小天体表面地形视觉分析方法研究

发布时间：2020-05-22 12:06

【摘要】：深空探测活动已经成为空间科研活动的热点,包括俄罗斯,美国,日本等在内的国家和地区近年来都在积极进行深空探测活动。与此同时,由于深空探测的资金投入大,探测周期长,科技水平高等因素,人们对深空探测追求的回报也不断提高。先前将探测器送达目标天体,传回图像等数据的方式已经无法满足人们的需求。人们希望探测器能够着陆在天体表面,获取岩石土壤样本并带回地球开展研究。而这就要求探测器能够在天体的表面实现软着陆。着陆的第一步就是需要在对目标天体观测的基础上选择着陆点。而着陆点的选择需要获取天体表面的地形,天体的运动规律等数据,从而判断出适合着陆的区域。并且岩石无疑也是一个很重要的衡量点,准确识别出岩石的位置和尺寸对选择着陆点有重要参考价值。本文针对小天体探测活动,目的是自动分析出小天体表面地形条件适合着陆的区域。在获得小天体高分辨率的三维点云模型的前提下,本文对小天体表面地形进行地形特征描述和地形分类,识别出在地形要求上适合着陆的区域。然后对识别出的可能适合着陆的区域进行岩石检测。这些共同为最终的着陆点的选择提供地形,障碍物方面的参考。本文主要研究工作有:(1)首先完成从三维点云模型到高程图的转换,采取拟合椭球体或者拟合平面的思想,计算三维点到基准面的距离作为高程值。保留足够多的细节,为之后的研究工作准备数据。(2)在高程图上划分若干局部区域,利用粗糙度和坡度进行地形特征描述,并且采用卷积神经网络训练分类器对人为划分的几类地形进行地形分类,识别出地形比较平坦的局部区域作为候选着陆区域;(3)在前面工作的基础上,针对识别出的地形平坦的局部区域高程图,采用阈值截取地形凸起处的点,利用聚类算法进行聚类,从而确定岩石的数量和位置,并利用局部区域坡度图调整岩石的范围获得岩石的大致尺寸。最后在高程图上标示出岩石的所在位置和大致范围,完成对候选着陆区域高程图的岩石检测。最后,本文在计算机仿真生成的局部地形和对真实场景重建的三维点云模型数据上进行了实验。实验结果表明本文提出的方法能够有效将三维点云模型变换为高程图,能够准确识别出地形相对平坦的区域,并且可以在平坦区域准确检测出岩石。
【图文】：

示意图,陨石坑,岩石,斜坡

、断层、斜坡和岩石（从左到右，从上到下）四类障表面特征检测工作主要是针对陨石坑，岩石，测的有：Alberto Gotelli，Jacqueline Le Moig域的方法检测陨石坑[12]。Guilherme 等人通过来进行光学导航[13]。岩石检测具体见 1.2.2 节雷达扫描获取数字高程模型(Digital Elevation型上计算地形的坡度，如 2000 年 NASA 提出法中就有针对 DEM 的地形坡度计算[14]。此外 Yang Cheng 等人提出的利用多视图几何中的中的斜坡计算坡度[10]:18-28。地形特征的提取，目前国内开展的工作相对多检测方面。陨石坑是一类较大天体表面共有的般较大，图像特征明显易于识别。冯军华等人航路标的提取与匹配方法[15]。陨石坑的提取边缘检测、配对以及形状参数拟合等操作。董表面陨石坑检测技术来检测天体表面的陨石坑

流程图,流程图,着陆区,岩石

（1）地形特征描述与地形分类，确定大致比较平坦的区域作为候选着陆区域。地形特征描述通过计算表面的粗糙度和坡度信息寻找平坦的区域。地形分类的方法则通过使用生成的大量地形仿真数据训练分类器对几类人为设定的地形进行分类，从而找出比较适合作为着陆点的区域。（2）岩石检测，在候选着陆区域中检测岩石，在局部高程图中标示出来。本文对于岩石检测重点是为探测器着陆提供参考数据，于是并不需要岩石的准确边缘信息，更重要的是岩石的空间位置信息和影响的区域。本文的主要研究目标包含两点：（1）从高分辨率小天体三维点云模型中找出地形条件适合着陆的区域。（2）对选择的地形条件满足着陆要求的一个局部区域能自动进行岩石检测，识别出岩石的位置和尺寸。这两点共同服务于同一件事——从重建获得的三维点云模型中得到支撑着陆点选择的地形统计数据。最后，进行一个仿真演示验证实验。本文的整体工作流程如图 1-2。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP183;V448.2;TP391.41

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