Устройство для автоматического восстановления рельефа местности по стереопаре аэроснимков

 

. -": ) ЛЯ

"(в 291 о и и с А н"-и е, ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советсаик

Сецивлистичеспик

Реа ублии и АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Завалено 11.0477 (21) 2472858/18-10 с присоединением заявки М(23) Приоритет— (51) М. Кл. а 01 С 11/12

Государственный коинтет

СССР но деяаи нзобретеннй н открытнй (53) УДК 528. 728 (088. 8) Опубликовано 0510.79. Бюллетень М 37

Дата опубликования описания 05.10.79 (72) Ааторы

ИЗОбратВМИЯ Г.Л. Гимельфарб, В. Б.Марченко и В. И.Рыбак (71) Здйаит8ль Ордена ленина институт кибернетики AH Украинской сср (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО BOCCTAHOBЛЕНИЯ

РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ ПО СТЕРЕОПАРЕ АЭРОСНИМКОВ

Изобретение относится к фотограм. метрии и предназначено для автома тизации восстановления рельефа местности по стереопаре аэроснимков 5 этой местности.

Известны автоматические устройства для восстановления рельефа местности по стереопаре аэроснимков, в которых реализованы последовательные корреляционные способы восстановления (1).

Этим устройствам свойственен ряд недостатков. Практически приемлемая точность восстановления .рельефа достигается только при малых уклонах местности. Устройства имеют низкую помехоустойчивость: при работе с реальными снимками наблюдаются значительные отклонения и даже отрывы восстанавливаемого рельефа от существующего в действительности.

В большинстве известных корреляционных устройств точки рельефавосстанавливаются непосредственно

s процессе сканирования снимков стереопары и коррелирования сигналов сканирования. При этом усложняется конструкция и снижается быстродействие °

Процесс восстановления рельефа ускоряется, если сравниваемые коррелирующие участки снимков стереопары расположены на соответственных эпиполярных линиях снимков (2), Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для восстановления рельефа местности по стереопаре аэроснимков, в котором снимки сканируются по сетке параллельных эпиполярных линий и полученные сигналы .запоминаются в оператиьной памяти устройства (3).

Это устройство имеет низкую точность работы на рельефе с меняющимися и достаточно большими по величине локальными уклонами (холмистая, горная местность), а ханже слабую помехоустойчивость в условиях случайных искажений сигналов сканирования.

Недостатки устройства обусловлены последовательным характером корреляционного восстановления рельефа точка за точкой, в которой ранее восстановленные точки участвуют в дальнейшей работе устройства на правах точек действи6 90291 тельного рельефа местности. При этом происходит накопление ошибок, возникающих при корреляционном сравнении вариантов рельефа в заданной окрестности восстанавливаемой точки. Ошибки возникают, в основном, по двум причинам: из-за линеаризации рельефа в рассматриваемой окрестности и в результате амплитудных искажений, нарушающих равенство сигналов в соответстненных точках снимков.

Линеаризация снижает точность .восстановления рельефа, если послед.ний в действительности изменчив в пределах рассматриваемой окрестности точки рельефа. Эти погрешности снижаются при сокращении размеров задаваемой окрестности, однако при этом уменьшаются коррелируемые участки и нозрастает нлияние случайных амплитудных искажений сигналов. Взаимная корреляция сигвалов становится малопригодной для оценки сходства сигналов, которые подвержены неоднородным амплитудным искадениям1 При неоднородных искажениях 25 пропорциональность между сигналами

B соответственных точках снимков может меняться от точки к точке в.широких пределах.

В результате при работе после- ЗО довательных устройств наблюдаются больше отклонения и даже отрывы восстановленного ппоЛиля рельефа от существующего в действитег:.ь-ности. 35

Целью изобретения является понышение точности и помехоустойчивости восстановления рельефа местности по стереопарам аэроснимкон„

Это достигается тем, что н уст- @ ройство для автоматического восстановления рельефа местности по стереопаре аэроснимков, содержащее блок управления устройством, один выход которого через блок управления сканиронанием подключен к вхоцам фотоэлектрических преобразователей снимков, а другой выход — ко вторым входам ФотоэлектричеС:.;:.их преобразо-вателей снимйов, выходы которьы подключены к блоку оперативной па- 50 мяти для снимков в цифровой Форме, вводятся блок управления восстановлением профиля, блок адресации точек, 6JIoK BbIчисления раз постных cHT налов, блок временного запоминания минималь- 55 ных рассогласований, блок вычисления рассогласонаний сигналон, блок определения минимального рассогласонания, блок накопления минимальных рассогласований, блок запоминания 6О локально-оптимальных продолжений профиля, блок определения минимального окончательного рассо:ласования и блок восстановления профиля, приЧем выход блока упранления,носстан овле нием профиля ч ере э блок адресации точек подключен к блоку оперативной памяти для снимков в цифровой форме, выход которого через блок вычисления раэностных сигналов подключен к нходу блока вычисления рэссогласований сигналов, выход которого через блок определения минимального рассогласования, блок накопления минимальных рассогласований и блок временного запоминания минимальных рассогласований соединен со вторым входом блока вычисления рассогласований сигналов, второй выход блока управления восстановлением профиля подключен к блоку ,вычисления рассогласований сигналон и к блоку временного запоминания минимальных рассогласований, а через блок определения минимального рассогласования — к блоку запоминания локально-оптимальных продолжений профиля, а третий выход блока управления носстанонлением профиля подключен к входу блока определения минимального окончательного рассогласования, а через блок накопления минимальных рассогласований — ко второму входу блока определения минимального окончательного рассогласования, выход которого через блок восстановления профиля и блок запоминания локально-оптимальных продолжений профиля подключен ко вто- рому входу блока восстановления профиля„ ныход которого соединен с блоком управления восстановлением профиля и блоком управления устройства.

Как и в прототипе, в устройстве снимки стереопары сканируются по сетке эпиполярных линий и преобразуются н дискретные цифровые сигналы. В отличие от прототипа, в устройстве каждый очередной восстанавливаемый эпиполярный профиль рельефа восстанавливается одновременно по всему сечению рельефа, причем при восстановлении (11 упорядоченным сокращенно способом перебираются все допустимые из физических соображений варианты рельефа наблюдаемой местности и (2) учитываются допустимые неоднородные амплитудные искажения сигналов в соотнетственных "î÷êàõ снимков, такие, что приращения сигналов в соседних соответственных точках вдоль соответстненных эпиполярных линий сканирования снимков пропорциональны одно другому с точностью до однородных случайных помех, и коэффициенты пропорциональности изменяются произвольным образом н заданном интервале значений.

Блок-схема устройства приведена на фиг. 1 и 2. Устройство содержит фотоэлектрический преобразователь 1

690291 первого снимка, фотоэлектрический преобразователь 2 второго снимка, блок 3 управления сканированием, блок 4 оперативной памяти для снимков в цифровой Форме 4, блок 5 управления устройством, блок 6 адресации точек, блок 7 управления вос5 становлением профиля, блок 8 вычисления разностных сигналов, блок 9 временного запоминания минимальных рассогласований, блок 10 вычисления рассогласований сигналов, блок 11 определения минимального рассогласования, блок 12 накопления минимальных рассогласований, блок 13 определения минимального окончательного рассогласования, блок 14 запоминания локально-оптимальных продолжений профиля, блок 15 восстановления

Г1рофиля (параллаксов).

Блок 5 управления устройством через блок 3 управления сканированием подключен к блокам фотоэлектрических преобразователей 1 и 2. Другим выходом блок 5 соединен со вторыми входами блоков преобразователей 1 и 2, выход которых подключен к входам блока 4 оперативной памяти для снимков в цифровой форме. Блок 7 управления восстановлением профиля связан шинами 16 с блоком 6 адресации точек, шинами 17 — с блоком 9 ЗО временного запоминания минимальных рассогласований, шинами 18 — с блоком 10 вычисления рассогласований сигналов, шинами 19 — с блоком 11 определения минимального рассогла- 35 сования сигналов, шинами 20 — с блоком 12 накопления минимальных рассогласований и шинами 21 — с блоком 13 определения минимального окончательного рассогласования. 40

Блок 6 адресации точек шиками 22 связан с блоком 4 оперативной памяти для снимков в цифровой форме. Последний шинами 23 связан с блоком 8 вычисления разностных сигналов, который шинами 24 соединен с блоком 10 вычисления рассогласований сигналов.

Блок 10 шинами 25 связан с блоком 9 временного запоминания минимальных рассогласований и шинами 26 — с блоком 11 определения минимального рассогласования. Блок ll шинами 27 связан с блоком 14 запоминания локально-оптимальных продолжений профиля и шинами 28 — с блоком 12 накопления минимальных рассогласований.

Последний шинами 29 связан с блоком

9 временного запоминания минимальных рассогласований и шинами 30 с блоком 13 определения минимального окончательного рассогласования. 6О

Шинами 31 блок 13 связан с блоком восстановления профиля 15. Блок 15 входными и выходными шинами 32 и

33 связан с блоком 14 запоминания локально-оптимальных продолжений 65 профиля и по шинам 34 и 35 подключен к блоку 7 управления восстановлениeì профиля и блоку 5 управления устройством.

При описании работы использованы следующие обозначения:

1 = 1,2,. п — цифровая координата точки эпиполярного профиля рельефа и одновременно цифровая координаТа соответственной точки первого снимка стереопары, изображающей эту точку профиля;лР =-ьт,-ьт+1,...o1 а приращения целочисленных параллаксов, отвечающие допустимым изменениям высоты точки восстанавливаемого профиля по отношению к соседнему эпиполярному профилю рельефа; а„," граница допустимых изменений параллаксов в одноименных точках сосед-. них профилей рельефа (a Î); Р „опорные целочисленные продольные параллаксы соответственных точек снимков, отвечающие восстановленным высотам точек соседнего профиля;

Р, = Р „- ьР„ — целочисленные продоль" ные йараллаксы соответственных точек снимков, отвечающие допустимым высотам точек восстанавливаемого профиля;

0((1- сигнал для снимка в цифровой

Форме в точке, лежащей на рассматриваемой эпиполярной линии сканирования первого снимка; И(1- Р;) — аналогичный сигнал для соответственной точки второго снимка; дМ((,1-4 )= Ч(1) — Ч(1 - 1) - приращение сигнала в соседних точках вдоль эпиполярной линии сканирования первого снимка; а и(i — Р„, j- -P; „) = A(-р„) — g (1 p )— приращение сигйала в точках второго снимка, соответственных точкам 1, 1 -( на первом снимке в случае, если локальное продолжение рельефа между точками 1 и 1- 1 профиля характеризуется параллаксами Р„, Р„ „ в этих точках; (Р„) — остаточное минимальное рассогласование между сигналами на обоих снимках стереопары в случае, когда высота в 1-й точке профиля характеризуется параллаксом Р;; (Р„.) — частная сумма квадратичных мйнимальных рассогласований между снимков для локально-оптимального варианта профиля рельефа для точек 1, 2,..... 1,характеризующегося в точке iïàpàëëàêcoì Р; (Р„,Р; „ ;) — локальное рассогласование между сигналами, соответствующее локальному продолжению рельефа между точками 1 и 1-1, характеризующимися параллаксами Р„. и P <

gj(Р Р. т. =Б. (О. ) ч(,„,)

-7.t.r 4(i,1- 4) й(1-Р„,i-<-Р; )) б 3. — коэффициент, задающий допустиьыв

690291 где

8 (р1-.Р1,,r"(Р1 р 111 неоднородные амплитудные искажения сигналов в соответственных точках снимков и принимающий произвольные значения в непрерывном ограниченном интервале 1 (1 1с» вестными дойустимыми границами

05и >05 (3 ( (Р„,Р; „ ) — минимальное квадратичное рассогласование между сигналами снимков для соседних точек проФиля i, 1-1, характеризующихся па,:раллаксами Р, Р1 { < по всем допусти" мым амплитудным искажениям сигналов) ь, {(Р{,3+ьЧ({ i-e)

69(1,{-«1+аФ({-Р.,«-{-p „) о 8сАи {(min < Y { Омс

Р„ «(Р„) - локально-оптимальное продолжение рельефа от точки 1 к точке {-1 профиля (в терминах . ,параллаксов соответственных точек снимков) в случае, если точка 1 профиля характеризуется параллаксом Р;;

Р; „(Р; =с гдппи (,э ° (р„. 1+6.(Р;,Р„„Ч, Р{-{ где минимум берется по всем допустимым продолжениям рельефа, заканчивающимся в точке {, характеризуемой параллаксом Р„; из условий физической осуществимости профиля параллаксы

Р«q для допустимых продолжений ограничены условием:, О wag — p{ р{ „- «> где ди„с, > 0 — заданная граница допустймых изменений параллакса для соседних тачек профиля.

В этих обозначениях соотношения, связывающие величины рассогласования сигналов, записываются как.

2{(р;).Э{„(р,. „(Р{ч. 6{ (р,,р,.,(р,3, 9{(Р{-)=g Р;,Р,{ „(Р{1,У„Р„,Р, „(Р;) Основной особенностью устройства является та, чта вместо последова20

ЗО

Щ

5Q тельных определений максимальной взаимной корелляции между сигналами снимков при нескольких допустимых вариантах рельефа в окрестности каждой восстанавливаемой точки, в нем определяется суммарное минимальное квадратичное рассогласование между сигналами снимков сразу для всех точек восстанавливаемого эпиполярного профиля по всем допустимым,вариантам такого профиля, ограниченным только условиями Физической осуществимости: (р,, р ) дар п и p d (р Р ) (р„,." „) "

Искомый профиль рельефа в терминах параллаксов (Р»,... р„ ) восстанавливается в устройстве при помощи блоков, аппаратурно реализующих процесс минимизации су п|арного рассогласования сигналов по методу динамического программирования.

Блок 7 управления восстановлением профиля выполняет перебор точек =1,2,..., п восстанавливаемого профиля и для каждой очередной точки перебирает возможные значения параллакса Р„. в диапазоне допустий Р,- "-Р;={,-а .д каждого з начения Р, перебираются допустимые продолжения профиля, т. е. параллаксы Р;{ в,циапаэоне допусти-. мых значений Р, „Р;„Р;".сУ„„,,„. По значениям 1, Р„, р „Hà выходе блока 1 блок б адресации точек выбирает иэ блока 4 оперативной памяти сигналы М({),Ч({-{ „ а({-{ l >%(1;{ Р1«1.

Выбранные сигналы передаются в блок

8 вычисления раэностных сигналов, в котором формируются сигналы йЧ (1, {-«) и Ый(1 — Р„, < -1- Р; „) . Эти раэностные сигналы передаются в блок 10 вычисления рассогласований. Одновременно по сигналам Р„. { на выходе блока 7 в блок 10 из блока 9 временного запоминания передается сигнал остаточного минимального оассогласования Б„- „ (Р; ) и сигнал частотной суммы рассогласований Р„. „(Р-,) для предыдущей точки 1-« профиля.

По полученньм сигналам блок 10 Формирует текущее значение суммарного квадратичного рассогласования:

2„-„(9 „)d„(P; р;- ) и значение минимального локального рассогласования: для сигналов, соответствующих текущей паре точек 1,, « -1 профиля и параллаксам Р 1, Р„„для этой пары.

Параллаксы Р{ Р1 .{ характеризуют текущее продолжение профиля, закан690291

ЗО

2 lYnll Q (P ï чивающееся н точке i c параллаксом

Р;.

Функциональная схема одного из возможных нариантон реализации блока 10 представлена на фиг.2. Блок

36 суммирует поступающие на него входные сигналы; блок 37 вычитает иэ сигнала по первому входу сигнал, поступающий по второму входу; блок

38 возводит входной сигнал в квадрат; блоки 39 и 40 аналогичны блоку

36 (суммируют входные сигналы); блок 41 перемножает входные сигналы; блок 42 формирует частотное от деления сигнала, поступающего по пер- вому входу, на сигнал по второму входу; блоки 43 и 44 выделяют на выходе, соответственно, наименьший и наибольший из входных сигналов.

Все эти блоки 36-44 могут быть реализованы при помощи стандартных функциональных элементон аналоговой и цифровой вычислительной техники.

Выходные сигналы блока 10 поступают на вход блока 11 определения минимального рассогласования. Под управлением блока 7 в блоке 11 для каждого значения параллакса Р1 определяется минимальная по всем допустимым значениям параллакса Р„ сумма квадратичных рассогласований 1„(Р„), остаточное мИнимальное рассогласование сигналов 8;(Р;) и локально-оптимальное продолжение профиля, т.е. значение параллакса

Р„. „ (Р„) н предшествующей точке 1 -1 профиля, отвечающее найденной минимальной сумме рассогласований.

Сигналы Э„-(Р„) и S„ (P;) заносятся в блок 12 накопления минимальных рассогласований, где запоминаются н позициях, соответствующих перебираемому значению параллакса Р„.. Значение Р 9,,(Р„) заносится н блок 14 запомйнания локально-оптимальных продал»сений профиля в позицко, соответствующую текущей точке 1 профиля и параллаксу Pi äëÿ этой точки.

После перебора всех допустимых значений параллакса Р; для точки 1 проФиля величины D„ (Р;) и 9„.(Р„), накопленные в блоке 12, передаются в блок 9 для замещения находившихся там ранее величин Э „. „(Р; ) и (Р; <) . После этого блок 7 уйравления переходит к очередной точке 1+1 профиля, и весь описанный цикл работы повторяется.

После того, как перебор точек профиля 1 =1, 2... g закончен, по сигналу от блока управления 7 в блоке 13 определяется минимальное окончательное суммарное рассогласование сигналов:

65 и значение параллакса:

V„=aug rain р (pÄ) н П и в последней точке и восстанавливаемого профиля, отвечающее этому ми,нимуму. Параллакс Р" передается в блок 15 восстановления профиля, который по значениям локально-оптимальных продолжений профиля

Р „(Р;), запомненным н блоке 14 для всех точек i=1,2,...ò и всех допустимых значений параллаксов Р; н этих точках профиля, последова- тельно реконструирует искомый рельеф в терминах параллаксов (Р",... Р„») от конца к;началу :

Восстановленный профиль (Р1,...

Р») передается н блок 7 управления A восстановления профиля для последующего использования в качестве опорных параллаксов Ро,=Р»;j-.1,2,.-идля следующего соседнего восстанавлива" емого профиля. Одновременно этот. носстановленный профиль поступает в блок 5 управления устройством для использования при составлении цифровой карты рельефа местности., - Формула изобретения

Устройство для автоматического восстанонления рельефа местности по стереопаре аэроснимкон, содержащее блок управления устройством, один выход которого через блок управления сканированием подключен к входам фотоэлектрических преобразователей снимков, а другой выход — ко вторым входам Фотоэлектрических преобразователей снимков, выходы которых подключены к блоку оперативной памяти для снимков в цифровой форме, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости восстановления рельефа, н него введены блок управления восстановлением профиля, блок адресации точек, блок вычисления разностных сигналов, блок временного запоминания минимальных рассогласонаний, блок вычисления рассогласований сигналов, блок определения минимального рассогласонания, блок накопления минимальных рассогласований, блок запоминания локально-оптимальных продолжений профиля, блок определения минимального окончательного рассогласования и блок восстановления профиля, причем выход блока управления восстановлением профиля через блок адресации точек подключен к блоку оперативной памяти для снимков в цифровой

690291

Р— «г=

s - °

l)urmP««P««««« пар«««м рм«««Фа д,д«,«Д«д«,««p «m Кюи««8

0m ««««о««о У

I я,.«(««., ю «««ю

1

1

I ! ЦИИИПИ

Тираж 866

Заказ 5948/36

Подпи сн ое

«Ю««««-«>g) (Р(«@ «) йg ««««nay rP форме, выход которого через блок вычисления раэностных сигналов подключен к входу блока вычисления рассогласований сигналов, выход которого через блок определения минимальйого рассогласования, блок накопления минимальных рассогласований и блок временного запоминания минимальных рассогласований соединен со вторым входом блока вычисления рассогласований сигналов, второй выход блока управления восстановлением профиля подключен к блоку вычисления рассогласований сигналов и к блоку .временного запоминания минимальных рассогласований, а через блок определения минимального рассогласования — к блоку запоминания локальнооптимальных продолжений профиля, а третий выход блока управления восстановлением рельефа подключен к входу блока определения минимального

2Д окончательного рассогласования, а через блок накопления минимальных рассогласований - ко второму входу блока определения минимального окончательного рассогласования, выход которого через блок восстановления профиля и блок запоминания локально-оптимальных продолжений профиля подключен ко второму входу блока восстановления профиля, выход которого соединен с блоком управления восстановлением профиля и блоком управления устройством.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Бобир Н.Я., Лобанов A.H. Федорук Г. Ц., Фбтограмметрия. Недра, М., 1974, с. 412-429.

2. Патент СНА Р 3.726.591, кл. 356-2, 1973.

3. Патент СИЛ «9 3.901.595., кл. 356-2, 1975 (прототип) .

Филиал ППП Патент, гв УИГОроду ул * Проектная р 4