CN112598726B - 一种基于网格背景布虚拟定位林火方法 - Google Patents

一种基于网格背景布虚拟定位林火方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于网格背景布虚拟定位林火方法，包括步骤：一、利用网格背景布进行视野内方位角标定；二、确定林火着火点方位角；三、选取初始逼近距离并得到初始逼近点坐标；四、测距仪瞄准初始逼近点并获取测距仪与初始逼近点之间的方位角和距离；五、获取初始误差距离；六、判断初始误差距离是否大于误差阈值；七、获取修正逼近距离并得到修正逼近点坐标；八、测距仪瞄准修正逼近点并获取测距仪与修正逼近点之间的方位角和距离；九、获取修正误差距离；十、直至修正误差距离不大于误差阈值，输出林火着火点的坐标。本发明利用标定的像素点快速获取林火着火点方位角，测距仪可以实时获取指向终点的距离，解算出林火着火点坐标，也适用夜晚。

Description

一种基于网格背景布虚拟定位林火方法
技术领域
本发明属于林火定位技术领域，具体涉及一种基于网格背景布虚拟定 位林火方法。
背景技术
森林火灾是世界性林业重要灾害之一，具有突发性与随机性，能够在较 短的时间内造成较大的损失。森林火灾在全球每年都发生很多起，有的由于 发现不及时，最后演变成超大规模的森林火灾，从而造成林业资源的重大损 失和全球性环境污染。因此，一旦有火灾发生，就必须以极快的速度采取扑 救措施，但是扑救是否及时，完全取决于对森林火灾的定位发现是否及时。 传统的森林火灾定位监测技术主要包括瞭望台监测、人工巡护监测、飞机航 测、卫星监测以及无线传感网监测等。瞭望台监测需要修建瞭望台，需要人 实时值守；人工巡护监测需要大量的人力巡逻，容易错过最佳预警时机，同 时可能造成额外伤害；飞机航测成本高，连续性差；卫星监测周期长，灵活 性差；无线传感网能达到红外的敏感度但布防太困难。而摄像头可以看见着 火点，可知着火点的相对摄像头的方位角但是缺乏距离数据，无法独立实现 着火点定位。测距仪可以测量距离，但是无法感知着火点位置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种基于网格背景布虚拟定位林火方法，由一个标定过的摄像头和一个位于 摄像头上次的测距仪组成测量设备，通过标定过的摄像头可以直接获取林 区内实际地理位置点相对于摄像头的方位角，通过林区内实际地理位置点 的方位调节云台上，进而调节测距仪的指向，测距仪可以实时获取指向地 面的距离，利用逐次逼近林火着火点的方式解算出着林火着火点坐标，进 而获取林火着火点实际位置，为林火扑救提供精准数据，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于网格背景 布虚拟定位林火方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用网格背景布进行视野内方位角标定，过程如下：
步骤101、在林区内的高地上安装立柱，在立柱上由上至下依次安装 测距仪和摄像头，摄像头的视野固定不变；
步骤102、利用摄像头拍摄林区图像，将摄像头拍摄的视野范围内的 林区图像上每个像素点与林区内实际地理位置点进行对应，虚拟出摄像头 视野范围内的林区实际地理区域对应的网格背景布，存储摄像头拍摄的视 野范围内的林区图像上每个像素点对应的林区内实际地理位置点的方位 角数据，实现对摄像头拍摄的视野范围内的林区图像上每个像素点的标 定；
所述方位角包括偏航角和俯仰角，林区内实际地理位置点的方位角包 括摄像头的光轴与林区内实际地理位置点的偏航角和俯仰角；
步骤二、确定林火着火点方位角：利用摄像头实时拍摄视野范围内的 林区图像，当存在林火着火时，通过林区图像上林火着火点位置对应的像 素点，确定林火着火点的方位角；
步骤三、选取初始逼近距离并得到初始逼近点坐标，过程如下：
步骤301、调节测距仪角度，使测距仪的偏航角与林火着火点的一致， 利用测距仪照射地面，测距仪照射在地面上的位置位于林火着火点靠近高 地的一侧，将此时测距仪的输出距离参数视为初始逼近距离；
逼近距离为一线段Lt的长度，该线段Lt的起点为摄像头的光心，该线 段的终点c位于摄像头的光心与林火着火点连成的直线上；
逼近距离的终点为逼近点；
步骤302、根据公式
Figure BDA0002734291860000021
计算初始逼近点的坐标(Xt0,Yt0,Zt0)，其中，Lt0为初始逼近距离，θM为林火着火点的俯仰角，
Figure BDA0002734291860000038
为 林火着火点的偏航角，G为摄像头的光心位置的高程；
步骤四、测距仪瞄准初始逼近点并获取测距仪与初始逼近点之间的方 位角和距离：将测距仪瞄准初始逼近点，根据公式
Figure BDA0002734291860000031
计算测距仪与初始逼近点之间 的方位角
Figure BDA0002734291860000032
其中，(XL0,YL0,ZL0)为测距仪的坐标；
根据公式
Figure BDA0002734291860000033
计算测距仪与初始逼 近点之间的距离lL0,c0；
步骤五、获取初始误差距离：根据公式ΔL0＝Ld-lL0,c0，计算初始误差距 离ΔL0，其中，Ld为测距仪照射在地面上当前位置的输出距离；
步骤六、判断初始误差距离是否大于误差阈值：判断初始误差距离是 否大于误差阈值，当初始误差距离ΔL0大于误差阈值时，执行步骤七；否 则，初始逼近点即为林火着火点；
步骤七、获取修正逼近距离并得到修正逼近点坐标：根据公式 Lti＝Lt(i-1)+ΔL(i-1)，计算第i次修正得到的修正逼近距离Lti，其中，i为修正 次数编号；
根据公式
Figure RE-GDA0002946978540000034
计算第i次修正得到的修正逼近点坐标 (Xti,Yti,Zti)；
步骤八、测距仪瞄准修正逼近点并获取测距仪与修正逼近点之间的方 位角和距离：将测距仪瞄准第i次修正得到的修正逼近点，根据公式
Figure RE-GDA0002946978540000035
计算测距仪与第i次修正得到 的修正逼近点之间的方位角
Figure RE-GDA0002946978540000036
根据公式
Figure RE-GDA0002946978540000041
计算测距仪与第i次 修正得到的修正逼近点之间的距离lL0,ci；
步骤九、获取修正误差距离：根据公式ΔLi＝Ld-lL0,ci，计算第i次修正 得到的修正误差距离ΔLi；
步骤十、多次循环步骤七至步骤九，直至第i次修正得到的修正误差 距离ΔLi不大于误差阈值；此时的修正逼近点即为林火着火点，并输出林火 着火点的坐标。
上述的一种基于网格背景布虚拟定位林火方法，其特征在于：所述测 距仪通过云台安装在立柱顶部，所述摄像头和测距仪之间的间距为20cm～ 50cm。
上述的一种基于网格背景布虚拟定位林火方法，其特征在于：所述误 差阈值的取值范围为0～0.1m。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明测距仪主要担任计算着火点位置的工作，采用无畸变摄像头， 通过云台控制测距仪逼近林火着火点，根据相对位置和摄像头处参数坐标直 接解算着火点位置，为林火扑救提供精准数据，便于推广使用。
2、本发明在测距定位过程中，通过视频图像计算林火着火点的方位，测 算航偏角和俯仰度，调节测距仪角度，使测距仪的偏航角与林火着火点的一 致，利用测距仪照射地面，测距仪照射在地面上的位置位于林火着火点靠近 高地的一侧，将此时测距仪的输出距离参数视为初始逼近距离，便于逼近计 算的收敛，可靠稳定，使用效果好。
3、本发明方法步骤简单，为了实现火灾预警以及后续扑救工作的智能化， 采用摄像头和测距仪组合进行目标空间定位，定位方法简单，硬件计算量小， 响应速度快，夜间也可以获取目标，便于推广使用。
综上所述，本发明由一个标定过的摄像头和一个位于摄像头上次的测 距仪组成测量设备，通过标定过的摄像头可以直接获取林区内实际地理位 置点相对于摄像头的方位角，通过林区内实际地理位置点的方位调节云台 上，进而调节测距仪的指向，测距仪可以实时获取指向地面的距离，利用 逐次逼近林火着火点的方式解算出着林火着火点坐标，进而获取林火着火 点实际位置，为林火扑救提供精准数据，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明林火着火点逼近修正原理图。
图2为本发明方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—摄像头； 2—测距仪； 3—林火着火点；
4—地面； 5—立柱； 6—高地。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种基于网格背景布虚拟定位林火方法， 包括以下步骤：
步骤一、利用网格背景布进行视野内方位角标定，过程如下：
步骤101、在林区内的高地6上安装立柱5，在立柱5上由上至下依 次安装测距仪2和摄像头1，摄像头1的视野固定不变；
步骤102、利用摄像头1拍摄林区图像，将摄像头1拍摄的视野范围 内的林区图像上每个像素点与林区内实际地理位置点进行对应，虚拟出摄 像头视野范围内的林区实际地理区域对应的网格背景布，存储摄像头1拍 摄的视野范围内的林区图像上每个像素点对应的林区内实际地理位置点 的方位角数据，实现对摄像头1拍摄的视野范围内的林区图像上每个像素 点的标定；
所述方位角包括偏航角和俯仰角，林区内实际地理位置点的方位角包 括摄像头1的光轴与林区内实际地理位置点的偏航角和俯仰角；
本实施例中，所述测距仪2通过云台安装在立柱5顶部，所述摄像头1和测距仪2之间的间距为20cm～50cm。
步骤二、确定林火着火点方位角：利用摄像头1实时拍摄视野范围内 的林区图像，当存在林火着火时，通过林区图像上林火着火点位置对应的 像素点，确定林火着火点3的方位角；
需要说明的是，如图1所示，c点是摄像头1的光心与林火着火点3 连成的直线上的一点，c点和摄像头1的光心的连线长度为一个逼近距离， 即逼近距离Lt，d点是测距仪2发出的射线经过c点后照射在地面4上的 位置，ΔL为一个误差距离，c点和测距仪2的连线Lc的长度为测距仪与逼 近点之间的距离。
步骤三、选取初始逼近距离并得到初始逼近点坐标，过程如下：
步骤301、调节测距仪2角度，使测距仪2的偏航角与林火着火点3 的一致，利用测距仪2照射地面4，测距仪2照射在地面4上的位置位于 林火着火点3靠近高地6的一侧，将此时测距仪2的输出距离参数视为初 始逼近距离；
逼近距离为一线段Lt的长度，该线段Lt的起点为摄像头1的光心，该 线段的终点c位于摄像头1的光心与林火着火点3连成的直线上；
逼近距离的终点为逼近点；
步骤302、根据公式
Figure BDA0002734291860000061
计算初始逼近点的坐标 (Xt0,Yt0,Zt0)，其中，Lt0为初始逼近距离，θM为林火着火点3的俯仰角，
Figure BDA0002734291860000062
为林火着火点3的偏航角，G为摄像头1的光心位置的高程；
步骤四、测距仪瞄准初始逼近点并获取测距仪与初始逼近点之间的方 位角和距离：将测距仪2瞄准初始逼近点，根据公式
Figure BDA0002734291860000063
计算测距仪2与初始逼近点之 间的方位角
Figure BDA0002734291860000064
其中，(XL0,YL0,ZL0)为测距仪2的坐标；
根据公式
Figure BDA0002734291860000071
计算测距仪与初始逼 近点之间的距离lL0,c0；
步骤五、获取初始误差距离：根据公式ΔL0＝Ld-lL0,c0，计算初始误差距 离ΔL0，其中，Ld为测距仪2照射在地面4上当前位置的输出距离；
步骤六、判断初始误差距离是否大于误差阈值：判断初始误差距离是 否大于误差阈值，当初始误差距离ΔL0大于误差阈值时，执行步骤七；否 则，初始逼近点即为林火着火点；
步骤七、获取修正逼近距离并得到修正逼近点坐标：根据公式 Lti＝Lt(i-1)+ΔL(i-1)，计算第i次修正得到的修正逼近距离Lti，其中，i为修正 次数编号；
根据公式
Figure RE-GDA0002946978540000072
计算第i次修正得到的修正逼近点坐标 (Xti,Yti,Zti)；
步骤八、测距仪瞄准修正逼近点并获取测距仪与修正逼近点之间的方 位角和距离：将测距仪2瞄准第i次修正得到的修正逼近点，根据公式
Figure RE-GDA0002946978540000073
计算测距仪2与第i次修正得 到的修正逼近点之间的方位角
Figure RE-GDA0002946978540000074
根据公式
Figure RE-GDA0002946978540000075
计算测距仪与第i次 修正得到的修正逼近点之间的距离lL0,ci；
步骤九、获取修正误差距离：根据公式ΔLi＝Ld-lL0,ci，计算第i次修正 得到的修正误差距离ΔLi；
步骤十、多次循环步骤七至步骤九，直至第i次修正得到的修正误差 距离ΔLi不大于误差阈值；此时的修正逼近点即为林火着火点，并输出林火 着火点的坐标。
本实施例中，所述误差阈值的取值范围为0～0.1m。
本发明测距仪主要担任计算着火点位置的工作，采用无畸变摄像头， 通过云台控制测距仪逼近林火着火点，根据相对位置和摄像头处参数坐标直 接解算着火点位置，为林火扑救提供精准数据；在测距定位过程中，通过视 频图像计算林火着火点的方位，测算航偏角和俯仰度，调节测距仪角度，使 测距仪的偏航角与林火着火点的一致，利用测距仪照射地面，测距仪照射在 地面上的位置位于林火着火点靠近高地的一侧，将此时测距仪的输出距离参 数视为初始逼近距离，便于逼近计算的收敛，可靠稳定；为了实现火灾预警 以及后续扑救工作的智能化，采用摄像头和测距仪组合进行目标空间定位， 定位方法简单，硬件计算量小，响应速度快，夜间也可以获取目标，利用逐 次逼近林火着火点的方式解算出着林火着火点坐标，进而获取林火着火点 实际位置，为林火扑救提供精准数据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡 是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效 结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于网格背景布虚拟定位林火方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用网格背景布进行视野内方位角标定，过程如下：
步骤101、在林区内的高地(6)上安装立柱(5)，在立柱(5)上由上至下依次安装测距仪(2)和摄像头(1)，摄像头(1)的视野固定不变；
步骤102、利用摄像头(1)拍摄林区图像，将摄像头(1)拍摄的视野范围内的林区图像上每个像素点与林区内实际地理位置点进行对应，虚拟出摄像头视野范围内的林区实际地理区域对应的网格背景布，存储摄像头(1)拍摄的视野范围内的林区图像上每个像素点对应的林区内实际地理位置点的方位角数据，实现对摄像头(1)拍摄的视野范围内的林区图像上每个像素点的标定；
所述方位角包括偏航角和俯仰角，林区内实际地理位置点的方位角包括摄像头(1)的光轴与林区内实际地理位置点的偏航角和俯仰角；
步骤二、确定林火着火点方位角：利用摄像头(1)实时拍摄视野范围内的林区图像，当存在林火着火时，通过林区图像上林火着火点位置对应的像素点，确定林火着火点(3)的方位角；
步骤三、选取初始逼近距离并得到初始逼近点坐标，过程如下：
步骤301、调节测距仪(2)角度，使测距仪(2)的偏航角与林火着火点(3)的一致，利用测距仪(2)照射地面(4)，测距仪(2)照射在地面(4)上的位置位于林火着火点(3)靠近高地(6)的一侧，将此时测距仪(2)的输出距离参数视为初始逼近距离；
逼近距离为一线段Lt的长度，该线段Lt的起点为摄像头(1)的光心，该线段的终点c位于摄像头(1)的光心与林火着火点(3)连成的直线上；
逼近距离的终点为逼近点；
步骤302、根据公式
Figure RE-FDA0002946978530000011
计算初始逼近点的坐标(Xt0,Yt0,Zt0)，其中，Lt0为初始逼近距离，θM为林火着火点(3)的俯仰角，
Figure RE-FDA0002946978530000021
为林火着火点(3)的偏航角，G为摄像头(1)的光心位置的高程；
步骤四、测距仪瞄准初始逼近点并获取测距仪与初始逼近点之间的方位角和距离：将测距仪(2)瞄准初始逼近点，根据公式
Figure RE-FDA0002946978530000022
计算测距仪(2)与初始逼近点之间的方位角
Figure RE-FDA0002946978530000023
其中，(XL0,YL0,ZL0)为测距仪(2)的坐标；
根据公式
Figure RE-FDA0002946978530000024
计算测距仪与初始逼近点之间的距离lL0,c0；
步骤五、获取初始误差距离：根据公式ΔL0＝Ld-lL0,c0，计算初始误差距离ΔL0，其中，Ld为测距仪(2)照射在地面(4)上当前位置的输出距离；
步骤六、判断初始误差距离是否大于误差阈值：判断初始误差距离是否大于误差阈值，当初始误差距离ΔL0大于误差阈值时，执行步骤七；否则，初始逼近点即为林火着火点；
步骤七、获取修正逼近距离并得到修正逼近点坐标：根据公式Lti＝Lt(i-1)+ΔL(i-1)，计算第i次修正得到的修正逼近距离Lti，其中，i为修正次数编号；
根据公式
Figure RE-FDA0002946978530000025
计算第i次修正得到的修正逼近点坐标(Xti,Yti,Zti)；
步骤八、测距仪瞄准修正逼近点并获取测距仪与修正逼近点之间的方位角和距离：将测距仪(2)瞄准第i次修正得到的修正逼近点，根据公式
Figure RE-FDA0002946978530000026
计算测距仪(2)与第i次修正得到的修正逼近点之间的方位角
Figure RE-FDA0002946978530000027
根据公式
Figure RE-FDA0002946978530000031
计算测距仪与第i次修正得到的修正逼近点之间的距离lL0,ci；
步骤九、获取修正误差距离：根据公式ΔLi＝Ld-lL0,ci，计算第i次修正得到的修正误差距离ΔLi；
步骤十、多次循环步骤七至步骤九，直至第i次修正得到的修正误差距离ΔLi不大于误差阈值；此时的修正逼近点即为林火着火点，并输出林火着火点的坐标。
2.按照权利要求1所述的一种基于网格背景布虚拟定位林火方法，其特征在于：所述测距仪(2)通过云台安装在立柱(5)顶部，所述摄像头(1)和测距仪(2)之间的间距为20cm～50cm。
3.按照权利要求1所述的一种基于网格背景布虚拟定位林火方法，其特征在于：所述误差阈值的取值范围为0～0.1m。
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