CN112665735A - 一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法，包括以下步骤：设置多个人工水体，调节所述人工水体温度；获取人工水体位置数据；测量每个人工水体的温度，采集测量的温度数据，显示实时数据及保存测量数据和时间标签；通过红外相机机载遥感与地面温度实验同步进行，同步获取红外温度影像和地面异常点的温度和坐标信息，同步实现航空红外影像温度定标及几何检校。本发明实施例提供了一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法，不受被观测水体的角度辐射特性及温度的影响，测量数据准确，结构简单，运行稳定，环境适应性强，成本低廉。

Description

一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法。

背景技术

目前，现有对航空红外影像数据进行温度定标的方法，需要大面积均匀温度场(大于900m²)，基本上一个静态水体，只能提供一个温度数据，即使多个静态自然水体，也由于水体温度基本上接近地表常温，定标数据之间不存在明显差异，不能形成温度数据的梯度差异，只能定性判断该温度场数据是否准确，而很难通过线性模型对已获取的温度场数据进行校正。而且，大面积的均匀水体不能提供高分辨率影像相应的精确几何位置，不能用于红外影像数据的几何校正。此外，现有对航空红外影像数据进行温度定标的方法，采用的红外辐射计测温的方法，为非接触性的测温方法，虽然温度测量的精度较高，如CE312型多光谱热红外辐射计，量程为±60℃，精度为量程的±1％。但价格昂贵(免税价格57万元)，很难同时布设多个同步观测点。如图1所示，非接触测量还受到被观测地物与观测仪器之间空间位置关系的束缚，不能避免地物角度辐射特性的影响。

现有对航空红外影像数据进行几何检校的方法，与通常用于高分辨率可见光影像数据几何校正的方法类似，采用地面已知坐标点作为控制点，对影像进行几何校正，但温度场与可见光影像的差异在于，首先地表温度本身是随时间变化的量，不同时间拍摄的温度影像，地物温度变化较大；其次，在拍摄地表常温温度场时，在地物的温度差异很小，影像数据的高频信息很少，很难找到可以用作控制点的异常温度点。而控制点难以确定则无法进行温度场影像的几何校正。

同时，现有的航空红外影像数据进行温度定标和几何检校的方法，是红外温度场影像数据处理流程的两个部分，无法实现这两个图像处理流程的同步实现。

发明内容

本发明的实施例提供了一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法，包括以下步骤：

设置多个人工水体，调节所述人工水体温度；

获取人工水体位置数据；

测量每个人工水体的温度，采集测量的温度数据，显示实时数据及保存测量数据和时间标签；

通过红外相机机载遥感与地面温度实验同步进行，同步获取红外温度影像和地面异常点的温度和坐标信息，同步实现航空红外影像温度定标及几何检校。

优选地，所述设置多个人工水体，调节所述人工水体温度，包括：

采用多个储水容器承装测量用水作为人工水体，储水容器的大小根据红外相机设计的地面分辨率确定；

水中放置温度调节系统用于加热或制冷，或者通过向水中添加热水或冰水改变水体温度，使人工水体温度与周围环境温度产生差异。

优选地，所述储水容器为正方形，储水容器的水平向边长大于1.5个像元对应地面长度；

所述人工水体不少于3个，相邻两个人工水体之间的距离不小于15米。

优选地，所述获取人工水体位置数据，包括：

在每个人工水体的中心位置设置差分GPS流动站，以获取储人工水体中心的位置坐标数据，作为红外相机检校的控制点坐标。

优选地，所述测量每个人工水体的温度，采集测量的温度数据，显示实时数据及保存测量数据和时间标签，包括：

在人工水体内部布设温度传感器，每个人工水体中布设多个温度传感器，以温度传感器测得的温度的平均值作为所在人工水体的温度值；

每个人工水体配备一个温度采集模块，所述温度采集模块与温度传感器连接，采集温度数据；

每个温度采集模块与数据记录仪连接，所述数据记录仪用于保存数据记录文件和显示数据信息。

优选地，所述温度传感器为华控贴片式Pt1000防水型A级温度传感器，每个人工水体中设置4-6个；

所述温度采集模块为PD3060E型热电阻。

优选地，所述通过红外相机机载遥感与地面温度实验同步进行，同步获取红外温度影像和地面异常点的温度和坐标信息，同步实现航空红外影像温度定标及几何检校，包括：

飞行器作业航线以地面实验区域为中心，多向交叉，并多次重复往返飞行获取测区红外温度场图像，航线高度则根据相机的分辨率选择高度，图像中明亮点即为温度明显高于周围环境温度的异常点，通过异常点的位置数据，做红外相机的几何检校；根据图像采集时间对应于温度记录文件中的时间点，得到异常点的温度数据，做红外相机的温度定标。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法，具有以下有益效果：

(1)自然水体，水体面积较大，且不能在小范围提供多种水温，只能在很大范围，测量不同水体来获取不同温度，实现难度大。用于温度定标的物体表面必须保持温度的一致性，而液体水可以通过对流保持水体温度的一致型，容易得到温度相对均一的上表面，本发明在较小范围内，设置多个人工水体，并通过人工干预水温的方式可以得到多个温度定标点。

(2)人工水体的温度可以通过人工干预的方法改变，如用电热加温或加入预制冰块降温，很容易得到异于周边环境的温度，在红外图像中容易定位。温度梯度既可以是不同人工水体之间的温度差异，也可以是同一个人工水体不同时间点温度差异。而自然水体无法通过人工干预改变水体温度。

(3)人工水体成本低廉，单个点的综合成本小于2000元人民币，而且可以重复使用，可以根据实验目的自由选择布设的数量。

(4)采用接触式传感器(Pt1000)直接浸入水中测量水面温度，测温精度达到±0.03℃，高于采用非接触方法的CE312±1％的测温精度；单个点采用多个传感器，也可部分消除传感器的系统误差。

(5)采用单片机(ARM STM32)作为数据记录仪，其结构简单，成本低廉，运行稳定，环境适应性强，系统延时小，非常适合于这种单一目标的小型系统。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为CE312型多光谱热红外辐射计的不同观测角度示意图；

图2为一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法的流程示意图；

图3为一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法中硬件连接示意图；

图4为一种人工水体示意图；

图5为热电阻温度采集模块外观及三线制接线法示意图；

图6为ARM STM32单片机开发板示意图；

图7为温度采集程序流程示意图；

图8为一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法中2号人工水体点位水温变化曲线；

图9为一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法的航空摄影红外温度场灰度影像。

附图标记：

1、人工水体；

2、温度采集器；21、温度传感器；22、温度采集模块；

3、数据记录仪；31、GPS模块；32、外置GPS天线；33、485串口；34、Micro SD卡插槽；35、液晶显示屏；

4、温度调节系统。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法，如图2-3所示，包括以下步骤：

(1)设置多个人工水体，调节人工水体温度：采用多个储水容器承装测量用水作为人工水体1，通常采用正方形储水容器，容器的大小需根据红外相机设计的地面分辨率确定，通常容器的水平向边长需大于1.5个像元对应地面长度，保证水体面积大于1个像元；然后，在人工水体1中设置温度调节系统4用于加热或制冷，或者通过向水体中添加热水或冰水改变水体温度，使人工水体温度与周围环境温度产生差异。

(2)获取人工水体位置数据：通过将差分GPS流动站安装在容器中心位置，进行不少于5分钟静态测量，得到容器中心的精确位置数据，数据精度优于10cm，作为红外相机检校的控制点坐标。

(3)测量每个人工水体的温度，采集测量的温度数据，显示实时数据及保存测量数据和时间标签：在人工水体1内部水面初布设温度传感器21，用于测量水面温度。如图4所示，采用的温度传感器为华控贴片式Pt1000防水型A级温度传感器，为了部分消除单个传感器的系统误差，每个人工水体1中采用4-6个温度传感器(图4中为4个，分别布置在容器四周内壁)，将4个传感器测得的温度的平均值作为该人工水体温度值。每个人工水体1配备一个温度采集模块22，如图5所示，采用的是PD3060E型热电阻温度采集模块，该温度采集模块可以同时采集最多6路温度数据，并通过485总线上的MODBUS RTU协议与上位机通信。Pt1000与温度采集模块之间采用3线制连接方式，防止导线电阻差异影响测温精度。Pt1000与温度采集模块共同构成了一个完整的温度采集器。

将温度采集器2获取的测量数据用于数据记录仪3记录、显示及并保存。在本发明的实施例中，如图6所示，数据记录仪3是基于ARM STM32单片机开发的，外围设备包括一个通过串口通信的GPS模块31并连接外置GPS天线32；一个485串口33与外部485总线通信，所有温度采集模块也连接到485总线上；一个Micro SD卡插槽34，用于保存数据记录文件；和一块液晶显示屏35，用于显示数据信息。

温度数据采集程序由C语言开发，程序流程如图7所示：

系统开机后，一切初始化正常，系统会在SD卡中新建以开机时间为文件名的数据文件，如“2020_09_16_04_10_Data.txt”，由于GPS给出的时间是UTC时间，而我国为东8时区所以文件命中“04”实际代表中午12点。

数据文件中的数据记录每秒钟生成一条，以UTC时间整秒数开头，后面依次记录各个水体的温度值，如表1所示。如图8所示为本发明实施例2号点位水温变化曲线。

表1：温度数据导入Excel中部分示例

时间	1号人工水体	2号人工水体	3号人工水体
				4:10:30	33.28	35.11	22.13
4:10:31	33.28	35.11	22.13
				4:10:32	33.24	35.12	22.16
4:10:33	33.24	35.12	22.16
				4:10:34	33.3	35.13	22.16
4:10:35	33.3	35.13	22.16
				4:10:36	33.38	35.14	22.16
4:10:37	33.38	35.14	22.17
				4:10:38	33.32	35.16	22.18
4:10:39	33.32	35.16	22.18

数据记录仪的数据处理流程是在系统初始化完成后，进入数据处理循环，该循环包括两个输入支线和两个输出支线。两个输入支线分别是GPS模块的串口输入支线和485总线的串口输入支线，两个输入都以串口中断方式处理；两个输出支线为写SD卡数据记录更新支线和液晶屏数据显示支线。GPS模块以NMEA0183协议向串口连续发送GPS数据包，发送频率为5Hz，系统接收到完整GPS数据包后，判断整秒数是否发生变化，如果发生变化，则进入温度数据读取支线和两个输出支线。485串口上的通信方式为问询——回答的单双工模式，系统按照下位机的地址依次询问温度采集模块的温度值数组，得到回答后更新相应温度变量；系统在显示屏上显示各个点温度值，并将整秒时间和各点温度值整理成一条记录(各个字段间以空格分隔)写入SD卡中的数据记录文件，并更新文件。

(4)通过红外相机机载遥感与地面温度实验同步进行，同步获取红外温度影像和地面异常点的温度和坐标信息，同步实现航空红外影像温度定标及几何检校：红外相机安装于机载遥感系统，通过机载遥感控制，飞行器作业航线以地面实验区域为中心，多向交叉，并多次重复往返飞行，航线高度则根据红外相机的分辨率选择合适高度。图9中明亮点即为温度明显高于周围环境温度的异常点。通过异常点的位置数据，可以做红外相机的几何检校；根据图像采集时间对应于温度记录文件中的时间点，得到异常点的温度数据，则可以做红外相机的温度定标。从而实现同步实现航空红外影像温度定标及几何检校。

在本发明实施例中，人工水体不少于3个，由于温度采集模块MODBUS地址限制在1-32之间，故最多可以同时设置32个人工水体，通常情况下3-5个人工水体容器已经足够了。人工水体的布设原则是尽量分散，两个相邻的人工水体容器之间的距离不小于15米。

综上所述，本发明实施例提供的一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法，通过布设多个人工水体，并通过人为措施改变水体的温度，来得到有温度梯度的温度定标数据；通过把高精度温度传感器直接浸入水中的方式，测量水体温度，提高目标测温的精度，而且接触式温度传感器价格低廉，容易同时布设多个同步观测点，浸入式的直接测量不受被观测水体的角度辐射特性的影响；在已知位置布设人工水体，异常的温度可以明显地反映在红外温度场影像中，很容易将影像中异常温度点和已知坐标点对应，用于几何检校的控制点；同时，预设位置，人为改变水体温度，与航空红外相机拍摄同步获取水体温度，实现红外影像数据的温度定标与几何检校同步实现。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的方法及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种同步实现航空红外影像温度定标及几何检校的方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置多个人工水体，调节所述人工水体温度；

获取人工水体位置数据；

测量每个人工水体的温度，采集测量的温度数据，显示实时数据及保存测量数据和时间标签；

通过红外相机机载遥感与地面温度实验同步进行，同步获取红外温度影像和地面异常点的温度和坐标信息，同步实现航空红外影像温度定标及几何检校。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置多个人工水体，调节所述人工水体温度，包括：

采用多个储水容器承装测量用水作为人工水体，储水容器的大小根据红外相机设计的地面分辨率确定；

水中放置温度调节系统用于加热或制冷，或者通过向水中添加热水或冰水改变水体温度，使人工水体温度与周围环境温度产生差异。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述储水容器为正方形，储水容器的水平向边长大于1.5个像元对应地面长度；

所述人工水体不少于3个，相邻两个人工水体之间的距离不小于15米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取人工水体位置数据，包括：

在每个人工水体的中心位置设置差分GPS流动站，以获取储人工水体中心的位置坐标数据，作为红外相机检校的控制点坐标。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量每个人工水体的温度，采集测量的温度数据，显示实时数据及保存测量数据和时间标签，包括：

在人工水体内部布设温度传感器，每个人工水体中布设多个温度传感器，以温度传感器测得的温度的平均值作为所在人工水体的温度值；

每个人工水体配备一个温度采集模块，所述温度采集模块与温度传感器连接，采集温度数据；

每个温度采集模块与数据记录仪连接，所述数据记录仪用于保存数据记录文件和显示数据信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述温度传感器为华控贴片式Pt1000防水型A级温度传感器，每个人工水体中设置4-6个；

所述温度采集模块为PD3060E型热电阻。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过红外相机机载遥感与地面温度实验同步进行，同步获取红外温度影像和地面异常点的温度和坐标信息，同步实现航空红外影像温度定标及几何检校，包括：

飞行器作业航线以地面实验区域为中心，多向交叉，并多次重复往返飞行获取测区红外温度场图像，航线高度则根据相机的分辨率选择高度，图像中明亮点即为温度明显高于周围环境温度的异常点，通过异常点的位置数据，做红外相机的几何检校；根据图像采集时间对应于温度记录文件中的时间点，得到异常点的温度数据，做红外相机的温度定标。

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