CN104596588A - 基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成方法及系统，包括通过移动载体平台进行采集，在每个采集位置点同时获取真实场景的环境参数与可量测实景影像；通过可量测实景影像构建真实场景的时空模型，包括通过可量测实景影像的外方位元素及采集时间建立时空序列索引，根据可量测实景影像量测出场景中地形关键点，由地形关键点组成场景粗略模型；依据构建完成的时空模型组织环境参数，记录用户通过可量测实景影像标注的污染特征点和相应评价信息，将标注结果加入时空模型得到真实场景的环境现状时空模型并输出显示。本发明所提供将可量测实景影像作为一种特殊的环境参数用于构建环境现状时空模型，充分利用了其可量测性。

Description

基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成方法及系统

技术领域

本发明涉及环境监测及污染分析领域，特别是涉及一种基于可量测实景影像和多元环境参数的环境现状时空模型及其获取方法。

背景技术

随着人们对于环境问题的日益重视以及环境传感器技术的发展，环境传感器的采样频率、检测精度等技术参数都在快速提高，同时环境传感器的体积也逐渐小型化、模块化并集成于移动载体平台之上。除一般监测的传统环境参数以外，实景影像以及位置姿态等空间信息也逐渐引起人们的重视，作为辅助资料也和环境参数一起进行采集。例如实用新型专利ZL201220356145.1公开了一种可以同时采集多环境参数、实景影像和对应位置、姿态等空间信息的装置。但是，采集所得各种信息是分别以文本文件形式存储在工业计算机中，无法得到有效利用。

       目前公知的基于二维电子地图或者电子图形表格的环境现状模型无法直观的体现现场实景，对使用者的专业性要求较高。另外，公知的模型可交互性差，使用者只能被动接受到模型本身所表达的信息，无法将自己的评价和判断直观地添加到模型中。部分公知的环境监测技术即使引入了实景影像和相关空间信息，也只是将它们分别作为一种独立的场景信息，并没有将可量测实景影像作为一种特殊的环境参数应用于建立环境现状模型。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于可量测实景影像和多元环境参数的环境现状时空模型获取技术方案，以解决目前的环境现状模型在直观性和可交互性等方面存在的问题，使得环境现状模型更好的为使用者服务。

本发明的技术方案提供一种基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成方法，执行以下步骤：

步骤一、通过移动载体平台进行采集，在每个采集位置点同时获取真实场景的环境参数与可量测实景影像；

步骤二、通过可量测实景影像构建真实场景的时空模型，包括通过可量测实景影像的外方位元素及采集时间建立时空序列索引，时空序列索引在空间中体现为根据时间顺序用直线段连接每个采集位置点所构成的平台运动轨迹；基于时空序列索引，根据可量测实景影像量测出场景中地形关键点的三维坐标，由地形关键点组成场景粗略模型；

步骤三、依据构建完成的时空模型组织环境参数，包括依据可量测实景影像的采集时间，将相应时刻的环境参数数据作为属性数据添加到平台运动轨迹的每个采集位置点上；

步骤四、记录用户通过可量测实景影像标注的污染特征点和相应评价信息，根据可量测实景影像量测出污染特征点的三维坐标；

步骤五、将步骤四的标注结果加入时空模型得到真实场景的环境现状时空模型，在真实场景的环境现状时空模型中，通过某采集位置点处可量测实景影像标注出的污染特征点，具有评价信息属性和该采集位置点处相应环境参数属性；根据真实场景的环境现状时空模型输出显示，显示内容包括平台运动轨迹、可量测实景影像和场景粗略模型，可量测实景影像和场景粗略模型中提供污染特征点。

而且，所述移动载体平台包括环境参数采集部分和可量测实景影像采集部分，环境参数采集部分包括各种大气环境传感器、水质环境传感器、其他环境传感器，分别采集大气环境参数、水质环境参数和其他环境参数；可量测实景影像采集部分包括定位装置、定姿装置、相机，分别获取平台位置数据、平台姿态数据和实景影像，通过关联平台位置数据、平台姿态数据和实景影像提供可量测实景影像。

而且，所述污染特征点为污染源、疑似污染源或其他相关目标，其他相关目标包括污染现状。

而且，所述污染特征点的相应评价信息包括评价内容、评价人和评价时间。

本发明相应提供一种基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成系统，包括以下模块：

采集模块，用于通过移动载体平台进行采集，在每个采集位置点同时获取真实场景的环境参数与可量测实景影像；

时空模型构建模块，用于通过可量测实景影像构建真实场景的时空模型，包括通过可量测实景影像的外方位元素及采集时间建立时空序列索引，时空序列索引在空间中体现为根据时间顺序用直线段连接每个采集位置点所构成的平台运动轨迹；基于时空序列索引，根据可量测实景影像量测出场景中地形关键点的三维坐标，由地形关键点组成场景粗略模型；

环境参数组织模块，用于依据构建完成的时空模型组织环境参数，包括依据可量测实景影像的采集时间，将相应时刻的环境参数数据作为属性数据添加到平台运动轨迹的每个采集位置点上；

污染特征点标注模块，用于记录用户通过可量测实景影像标注的污染特征点和相应评价信息，根据可量测实景影像量测出污染特征点的三维坐标；

环境现状时空模型输出模块，用于将污染特征点标注模块的标注结果加入时空模型得到真实场景的环境现状时空模型，在真实场景的环境现状时空模型中，通过某采集位置点处可量测实景影像标注出的污染特征点，具有评价信息属性和该采集位置点处相应环境参数属性；根据真实场景的环境现状时空模型输出显示，显示内容包括平台运动轨迹、可量测实景影像和场景粗略模型，可量测实景影像和场景粗略模型中提供污染特征点。

而且，所述移动载体平台包括环境参数采集部分和可量测实景影像采集部分，环境参数采集部分包括各种大气环境传感器、水质环境传感器、其他环境传感器，分别采集大气环境参数、水质环境参数和其他环境参数；可量测实景影像采集部分包括定位装置、定姿装置、相机，分别获取平台位置数据、平台姿态数据和实景影像，通过关联平台位置数据、平台姿态数据和实景影像提供可量测实景影像。

而且，所述污染特征点为污染源、疑似污染源或其他相关目标，其他相关目标包括污染现状。

而且，所述污染特征点的相应评价信息包括评价内容、评价人和评价时间。

与现有技术相比，本发明将可量测实景影像作为一种特殊的环境参数用于构建环境现状时空模型，不但基于可量测实景影像（序列）的采集时间、外方位元素构建时空模型，还利用其可量测性获取更场景的地形关键点形成粗略三维模型，另外基于可量测实景影像的特征点标注还为这个模型提供了更强的可交互性。本发明技术方案实施简单，有效地结合利用环境参数和可量测实景影像信息，所获得的可量测实景影像（序列）和更加完备的时空模型让使用者更加直观地感知现场实际状况，降低了使用者的理解难度和专业性要求。标注功能所带来的更强的可交互性则实现了使用者智慧在模型中的积累，更加适宜于群策群力集体决策的工作模式发展趋势，在我国城市规模日益剧增的情况下为大面积环境污染治理提供有力的技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例流程示意图。

具体实施方式   

以下结合附图和实施例对本发明技术方案进行具体描述。

本发明提出建立一种基于可量测实景影像和多元环境参数的环境现状时空模型，包括以下各部分：

一、环境参数：通过环境传感器获得，例如TSP、PM2.5、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧等大气环境参数，PH、溶氧量、电导率、浊度等水质环境参数，噪声等其他环境参数。

二、特殊的环境参数——可量测实景影像：一种摄影测量产品，已知内方位元素和外方位元素的针对同一真实场景拍摄的不同角度的立体像对，可以通过前方交会的方法获取场景中对象特征点的空间坐标。

三、基于可量测实景影像的时空模型：包括由可量测实景影像（序列）的外方位元素及采集时间所建立起的时空序列索引，还包括通过量测可量测实景影像（序列）得到的场景特征点。

四、环境现状的评价与污染源的解析判断：包括模型用户通过可量测实景影像标注出的具有空间信息的对象，相关描述和评价以及评价人名字、评价时间等信息。

参见图1，实施例提供的具体建立方法包括如下步骤：

一、同时获取真实场景的环境参数与可量测实景影像（序列）：用环境传感器获取环境参数，用由定姿定位设备和像机对所组成的装置可以获取可量测实景影像。

集成在同一平台上的环境传感器、可量测实景影像采集装置同时采集数据，得到同一时间段、同一场景下的可量测实景影像和环境参数。实用新型专利ZL201220356145.1提出一种可以同时采集多环境参数和可量测实景影像的装置，具体实施时可使用该实用新型所提供装置或者其他集成装置。

实施例中，平台包括环境传感器部分和可量测实景影像采集装置部分，环境传感器部分包括各种大气环境传感器、水质环境传感器、其他环境传感器，分别采集大气环境参数、水质环境参数和其他环境参数。具体实施时，本领域技术人员可自行设置具体传感器，即可采集相应环境参数。可量测实景影像采集装置部分包括定位装置、定姿装置、相机（一般采用高分相机），分别获取平台位置数据、平台姿态数据和实景影像。通过关联平台位置数据、平台姿态数据和实景影像，可提供的摄影测量产品包括可量测实景影像。

具体实施时，可基于机动车等移动载体实现装载平台，提供方便的移动载体平台。通过移动，采用平台可以在不同场景下进行采集，在每个采集位置点同时获取真实场景的环境参数与可量测实景影像，获取数据按时间先后可构成序列。

二、通过可量测实景影像（序列）构建真实场景的时空模型：通过可量测实景影像（序列）的外方位元素及采集时间建立时空序列索引，该索引在空间中可以体现为一条根据时间顺序用直线段连接的点序列，即平台的运动轨迹。基于时空序列索引，根据实际需求可以通过立体像对的可量测特性将场景的地形关键点形成粗略三维模型。

实施例中，可量测实景影像（序列）的外方位元素描述了平台的位置，提供平台位置数据，按照时间顺序可以将每一对可量测实景影像的采集位置点用直线段串联成平台的运动轨迹，运动轨迹在三维空间中表现为一条折线。由于通常是在地面形式进行移动采集，可以忽略高度，在二维电子地图上显示采集位置点构成的运动轨迹。根据可量测实景影像量测出场景中地形关键点的三维坐标，例如大楼的角点、山坡的起止点、树丛的顶点等，由关键点组成场景地物的粗略三维模型。具体实施时，本领域技术人员可根据实际需要指定需要量测的地形关键点，从而生成所需的粗略三维模型。实景影像的拍摄过程中可能存在遮挡、视角盲区等问题，地形由山坡、建筑物、树丛等若干关键性地物来表达。为了获取某个地物（山坡、建筑物、树丛）的完整模型，可以按时空序列索引从多对相关可量测实景影像中各提取一部分属于该地物的关键点。因此，具体实施时，根据用户需求，可以根据多个采集位置点的拍摄结果生成大型地物的粗略三维模型，也可以根据一个采集位置点的拍摄结果生成若干小型地物的粗略三维模型。

三、依据构建完成的时空模型组织环境参数：环境传感器所得到的每一条环境参数数据都有对应的采集时间，步骤二中提及的时空序列索引中的每一个点也具有采集时间，由于多个环境传感器的数据采集频率和起始采集时间未必相同，可通过插值、模式匹配等方法将环境参数映射到已构建完成的基于可量测实景影像（序列）的时空模型中。

实施例中，平台运动轨迹折线中的每一个采集位置点都对应着平台在这个位置测量空间数据的时刻（即获取可量测实景影像的采集时间），同样的每一条环境参数数据也对应着一个测量时刻，因此可以依据可量测实景影像的采集时间，通过插值或者模式匹配等方法可以将相应时刻的环境参数数据作为属性数据添加到平台运动轨迹的每个采集位置点上，从而将每一对可量测实景影像与相应环境参数关联起来，向用户提供。

四、记录用户通过可量测实景影像（序列）标注的污染特征点和相应评价信息，污染特征点为污染源、疑似污染源或其他相关目标：通过浏览步骤三中所提及的基于时空模型组织的环境参数，结合可量测实景影像这一特殊的环境参数所包含的丰富的实景信息，使用者可以对现场的环境现状、污染成因甚至污染源进行分析和评价。具体实施时，使用者通过可量测实景影像标注实际场景中相关景物的特征点，作为相关评论和判断的支撑依据，一般可标注出污染源、疑似污染源及污染现状等相关目标并附上相关评价信息，包括评价内容、评价人和评价时间。已公开的发明专利ZL200610124918.2提出一种通过可量测实景影像标注感兴趣的对象特征点的可视化位置服务方法，具体实施时可采用该技术进行标注。用户使用一对可量测实景影像标注视野中的某个点时，根据其可量测特性能够得到这个点在三维空间中的坐标，因此这个点可以分别同时出现在这两张（一对）可量测实景影像上。即当用户在两幅存在视觉（视角）差异的、有视野重叠的图上分别选择重叠区域某一点在两张影像上的像点，加上定姿定位的数据，根据摄影测量的相关现有解算算法，可以得到这一点的三维空间坐标。当在可量测实景影像上标注了某个对象，这个对象可按照标注得到的三维空间坐标和粗略模型一起显示在三维空间中，不同的点（特征点、关键点）可以用不同的图标或者图形标示。

通过浏览可量测实景影像（序列）可以直观地观察现场实景，根据每一对可量测实景影像所对应的环境参数所反映的环境现状，使用者可以标示出实景中的污染水体、固体堆积污染物等现象以综合评价环境现状，使用者还可以标示出杂乱的人群、冒烟的烟囱、排放污水的明渠等作为污染源分析的支撑依据。评价人在进行标示的同时写下评价内容、评价人姓名与评价时间，可以作为后续使用者的参考。

五、标注目标纳入时空模型得到真实场景的环境现状时空模型：步骤四中提及的标注及相关评论信息是环境现状时空模型的衍生信息，但是从数据共享和集体决策的观点来看，一个使用者的结论（特别是专家意见）对后续使用者的判断具有重要的参考价值，因此需要将标注及评论信息也纳入到环境现状时空模型中。通过某采集位置点处可量测实景影像标注出的污染特征点，除了具有该采集位置点处相应环境参数属性外，还具有评价信息属性。

在可量测实景影像上进行的标示不仅可以对应实景，还可以对应三维空间中的真实坐标，具体实施时，可基于计算机人机交互界面提供本领域技术人员可以自行设计显示方式，同时提供平台运动轨迹、可量测实景影像和场景粗略模型，可量测实景影像和场景粗略模型中提供显示污染特征点，使用者可以更加直观地观察场景中的环境现状。例如查看现场的环境现状及用户标注的环境评论与分析可以通过实景影像浏览模式、三维空间浏览模式、电子表格浏览模式进行，这三个模式互相关联，通过选中其中一个就可以查询到其它两项，便于使用者协同操作。实景影像浏览模式下，在界面的下部分通过二维电子地图上显示采集位置点构成的运动轨迹，在界面的上部分根据用户点击的采集位置点提供该点的可量测实景影像（一对同时显示或根据用户选择只显示其中一张），当用户选取可量测实景影像上的某个污染特征点时，该污染特征点的环境参数属性和评价信息属性内容可采用气泡框形式显示；三维空间浏览模式下，在界面的下部分通过二维电子地图上显示采集位置点构成的运动轨迹，在界面的上部分根据用户点击的采集位置点提供该点相关场景粗略模型的视角，当用户选取视角内的某个污染特征点时，该污染特征点的环境参数属性和评价信息属性内容可采用气泡框形式显示；电子表格浏览模式下，按照采集位置点构成的运动轨迹的时间顺序，将每种环境参数按表格提供，例如，采集位置点序号1的相应采集时间、温度值、空气湿度值、噪音值…采集位置点序号2的相应采集时间、温度值、空气湿度值、噪音值…根据时间顺序，还可分别生成各环境参数的曲线图，例如空气湿度折线图、噪音湿度折线图等。

具体实施时，可采用计算机软件技术支持以上步骤的实现，本发明相应提供一种基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成系统，包括以下模块：

采集模块，用于通过移动载体平台进行采集，在每个采集位置点同时获取真实场景的环境参数与可量测实景影像；

时空模型构建模块，用于通过可量测实景影像构建真实场景的时空模型，包括通过可量测实景影像的外方位元素及采集时间建立时空序列索引，时空序列索引在空间中体现为根据时间顺序用直线段连接每个采集位置点所构成的平台运动轨迹；基于时空序列索引，根据可量测实景影像量测出场景中地形关键点的三维坐标，由地形关键点组成场景粗略模型；

环境参数组织模块，用于依据构建完成的时空模型组织环境参数，包括依据可量测实景影像的采集时间，将相应时刻的环境参数数据作为属性数据添加到平台运动轨迹的每个采集位置点上；

污染特征点标注模块，用于记录用户通过可量测实景影像标注的污染特征点和相应评价信息，根据可量测实景影像量测出污染特征点的三维坐标；

环境现状时空模型输出模块，用于将污染特征点标注模块的标注结果加入时空模型得到真实场景的环境现状时空模型，在真实场景的环境现状时空模型中，通过某采集位置点处可量测实景影像标注出的污染特征点，具有评价信息属性和该采集位置点处相应环境参数属性；根据真实场景的环境现状时空模型输出显示，显示内容包括平台运动轨迹、可量测实景影像和场景粗略模型，可量测实景影像和场景粗略模型中提供污染特征点。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成方法，其特征在于，执行以下步骤：

步骤一、通过移动载体平台进行采集，在每个采集位置点同时获取真实场景的环境参数与可量测实景影像；

步骤二、通过可量测实景影像构建真实场景的时空模型，包括通过可量测实景影像的外方位元素及采集时间建立时空序列索引，时空序列索引在空间中体现为根据时间顺序用直线段连接每个采集位置点所构成的平台运动轨迹；基于时空序列索引，根据可量测实景影像量测出场景中地形关键点的三维坐标，由地形关键点组成场景粗略模型；

步骤三、依据构建完成的时空模型组织环境参数，包括依据可量测实景影像的采集时间，将相应时刻的环境参数数据作为属性数据添加到平台运动轨迹的每个采集位置点上；

步骤四、记录用户通过可量测实景影像标注的污染特征点和相应评价信息，根据可量测实景影像量测出污染特征点的三维坐标；

步骤五、将步骤四的标注结果加入时空模型得到真实场景的环境现状时空模型，在真实场景的环境现状时空模型中，通过某采集位置点处可量测实景影像标注出的污染特征点，具有评价信息属性和该采集位置点处相应环境参数属性；根据真实场景的环境现状时空模型输出显示，显示内容包括平台运动轨迹、可量测实景影像和场景粗略模型，可量测实景影像和场景粗略模型中提供污染特征点。

2.根据权利要求1所述基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成方法，其特征在于：所述移动载体平台包括环境参数采集部分和可量测实景影像采集部分，环境参数采集部分包括各种大气环境传感器、水质环境传感器、其他环境传感器，分别采集大气环境参数、水质环境参数和其他环境参数；可量测实景影像采集部分包括定位装置、定姿装置、相机，分别获取平台位置数据、平台姿态数据和实景影像，通过关联平台位置数据、平台姿态数据和实景影像提供可量测实景影像。

3.根据权利要求1或2所述基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成方法，其特征在于：所述污染特征点为污染源、疑似污染源或其他相关目标，其他相关目标包括污染现状。

4.根据权利要求1或2所述基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成方法，其特征在于：所述污染特征点的相应评价信息包括评价内容、评价人和评价时间。

5.一种基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成系统，其特征在于，包括以下模块：

采集模块，用于通过移动载体平台进行采集，在每个采集位置点同时获取真实场景的环境参数与可量测实景影像；

时空模型构建模块，用于通过可量测实景影像构建真实场景的时空模型，包括通过可量测实景影像的外方位元素及采集时间建立时空序列索引，时空序列索引在空间中体现为根据时间顺序用直线段连接每个采集位置点所构成的平台运动轨迹；基于时空序列索引，根据可量测实景影像量测出场景中地形关键点的三维坐标，由地形关键点组成场景粗略模型；

环境参数组织模块，用于依据构建完成的时空模型组织环境参数，包括依据可量测实景影像的采集时间，将相应时刻的环境参数数据作为属性数据添加到平台运动轨迹的每个采集位置点上；

污染特征点标注模块，用于记录用户通过可量测实景影像标注的污染特征点和相应评价信息，根据可量测实景影像量测出污染特征点的三维坐标；

环境现状时空模型输出模块，用于将污染特征点标注模块的标注结果加入时空模型得到真实场景的环境现状时空模型，在真实场景的环境现状时空模型中，通过某采集位置点处可量测实景影像标注出的污染特征点，具有评价信息属性和该采集位置点处相应环境参数属性；根据真实场景的环境现状时空模型输出显示，显示内容包括平台运动轨迹、可量测实景影像和场景粗略模型，可量测实景影像和场景粗略模型中提供污染特征点。

6.根据权利要求5所述基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成系统，其特征在于：所述移动载体平台包括环境参数采集部分和可量测实景影像采集部分，环境参数采集部分包括各种大气环境传感器、水质环境传感器、其他环境传感器，分别采集大气环境参数、水质环境参数和其他环境参数；可量测实景影像采集部分包括定位装置、定姿装置、相机，分别获取平台位置数据、平台姿态数据和实景影像，通过关联平台位置数据、平台姿态数据和实景影像提供可量测实景影像。

7.根据权利要求5或6所述基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成系统，其特征在于：所述污染特征点为污染源、疑似污染源或其他相关目标，其他相关目标包括污染现状。

8.根据权利要求5或6所述基于可量测实景影像的环境现状时空模型生成系统，其特征在于：所述污染特征点的相应评价信息包括评价内容、评价人和评价时间。