位，实现图像行列号信息与地面实际经纬度信息的转换。目前的图像定位方法主要利用卫星获得的GPS观测数据、星敏观测数据、陀螺观测数据、像点坐标及时间系统观测数据，建立严密共线方程模型，同时考虑地球自转、地球形状以及各坐标系之间的转换，通过地面区域目标的地理坐标作为引导，实现星上遥感图像对应的地面坐标的快速计算。目前该类方法定位精度只能达到百米级，无法满足用户对重要目标位置的精确估计，实时跟踪等应用需求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于图像匹配的在轨高精度图像定位方法，解决了在轨图像高精度定位的问题。本专利技术的技术方案是：一种基于图像匹配的高精度在轨图像定位方法，包括如下步骤：(1)按照重点区域经纬度索引建立模板图像库，使得模板图像库中每幅图像的像素行列号与实际经纬度一一对应；模板图像库B为：B＝B1∪B2…∪Bk其中，Bk为各个模板图像，大小为M×N，k＝1,2...L，L为图像库中模板图像的总个数；Bk(i,j)＝Bk(xi,yj)，xi和yj分别为模板图像Bk第i行第j列像元对应的实际经度和纬度信息；(2)利用辅助数据中的GPS信息、卫星姿态信息、星敏信息、时标信息，计算获得星上遥感图像A对应的地面经纬度坐标，实现图像初步定位；并从完成初步定位的图像A中提取关注区域图像At，其中，At大小为M×N，；(3)计算关注区域图像At的中心位置经纬度，并以该经纬度为索引，从模板图像库B中检索与之距离最近的模板图像Bt；At与Bt满足如下约束条件： ( x A t - x B t ) 2 + ( y A t - y B t ) 2 < ϵ ]]>其中，和为图像At中心位置经度和纬度信息，和为图像Bt中心位置经度和纬度信息，ε为条件阈值；(4)分别对区域图像At和模板图像Bt进行特征提取，通过计算两个特征集合的相似度，实现区域图像At与模板图像Bt的高精度配准；(5)利用模板图像Bt中像素经纬度信息对区域图像At中对应的像素经纬度信息进行替换修正，实现区域图像At的高精度定位。步骤(4)具体采用SIFT方法实现区域图像At和模板图像Bt的匹配：41)建立图像的尺度空间，在尺度空间中搜索出图像的局部极值点作为候选关键点，去除对比度差的关键点和不稳定的边缘响应点；42)确定关键点的主方向，生成关键点特征描述子，使每个关键点具有位置、尺度和方向信息；43)采用特征描述符向量之间的欧式距离度量两个特征点之间的匹配程度。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术方法在现有图像定位的基础上，通过利用图像匹配方法对定位结果进行修正，实现了区域图像的高精度定位，解决了以往方法定位精度低的问题。(2)本专利技术方法利用事先建好的高精度模板图像库对区域图像定位结果进行校正，降低了卫星平台、光学相机、观测条件等因素对遥感影像几何定位精度的造成的影响。(3)本专利技术方法简单可行，只需要在现有定位结果基础上进行一定的图像匹配就可实现亚米级高精度定位，可使现有定位精度提高2-3个数量级，具有非常重要的实用价值。附图说明图1为本专利技术方法处理流程示意图。具体实施方式在星上目标检测系统或方法中，通常对卫星获取的目标区域图像进行在轨检测，只能获取目标在区域图像中的位置信息(行列号)。然而，为了方便地面用户使用，还需要对图像进行定位，实现图像行列号信息与地面实际经纬度信息的转换。目前的图像定位方法主要利用卫星获得的GPS观测数据、星敏观测数据、陀螺观测数据、像点坐标及时间系统观测数据，建立严密共线方程模型，同时考虑地球自转、地球形状以及各坐标系之间的转换，通过地面区域目标的地理坐标作为引导，实现星上遥感图像对应的地面坐标的快速计算。目前该类方法定位精度只能达到百米级，无法满足用户对重要目标位置的精确获取，实时跟踪等应用需求。本专利技术方法的具体实现步骤如下：(1)按照用户关注的重点区域经纬度索引建立模板图像库，使得模板图像库中每幅图像的像素行列号与实际经纬度一一对应。模板图像库B为：B＝B1∪B2…∪BL其中，Bk为各个模板图像，Bk大小为M×N，k＝1,2...L，L为图像库中模板图像的总个数；Bk(i,j)＝Bk(xi,yj)，xi和yj分别为模板图像Bk第i行第j列像元对应的实际经度和纬度信息。(2)利用图像A辅助数据中的GPS观测数据、星敏观测数据、陀螺观测数据、像点坐标及时间系统观测数据等建立严密共线方程模型，并根据卫星几何成像原理进行坐标变换，组成卫星、影像上目标点、相应地面目标点三点共线的光束方程，与地球椭球面方程相交即可得到目标点的地面坐标，完成图像A初步定位。相机成像满足共线方程： X M - X G P S 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图像匹配的在轨高精度图像定位方法，其特征在于包括如下步骤：(1)按照重点区域经纬度索引建立模板图像库，使得模板图像库中每幅图像的像素行列号与实际经纬度一一对应；模板图像库B为：B＝B1∪B2…∪Bk其中，Bk为各个模板图像，大小为M×N，k＝1,2...L，L为图像库中模板图像的总个数；Bk(i,j)＝Bk(xi,yj)，xi和yj分别为模板图像Bk第i行第j列像元对应的实际经度和纬度信息；(2)利用辅助数据中的GPS信息、卫星姿态信息、星敏信息、时标信息，计算获得星上遥感图像A对应的地面经纬度坐标，实现图像初步定位；并从完成初步定位的图像A中提取关注区域图像At，其中，At大小为M×N，(3)计算关注区域图像At的中心位置经纬度，并以该经纬度为索引，从模板图像库B中检索与之距离最近的模板图像Bt；At与Bt满足如下约束条件：(xAt-xBt)2+(yAt-yBt)2<ϵ]]>其中，和为图像At中心位置经度和纬度信息，和为图像Bt中心位置经度和纬度信息，ε为条件阈值；(4)分别对区域图像At和模板图像Bt进行特征提取，通过计算两个特征集合的相似度，实现区域图像At与模板图像Bt的高精度配准；(5)利用模板图像Bt中像素经纬度信息对区域图像At中对应的像素经纬度信息进行替换修正，实现区域图像At的高精度定位。...

【技术特征摘要】
1.一种基于图像匹配的在轨高精度图像定位方法，其特征在于包括如下步骤：(1)按照重点区域经纬度索引建立模板图像库，使得模板图像库中每幅图像的像素行列号与实际经纬度一一对应；模板图像库B为：B＝B1∪B2…∪Bk其中，Bk为各个模板图像，大小为M×N，k＝1,2...L，L为图像库中模板图像的总个数；Bk(i,j)＝Bk(xi,yj)，xi和yj分别为模板图像Bk第i行第j列像元对应的实际经度和纬度信息；(2)利用辅助数据中的GPS信息、卫星姿态信息、星敏信息、时标信息，计算获得星上遥感图像A对应的地面经纬度坐标，实现图像初步定位；并从完成初步定位的图像A中提取关注区域图像At，其中，At大小为M×N，(3)计算关注区域图像At的中心位置经纬度，并以该经纬度为索引，从模板图像库B中检索与之距离最近的模板图像Bt；At与Bt满足如下约束条件： ( x A t - x B t ) 2 + ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓博，张建华，肖化超，王元乐，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61