CN111260870B - 一种目标精确定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种目标精确定位方法，属于林火单点定位技术领域，解决了现有火点定位方式未考虑设备装配工艺误差、外业工程的整机安装误差、云台机械跟踪定位误差而导致系统定位精度差的问题。步骤如下：从红外热像图中获取疑似目标坐标值；利用设备工艺误差补偿函数校正拍摄所述红外热像图时云台的方位角、俯仰角，得到校正后的方位角、校正后的俯仰角；根据所述疑似林火目标坐标值、所述校正后的方位角、校正后的俯仰角、云台架设位置的经纬度、云台架设高度、红外热像仪的分辨率、标定后的红外视场角数据，通过林火定位算法计算得到火源位置。本发明中的方法能够有效提高林火单点定位精度，减少定位误差。

Description

一种目标精确定位方法

技术领域

本发明涉及林火单点定位技术领域，尤其涉及一种目标精确定位方法。

背景技术

我国拥有丰富的森林资源，由于受气候、地形及人为因素的影响，每年森林火灾频发，给国民的生命财产安全和生态平衡造成了严重的危害。因此森林防火任务复杂、艰巨且任务量大，能够准确地定位着火点、指导现场人员进行人工救火是目前防火领域的关键技术之一。

现有的很多智能林区林火监控系统虽然可以定位火点，但由于用于森林防火的摄像机通常安装于位于户外铁塔和瞭望塔等高处，会受到环境的影响，例如风的吹动导致铁塔晃动导致摄像机载体云台的晃动，从而导致固定于载体云台上的摄像机也会随之以一定的幅度摆动；除了这些不可抗因素外，用于森林防火的摄像机还受到云台机械的跟踪定位精度、算法精度、云台架设后定标精度的影响。由于这些因素的影响均会导致摄像机所获取的图像中的火源位置信息与理论位置有一定的偏差，这反映在实际应用场景中可能会产生公里级的偏差，远远不能满足要求。

现有的火点定位方式如下：监测到林区出现疑似火情后，根据前端摄像系统的绝对三维(纬度，经度，高程)、前端摄像系统拍摄该疑似火情时的相对两维(转台的方位角，转台的俯仰角)，并结合GIS地理信息系统，测算出目标的具体位置。现有火点定位方式未考虑外业工程的设备安装误差、云台机械跟踪定位误差而导致系统定位精度差的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种目标精确定位方法，用以解决现有火点定位方式未考虑外业工程的设备安装误差、云台机械跟踪定位误差而导致系统定位精度差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种目标精确定位方法，步骤如下：

从红外热像图中获取疑似目标坐标值；

利用设备工艺误差补偿函数校正拍摄所述红外热像图时云台的方位角、俯仰角，得到校正后的方位角、校正后的俯仰角；

根据所述疑似林火目标坐标值、所述校正后的方位角、校正后的俯仰角、云台架设位置的经纬度、云台架设高度、红外热像仪的分辨率、标定后的红外视场角数据，通过林火定位算法计算得到火源位置。

本发明有益效果如下：本实施例提供的提升林火单点定位精度的方法，充分利用设备工艺误差补偿函数校正拍摄所述红外热像图时云台的方位角、俯仰角，还对红外视场角数据进行了标定，能够有效保证用于林火定位算法的输入数据的准确性，进而保证由林火定位算法计算得到火源位置的准确性，有效提升了林火单点定位精度，现场人员可根据得到的火源位置进行针对性地人工救火。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述红外热像图由挂载于云台上的红外热像仪采集得到，所述云台设置于林区监测基站铁塔或瞭望台上；所述云台架设高度由DEM高程数据及铁塔或瞭望台高度得到。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用红外热像仪拍摄的红外热像图与物体表面的热分布场之间的对应关系，达到自动识别疑似林火目标的目的。

进一步，通过以下方式得到标定后的红外视场角数据：

通过水平移动同一参照物到热成像仪画面的最左侧和最右侧；

分别记录参照物在最左侧和最右侧时云台的水平反馈角，计算两个反馈角的差值，作为标定后的水平红外视场角数据；

通过上下移动同一参照物到热成像仪画面的最上侧和最下侧；

分别记录参照物在视频最上方和最下方时云台的俯仰反馈角，计算两个反馈角的差值，作为标定后的俯仰红外视场角数据；

由所述标定后的水平红外视场角数据与所述标定后的俯仰红外视场角数据，共同构成所述标定后的红外视场角数据。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过对红外视场角数据进行校正，有效保证红外视场角数据的准确性，进而提升林火定位算法使用此信息得到的火源位置的精度。

进一步，所述设备工艺误差补偿函数根据不同标定点的实测角度和当前位置云台的反馈角度得到。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于内部设备构造造成云台转动中心和红外成像中心不一致，所以需要进行设备工艺误差补偿，从而消除因两个中心不一致导致的云台方位角、俯仰角存在偏差的问题。

进一步，所述云台还用于挂载可见光摄像仪，所述可见光摄像仪和所述红外热成像仪分别挂载在云台两侧；或将所述可见光摄像头和所述红外热成像仪与云台同轴设置。

采用上述进一步方案的有益效果是：可见光摄像机用于拍摄林区的可见光图像，该可见光图像作为林火验证定位信息，能够有效验证火源位置定位的准确度。

进一步，当所述云台及红外热像仪安装完成后，记录当前位置的云台架设点的经纬度、DEM高程数据及铁塔或瞭望台高度。

进一步，所述利用林火定位算法计算得到火源位置，包括以下步骤：

根据所述校正后的方位角、校正后的俯仰角、云台架设位置的经纬度、云台架设高度及所述红外热像仪的成像几何模型，确定参考视窗及所述参考视窗中心点的坐标；

根据所述红外热像仪的分辨率、所述标定后的红外视场角数据，确定所述参考视窗的宽、高及所述参考视窗的四个边界点坐标；

根据所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点与四个边界点坐标的距离之间的对应比例关系，确定所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点坐标；

利用通视性分析算法确定所述红外热像仪的视点与所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点坐标形成的视线，所述视线与三维地形的第一个障碍点的坐标为火源位置。

采用上述进一步方案的有益效果是：在通过上述方式保证林火定位算法输入信息较为准确的情况下，利用林火定位算法得到的火源位置也较为准确，有效提高了林火单点的定位精度。

进一步，还包括控制云台转动对准所述火源位置；所述控制云台转动对准所述火源位置包括：

利用云台方位角定位补偿函数、云台俯仰角定位补偿函数分别对所述校正后的方位角、校正后的俯仰角进行二次校正，得到云台需要转动的方位角、俯仰角，根据所述云台需要转动的方位角、俯仰角控制云台转动，使得所述红外热像仪对准火源位置。

采用上述进一步方案的有益效果是：在现场人员根据得到的火源位置进行针对性地人工救火的同时，可以通过控制云台转动对准所述火源位置，便于查看现场火源火势，指挥现场人员进行救火救援工作。

进一步，通过以下方式得到所述云台方位角定位补偿函数、云台俯仰角定位补偿函数：

以云台水平零点和垂直零点为基准，利用定位仪进行覆盖式采点，得到采样点；通过所述采样点的经纬度、DEM高程信息确定对应的采样点实际的方位角和俯仰角，拟合所述采样点的水平角与对应云台反馈的方位角，得到云台方位角定位补偿函数；拟合所述采样点的垂直角与对应云台反馈的俯仰角，得到云台俯仰角定位补偿函数。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过以上方法得到的云台方位角定位补偿函数、云台俯仰角定位补偿函数，能够补偿云台机械跟踪定位带来的误差，保证云台反馈角度的准确性。

进一步，以所述红外热成像仪镜头的中心点朝向正北方向时作为所述云台的水平零点；以所述红外热成像仪镜头的中心点在垂直方向与水平面平行的位置作为云台的垂直零点。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于现场设备安装限制，可见光摄像机和红外热成像仪相对云台一左一右安装(或将可见光摄像头和红外热成像仪与云台同轴设置)，且进行林火测试时以红外热成像仪发现的目标为准，为了保证报警时云台反馈角度的准确性，所以以红外热像仪镜头中心点为基准设置水平零点、垂直零点。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中提升林火单点定位精度的方法流程图。

图2为通视性分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种目标精确定位方法，如图1所示，步骤如下：

步骤S1：从红外热像图中获取疑似目标坐标值；

步骤S2：利用设备工艺误差补偿函数校正拍摄所述红外热像图时云台的方位角、俯仰角，得到校正后的方位角、校正后的俯仰角；

步骤S3：根据所述疑似林火目标坐标值、所述校正后的方位角、校正后的俯仰角、云台架设位置的经纬度、云台架设高度、红外热像仪的分辨率、标定后的红外视场角数据，通过林火定位算法计算得到火源位置。

与现有技术相比，本实施例提供的提升林火单点定位精度的方法，充分利用设备工艺误差补偿函数校正拍摄所述红外热像图时云台的方位角、俯仰角，还对红外视场角数据进行了标定，能够有效保证用于林火定位算法的输入数据的准确性，进而保证由林火定位算法计算得到火源位置的准确性，有效提升了林火单点定位精度。

其中，所述红外热像图由挂载于云台上的红外热像仪采集得到，所述云台设置于林区监测基站铁塔或瞭望台上，红外热成像仪内置测温模块，用于拍摄林区的红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应，能够自动识别疑似林火目标。记录当前的红外热像仪的分辨率。所述云台还用于挂载可见光摄像仪，所述可见光摄像仪和所述红外热成像仪分别挂载在云台两侧；或将所述可见光摄像头和所述红外热成像仪与云台同轴设置。可见光摄像机用于拍摄林区的可见光图像，该可见光图像作为林火验证定位信息；当云台的水平角、俯仰角发生改变时，可见光摄像机和红外热成像仪的拍摄范围随之发生变化。

优选地，所述云台架设高度由DEM(Digital ElevationModel,数字高程模型)高程数据及铁塔或瞭望台高度得到。当所述云台及红外热像仪安装完成后，记录当前位置的云台架设点的经纬度、DEM高程数据及铁塔或瞭望台高度。

在本发明所述的方法中，涉及到红外视场角数据的标定、设备工艺误差的标定，具体标定方式如下：

(一)红外视场角数据的标定

由于红外热成像仪的视场角大小取决于红外镜头规格，是镜头出厂理论值，但与成像传感器装配后有误差，实际装配后一般要小于出厂值，林火定位算法使用此信息直接影响火点定位精度，需要进行现场测试校验热成像的视场角从而提高定位精度。通过以下方式得到标定后的红外视场角数据：

通过水平移动同一参照物到热成像仪画面的最左侧和最右侧；

分别记录参照物在最左侧和最右侧时云台的水平反馈角，计算两个反馈角的差值，作为标定后的水平红外视场角数据；

通过上下移动同一参照物到热成像仪画面的最上侧和最下侧；

分别记录参照物在视频最上方和最下方时云台的俯仰反馈角，计算两个反馈角的差值，作为标定后的俯仰红外视场角数据；

由所述标定后的水平红外视场角数据与所述标定后的俯仰红外视场角数据，共同构成所述标定后的红外视场角数据。

(二)设备工艺误差的标定

设备组装工艺误差：由于内部设备构造造成转动中心和红外成像中心不一致，最大水平偏移距离可达15.62CM(根据测试信息可以求出云台转动中心到红外热成像仪成像中心的距离)，垂直偏移距离可达11.05CM(不同设备的安装工艺不同，距离不同)。需要根据不同标定点的实测角度和此位置云台反馈角度的误差规律做拟合补偿。其步骤如下：

步骤S1：设备架设完成后确定云台水平零点和垂直零点；

步骤S2：在山下不同位置寻找合适的多组标定点，并采集标定点的经纬度高程信息；

步骤S3：通过云台架设位置信息和标定点的经纬度高程信息，通过三角函数计算出标定点的方位角和俯仰角，作为标定点的实测角度；

步骤S4：移动云台，让标定点位置位于红外视频中心，记录此时云台反馈的角度信息；

步骤S5：统计分析采集的不同标定点的测量角度和云台反馈角度的偏差，通过拟合软件生成曲线拟合函数。

为更好地理解林火定位算法原理，在本发明中特定义如下概念：

视点：本发明中的视点指的是红外热像仪的光学中心点，红外热像仪的所有视线都经过视点，它的坐标由实际测得的红外热像仪的位置确定。

视窗：定义垂直于中心视线的平面与红外热像仪的外围视线的交点所围成的平面区域，不是真实的平面，但是视窗一般与镜头靶面平行，镜头靶面可看作一个特殊的视窗。

中心视线：指红外热像仪的光学中心线，也叫主光轴。

参考视窗：参考视窗是指与红外热像仪距离为R的一个视窗。此平面也不是真实存在的，只是用来辅助求解火源位置而设定的一个与靶面平行的平面。参考视窗的面积与距离R有关，而且距离R是可以自由设置的，距离R越大，参考视窗的面积越大。需要设置合适的R，但是不能太小，否则参考视窗太小而坐标太大，在计算火源位置时容易产生较大误差。一般地，地形表面上视频可视域内的任意可视点与视点组成的直线必与参考视窗有唯一交点，也即视点到火源位置的视线与参考视窗有唯一交点。

本发明利用林火定位算法计算得到火源位置，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据所述校正后的方位角、校正后的俯仰角、云台架设位置的经纬度、云台架设高度及所述红外热像仪的成像几何模型，确定参考视窗及所述参考视窗中心点的坐标；

步骤S2：根据所述红外热像仪的分辨率、所述标定后的红外视场角数据，确定所述参考视窗的宽、高及所述参考视窗的四个边界点坐标；

步骤S3：根据所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点与四个边界点坐标的距离之间的对应比例关系，确定所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点坐标；

步骤S4：利用通视性分析算法确定所述红外热像仪的视点与所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点坐标形成的视线，所述视线与三维地形的第一个障碍点的坐标为火源位置。三维地形数据可通过监控范围内DEM高程地图得到。

其中，通视性分析的基本原理为：给定一个地形模型和地形上两个点，通视性分析就是要确定这两点能否互相看到对方。其算法的基本思路是：

(1)在空间坐标系O-XYZ中，确定垂直于XOY平面且过观察点与目标点形成的线段的平面，相当于三维地形的一个过观察点与目标点形成的线段的剖面；

(2)确定地形模型上与剖面相交的所有边；

(3)判断这些边是否在观察点与目标点形成的线段上，如果有一条边在其上，那么就认为观察点和目标点不可视，否则可视。如图2所示，分析易得，C与T通视，C与T′不通视。

本发明中使用的是基于规则格网DEM的通视性分析算法。

利用本发明的上述方法得到火源位置后，控制云台转动对准所述火源位置；所述控制云台转动对准所述火源位置包括：

利用云台方位角定位补偿函数、云台俯仰角定位补偿函数分别对所述校正后的方位角、校正后的俯仰角进行二次校正，得到云台需要转动的方位角、俯仰角，根据所述云台需要转动的方位角、俯仰角控制云台转动，使得红外热像仪对准火源位置。

由于云台自身重力和机械转动精度规格的影响，导致通过云台角度转动云台定位时，云台到达位置和实际驱动的角度位置存在偏差，而该偏差直接影响到火点定位位置的准确性，因此，需要对云台方向、俯仰转动角度的定位精度进行标定。

优选地，通过以下方式得到所述云台方位角定位补偿函数、云台俯仰角定位补偿函数：

以云台水平零点和垂直零点为基准，利用定位仪进行覆盖式采点(通过卫星影像在地图中清晰标注出来的点位)，得到采样点；通过所述采样点的经纬度、DEM高程信息确定对应的采样点实际的水平角和垂直角，但是，根据该水平角和垂直角从不同方向驱动云台转动到指定角度后，不一定能保证采样点位于红外热像仪成像的中心点，因此，还需要根据当采样点位于红外热像仪成像中心点时云台反馈的角度，对上述的驱动角度进行校正，而采样点与相应角度存在确定关系，因此实际拟合的是采样点角度和云台反馈角度之间的关系，即执行以下操作：

拟合所述采样点的水平角与对应云台反馈的方位角，得到云台方位角定位补偿函数；拟合所述采样点的垂直角与对应云台反馈的俯仰角，得到云台俯仰角定位补偿函数。

优选地，林火单点定位准确性依赖于云台推送的角度信息的准确性，而云台所推送角度信息的准确性取决于架设后云台零点位置标定的准确性。由于现场设备安装限制，可见光摄像机和红外热成像仪相对云台一左一右安装(或将可见光摄像机和红外热成像仪与云台同轴设置)，且进行林火测试时以红外热成像仪发现的目标为准，为了保证报警时云台反馈角度的准确性，以所述红外热成像仪镜头的中心点朝向正北方向时作为所述云台的水平零点；以所述红外热成像仪镜头的中心点在垂直方向与水平面平行的位置作为云台的垂直零点。标定水平和垂直零点，即水平从正北0开始，云台顺时针方向转动，角度从0开始增大；垂直从零点开始，向上为正角度(逐渐增大)，向下为负角度。和大地坐标系一致，保证和林火算法中坐标系一致。

通过在山下寻找合适的目标点(红外热成像仪中心点可以清晰看到此目标点，并且地图上能够查找到对应点，或使用高精度定位仪采测该目标点)，采集该目标点的经纬度高程信息和红外热成像仪中心点的位置信息，通过三角函数计算出目标点的方向角和俯仰角(两个点的经纬度信息计算方向角，两个点的高程和摄像机架设高度计算俯仰角)，再通过目标点相对红外热成像仪的方位反转对应角度，用于标定红外热成像仪的零点，标定后继续采集几组点用于校准云台零点位置。

根据执行本发明方法前的预备信息即本发明的具体实施方式，能够有效提升林火单点定位精度，并通过大量室内外实验，在确定云台水平角补偿函数、云台俯仰角定位补偿函数过程中，得到了以下结论：

云台定位误差：俯仰角度(以水平为零，向上为正，向下为负)到达误差，从上到下可以到达同一参考点，从下到上到达同一参考点存在误差(误差在0.15°，根据安装情况可能会存在差异)，水平角度偶发不能到达(可以忽略)。针对以上情况可以对俯仰做固定角度补偿或拟合补偿(具体是否固定补偿依赖不同设备现场安装后测试统计分析的结果为准)。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种目标精确定位方法，其特征在于，步骤如下：

从红外热像图中获取疑似目标坐标值；

利用设备工艺误差补偿函数校正拍摄所述红外热像图时云台的方位角、俯仰角，得到校正后的方位角、校正后的俯仰角；

根据所述疑似林火目标坐标值、所述校正后的方位角、校正后的俯仰角、云台架设位置的经纬度、云台架设高度、红外热像仪的分辨率、标定后的红外视场角数据，通过林火定位算法计算得到火源位置；

所述红外热像图由挂载于云台上的红外热像仪采集得到，所述云台设置于林区监测基站铁塔或瞭望台上；所述云台架设高度由DEM高程数据及铁塔或瞭望台高度得到；

通过以下方式得到标定后的红外视场角数据：

通过水平移动同一参照物到热成像仪画面的最左侧和最右侧；

分别记录参照物在最左侧和最右侧时云台的水平反馈角，计算两个反馈角的差值，作为标定后的水平红外视场角数据；

通过上下移动同一参照物到热成像仪画面的最上侧和最下侧；

分别记录参照物在视频最上方和最下方时云台的俯仰反馈角，计算两个反馈角的差值，作为标定后的俯仰红外视场角数据；

由所述标定后的水平红外视场角数据与所述标定后的俯仰红外视场角数据，共同构成所述标定后的红外视场角数据；

所述设备工艺误差补偿函数根据不同标定点的实测角度和当前位置云台的反馈角度得到；

所述利用林火定位算法计算得到火源位置，包括以下步骤：

根据所述校正后的方位角、校正后的俯仰角、云台架设位置的经纬度、云台架设高度及所述红外热像仪的成像几何模型，确定参考视窗及所述参考视窗中心点的坐标；

根据所述红外热像仪的分辨率、所述标定后的红外视场角数据，确定所述参考视窗的宽、高及所述参考视窗的四个边界点坐标；

根据所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点与四个边界点坐标的距离之间的对应比例关系，确定所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点坐标；

利用通视性分析算法确定所述红外热像仪的视点与所述疑似林火目标坐标值在所述参考视窗上的对应点坐标形成的视线，所述视线与三维地形的第一个障碍点的坐标为火源位置；

还包括控制云台转动对准所述火源位置；所述控制云台转动对准所述火源位置包括：利用云台方位角定位补偿函数、云台俯仰角定位补偿函数分别对所述校正后的方位角、校正后的俯仰角进行二次校正，得到云台需要转动的方位角、俯仰角，根据所述云台需要转动的方位角、俯仰角控制云台转动，使得所述红外热像仪对准火源位置；

通过以下方式得到所述云台方位角定位补偿函数、云台俯仰角定位补偿函数：

以云台水平零点和垂直零点为基准，利用定位仪进行覆盖式采点，得到采样点；通过所述采样点的经纬度、DEM高程信息确定对应的采样点实际的方位角和俯仰角，拟合所述采样点的水平角与对应云台反馈的方位角，得到云台方位角定位补偿函数；拟合所述采样点的垂直角与对应云台反馈的俯仰角，得到云台俯仰角定位补偿函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述云台还用于挂载可见光摄像仪，所述可见光摄像仪和所述红外热成像仪分别挂载在云台两侧；或将所述可见光摄像头和所述红外热成像仪与云台同轴设置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述云台及红外热像仪安装完成后，记录当前位置的云台架设点的经纬度、DEM高程数据及铁塔或瞭望台高度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述红外热成像仪镜头的中心点朝向正北方向时作为所述云台的水平零点；以所述红外热成像仪镜头的中心点在垂直方向与水平面平行的位置作为云台的垂直零点。

Images