CN108205235B - 光电遥感系统的扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光电遥感系统的扫描方法，包括如下步骤：S10，提供悬浮在空中的光电遥感系统，光电遥感系统包括悬停装置、设置在悬停装置上的云台以及设置在云台上的拍摄装置；S20，通过云台带动拍摄装置沿多个同心环绕的圆形轨迹扫描目标区域；并通过云台带动拍摄装置在多个同心环绕的圆形轨迹间切换，以使拍摄装置的扫描区域覆盖整个目标区域，在切换圆形轨迹的同时调整拍摄装置的光学参数以使在所有扫描点拍摄的图片的空间分辨率相同。本发明的目的在于提供一种光电遥感系统的扫描方法，该方法能够保证扫描区域完全覆盖目标区域并使在不同目标点拍摄的图片有相同的空间分辨率。

Description

光电遥感系统的扫描方法

技术领域

本发明涉及一种光电遥感系统的扫描方法。

背景技术

在现今的机载光电吊舱等的应用中，主要是利用载体的机动实时对正下方垂直区域的拍摄，尚未涉及吊舱在空中静止悬浮状态下对地面大范围的区域进行扫描观测。现阶段常用扫描方式是以矩形轨迹进行扫描。该方法由于每一相邻位置相对于吊舱的距离都在不断变化中。因此，扫描过程中需要同时控制角度和镜头焦距等参数，来确保相邻点拍摄到的照片分辨率等参数吻合。因而该方案控制难度大，控制精度要求高，容易产生误差等，不利于后续图像拼接等处理。

因此，本领域亟需一种技术，一方面要提高扫描的精度，保证对区域的完全覆盖，并保证不同目标点拍摄的图片有相同的空间分辨率，便于后期处理；另一方面要尽量减少扫描需要的时间。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光电遥感系统的扫描方法，该方法能够保证扫描区域完全覆盖目标区域并使在不同目标点拍摄的图片有相同的空间分辨率。

本发明提供一种光电遥感系统的扫描方法，包括如下步骤：

S10，提供悬浮在空中的光电遥感系统，光电遥感系统包括悬停装置、设置在悬停装置上的云台以及设置在云台上的拍摄装置；

S20，通过云台带动拍摄装置沿多个同心环绕的圆形轨迹扫描目标区域；并

通过云台带动拍摄装置在多个同心环绕的圆形轨迹间切换，以使拍摄装置的扫描区域覆盖整个目标区域，在切换圆形轨迹的同时调整拍摄装置的光学参数以使在所有扫描点拍摄的图片的空间分辨率相同。

根据本发明，云台包括方位框架和设置在方位框架上的俯仰调节装置，拍摄装置设置在俯仰调节装置上。

根据本发明，通过改变拍摄装置的俯仰角度来改变圆形轨迹的半径以实现拍摄装置在多个同心环绕的圆形轨迹间的切换。

根据本发明，通过改变方位框架的水平角来改变拍摄装置在每个圆形轨迹上的扫描点位置。

根据本发明，根据每个圆形轨迹的半径和图片的空间分辨率需求，调节拍摄装置的光学参数和俯仰角度，并在每个圆形轨迹的扫描过程中保持光学参数和俯仰角度稳定。

根据本发明，在同一圆形轨迹中，拍摄装置在相邻的两个扫描点的拍摄的图片之间具有重叠量。

根据本发明，根据在当前圆形轨迹的扫描过程中单幅图片的大小和相邻图片的重叠量的需求，确定在当前圆形轨迹中相邻扫描点之间的水平角的间隔。

根据本发明，根据当前圆形轨迹的半径R₁、拍摄装置的浮空高度H和拍摄装置的视场a×b，确定下一个圆形轨迹的半径R₂:

R₂＝R₁-ΔR₁；

其中，ΔR₁为当前圆形轨迹的半径R₁与下一个圆形轨迹半径R₂的差值，并设定相邻的两个扫描点的拍摄的图片之间的重叠量为20％，a为平行于云台拍摄装置的俯仰角调整的旋转轴方向的水平视场角、b表示垂直于水平视场角的垂直视场角。

根据本发明，根据当前圆形轨迹的半径及光学相机的视场理论，调整拍摄装置的光学参数。

根据本发明，光学参数包括拍摄装置的视场大小和焦距。

根据本发明，当完成一圈扫描后，根据相关数学关系，确定下一个圆形轨迹与当前圆形轨迹的位置关系，云台相关数学关系推导如下：

地面距离为R处的目标的拍摄距离

拍摄距离L是指拍摄装置沿其光轴方向与拍摄区域的距离；此处保持任何距离拍摄装置拍摄的瞬时视场不变，设视场为a×b，则单幅照片所对应的拍摄区域的大小为c×d(c,d分别表示该拍摄区域的圆形轨迹的圆周方向宽度及半径方向宽度，单位为米或者千米)：

c＝L×πa/180；

d＝L×πb/180。

根据本发明，在同一半径为R的圆形轨迹上，考虑相邻M％的重叠面积，则覆盖该半径为R的圆形轨迹的一圈需要的照片数A为：

根据本发明，设R_i为第i个圆形轨迹的半径，R_i+1为第i+1个圆形轨迹的半径，则有两相邻的圆形轨迹的半径分别为R_i和R_i+1，两相邻圆形轨迹的间距为ΔR_i；

当i＝1时，则设两相邻圆形轨迹的半径分别为R₁和R₂，两圆形轨迹的间距为ΔR₁，则：

依此类推，当

时，表示完成了对全部目标区域的扫描拍摄，此时拍摄的总张数为：

设拍摄一张照片耗时为t₀，则完成拍照的总时间为：

t＝Nt₀

其中d₁和d₂分别为半径为R₁和R₂圆形轨迹的每幅照片对应的拍摄区域的半径方向宽度，A_i为第i个圆形轨迹的照片张数，因此，n+1为i个圆形轨迹的上限，对应的，n为i个两相邻圆形轨迹间距数量的上限。

本发明的有益技术效果在于：

本发明通过静止悬浮在空中的悬停装置以及沿多个同心环绕的圆形轨迹运行的拍摄装置，该多个同心环绕的圆形轨迹覆盖整个目标区域，从而实现了扫描的高效性，同时降低了控制的复杂性，只需在一圈扫描完成后调整相机光学参数。由于光电遥感系统的空间分辨率由系统的当前角分辨率和目标距离的乘积决定，当保持系统的光学参数稳定的情况下，沿着同一圆形轨迹进行扫描，则可以得到各扫描点分辨率和图幅大小等指标完全一致的图像。

附图说明

图1是本发明的光电遥感系统的扫描区域的俯视示意图。

图2是本发明的光电遥感系统与扫描区域的侧视示意图。

具体实施方式

参考图1和图2，本发明提供的光电遥感系统的扫描方法，包括如下步骤：

S10，提供悬浮在空中的光电遥感系统，光电遥感系统包括悬停装置1、设置在悬停装置1上的云台2以及设置在云台2上的拍摄装置3；其中，悬停装置1优选为系留飞艇及其上的吊舱，云台2设置在该吊舱上。应当理解，本发明的悬停装置还可以是其他合适的浮空器，如直升飞机等。

S20，通过云台2带动拍摄装置3沿多个同心环绕的圆形轨迹4扫描目标区域；悬停装置1在云台圆形轨迹4所限定的区域内的投影位于多个同心环绕的圆形轨迹4的圆心位置；通过云台2带动拍摄装置3在多个同心环绕的圆形轨迹4间切换，以使拍摄装置3的扫描区域覆盖整个目标区域，在切换圆形轨迹4的同时调整拍摄装置3的光学参数以使在所有扫描点拍摄的图片的空间分辨率相同。

本发明通过静止悬浮在空中的悬停装置1以及沿多个同心环绕的圆形轨迹4运行的拍摄装置3，该多个同心环绕的圆形轨迹4覆盖整个目标区域，从而实现了扫描的高效性，同时降低了控制的复杂性，只需在一圈扫描完成后调整相机光学参数。由于光电遥感系统的空间分辨率由系统的当前角分辨率和目标距离的乘积决定，当保持系统的光学参数稳定的情况下，沿着同一圆形轨迹进行扫描，则可以得到各扫描点分辨率和图幅大小等指标完全一致的图像。

参照图2，云台2包括方位框架21和设置在方位框架21上的俯仰调节装置22，拍摄装置3设置在俯仰调节装置22上。俯仰调节装置22和方位框架21通过由控制信号控制的电机驱动以绕其各自的枢轴旋转，从而实现俯仰角度在俯仰和水平两个方向的连续调节。通过改变拍摄装置3的俯仰角度α来改变圆形轨迹4的半径R以实现拍摄装置3在多个同心环绕的圆形轨迹4间的切换。通过改变方位框架21的水平角β来改变拍摄装置3在每个圆形轨迹4上的扫描点位置。水平角β可以理解为，设定一个起始扫描位置，那么当前扫描位置和圆心的连线与起始扫描位置与圆心的连线之间的夹角即为水平角β。需要说明的是，半径R可以是图1和图2中示出的半径R₀、R₁、R₂、R_i和R_n中的任一者，其中R₀表示圆形轨迹4的最大半径，R_n表示圆形轨迹4的最小半径。本实施例中，俯仰角度α是指拍摄装置3的光轴与竖直方向的夹角，半径R是拍摄装置3的光轴与扫描区域的交点处的半径。图2仅起示意作用，未必按实际比例来进行绘制，出于示意目的的适当放大或缩小均在本发明的保护范围之内。

参照图2，根据每个圆形轨迹4的半径R和图片的空间分辨率需求，调节拍摄装置3的光学参数和俯仰角度α，并在每个圆形轨迹4的扫描过程中保持光学参数和俯仰角度α稳定。

根据本发明，拍摄装置3在相邻的两个扫描点31的拍摄的图片之间具有重叠量。请参见图1，每个扫描点31为拍摄装置31拍摄一张图片所覆盖的待扫描区域的大小，在一些情况下，为表述方便，会将扫描点31作为点来处理。优选地，该重叠量为20％。应当理解，根据实际拼接图片的需要，还可以设置其他合适的重叠量。重叠量是指相邻两张图片所覆盖的待扫描区域中相同的区域的面积占每张图片所覆盖区域的总面积的比例。

根据本发明，根据在当前圆形轨迹4的扫描过程中单幅图片的大小和相邻图片的重叠量的需求，确定在当前圆形轨迹中相邻扫描点之间的水平角β的间隔。

参照图2，根据当前圆形轨迹的半径R₁、拍摄装置3的浮空高度H和拍摄装置3的视场a×b(a,b表示视场角大小，单位为角度°，a表示水平视场角，b表示垂直视场角，水平视场角与垂直视场角是一对相互垂直的两个视场角，例如在图2中，水平视场角a是指垂直于纸面的方向上视场角，即平行于拍摄装置3俯仰角调整的旋转轴方向的视场角，垂直视场角是指在纸面内的方向上的视场角，即垂直于水平视场角的视场角)，确定下一个圆形轨迹的半径R₂:

其中，ΔR₁为当前圆形轨迹4的半径R₁与下一个圆形轨迹4的半径R₂的差值，并设定相邻的两个扫描点的拍摄的图片31之间的重叠量为20％。

根据本发明，根据当前圆形轨迹4的半径及光学相机的视场理论，调整拍摄装置3的光学参数。光学参数包括拍摄装置3的视场大小和焦距，其中通过调整视场角的大小来调整视场大小。

具体而言，在一个实施例中，本发明的光电遥感系统的扫描方法示例性地为：

1)根据待扫描目标区域的最大半径和图片的空间分辨率需求，调节拍摄装置的光学参数和拍摄装置的俯仰角度α，并保持稳定。并标记当前的水平角为扫描的起点；

2)根据当前圆形轨迹中单幅照片的大小和相邻照片重叠量的需求，确定在当前圆形轨迹中相邻点间的水平角的间隔，并根据云台的水平角转动角速度，确定转动时间。并根据每一点拍照停留的时间，设置好云台自动控制的相关参数；

3)当完成一圈扫描后，根据相关数学关系，确定下一个圆形轨迹与当前圆形轨迹的位置关系。数学关系推导如下：

设拍摄装置的浮空高度为H，地面距离为R处的目标的拍摄距离

拍摄距离L是指拍摄装置(此时拍摄装置可假想为一个点)沿其光轴方向与拍摄区域的距离；此处保持任何距离拍摄装置拍摄的瞬时视场不变，设视场为a×b，则单幅照片所对应的拍摄区域的大小为c×d(c,d分别表示该拍摄区域的圆形轨迹的圆周方向宽度及半径方向宽度，单位为米或者千米)：

c＝L×πa/180； (2)

d＝L×πb/180； (3)

在同一R处，即半径为R的圆形轨迹上，考虑相邻M％的重叠面积，重叠面积优选为20％。则覆盖该半径为R的圆形轨迹的一圈需要的照片数A为：

当重叠面积为20％时，

由(4)可知，在H和a不变时，单圈照片数A只与R相关。公式(4)里存在一个假设，即相邻两张照片的水平角由于很小，所以这个圆对应于照片部分的圆弧是当作线段来看的。

同时，设R_i为第i个圆形轨迹的半径，R_i+1为第i+1个圆形轨迹的半径，则有两相邻的圆形轨迹的半径分别为R_i和R_i+1，两相邻圆形轨迹的间距为ΔR_i；

当i＝1时，则设两相邻圆形轨迹的半径分别为R₁和R₂，两圆形轨迹的间距为ΔR₁，则：

当重叠面积为20％时，

依此类推，当

时，表示完成了对全部目标区域的扫描拍摄。此时拍摄的总张数为：

设拍摄一张照片耗时为t₀，则完成拍照的总时间为：

t＝Nt₀； (9)

确定云台的俯仰角度和拍摄装置的光学参数的调节量，完成拍摄姿态的调整，其中d₁和d₂分别为半径为R₁和R₂圆形轨迹的每幅照片对应的拍摄区域的半径方向宽度，A_i为第i个圆形轨迹的照片张数，因此，n+1为i个圆形轨迹的上限，对应的，n为i个两相邻圆形轨迹间距数量的上限；

4)重复步骤1～3，直到完成整个目标区域的扫描。

根据3)中的数学式推导过程，确定相邻的R的变化量，以及对应任意R的实际拍摄距离L。同时根据光学相机FOV(视场)理论，在拍摄距离和相机靶面确定的情况下，其视场大小与焦距成线性反比。根据实际需求，若需保持相幅大小一致(式中的c、d值不变)，则视场角大小(a、b)需随R变化而调整，则相机焦距等光学参数亦需同步调节。通过编程来完成云台角度控制和相机光学参数的精确自动控制调节。根据估算，在悬空1km，常规的航空级相机完成半径10km的区域的扫描耗时约13分钟，能够有效的完成区域扫描。

根据光电遥感系统的当前光学参数和目标距离，利用相关算法确定云台的转动速率和停留点位置并完成自动控制。当完成一圈的扫描后，根据相关算法确定新的目标距离和光学焦距等参数，调整光电遥感系统拍摄姿态。直到完成整个目标区域的扫描。

本发明的光电遥感系统的扫描方法，相比与现有扫描方式，可以提供较高效的区域扫描的工作模式，使系统能够在尽量短的时间内实现对地面较大区域范围内的自动扫描监测，获取全域图像信息。并在减少自动控制难度的情况下保持较高的扫描精度。

本发明结合了相机拍摄的固有性质，设计了径向圆环扫描的方式，是一种更新颖的思路。后续的控制部分和图像处理等部分在新的思路下都能开发出新的实用的方法来实现。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，提供悬浮在空中的光电遥感系统，所述光电遥感系统包括悬停装置、设置在所述悬停装置上的云台以及设置在所述云台上的拍摄装置；

S20，通过所述云台带动所述拍摄装置沿多个同心环绕的圆形轨迹扫描目标区域，并通过所述云台带动所述拍摄装置在所述多个同心环绕的圆形轨迹间切换，以使所述拍摄装置的扫描区域覆盖整个目标区域，在切换所述圆形轨迹的同时调整所述拍摄装置的光学参数以使在所有扫描点拍摄的图片的空间分辨率相同，根据当前所述圆形轨迹的半径R₁、所述拍摄装置的浮空高度H和所述拍摄装置的视场a×b，确定下一个所述圆形轨迹的半径R₂:

R₂＝R₁-ΔR₁；

其中，ΔR₁为当前所述圆形轨迹的半径R₁与下一个所述圆形轨迹半径R₂的差值，并设定相邻的两个所述扫描点的拍摄的图片之间的重叠量为M％＝20％，a为平行于所述拍摄装置的俯仰角调整的旋转轴方向的水平视场角、b表示垂直于水平视场角的垂直视场角。

2.根据权利要求1所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，所述云台包括方位框架和设置在所述方位框架上的俯仰调节装置，所述拍摄装置设置在所述俯仰调节装置上。

3.根据权利要求2所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，通过改变所述拍摄装置的俯仰角度来改变所述圆形轨迹的半径以实现所述拍摄装置在所述多个同心环绕的圆形轨迹间的切换。

4.根据权利要求2所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，通过改变所述方位框架的水平角来改变所述拍摄装置在每个圆形轨迹上的扫描点位置。

5.根据权利要求3所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，根据每个所述圆形轨迹的半径和所述图片的空间分辨率需求，调节所述拍摄装置的光学参数和所述俯仰角度，并在每个所述圆形轨迹的扫描过程中保持所述光学参数和所述俯仰角度稳定。

6.根据权利要求1所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，在同一圆形轨迹中，所述拍摄装置在相邻的两个所述扫描点的拍摄的图片之间具有重叠量。

7.根据权利要求6所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，根据在当前所述圆形轨迹的扫描过程中单幅所述图片的大小和相邻所述图片的重叠量的需求，确定在当前所述圆形轨迹中相邻所述扫描点之间的水平角的间隔。

8.根据权利要求1所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，根据当前所述圆形轨迹的半径及光学相机的视场理论，调整所述拍摄装置的光学参数。

9.根据权利要求1所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，所述光学参数包括所述拍摄装置的视场大小和焦距。

10.根据权利要求1所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，

当完成一圈扫描后，根据相关数学关系，确定下一个圆形轨迹与当前圆形轨迹的位置关系，所述相关数学关系推导如下：

地面距离为R处的目标的拍摄距离

拍摄距离L是指拍摄装置沿其光轴方向与拍摄区域的距离；此处保持任何距离拍摄装置拍摄的瞬时视场不变，设视场为a×b，则单幅照片所对应的拍摄区域的大小为c×d，c、d分别表示该拍摄区域的圆形轨迹的圆周方向宽度及半径方向宽度，单位为米或者千米：

c＝L×πa/180；

d＝L×πb/180。

11.根据权利要求1所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，

在同一半径为R的圆形轨迹上，考虑相邻M％的重叠面积并设定M％＝20％，则覆盖该半径为R的圆形轨迹的一圈需要的照片数A为：

其中，拍摄距离L是指拍摄装置沿其光轴方向与拍摄区域的距离。

12.根据权利要求10所述的光电遥感系统的扫描方法，其特征在于，

设R_i为第i个圆形轨迹的半径，R_i+1为第i+1个圆形轨迹的半径，则有两相邻的圆形轨迹的半径分别为R_i和R_i+1，两相邻圆形轨迹的间距为ΔR_i；

当i＝1时，则设两相邻圆形轨迹的半径分别为R₁和R₂，两圆形轨迹的间距为ΔR₁，相邻M％的重叠面积，则：

当M％＝20％时，则

依此类推，当

时，表示完成了对全部目标区域的扫描拍摄，此时拍摄的总张数为：

设拍摄一张照片耗时为t₀，则完成拍照的总时间为：

t＝Nt₀

其中d₁和d₂分别为半径为R₁和R₂圆形轨迹的每幅照片对应的拍摄区域的半径方向宽度，A_i为第i个圆形轨迹的照片张数，因此，n+1为i个圆形轨迹的上限，对应的，n为i个两相邻圆形轨迹间距数量的上限。

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