SLAM技术在视频卫星处理中的应用研究

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随着遥感领域的不断发展,视频卫星正逐渐发展成为一种新型对地观测模式。视频卫星通过对地表某一区域连续拍摄,可以获得该区域的高分辨率动态视频。相比于传统静态遥感影像,视频卫星为实时拍摄、跟踪地面动目标提供了可能。但受限于软硬件等因素,目前相关研究较少、技术相对缺乏,视频卫星还不具备在轨定位、跟踪动目标的能力,没能充分挖掘出视频卫星的应用潜力与潜在商业价值。为使视频卫星具备在轨定位与目标跟踪能力,本文以SLAM(Simultaneous Localization And Mapping,同时定位与地图构建)技术为切入点,将SLAM与卫星视频处理进行结合,对SLAM在卫星视频上的应用进行研究。初步建立了视频卫星在轨处理与应用相关算法;构建了视频卫星在轨目标定位与跟踪流程;提出了适合于视频卫星目标检测的原形SLAM框架;形成了一套相对完整的视频卫星SLAM应用理论体系,并进行了相关实验。主要研究内容如下:快速特征提取与匹配算法。本文从视频卫星特点出发,分析了常规计算机视觉算法在卫星视频中应用存在的问题,进而研究一种适合于卫星视频的特征检测与匹配算法。为保证特征点分布尽可能均匀,采用高斯差分金字塔进行角点检测;为保证匹配效率,采用二进制描述子与暴力匹配算法进行匹配。最后对算法在特征点分布与效率两方面进行了验证。卫星位姿估计与转换。从SLAM在视频卫星中应用角度出发,研究了以视觉影像匹配为基础,采用单应矩阵恢复视频卫星相对运动的方法。在帧间相对位姿确定的前提下,推导了将相对姿态转换为世界坐标系(如WGS84)下真实姿态的方法。同时提出了一种利用星上姿轨测量数据恢复视觉里程计估计的运动绝对尺度的办法。视频动目标检测跟踪与定位。以视频动目标检测与定位为目标,首先分析了常规视频动目标检测的原理与方法,研究了适合于在星上有限计算资源以及卫星视频动目标小、纹理少的情况下提取动目标的算法与流程。同时结合视觉里程计估计的相对位姿、卫星测量的姿轨数据,采用三角化原理和刚体坐标变换,推导了动目标像素坐标与真实世界坐标(如WGS84)间的关系。
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