CN107367262A - 一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，它包括如下处理步骤：确定无人机位置的经纬度和海拔高度，摄像头的方位角和俯仰角；根据无人机上的激光测距仪测定无人机距离所述中心点的直线距离测定中心点海拔高度和中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为；利用经纬度计算公式确定中心点地理坐标；根据无人机海拔高度，俯仰角，利用三角函数定理计算出镜头画面中视野的真实宽度和高度，再结合中心点坐标、屏幕像素分辨率确定其他各点坐标；定义多个标注点，计算出不同标注点之间的距离，利用海伦公式计算出标注点构成的多边形面积。它实现了远距离实时视频中任意目标点地理坐标定位，海拔高度确定，视野面积确定。

Description

一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法

技术领域

本发明属于无人机测绘技术领域，具体为一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法。

背景技术

无人机应用在测绘领域，主要是使用无人机快速大面积获得测区的高分辨率影像，获取图像的空间分辨率从cm级到m级不等，并将测绘信息反馈给地面的接收设备，因此测绘用无人机都具备可调节角度的高精度数码成像设备，信息的无线收发模块。适用于1:2000或更大比例尺地形图测绘及正射影像制作，完全具有高分辨率遥感影像数据获取能力。影像获取之后，使用现有的图像处理软件进行影像处理，可生成DEM、DOM、DLG、DSM等4D产品，与此同时，还能生成三维正射影像图、三维倾斜影像、三维景观模型、三维地表模型等三维可视化数据。利用这些结果，可得到相关区域的长度及面积与海拔等。并对相关点或者区域进行标注信息等。

无人机外出作业航拍及测量处理流程：

1、收集实验区已有的地形地貌资料；

2、规划无人机航线；

3、利用无人机获取测区影像数据；

4、进行相控点（控制点）测量（有差分GPS情况下可以实时获取控制点坐标）

5、内业数据处理；

无人机获取影像后的处理流程大同小异的，简述之：

1、利用相机参数和概率的POS数据，寻找同名点可以进行影像间的相对定向

2、引入控制点之后，进行空中三角测量，获得影像的外方位元素以及加密点的地面坐标

3、从空三成果中提取DEM，经过正射校正和影像镶嵌，生成DOM；

现有的无人机测绘技术存在如下缺陷：

一、目前航测技术特点是精度高，能生成后期不同种类的结果文件，如三维模型等，但实时性不强，就算能实时生成地图，也需无人机飞到指定地点正上方进行飞行航测，需要一定的时间才能输出结果，不能在第一时间内马上测算出距离及面积。

且目前无人机定义一个目标点，必须飞到目标点正上空，以自身GPS坐标作为目标点的标注点，而不能远距离确定处于摄像头下的任意目标点坐标；并且不能在无人机实时视频画面中以文字形式显示目标点说明。

二．目前无人机联网应用，一般是在后台服务器进行统一管理，或一机一地面站，无人机之间的交互应用没有。在无人机前端操作软件中暂不能看到（地图或实时视频AR中）其它编组飞机及人员的功能。

三．目前无人机及地面移动设备软件对目标点进行事件记录的，并没有按时间轴进行标注，也无法关联位置。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，它实现了远距离实时视频中任意目标点地理坐标定位，海拔高度确定，视野面积确定。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，它包括如下处理步骤：

步骤一、确定无人机摄像头中心点地理坐标：

1）、基本参数确定：确定无人机所在位置的经纬度（lng，lat）和海拔高度h，确定摄像头所在方位角β和俯仰角α；

2）、确定所述中心点海拔高度和所述中心点距离无人机在地面垂直投影点距离：通过无人机上的激光测距仪测定无人机距离所述中心点的直线距离a，利用距离a与所述海拔高度h及所述俯仰角α构成的三角形，通过三角函数定理计算出所述中心点海拔高度L和所述中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为b；

4）、确定中心点地理坐标：

中心点经度为：lon=lng+(b*sin(j))/(i*cos((lat*π/180.0))；

中心点纬度为：lot=lat+(b*cos(j))/i；

即得中心点M坐标为：M(lon，lot)；

其中：i为地球每度弧长；j为β*π/180.0；

步骤二、确定摄像头画面中其它各点地理坐标：

完成步骤一后，根据无人机海拔高度h，俯仰角α，利用三角函数定理计算出镜头画面中视野的真实宽度和高度，再结合所述中心点坐标、屏幕像素分辨率确定其他各点坐标；

步骤三、确定摄像头画面的实际面积：

完成步骤二后，操作无人机定义多个标注点，计算出不同标注点之间的距离，将标注点构成的画面分解成由多个三角形组合而成的多边形面积，利用海伦公式计算出多边形面积。

进一步的，所述步骤一中，确定所述中心点距离无人机在地面垂直投影点的距离时，利用三角函数正弦定理，计算出中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为b =a*sinα；

进一步的，所述步骤一中，计算所述中心点海拔高度为L=h±a*cosα。

进一步的，所述步骤一中，利用三角函数正切定理，计算出所述中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为b=tanα*h。

进一步的，所述步骤二中，确定摄像头画面中其它各点地理坐标时，当摄像机镜头垂直于地面时，根据无人机的海拔高度h，屏幕像素分辨率，利用三角函数正切定理计算出镜头画面中视野的真实宽度和高度，再结合所述中心点坐标确定其他各点地理坐标。

进一步的，所述步骤二中，确定摄像头画面中其它各点地理坐标时，当摄像机不垂直于地面的时候，根据无人机的海拔高度h，屏幕像素分辨率，利用摄像头的俯仰角α确定计算出a的长度，再结合所述中心点坐标确定其他各点地理坐标。

进一步的，无人机将所述中心点地理坐标输送给互联网地理位置数据库，然后通过互联网地理位置数据库进行逆地理编码获取所述中心点的位置描述信息，并显示在视频画面中。

进一步的，无人机将所述中心点坐标和视野实际面积信息以文字形式显示在视频画面中。

进一步的，无人机将拍摄的图片、拍摄时间、画面中心点位置天气信息，发送致基于互联网的服务器端，并在服务器上显示结果。

进一步的，无人机实时将自身标识、自身位置、高度、视频画面通过无线方式传输到互联网服务器，互联网服务器将接收的信息共享到其他无人机和地面设备上，在无人机控制端地图及视频画面中以AR画面叠加方式显示各编组无人机与地面人员。

本发明的有益效果：

本发明由于能够在摄像头画面中确定视野中各点的地理坐标，因此具备如下功能：

一．实现无人机视频中各点定位功能及虚拟现实显示功能，可让无人机操作人员实时知道画面中各点是哪个地方，不用看地图，所见即所得。对行业应用及旅游等有很大的帮助。无人机实时测距测面可快速的定义画面中看到的区域长度及面积，无需后期运算，极大的提高了测绘效率。

二．无人机视野中可定位其他无人机地理坐标，可实现多机联动工作，让无人机进入虚似现实的联机世界中，大大提高人机交互，提高信息交换和操作灵活性。

三．可实现时间信息标注功能，不管是无人机或地面人员移动设备应用上，让使用人员更快捷的得到关注点的信息，如无人机在春天拍一片森林时，能看到过去别人冬天拍的这片森林的雪景。

附图说明

图1为无人机画面中心点低于无人机时坐标定位原理图。

图2为无人机画面中心点高于无人机时坐标定位原理图。

图3为无人机摄像机镜头在不同俯仰角下拍摄到视角范围变化图。

图4为计算无人机视频画面中其它各点座标原理示意图。

图5为无人机视野面积确定原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

步骤一、确定无人机摄像头中心点地理坐标：

1）、基本参数确定：确定无人机所在位置的经纬度（lng，lat）和海拔高度h，确定摄像头所在方位角β和俯仰角α；

2）确定所述中心点海拔高度和所述中心点距离无人机在地面垂直投影点距离，如图1、2所示：

无激光测距仪参考情况下定位：根据三角函数正割定理，中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为b=tanα*h；

有激光测距参考情况下定位：通过无人机上的激光测距仪测定无人机距离中心点的直线距离为a，根据三角函数正弦定理，中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为由三角函数得出：b=a*sinα；有激光测距的情况下，不需要考虑飞机的高度。故精确很多；

确定中心点海拔高度：如图1所示，当中心点低于无人机高度时，中心点海拔高度为L=h-a*cosα；如图2所示，当中心点高于无人机高度时，中心点海拔高度为L=h+a*cosα；

3）、确定中心点地理坐标：

再根据距离b、飞机方位角β和飞机的经纬度A(lng，lat)，计算中心点M坐标：

将距离转换成经度的计算公式

中心点经度为：lon=lng+(b*sin(j))/(i*cos((lat*π/180.0))；

中心点经度为：lot=lat+(b*cos(j))/i；

即中心点M坐标为：M(lon，lot)；

其中地球每度弧长为i=2*6371.004*3.14/360=111.1386253km；j为β*π/180.0；

步骤二、确定摄像头画面中其它各点地理坐标：

完成步骤一后，根据无人机海拔高度h，俯仰角α，利用三角函数定理计算出镜头画面中视野的真实宽度和高度，再结合所述中心点坐标、屏幕像素分辨率确定其他各点坐标；

如图3所示，根据摄像机镜头大小和倾斜角度下，摄像机拍摄到的方形或梯形视角范围，再根据根据比例与已知的中心点坐标，计算出画面中各点坐标；

已知视频中心点座标M(lon，lot)及海拔高度L，俯仰角α，无人机方位角β、摄像机镜头大小比例（高度:宽度），这时有两种情况，一是摄像机垂直于地面（此时云台角度为90度），那么根据飞机的高度，可以计算出画面中高与宽的长度。

如图4所示，根据t=tanα*h，得画面宽为2*tanα*L；

若屏幕宽高比N：M为16：9；根据公式16/9=2*tanα*L/N，得N=9*tanα*L/8

若屏幕像素为1920*1080(宽*高)

设，某个点屏幕像素坐标为：V1（x1,y1）；

设，某个点地理位置坐标为：V（x,y）；

那么某个像素点x1在屏幕中的位置为：

x1=N/1920

y1=2*tanα*L/1080

然后根距屏幕像素比例计算出V点坐标；

另一种情况，当摄像机不垂直于地面的时候，可加入俯仰角α计算出t的长度，并把t的长度加入到以上计算步骤，算出任意一点地理位置座标

步骤三、确定摄像头画面的实际面积：

操作无人机定义多个标注点，计算出不同标注点之间的距离，将标注点构成的画面分解成由多个三角形组合而成的多边形面积，利用海伦公式计算出多边形面积。

面积计算：

获取到中心点后，通过公理：不在同一条直线上的三个点，有且只能确定一个面。来计算三个点的面积。

如图5所示：根据两两之间算出长度。

已知△DEG的三条边为L1，L2，L3，求其面积：

由海伦公式得出：p=(L1+L2+L3)/2

S=√[p(p-L1)(p-L2)(p-L3)]

若有四个点，则将其切成2个三角形，面积相加即可，5个点、6个点等等，依次类推。

其他功能解释：

利用无人机自身位置高度方位角、云台数据、激光测距及实时视频画面与摄像头镜头大小角度，计算出无人机摄像头所拍画面中各点位置座标、相对高度、海拔高度，并把目标信息以文字形式显示在无人机控制软件（移动APP或pc软件）界面中（AR），操作无人机定义多个标注点，计算出不同点之间的长度与多个点形成的多边形面积。并把计算出的结果加上当时的时间、天气、图片、描述发送致基于互联网的服务器端，并可以服务器上显示结果。

无人机实时把自身信息包括自身标识、自身位置、海拔高度、相对地面高度、视频画面传到互联网服务器，通过互联网服务器可与其它无人机及携带了安装相关移动应用软件的设备的工作人员形成编队，互联网服务器可把所有接入的无人机、地面人员数据及位置共享到所有编队设备中。在任意一台编队无人机控制端软件中，可在地图上显示同一编队的无人机设备或地面人员位置，及在视频画面中以AR画面叠加方式显示各编组无人机与地面人员。且无人机与无人机之间，地面人员与无人机之间可实时共享位置，相互之间发送指令（一键呼叫、发送信息、发送图片）。

基于地理位置的时光信息功能：无人机控制软件（移动APP或pc软件）定义到的目标点，或地面人员移动设备摄像头画面看到的及自身位置附近的目标点，在软件中会提示此目标点记录的相关信息（如某个景点的内容文字描述、不同时期的图片、甚至未来的的信息），信息可按不同时间显示到软件界面中。

同时飞机或地面移动设备软件可对目标点进行一个信息标注，如标注一栋楼，把它的（文字、图片、视频、当时的时间等相关信息）上传到云服务器存档。如进行信息可共享的设定后，其他无人机或地面人员到了这个目标点附近，可分享此信息，并可进行评论。

无人机加AR位置标注与一般的地图上显示名字不同，画面中各个点定位与在地图上定义位置不同，本技术方案中由于可实时计算出摄像头画面中各目标点的真实地理坐标，因此可在实时的视频画面中显示各个定位点的位置，相对于传统的地图显示，本技术方案更加精准及时。

无人机多机互联，并不是在后台统一地图上管理，而是类似网络游戏一样，让无人机进入虚似的AR联机世界中。

时光信息功能是在实际空间中不同座标上记录不同时间的数字信息。

森林防火的无人机管理系统应用实施例：

无人机在日常森林巡检时，控制软件实时视频画面中会显示各个点位置名称（可让操控人员更直观的了解被巡检点），当发现如火灾的情况，马上对火灾点进行标注，测算出火灾位置及长度面积等，软件通过互联网把相关信息发送到后台服务器，后台系统马上预警。这时消防人员第一时间赶到现场进行处理，并与无人机进行编队，共享对方的位置，无人机可对火灾全局进行观察，在联机状态下，地面消防人员可知道其他人员及无人机的位置，并可发送指令给无人机，如一键呼叫无人机进行应急处理。当火灾扑灭后，总结火灾情况，对火灾区域进行时间信息标注，以后无人机或地面人员在巡检这片标注区域时，系统可提示这个区域以前因为什么原因发生过火灾，要重点留意！

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，它包括如下处理步骤：

步骤一、确定无人机摄像头中心点地理坐标：

1）、基本参数确定：确定无人机所在位置的经纬度（lng，lat）和海拔高度h，确定摄像头所在方位角β和俯仰角α；

2）、确定所述中心点海拔高度和所述中心点距离无人机在地面垂直投影点距离：通过无人机上的激光测距仪测定无人机距离所述中心点的直线距离a，利用距离a与所述海拔高度h及所述俯仰角α构成的三角形，通过三角函数定理计算出所述中心点海拔高度L和所述中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为b；

4）、确定中心点地理坐标：

中心点经度为：lon=lng+(b*sin(j))/(i*cos((lat*π/180.0))；

中心点纬度为：lot=lat+(b*cos(j))/i；

即得中心点M坐标为：M(lon，lot)；

其中：i为地球每度弧长；j为β*π/180.0；

步骤二、确定摄像头画面中其它各点地理坐标：

完成步骤一后，根据无人机海拔高度h，俯仰角α，利用三角函数定理计算出镜头画面中视野的真实宽度和高度，再结合所述中心点坐标、屏幕像素分辨率确定其他各点坐标；

步骤三、确定摄像头画面的实际面积：

完成步骤二后，操作无人机定义多个标注点，计算出不同标注点之间的距离，将标注点构成的画面分解成由多个三角形组合而成的多边形面积，利用海伦公式计算出多边形面积。

2.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，所述步骤一中，确定所述中心点距离无人机在地面垂直投影点的距离时，利用三角函数正弦定理，计算出中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为b = a*sinα。

3.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，所述步骤一中，计算所述中心点海拔高度为L=h±a*cosα。

4.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，所述步骤一中，利用三角函数正切定理，计算出所述中心点距离无人机在地面垂直投影点的直线距离为b=tanα*h。

5.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，所述步骤二中，确定摄像头画面中其它各点地理坐标时，当摄像机镜头垂直于地面时，根据无人机的海拔高度h，屏幕像素分辨率，利用三角函数正切定理计算出镜头画面中视野的真实宽度和高度，再结合所述中心点坐标确定其他各点地理坐标。

6.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，所述步骤二中，确定摄像头画面中其它各点地理坐标时，当摄像机不垂直于地面的时候，根据无人机的海拔高度h，屏幕像素分辨率，利用摄像头的俯仰角α确定计算出a的长度，再结合所述中心点坐标确定其他各点地理坐标。

7.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，无人机将所述中心点地理坐标输送给互联网地理位置数据库，然后通过互联网地理位置数据库进行逆地理编码获取所述中心点的位置描述信息，并显示在视频画面中。

8.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，无人机将所述中心点坐标和视野实际面积信息以文字形式显示在视频画面中。

9.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，无人机将拍摄的图片、拍摄时间、画面中心点位置天气信息，发送致基于互联网的服务器端，并在服务器上显示结果。

10.根据权利要求1所述的一种无人机远距离实时定位测绘显示互联式控制方法，其特征在于，无人机实时将自身标识、自身位置、高度、视频画面通过无线方式传输到互联网服务器，互联网服务器将接收的信息共享到其他无人机和地面设备上，在无人机控制端地图及视频画面中以AR画面叠加方式显示各编组无人机与地面人员。