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面向D级飞行模拟机视景系统的高真实感三维地形构建关键技术研究

戈文一  
【摘要】:近年来,民航航空运输业迅速发展的同时给航空安全带来巨大挑战。作为飞行员适航训练的核心装备,D级飞行模拟机对提高飞行安全性具有重要且不可替代的作用。地形采样数据能够真实获取全球范围的地表信息,这与飞行仿真训练特点高度契合,因此D级飞行模拟机视景系统通常以真实地形采样数据构建的三维地形为核心,营造逼真的飞行场景为飞行员提供必要的视觉信息。三维地形的真实感和实时性决定了飞行训练的质量,进而影响飞行安全。本文在满足D级飞行模拟机关于三维地形鉴定标准的基础上,研究地形采样数据中DEM和遥感影像的预处理方法,并以优化后的采样数据为数据源,研究三维地形的调度渲染方法实现高真实感三维地形构建。本文主要贡献如下:(1)本文充分分析了现有三维地形构建及地形采样数据预处理过程中存在的问题,提出了一种面向D级飞行模拟机的地形采样数据自动化预处理框架,涉及基础数据管理、DEM预处理、遥感影像预处理、采样数据质量评价以及三维地形构建等模块。受限于篇幅与研究精力,本文从应用出发针对三维地形构建过程中的必要步骤进行深入研究,主要包括遥感影像去雾、遥感影像超分辨率、DEM预处理以及三维地形调度渲染等关键技术,从而为构建高真实感三维地形打下初步基础。(2)针对使用雾霾影像构建的三维地形存在颜色失真、能见度差等问题,本文提出了一种基于编-解码器结构的遥感影像去雾模型,充分利用遥感影像的空间上下文信息,有效结合影像数据像素到像素、区域到区域之间的浅层与深层映射关系实现影像去雾。设计优化了模型的特征提取结构,通过引入多尺度卷积提取影像的多空间分辨率特征,通过引入特征注意力适应遥感影像的复杂纹理结构实现多分辨率和多地形地貌条件下的影像去雾,最后通过引入组归一化、FRe LU激活函数以及多任务损失进一步提高模型去雾质量。真实实验数据结果表明:本文方法在不同分辨率和多地形场景下的遥感影像去雾处理中都获得了优异的性能,具有较高的去雾质量,能够较好地满足D级飞行模拟机对地形采样数据的要求。(3)针对影像分辨率不足导致三维地形精度低、关键地物信息辨识度差等问题,本文提出了一种基于生成对抗网络的遥感影像超分辨率模型,并构建了专门面向飞行模拟机视景仿真的遥感影像超分辨率Airport80数据集用于模型训练。通过引入生成对抗机制,训练生成器重建超分辨率影像,鉴别器专注于真实高分辨率影像与生成影像之间的真伪判断,以生成更真实的高分辨率影像。改进了生成器网络结构,提出一种基于特征注意力的低频地形特征提取方法以提高模型的跨地域泛化能力,通过引入可变形卷积重构遥感影像的高频地物细节以增强关键地物信息。基于Airport80数据集的真实遥感影像数据实验表明,本文方法能够有效提高影像分辨率,较好地满足飞行模拟训练对构建高精度三维地形的要求。(4)根据D级飞行模拟机中三维地形构建流程,研究DEM预处理和三维地形调度渲染方法,验证了经过预处理优化后地形采样数据的实际应用价值。首先,提出一种DEM快速配准校正方法实现了DEM数据和机载导航数据库的准确匹配。其次,设计了一种基于Infini Band的同步地形调度渲染结构,并通过研究海量数据组织管理方法、地形纹理渲染方法以及坐标精度控制方法,实现了高性能渲染引擎下的高真实感全球三维地形构建。通过在真实B737-300型D级飞行模拟机的应用验证说明,本文方法明显提高了地形采样数据的清晰度、精度及准确性,优化后的地形采样数据可有效提升三维地形的真实感,且实时性能够满足D级飞行模拟机的要求。同时,本文提出的地形采样数据预处理框架对飞行视景仿真领域的三维地形构建具有较强的借鉴意义。


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