CN113418448B - 一种破片分布检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种破片分布检测系统和方法，属于图像处理领域，检测系统包括：包括人机飞控平台、图像采集模块和图像处理模块，所述图像处理模块包括破片自动识别与提取模块及数据处理与分析模块。测量方法为：在静爆后通过无人机飞控平台对破片分布区域进行采集数据，基于空中三角测量原理形成正射影像图；基于破片特征建立数学模型与数据库，依靠多种算法与深度学习完成破片的自动识别与提取；通过空间转换至爆心空间直角坐标系，进而最终得到爆心坐标系下的破片分布参数。该系统和方法能够对大区域扇区的落区进行对破片进行图像识别，自动提取，快速提取破片的坐标分布、面积、数量信息进行测量。

Description

一种破片分布检测系统和方法

技术领域

本发明属于图像处理领域，具体涉及一种破片分布检测系统和方法。

背景技术

导弹在静爆或动爆后通过分析弹片的着落点位置和弹片大小，进而分析弹体对效应物的毁伤程度。根据设计理论值确定装药当量、弹片的分布位置、弹片的大小等相关参数，分析对目标物的毁伤程度。不过，目前技术主要是通过在人工目视寻找靶标目标，然后使用手持GPS对弹片的位置进行逐点测量，而弹片的大小目前无统计。

目前该检测方式测量精度较低，速度慢，数据处理时间较长，易出现人工输入数据错误等情况。

因此，本申请提出了一种破片分布检测系统和方法。

发明内容

为了解决上述测量精度较低，速度慢，数据处理时间较长，易出现人工输入数据错误等情况，本发明公开了一种基于空中平台检测破片分布方法和测量系统，战斗部静爆后能够对大区域扇区的落区进行对破片进行图像识别，自动提取，快速提取破片的坐标分布、面积、数量信息进行测量；不仅能够快速、精确、自动地计算破片落点的位置、个数、面积，而且能够精确还原出破片位置在爆心空间直角坐标系下的坐标。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种破片分布测量系统，包括：无人机飞控平台、图像采集模块和图像处理模块，所述图像处理模块包括破片自动识别与提取模块及数据处理与分析模块；

所述无人机飞控平台，用来挂载图像采集模块，并按照规划航线执行飞行任务；

所述图像采集模块，用于采集静爆后的破片图像数据；

所述破片自动识别与提取模块，用于对处理后的图片进行识别和特征提取；

所述数据处理与分析模块，用于对识别和特征提取后的图像数据进行处理，并对提取的坐标进行分析，根据分析结果生成测试报告。

优选地，所述无人机飞控平台为大疆M600pro无人机，所述图像采集模块为哈苏H6D-100C光学测量相机。

优选地，所述对识别和特征提取后的图像数据进行处理采用PIX4D数据处理软件，并生成正射影像图DOM。

本发明的另一目的在于提供一种破片分布检测方法，包括以下步骤：

基于战斗部当量计算破片分布半径，按照破片分布半径进行无人机飞控平台航线规划；

所述无人机飞控平台挂载图像采集模块，采集爆后的破片图像数据；

步骤3、将所述破片图像数据导入PIX4D数据处理软件，基于无人机飞控平台的GPS和IMU信息，完成图像的拼接、匹配与合成工作，最终生成带有地理信息系统的正射影像图DOM；

步骤4、针对不同类型破片对应的正射影像图DOM，建立数学模型及模型数据库，通过对数学模型的解算完成对破片的自动识别与提取，得到破片在WGS84坐标系下的坐标值与破片面积尺寸；

步骤5、根据战斗部的布设情况，建立爆心空间直角坐标系，将WGS84坐标系转换至爆心空间直角坐标系，进而得出破片的分布参数。

优选地，无人机飞控平台航线规划包括：飞行高度、选用的镜头焦距、航线重叠率、旁向重叠率、快门时间、地物分辨率。

优选地，所述生成带有地理信息系统的正射影像图DOM包括如下步骤：

检查图像数据是否全部存储无丢失现场，图像是否对焦清晰无虚像；

将图像导入PIX4D数据处理软件，将坐标系设置为WGS84坐标系，选择相机模型文件；

点击开始按钮运行，查看运行过程中图像的拼接与匹配图，查看空三解算过程中网型结构图；

调整拼接线，并进行投影切换和混合影像，获得正射影像成果。

优选地，所述破片面积尺寸是以图像采集模块的焦距与飞行高度为比例尺，将单个像元与地物之间的关系换算值地物分辨率，进而得到破片尺寸大小。

优选地，所述爆心直角坐标系是以大地水平面为Z轴，朝天为正向，以战斗部支架圆端面的中心为原点，以指定方向为X轴正向，利用右手坐标系恢复局部爆心直角坐标系；利用7点法和高斯3度带解算WGS84与空间坐标系间的转换关系。

本发明提供的破片分布检测系统和方法具有以下有益效果：

本发明自动化程度高，科技含量高，一定程度上节省了劳动力，数据采集迅速，图像识别，自动提取，人为干预少，实现数据的精确性、高效性和可追溯性数据成果较为详细，一定程度上减少了人为误差；可以快速、精确、自动地计算破片的落点坐标和弹片的面积值，进而结合发射位置坐标计算相关参数；能够使用破片分布测量系统对大区域扇区的落区进行对破片进行图像识别，自动提取，实现数据的精确性、高效性和可追溯性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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为静爆试验后破片分布示意图。

附图标记说明：

1.弹体位置；2.弹体支架；3.图像采集模块；4.无人机飞控平台；5.不规则破片；6.数据分析模块。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

为了解决上述快速识别定位破片个数、破片面积以及相对位置的分布，本发明公开了一种破片分布测量系统，不仅能快速快速识别定位破片个数、破片面积以及相对位置的分布，采用多旋翼无人机飞控平台4搭载光学测量相机的方案最优。基于无人机飞控平台4和相机等硬件的类型与技术参数的不同，快舟公司推荐：大疆M600 PRO无人机无人机飞控平台4挂载哈苏H6D-100C光学测量相机系统完成数据采集，使用PIX4D数据处理软件与西安快舟自主研发的IPS-P破片自动识别与提取软件，快速提取破片的坐标分布、面积、数量信息进行测量系统。

具体包括本发明的另一目的在于提供一种破片分布测量系统，包括无人机飞控平台4、图像采集模块3和图像处理模块6，图像处理模块6包括破片自动识别与提取模块及数据处理与分析模块；

无人机飞控平台4，用来挂载图像采集模块3，并按照规划航线执行飞行任务；

图像采集模块3，用于采集静爆后的破片图像数据；

破片自动识别与提取模块，用于对处理后的图片进行识别和特征提取；图像特征包括颜色特征、纹理特征、形状特征以及局部特征点等。主要提取涉及到多种算法的选取和比较，主要用到的算法包括：局部特征点、斑点检测原理、角点检测原理、二进制字符串特征描述子、图像匹配。基于以上算法会有大量数据处理和分析，后期可加入AI自动学习功能，实现系统的自动化和深度学习功能，图像处理软件Pix4D是一款集全自动、快速、专业精度为一体的无人机飞控平台4数据和航空影像数据处理软件。无需专业知识，无需人工干预，即可将数千张影像快速制作成专业的的二维地图和三维建模；

本实施例中，破片自动识别与提取软件：IPS-S破片自动识别与提取软件是西安快舟公司倾力研发的专门应用于武器毁伤评估试验中破片分布自动识别与提取的定制性软件。该软件不仅具备能够自动读取正射影像图；点位坐标为GWS84坐标；破片属性信息自动提取；基于数据库升级AI功能；输出格式报告包含图片与表格、可定制化；具备二次开发端口用于后期升级。为Pix4D和IPS-S破片自动识别与提取软件提供更好的更流畅的运行环境，帮助我们获取更多精确的数据文件。

数据处理与分析模块，用于对识别和特征提取后的图像数据进行处理，并对提取的坐标进行分析，根据分析结果生成测试报告；其中数据处理采用PIX4D数据处理软件，并生成正射影像图DOM。

本实施例中，无人机飞控平台4为大疆M600pro无人机，图像采集模块3为哈苏H6D-100C光学测量相机。大疆M600 PRO无人机飞控平台4挂载哈苏H6D-100C光学测量相机挂载相机，定位精度垂直：启用RTK 3cm+1ppm，水平：启用RTK 2cm+1ppm，扫描区域GPS辅助空中三角测量的基本思想是通过差分GPS相位观测值进行相对动态定位所获得的摄站坐标，作为区域网平差中的附加非摄影测量观测值，以空中控制取代地面控制或减少地面控制的方法来进行区域网平差。在已标定相机内参与无人机飞控平台4间的关系后，依据规划航线飞行过程中，基于航向与旁向图像的重叠度要求，可对拍摄的图像进行匹配与拼接；在GPS与IMU的结合下实时解算图像中无人机飞控平台4的外方位元素即Xs，Ys，Zs，ω，

κ；依据前方交会、共线方程原理、光束法平差等解算未知点坐标，生成三维点云数据。

具体的使用要求如下：

1)技术路线和资源配备

静爆实验后根据测区首先根据测区的面积、地形、地貌等条件，制定合理的航线布设计划以及飞行参数设置。采用M600pro对测区进行航拍，并使用D-RTKD-RTK专为A3系列飞控开发的高精度导航定位系统技术对曝光点进行差分解算，拍摄时应选择最有利的时机进行航空拍摄，获取测区的最佳影像资料，在Pix4D软件中完成空三加密和正射影像图的制作，质量控制。自动提取WGS84坐标系下的破片二维坐标值。

单次任务投入人员2名，飞手1名、辅助人1名，大疆M600pro无人机飞控平台4、哈苏A6D-100c相机、图形工作站、D-RTK、发电机，数据处理通过Pix4D图像处理软件以及IPS-P破片自动识别与提取软件，需要准备一台工作站外形人51M图形工作站方便数据处理。

2)航摄基本要求

为使成果影像清晰辨认弹片，针对弹片及测区情况对本工程航拍任务做了具体要求，作业要求如下：像片重叠度要求将航摄分区尽量按照地形特征进行，地面分辨率优于0.003米。航向和旁向重叠度不低于80％；摄区边界覆盖保证需要将航向覆盖超出摄区边界线应不少于两5基线，旁向覆盖超出摄区边界线不少于一条航线；航高保持需要同一航线上相邻像片的航高差一般不应大于3米，最大航高与最小航高之差一般不应大于5米，实际航高与设计航高之差一般不应大于10米；漏洞补摄：航摄中出现的相对漏洞和绝对漏洞均应及时补摄，应采用前一次航摄飞行的数码相机补摄，补摄航线的两端应超出漏洞之外五条基线；影像质量需要影像应清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和，应能辨认出地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型。影像上不应有云、云影、烟、大面积反光水域除外、污点等缺陷。本发明无人机飞控平台4选用旋翼无人机，具体型号为大疆M600pro；高分辨率数码相机摄影传感器需要单架次获取半径不小于100m、圆心角不小于90°的扇形区域，识别目标精度优于1cm*1cm，破片识别率优于90％。

3)起飞前准备

航摄作业时，安全是首要考虑的要素，因此无人机飞控平台4组装完成后，要进行一系列严格的检查并进行详细的记录，在确保安全的情况下才能升空作业。具体的检查项包括：遥控器检查；GPS定位检查；电池测试；接插件检查；动态传感器数据观察；相机检查，具体要求如下。

1、在静爆实验后对破片的落区进行航线进行规划，覆盖全部落区，无人机飞控平台4飞手进场对资源配备进行确认，并将设备进行调试，确保实验的顺利进行。

2、航摄时，使用高分辨率的相机，对像片重叠度、地面分辨率、航高大小进行设置，必要时进行漏洞补摄；

3、航摄作业时，一系列严格的检查并进行详细的记录，在确保安全的情况下才能升空作业，起飞前对设备进行必要的检查，检查无误后准备起飞。

4、进行无人机飞控平台4航拍，进入事先规划好的航线中进行数据采集；

5、生成正射影像图DOM检查原始资料：原始资料包括影像数据、POS数据，数据无误后使用pix4软件进行正射影像合成生成正射影像图DOM。

6、基于带有GIS地理信息的正射影像图，导入IPS-S破片自动识别与提取软件中，实现破片的自动识别与提取的功能，最终将成果数据导入EXCEL表格提交。

综上，本发明提供的基于破片分布测量系统，其在静爆后通过无人机飞控平台4系统对破片落区进行航摄，并使用D-RTK技术对曝光点进行差分解算，进行精确定位；数据无误后使用pix4软件进行正射影像合成生成正射影像图DOM，并将正射影像图导入IPS-S破片自动识别与提取软件中，由破片透光与周边形成的较高的灰度阶差原理，自动提取破片的灰度重心、破片个数以及面积；本发明自动化程度高，科技含量高，一定程度上节省了劳动力，数据采集迅速，图像识别，自动提取，人为干预少，实现数据的精确性、高效性和可追溯性数据成果较为详细，一定程度上减少了人为误差。

基于同一个发明构思，本实施例还提供了一种破片分布测量方法，具体步骤如下：

步骤1、基于战斗部当量计算破片分布半径，按照破片分布半径进行无人机飞控平台4航线规划；战斗部当量通俗的话说是指：导弹内装药后爆炸产生的威力。导弹的专业术语叫战斗部，专业术语当量是指导弹爆炸威力，一般情况下换算成等威力的TNT，一般以重量计算。

具体的，本实施例中，无人机飞控平台4航线规划主要包括：飞行高度、选用的镜头焦距、航线重叠率、旁向重叠率、快门时间、地物分辨率等飞行参数。

步骤2、无人机飞控平台4挂载图像采集模块3，采集爆后的破片图像数据；

步骤3、将破片图像数据导入PIX4D数据处理软件，基于无人机飞控平台4的GPS和IMU信息，完成图像的拼接、匹配与合成工作，最终生成带有地理信息系统的正射影像图DOM，具体包括：

步骤3.1、检查图像数据是否全部存储无丢失现场，图像是否对焦清晰无虚像；

步骤3.2、将图像导入PIX4D数据处理软件，将坐标系设置为WGS84坐标系，选择相机模型文件；

步骤3.3、点击开始按钮运行，查看运行过程中图像的拼接与匹配图，查看空三解算过程中网型结构图；

步骤3.4、调整拼接线，并进行投影切换和混合影像，获得正射影像成果；

步骤4、针对不同类型破片对应的正射影像图DOM，建立数学模型及模型数据库，通过对数学模型的解算完成对破片的自动识别与提取，得到破片在WGS84坐标系下的坐标值与破片面积尺寸；结算过程具体是使用特征点等多种算法和深度学习功能，多种算法主要包括：局部特征点、斑点检测、角点检测、二进制字符串特征描述子、图像匹配。破片提取的功能主要是基于不同破片的形状、颜色、特征点等多种参数建。

具体的，本实施例中，破片面积尺寸是以图像采集模块3的焦距与飞行高度为比例尺，将单个像元与地物之间的关系换算值地物分辨率，进而得到破片尺寸大小，像元与地物的换算关系为：基于选用定焦相机焦距为24mm、35mm或50mm，由于COMS尺寸和有效像素值是已知，根据已知的飞行高度，可以得出相机的视场角，以及每个像元对应物方的尺寸信息。

步骤5、根据战斗部的布设情况，建立爆心空间直角坐标系，将WGS84坐标系转换至爆心空间直角坐标系，进而得出破片的分布参数。

具体的，本实施例中，爆心直角坐标系是以大地水平面为Z轴，朝天为正向，以战斗部支架圆端面的中心为原点，以指定方向为X轴正向，利用右手坐标系恢复局部爆心直角坐标系；利用7点法和高斯3度带解算WGS84与空间坐标系间的转换关系。

本发明的破片分布测量系统与本发明的破片分布测量方法一一对应，在上述破片分布测量方法发的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于破片分布测量系统的实施例中。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种破片分布测量系统的检测方法，其特征在于，所述破片分布测量系统包括：无人机飞控平台(4)、图像采集模块(3)和图像处理模块(6)，所述图像处理模块(6)包括破片自动识别与提取模块及数据处理与分析模块；

所述无人机飞控平台(4)，用来挂载图像采集模块(3)，并按照规划航线执行飞行任务；

所述图像采集模块(3)，用于采集静爆后的破片图像数据；

所述破片自动识别与提取模块，用于对处理后的图片进行识别和特征提取；

所述数据处理与分析模块，用于对识别和特征提取后的图像数据进行处理，并对提取的坐标进行分析，根据分析结果生成测试报告；

包括以下步骤：

基于战斗部当量计算破片分布半径，按照破片分布半径进行无人机飞控平台(4)航线规划；

所述无人机飞控平台(4)挂载图像采集模块(3)，采集爆后的破片图像数据；

将所述破片图像数据导入PIX4D数据处理软件，基于无人机飞控平台(4)的GPS和IMU信息，完成图像的拼接、匹配与合成工作，最终生成带有地理信息系统的正射影像图DOM；

针对不同类型破片对应的正射影像图DOM，建立数学模型及模型数据库，通过对数学模型的解算完成对破片的自动识别与提取，得到破片在WGS84坐标系下的坐标值与破片面积尺寸；

根据战斗部的布设情况，建立爆心空间直角坐标系，将WGS84坐标系转换至爆心空间直角坐标系，进而得出破片的分布参数。

2.根据权利要求1所述的破片分布测量系统的检测方法，其特征在于，所述无人机飞控平台(4)为大疆M600pro无人机，所述图像采集模块(3)为哈苏H6D-100C光学测量相机。

3.根据权利要求1所述的破片分布测量系统的检测方法，其特征在于，所述对识别和特征提取后的图像数据进行处理采用PIX4D数据处理软件，并生成正射影像图DOM。

4.根据权利要求1所述的破片分布测量系统的检测方法，其特征在于，无人机飞控平台(4)航线规划包括：飞行高度、选用的镜头焦距、航线重叠率、旁向重叠率、快门时间、地物分辨率。

5.根据权利要求1所述的破片分布测量系统的检测方法，其特征在于，所述生成带有地理信息系统的正射影像图DOM包括如下步骤：

检查图像数据是否全部存储无丢失现场，图像是否对焦清晰无虚像；

将图像导入PIX4D数据处理软件，将坐标系设置为WGS84坐标系，选择相机模型文件；

点击开始按钮运行，查看运行过程中图像的拼接与匹配图，查看空三解算过程中网型结构图；

调整拼接线，并进行投影切换和混合影像，获得正射影像成果。

6.根据权利要求1所述的破片分布测量系统的检测方法，其特征在于，所述破片面积尺寸是以图像采集模块(3)的焦距与飞行高度为比例尺，将单个像元与地物之间的关系换算值地物分辨率，进而得到破片尺寸大小。

7.根据权利要求5所述的破片分布测量系统的检测方法，其特征在于，所述爆心直角坐标系是以大地水平面为Z轴，朝天为正向，以战斗部支架圆端面的中心为原点，以指定方向为X轴正向，利用右手坐标系恢复局部爆心直角坐标系；利用7点法和高斯3度带解算WGS84与空间坐标系间的转换关系。

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