[发明专利]一种基于纹理特征和地形特征参数的水下地形匹配方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种数字图像处理领域。具体地说是一种基于纹理特征和地形特征参数的水下地形匹配方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，水下潜器正在朝着能够执行大深度、长距离任务的方向发展，这对水下导航技术提出了更高的要求。作为应用最广泛的两种导航手段，惯导系统和船位推方法都具有自身难以克服的缺点，即定位误差随时间发散的特点。因此，它们并不适合独自完成长距离、长时间的导航任务。

地形辅助导航系统的最大优点是误差不随时间和距离的增加而累积。除此之外，地形辅助导航还具有高精度、长效、隐蔽及完全自主的优点，因此，该技术是水下潜器导航系统的良好辅助，并于近年来引起了各国的重视。然而，我国对于地形导航技术的研究刚刚起步，且主要集中于航空领域，对于其在水下的应用研究则少之又少。

目前，国外的潜艇是否装有水下地形匹配系统还不得而知，但在AUV上已进行了实物试验。2002年5月到6月NATO组织六家单位进行的BPOZAUV海试，平台是挪威KONGSBERG研制的HUG创潜器，有两周专门检验导航系统，其中就包含由FFI(Norway Defence Research Establishment)研制的地形导航装置，在这之后又进行了多次试验。澳大利亚的OBERON潜器也装有地形辅助导航系统。美国《美日防务》2006年1月6日报道，洛克希德·马丁公司与美国军方签订了1060万美元的修订合同，把传感器阵列集成到海军的“先期发展无人潜器”中，使其具有三维障碍探测与识别、VHF通信和三维海底探测能力。这样这类无人潜器就具备了地形导航的硬件条件。

关于水下地形匹配方法，目前大多采用的是来自于航空领域的TERCOM方法和SITAN方法。如文献[1]和文献[2]所述，所有方法的基本原理都是沿着航行路线测量地形高程，把它和相关的数字地图作为匹配方法的输入，求出位置或惯导系统误差的最优估计值。然而，由于水下测量的数据精度低于航空测量，并且水下地形特征不同于陆地地形，因此，单纯的借鉴其他领域的匹配方法并不能达到很好的定位效果，研究适用于水下环境的水下地形匹配方法具有重要意义。

国内关于水下地形匹配方法的研究还不是很成熟，水下地形匹配方法的相关文献还不是很多，从现有的文献看，其对水下地形匹配方法的研究重点主要是基于地形高程相关的匹配方法。

与本发明相关的参考文献包括：

田敏峰.基于先验地形数据处理的水下潜器地形辅助导航方法研究[J].哈尔滨工程大学博士学位论文，2007.

刘承香.水下潜器的地形匹配辅助定位技术研究.哈尔滨工程大学博士学位论文，2003.

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水下地形纹理特征和地形特征参数的水下地形匹配方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)实测水下地形数据和基准数据进行降采样；

(2)对降采样后的数据进行插值，获得相同分辨率的实测数据矩阵和基准数据矩阵；

(3)根据灰度共生矩阵，计算实测数据矩阵的纹理特征，获得角二阶距、对比度、相关和逆差矩等4个纹理特征参数；

(4)计算实测数据矩阵的地形特征参数，获得地形高程均值、地形高程标准差、地形粗糙度、地形相关系数、地形熵和地形差异熵6个地形特征参数；

(5)将步骤(3)和步骤(4)的10个特征参数组成特征向量，表征对应地形区域的特征；根据地形特征参数的先验知识，为每一个特征参数赋予权值；

(6)按步长搜索基准数据矩阵，对于每一个搜索位置，计算特征向量，与实测数据矩阵的特征向量比较，计算相似度，相似性测度采用最小均方差准则，保留每一个搜索位置的相似性数值；

(7)选取其中相似性最大即相似性数值最小的位置，作为输出的匹配位置。

灰度共生矩阵 

p(m,n,d,θ)＝{(i,j),(i+Δi,j+Δj)|f(i,j)＝m,f(i+Δi,j+Δj)＝n}，

灰度级为L大小为M×N的地形高程图像I一坐标点(i,j)点灰度值为m＝f(i,j)，偏离的另一坐标点(i+Δi,j+Δj)的灰度值n＝f(i+Δi,j+Δj)，点对的灰度值为(m,n)，灰度共生矩阵P为L×L的方阵，i,j分别为点的横纵坐标，i＝0,1,2,…，M-1，j＝0,1,2,…,N-1；m,n＝0,1,…,L-1；Δi，Δj是像素点位置的偏移量；d是灰度共生矩阵的生成步长；θ是灰度共生矩阵的生成方向；

所述的角二阶矩：