CN106802126A - 一种基于数字高程地图的单相机地面靶标点空间定位方法 - Google Patents

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王向军
刘峰
邓子贤
曹雨
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Tianjin University
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Tianjin University
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

本发明涉及一种基于数字高程地图的单相机地面靶标点空间定位方法，包括下列步骤：获取单相机参数，建立空间坐标系；设单相机的位置为(XC,YC,ZC)，利用单相机采集地面靶标点M(X1,Y1,Z1)的图像坐标m(u,v),由已知的图像坐标确定一条空间成像直线L；空间成像直线L与数字高程地图可能存在多个交点，定义距离单相机最近的交点为有效交点，根据空间成像直线L在空间坐标系中的X‑Y平面的投影遍历数字高程地图，通过比较数字高程地图与空间成像直线L上对应点的高度差，确定有效交点位置，从而得到地面靶标点的空间坐标。本发明不需要使用除靶标点以外的辅助特征点即可实现地面靶标点定位。

Description

一种基于数字高程地图的单相机地面靶标点空间定位方法
技术领域
本发明涉及单相机测量、地面靶标点空间定位测量领域。
背景技术
视觉定位测量技术越来越广泛的应用于航天航空、工业、军工业等领域，目前主要分为单目视觉测量、多目(包括双目)视觉测量等，其中多目视觉测量是利用多相机同时采集靶标图像并根据各相机间的相对位置关系确定靶标的空间坐标。单目视觉测量由于单相机不能获得靶标景深方向信息的限制，多采用基于合作目标和基于非合作目标两种方法，包括单目测量中典型的PNP问题的求解，合作目标已知辅助特征点与靶标之间的空间约束关系，非合作目标在不同应用背景下提取的辅助特征不固定，单相机采集靶标及辅助特征的图像并根据相机成像模型确定靶标的空间坐标。
基于单相机的视觉测量系统相对于多相机测量系统结构简单，测量视场范围大，在实时测量中避免了特征点匹配等问题，但是目前的单目测量均需要提取辅助特征点才能完成单帧图像的靶标点空间坐标解算，当相机监测大区域中的随机地面靶标时，无法或难以提取解算可用的辅助特征点，即用目前的单相机测量方法很难进行有效的靶标点的空间定位。
发明内容
本发明的目的是提供一种不需要使用除靶标点以外的辅助特征点即可实现地面靶标点定位的便捷方法。本发明结合数字高程地图(DEM)利用单相机完成地面靶标点的定位测量，以单相机实时采集靶标点图像并实时解算靶标点的空间坐标。技术方案如下：
一种基于数字高程地图的单相机地面靶标点空间定位方法，包括下列步骤：
1)获取单相机参数，建立空间坐标系；
2)设单相机的位置为(XC,YC,ZC)，利用单相机采集地面靶标点M(X1,Y1,Z1)的图像坐标m(u,v),由已知的图像坐标确定一条空间成像直线L；
3)空间成像直线L与数字高程地图可能存在多个交点，定义距离单相机最近的交点为有效交点，根据空间成像直线L在空间坐标系中的X-Y平面的投影遍历数字高程地图，通过比较数字高程地图与空间成像直线L上对应点的高度差，确定有效交点位置，从而得到地面靶标点的空间坐标。
附图说明
图1是本发明采用的测量原理示意图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于数字高程地图的单相机地面靶标点定位方法。做出详细说明。
本发明提出结合数字高程地图利用单相机完成地面靶标点的定位测量方法，以单相机实时采集靶标点图像并实时解算靶标点的空间坐标。利用靶标点的图像坐标，根据相机成像模型即可实时获取空间靶标点及相机光心所确定的成像直线方程，通过查找空间直线方程与数字高程地图的有效交点获得靶标点的空间坐标。
具体设计如下所述：
如图1所示是本发明所用的测量系统示意图，其中数字高程地图包括相机的整体监测区域，精度可达0.1m*0.1m，单相机用来采集地面靶标点的图像以获取靶标点的图像坐标，其中相机参数选择根据相机监测区域与相机间的相对距离而定。如图2所示是本发明算法流程图。具体测量步骤如下：
1、利用相机采集地面靶标点M(X1,Y1,Z1)(如图1所示)的图像坐标m(u,v)，根据单相机成像原理可知，一个已知的图像坐标可以确定一条空间成像直线L的方程；
2、已知相机内、外部参数，根据相机成像模型，计算空间坐标系下Z＝500处的直线L上一点P(X2,Y2,500)(如图1所示)，利用空间坐标系中相机位置(XC,YC,ZC)以及P确定直线L的直线方程表达式：
3、由于空间直线L与数字高程地图可能有多个交点，所以我们定义距离相机最近的交点为有效交点。根据直线L在空间坐标系中的X-Y平面的投影遍历高程图，通过比较高程图与直线L上对应点的高度差，确定有效交点位置。
综上所述，根据单相机的成像模型及数字高程地图，即可获得地面靶标点的空间坐标，完成靶标的定位测量工作。本方法简化了视觉测量系统，对地面靶标所在系统没有附加要求，不需要使用除靶标点以外的辅助特征点，将视觉测量方法与数字高程地图结合起来，提供一种新型的单相机大靶区内地面靶标点的定位测量方法。

Claims (1)

1.一种基于数字高程地图的单相机地面靶标点空间定位方法，包括下列步骤：
1)获取单相机参数，建立空间坐标系；
2)设单相机的位置为(XC,YC,ZC)，利用单相机采集地面靶标点M(X1,Y1,Z1)的图像坐标m(u,v),由已知的图像坐标确定一条空间成像直线L；
3)空间成像直线L与数字高程地图可能存在多个交点，定义距离单相机最近的交点为有效交点，根据空间成像直线L在空间坐标系中的X-Y平面的投影遍历数字高程地图，通过比较数字高程地图与空间成像直线L上对应点的高度差，确定有效交点位置，从而得到地面靶标点的空间坐标。
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