用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明結(jié)合了曲面擬合與JPEG有損壓縮編碼技術(shù)的方法，將曲面擬合結(jié)合JPEG圖像壓縮的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)時(shí)航跡規(guī)劃用地形數(shù)據(jù)庫(kù)和地形匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中的地形數(shù)據(jù)的壓縮上，提出了一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法，首先，對(duì)大尺度的地形分塊后的小塊的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行基于麥夸特法曲面擬合，對(duì)比擬合前后的地形數(shù)據(jù)，然后計(jì)算殘差，對(duì)超出飛機(jī)飛行安全范圍(-100m～100m)的殘差進(jìn)行JPEG有損壓縮。此方法不僅保留了地形的起伏變化，還減小了地形高程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地形數(shù)據(jù)壓縮【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形 數(shù)據(jù)壓縮方法。 用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字地圖己成為現(xiàn)代飛機(jī)飛行中不可缺少的重要 組成部分。而且隨著遙感技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，使得獲取高分辨率的數(shù)字地形數(shù)據(jù)成為可 能。現(xiàn)代的地形數(shù)據(jù)采集技術(shù)向人們提供了精確的地形數(shù)據(jù)，然而隨著對(duì)地形精確度的要 求越來(lái)越高，地形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量也越來(lái)越大。另一方面由于對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電子設(shè)備要 求特別高，必須具有高可靠性、體積小、重量輕，抗沖擊、抗震動(dòng)、耐高低溫、具有很強(qiáng)的環(huán)境 適應(yīng)性等要求，這就限制了普通數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的使用?，F(xiàn)階段，能滿(mǎn)足機(jī)載電子設(shè)備苛刻要 求的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)容量都不是非常的高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0004] 現(xiàn)有的大多數(shù)地形數(shù)據(jù)的壓縮技術(shù)是為了滿(mǎn)足人們的感官要求，應(yīng)用于地形可視 化的研究中。然而，在實(shí)際應(yīng)用于飛機(jī)低空突防中的機(jī)載數(shù)字地圖，現(xiàn)有的地形數(shù)據(jù)的壓縮 技術(shù)往往不能同時(shí)滿(mǎn)足飛機(jī)飛行的安全性要求，以及在適應(yīng)機(jī)載存儲(chǔ)能力的同時(shí)更為精確 的存儲(chǔ)海量的地形數(shù)據(jù)。
[0005] 技術(shù)方案
[0006] 本發(fā)明結(jié)合了曲面擬合與JPEG有損壓縮編碼技術(shù)的方法，將曲面擬合結(jié)合JPEG 圖像壓縮的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)時(shí)航跡規(guī)劃用地形數(shù)據(jù)庫(kù)和地形匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中的地形數(shù)據(jù)的壓 縮上，提出了一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法，首先，對(duì)大尺度的地形分 塊后的小塊的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行基于麥夸特法曲面擬合，對(duì)比擬合前后的地形數(shù)據(jù)，然后計(jì)算 殘差，對(duì)超出飛機(jī)飛行安全范圍（-l〇〇m?100m)的殘差進(jìn)行JPEG有損壓縮。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0008] 所述一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法，其特征在于：對(duì)大尺度 地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，對(duì)得到的每個(gè)小塊地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行如下壓縮處理：
[0009] 步驟1 :采用非線(xiàn)性最小二乘優(yōu)化法中的麥夸特法對(duì)地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬 合，得到對(duì)應(yīng)的高程函數(shù)z = f(x，y)，其中（x，y)表示地形高程數(shù)據(jù)中的位置點(diǎn)，z為點(diǎn) (X，y)處的擬合高程值；
[0010] 步驟2 :計(jì)算步驟1得到的高程函數(shù)中各點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)殘差，若所有點(diǎn)的高程數(shù)據(jù) 殘差均在（-l〇〇m?100m)范圍內(nèi)，則采用該曲面擬合結(jié)果為數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果，否則進(jìn)行步驟 3 ；
[0011] 步驟3 :以各個(gè)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)殘差值作為對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的像素值，得到一幀圖像，對(duì)該 幀圖像進(jìn)行JPEG有損壓縮壓縮，得到數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果，其中在進(jìn)行JPEG有損壓縮壓縮時(shí)需要 使最大正、負(fù)向恢復(fù)誤差最小。
[0012] 進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法，其 特征在于：每個(gè)小塊地形數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)是8X8點(diǎn)塊的倍數(shù)。
[0013] 進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法，其 特征在于：每個(gè)小塊地形數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不大于32X32的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。
[0014] 有益效果
[0015] 本發(fā)明對(duì)地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行基于麥夸特法曲面擬合，對(duì)比擬合前后的地形數(shù)據(jù)， 然后計(jì)算殘差，對(duì)超出飛機(jī)飛行安全范圍（-l〇〇m?100m)的殘差進(jìn)行JPEG有損壓縮。此 方法不僅保留了地形的起伏變化，還減小了地形高程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1 :平坦地形的高程數(shù)據(jù)的擬合前后圖像，（a)擬合前的地形，（b)擬合后的地 形；
[0017] 圖2 :復(fù)雜地形的高程數(shù)據(jù)的擬合前后圖像，（a)擬合前的地形，（b)擬合后的地 形；
[0018] 圖3 JPEG有損壓縮壓縮步驟；
[0019] 圖4 JPEG有損壓縮壓縮量化前后的殘差圖，（a)原始?xì)埐顖D，（b)保留6變換系 數(shù)量化后的殘差圖；
[0020] 圖5 :原始地形數(shù)據(jù)與曲面擬合結(jié)合JPEG壓縮恢復(fù)后的地形圖對(duì)比，（a)原始地形 圖，（b)壓縮恢復(fù)后圖；
[0021] 圖6 :原始復(fù)雜地形數(shù)據(jù)壓縮前后對(duì)比圖，（a)原始地形圖，（b)壓縮恢復(fù)后圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明：
[0023] 本實(shí)施例所用的是東經(jīng)108度北緯34度的SRTM3文件中分別截取的平坦與復(fù)雜 地形的32X32個(gè)點(diǎn)組成的地形高程數(shù)據(jù)，采用32x32的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，一方面是為了后面對(duì) 殘差進(jìn)行JPEG有損壓縮得到更好的壓縮效果，選取的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)是8X8點(diǎn)塊的倍數(shù)；另 一方面采用32x32的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠滿(mǎn)足分析本算法驗(yàn)證要求，也可以根據(jù)實(shí)際需要采用 其他的8X8倍數(shù)的高程數(shù)據(jù)塊。
[0024] 首先采用非線(xiàn)性最小二乘優(yōu)化法中的麥夸特法（Levenberg-Marquardt)，重復(fù)次 數(shù)為30,控制迭代數(shù)為20。對(duì)地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合優(yōu)化計(jì)算，得到最佳參數(shù)、決定系 數(shù)、均方根誤差等。對(duì)比擬合前后的高程數(shù)據(jù)，得到殘差。例如，設(shè)X代表東經(jīng)上的32點(diǎn)，y 代表北緯上的32的點(diǎn)，z為這些點(diǎn)上的高程值。通過(guò)上述方法求得函數(shù)f，使得z = f (X，y)。
[0025] 圖1中主要是平坦地形的高程數(shù)據(jù)的擬合前后圖像，擬合前雖然有很多小棱角， 但是對(duì)整個(gè)地形走勢(shì)，沒(méi)有太大的影響。擬合之后的高程值殘差負(fù)值最小為_(kāi)4m，正值最大 為11米，在飛機(jī)的安全范圍（-l〇〇m?100m)之內(nèi)并且不影響了解整個(gè)地形走勢(shì)，殘差可以 被忽略。圖1的擬合公式為：
[0026]
[0027] 均方根誤差為3.57。
[0028] 圖2為變化比較復(fù)雜、起伏比較大的地形，擬合前后的高程值殘差相差太大， 在-216-268之間，超出了低空突防中飛機(jī)的安全飛行范圍（-100m?100m)，所以這些殘差 不能被忽略，必須對(duì)他們做JPEG有損壓縮，保留這些有用的殘差數(shù)據(jù)。從圖2看出擬合后， 地形起伏中的大棱角特征全部磨平了，出現(xiàn)了失真。圖2的擬合公式為 ：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法，其特征在于：對(duì)大尺度地形 高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，對(duì)得到的每個(gè)小塊地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行如下壓縮處理： 步驟1 :采用非線(xiàn)性最小二乘優(yōu)化法中的麥夸特法對(duì)地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，得 到對(duì)應(yīng)的高程函數(shù)2 =以1，7)，其中（1，7)表示地形高程數(shù)據(jù)中的位置點(diǎn)，2為點(diǎn)（1， 7)處 的擬合高程值； 步驟2:計(jì)算步驟1得到的高程函數(shù)中各點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)殘差，若所有點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)殘差 均在（-100m?100m)范圍內(nèi)，則采用該曲面擬合結(jié)果為數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果，否則進(jìn)行步驟3 ; 步驟3 :以各個(gè)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)殘差值作為對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的像素值，得到一幀圖像，對(duì)該幀圖 像進(jìn)行JPEG有損壓縮壓縮，得到數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果，其中在進(jìn)行JPEG有損壓縮壓縮時(shí)需要使最 大正、負(fù)向恢復(fù)誤差最小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法，其特征在 于：每個(gè)小塊地形數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)是8X8點(diǎn)塊的倍數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種用于低空突防中的機(jī)載數(shù)字地形數(shù)據(jù)壓縮方法，其特征在 于：每個(gè)小塊地形數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不大于32X32的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06T9/00GK104156991SQ201410376630
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月2日
【發(fā)明者】劉娜, 李敏哲, 李博, 宗西霞, 高志娟, 吉潔陽(yáng), 車(chē)明懿, 蘭寶剛, 郝志鵬, 姜夏, 李金蘭 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院四0一所