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基于3D Zernike矩的快速地形匹配算法

王可东 周俊杰

王可东, 周俊杰. 基于3D Zernike矩的快速地形匹配算法[J]. 全球定位系统, 2023, 48(6): 58-66. doi: 10.12265/j.gnss.2023130
引用本文: 王可东, 周俊杰. 基于3D Zernike矩的快速地形匹配算法[J]. 全球定位系统, 2023, 48(6): 58-66. doi: 10.12265/j.gnss.2023130
WANG Kedong, ZHOU Junjie. A fast terrain matching algorithm based on 3D Zernike moment[J]. GNSS World of China, 2023, 48(6): 58-66. doi: 10.12265/j.gnss.2023130
Citation: WANG Kedong, ZHOU Junjie. A fast terrain matching algorithm based on 3D Zernike moment[J]. GNSS World of China, 2023, 48(6): 58-66. doi: 10.12265/j.gnss.2023130

基于3D Zernike矩的快速地形匹配算法

doi: 10.12265/j.gnss.2023130
基金项目: 国家自然科学基金(62173011)
详细信息
    作者简介:

    王可东:男,副教授,主要从事地形匹配算法、卫星/惯性组合导航、天文/惯性组合导航和最优滤波算法等方面的研究

    周俊杰:男,博士,主要从事地形匹配算法方面的研究

    通讯作者:

    王可东 E-mail: wangkd@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: P228.4;P249.32

A fast terrain matching algorithm based on 3D Zernike moment

  • 摘要: 针对当前基于3D Zernike矩的地形匹配算法存在计算量大、实时性差的问题,通过分析3D Zernike矩的计算过程和构成地形特征向量的奇偶阶描述子的性能,提出了适用于地形匹配的3D Zernike矩快速计算方法和只使用奇数阶描述子构成特征向量的匹配方式. 仿真实验表明:本文所提快速算法不仅能大幅降低计算量,还提高了匹配精度.

     

  • 图  1  坐标转换关系

    图  2  匹配精度随3D Zernike矩阶次变化曲线

    图  3  最大高度差287 m地区的描述子值

    图  4  最大高度差425 m地区的描述子值

    图  5  最大高度差970 m地区的描述子值

    图  6  最大高度差1 348 m地区的描述子方差

    图  7  最大高度差287 m地区的描述子方差

    图  8  最大高度差425 m地区的描述子方差

    图  9  最大高度差970 m地区的描述子方差

    图  10  最大高度差1 348 m地区的描述子方差

    图  11  描述子误差均值

    图  12  描述子误差方差

    图  13  旋转问题示意图

    图  14  转角${15^ \circ }$

    图  15  转角${30^ \circ }$

    图  16  转角${45^ \circ }$

    图  17  飞行轨迹及匹配

    图  18  匹配误差

    表  1  计算复杂度比较

    指标 传统算法 快速算法
    向量乘法 286×2 210
    向量乘方 286×3 9
    求和 286 242
    转置及复数乘法 286 0
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    表  2  算法用时对比

    算法 100幅图/s 省时/%
    传统算法 36.09 -
    快速算法 1.70 95.27
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    表  3  ${ \varOmega _{n,l}^m} $${r,s,t}$组合的对应关系

    ${ \varOmega _{n,l}^m} $rst${ \varOmega _{n,l}^m} $rst
    $ \varOmega _{2,0}^0 $000$ \varOmega _{3,1}^1 $010
    002102
    020030
    200100
    $ \varOmega _{2,2}^0 $002102
    020120
    200210
    $ \varOmega _{2,2}^1 $101003
    011$ \varOmega _{3,3}^0 $003
    $ \varOmega _{2,2}^2 $020021
    110201
    200$ \Omega _{3,3}^1 $012
    $ \varOmega _{3,1}^0 $001030
    003102
    021120
    201210
    $ \varOmega _{3,3}^3 $010300
    102$ \varOmega _{3,3}^2 $021
    030111
    100201
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    表  4  各阶次描述子编号

    编号 描述子
    1~2 ${F_{2,0}},{F_{2,2}}$
    3~4 ${F_{3,1}},{F_{3,3}}$
    5~7 ${F_{4,0}},{F_{4,2}},{F_{4,4}}$
    8~10 ${F_{5,1}},{F_{5,3}},{F_{5,5}}$
    11~14 ${F_{6,0}},{F_{6,2}},{F_{6,4}},{F_{6,6}}$
    15~18 ${F_{7,1}},{F_{7,3}},{F_{7,5}},{F_{7,7}}$
    19~23 ${F_{8,0}},{F_{8,2}},{F_{8,4}},{F_{8,6}},{F_{8,8}}$
    24~28 ${F_{9,1}},{F_{9,3}},{F_{9,5}},{F_{9,7}},{F_{9,9}}$
    29~34 ${F_{10,0}},{F_{10,2}},{F_{10,4}},{F_{10,6}},{F_{10,8}},{F_{10,10}}$
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    表  5  噪声标准差5 m情况下的匹配概率

    转角精确匹配概率/%
    全阶奇数阶偶数阶
    94.199.080.6
    15°75.988.849.5
    30°78.388.251.7
    45°69.682.042.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-04
  • 录用日期:  2023-07-04
  • 网络出版日期:  2023-12-07

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