高分卫星视频运动目标检测与轨迹提取方法研究

Information extraction based on satellite video belongs to the interdisciplinary research field of photogrammetry and computer vision,which has broad application prospects. Owing to the plane array video satellite platform and payload features, considering the poor stability and difficulty in information extraction of satellite video,this project will propose high-resolution video moving target detection and track extraction method based on the theory of aerospace photogrammetry ;through satellite video imaging geometry in-depth analysis, the "gaze" satellite video image stabilization method is studied; this project researches detection and tracking algorithm for rigid body motion targets (including point and area targets) in satellite video; with strict geometric relationships based on satellite-to-ground video imaging,the ground three-dimension moving target track extraction method and velocity calculation is studied.This project will provide a solid theory basis and implement methods for the application on satellite video motion detection, tracking ,and prediction. The project fills in gaps in video satellite data processing methods and applications, thusing being of great significance for video satellite exploration in remote sensing field.

基于卫星视频的信息提取属于航天摄影测量与计算机视觉的交叉研究领域，具有广阔的应用前景。基于视频卫星平台和有效载荷特征，针对卫星视频数据存在的稳定性差、信息难获取等问题;本项目基于航天摄影测量理论，提出高分卫星视频运动目标检测与轨迹提取方法，在深入分析卫星视频的成像几何特性基础上，研究“凝视”卫星视频稳像方法；研究适用于卫星视频的刚体运动目标（包括点和面目标）检测和跟踪算法；并根据卫星视频的对地成像严密几何关系，研究物方三维运动目标的轨迹提取和运动速度估计方法。本项目可以为卫星视频在运动目标识别与检测追踪预测等方面应用提供理论基础，实现运动目标的可发现可跟踪可预测，对填补国内关于视频卫星数据处理方法及其应用领域的空白，对探索视频卫星在遥感领域的应用具有重要意义。

项目针对视频卫星在运动目标检测与轨迹提取中存在以下问题①常规在轨辐射定标方法依赖场地不适用于高频次定标，②视频卫星彩色重建效率低，③原始视频影像存在幅面抖动，④视频多角度投影差导致运动目标检测存在“伪运动”情况，⑤小目标纹理特征不足，难以鲁棒跟踪。因此本项目基于视频卫星高帧频拍摄特性，提出无场化在轨相对辐射定标方法，实现无场在轨相对辐射定标。通过色差梯度滤波的贝尔插值方法，利用色差及其梯度图像，实现快速彩色重建。构建卫星视频几何模型和帧间配准方法，实现卫星视频高精度稳像。为消除动目标检测过程中的“伪运动”，加入背景更新因子，实现动目标高准确率检测。利用贝叶斯分类，不依赖目标先验概率，在运动平滑性约束下估计目标的后验概率，实现目标鲁棒跟踪。针对目标尺寸小、无纹理问题，利用Hu不变矩进行特征描述，根据跟踪置信图，实现小目标跟踪。针对运动目标的遮挡和旋转，提出连续相关滤波，连续化目标特征，实现目标高可靠性跟踪。研究多测度半全局密集匹配算法生成DSM，并开展基于卫星视频的运动目标估计。利用本项目研究成果，使用珠海一号和吉林一号视频数据进行星海同步实验，稳像精度达到0.3个像素，运动目标检测率达到85%，跟踪成功率达到90%，运动目标速度估计达到0.31m/s，轨迹拟合精度1m，本研究可保障基于卫星视频的运动目标信息自动提取任务，为天基信息支持下的动目标运动状态感知提供技术支撑和服务。