CN103971479B - 基于摄像机标定技术的林火定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以数字视频监控系统为平台，利用摄像机标定技术和空间分析中可视域分析对林火进行自动定位的方法。根据摄像机系统前端监控点的硬件组成及其成像原理，分别建立了前端监控点空间模型和中心透视投影模型。利用数字图像处理中的相关方法确定图像上火源点的像素坐标。然后，利用Matlab中Camera Calibration Toolbox对定焦摄像机的关键参数进行标定，求出其内方位元素和图像畸变系数，结合渐进穷举法或ArcGIS Engine通视性分析中的相关方法，实现了对单目摄像机单幅图像上任意位置火点的自动定位。

Description

基于摄像机标定技术的林火定位方法

技术领域

本发明涉及一种火灾实时、快速和精确森林火灾自动定位方法。

技术背景

到目前为止，森林火灾定位方法主要有以下几种：

1.利用前方交会法定位火点。该方法利用电子角规和GPS一体机进行火点的快速定位，它的原理是首先用GPS一体机进行电子角规的定位，然后用电子角规瞄准火缘树木，读取角度，应用前方交会发确定火点。该方法存在受人工因素影响较大、实时性和快速性不高等缺点。

2.国内外利用巡航飞机、气象卫星、遥感卫星等航空技术，对飞机或卫星传回的图像数据进行分析，定位火灾位置。由于巡航飞机和卫星不能对同一地区持续监控，其实时性不高，而且设备造价昂贵。

因此，随着森林保护力度不断地加大，火灾定位实时、快速和高精度要求不断提高，以上几种方法在快速精确地确定森林火灾位置时有待改进。

发明内容

针对目前林火定位方法实时性、快速性和定位精度偏低等问题，本发明的目的是提供一套实时的、快速的、精确的森林火灾定位方法。

本发明是通过以下三部分内容实现的：

①对数字视频监控系统前端监控建立摄像机成像模型，并利用张正友相机标定法对摄像机进行标定，求出其内部参数和畸变系数。

②通过直方图均衡化、区域生长法等图像处理算法，求解出林火报警图片中火源点的像素坐标。

③根据数字视频监控系统前端监控硬件基础，建立单点定位模型，利用渐进穷举法或通视性分析，对图像主像点位置的火点进行定位。另外，结合①和②的结果，可实现图像中任意位置火点的自动定位。

本发明的有益效果在于：

①首先建立了数字视频监控系统前端监控点单点定位模型，利用数字云台的角度信息和地理数据，实现了森林火灾的实时自动定位。较之其他监控手段和途径，在实时性、快速性和准确性有很大的提高，而且设备架设方便、造价低廉。

②森林火灾自动定位系统可以与林火图像识别系统和防火指挥系统相结合，建立一套完整的森林防火预警系统。

附图说明

图1为本发明整体流程图；

图2为本发明中前端监控点空间模型示意图；

图3为本发明中摄像机中心透视投影模型示意图；

图4为本发明中摄像机标定过程示意图；

图5为本发明中使用图像处理算法求解林火报警图片中火源点像素坐标的路线图。

图6为本发明中单点定位平面示意图；

图7为本发明中单点定位垂直剖面示意图；

具体实施方式

参照图1，本发明根据摄像机系统前端监控点的硬件组成及其成像原理，分别建立了前端监控点空间模型和中心透视投影模型。然后，对定焦摄像机的关键参数进行标定。利用图像处理中的相关方法得到图像上火源点的图像坐标。最后，结合标定结果、火源点像素坐标和林场地理数据，利用渐进穷举法或ArcGIS Engine通视性分析中的相关方法，实现了对单目摄像机单幅图像上任意位置火点的自动定位。

本发明具体的实施方式如下：

第一步，参照图2，根据数字视频监控系统前端监控点的硬件基础，建立前端监控点的空间模型。具体建立思想为：将摄像机的光轴视为一条射线，当火点处于图像主像点位置时，射线与山体的交点即为火点。

第二步，参照图3，根据林场监控系统属于远距离、大范围监控系统，可用中心透视投影模型表示其成像关系，建立前端监控点中心透视投影模型，求解出图像上任意位置火点相对于光轴的角度偏移量。然后，参照图4，对摄像机进行标定。标定的具体步骤为：制作黑白方格棋盘标定板，用定焦摄像机从不同角度采集标定板图像；再利用Matlab中的CameraCalibration Toolbox或其他标定工具对摄像机的关键参数进行标定，求出其内方位元素和图像畸变系数。

第三步，参照图5，通过图像处理中相关方法对林火报警图像进行剪切，去除烟雾上方区域，以排除一定的干扰，同时简化数据，减少数据量，提高处理速度。再利用直方图均衡化的方法提高烟雾区域与背景的对比度。然后，利用烟雾区域与背景在RGB颜色模型中的差异，利用区域生长法分割出烟雾区域。最后，根据烟雾向上扩散的性质，遍历烟雾区域得到区域最低点，视为火源点。

第四步，参照图6和图7，结合第一步所建立的空间模型和林场的地理数据，采用渐进穷举法或ArcGIS Engine通视性分析，实现对单目摄像机单幅报警图像主像点位置火点的自动定位。

第五步，利用第一步、第二步和第三步所得结果，采用第四步中的方法，实现对单目摄像机单幅报警图像上任意位置火点的自动定位。

Claims (1)

1.基于摄像机标定技术的林火定位方法，其特征是：①基于数字视频监控系统前端监控建立单点定位模型；②利用张正友相机标定法对监控前端摄像机进行标定，并建立中心透视投影模型；③利用图像处理中直方图均衡化和区域生长法，确定林火报警图像中火源点的像素坐标；④利用前端监控云台回传角度信息和地理数据，采用渐进穷举法对林火火源点进行定位；或利用②和③中结果和地理数据，采用空间分析中通视性分析进行林火火源点定位，并将定位结果标注在电子地图上；

所述步骤③，具体包括：

通过图像处理中相关方法对林火报警图像进行剪切，去除烟雾上方区域；再利用直方图均衡化的方法提高烟雾区域与背景的对比度；然后根据烟雾区域与背景在RGB颜色模型中的差异，利用区域生长法分割出烟雾区域；最后根据烟雾向上扩散的性质，遍历烟雾区域得到区域最低点，视为火源点。