CN114265910A - 一种基于激光测距和gis地图的火点定位校正方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，涉及火点定位领域，包括：火点检测；火点居中；GIS地图初步定位火点位置；计算火点与摄像机镜头中心之间的直线距离；利用激光测距仪实现对火点位置的误差修正；计算修正后的准确火点位置。本发明能实现快速、准确、自动的火点定位校正，克服了现有定位火点的方法存在的缺陷，可以完成实时计算，且能自动、快速地完成整个火点定位流程，不再需要深度依赖护林员的过往经验；同时，采用基于精确绘制的GIS地图进行火点定位，又利用激光测距仪对其进行了高精度的误差修正，最终得到了准确的火点位置信息，可以及时、快速地为救火、灭火任务提供精准的火点定位，适用于广泛的推广和使用。

Description

一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法

技术领域

本发明涉及火点定位技术领域，具体涉及一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法。

背景技术

森林火灾的起因主要有两大类，一是人为火，二是自然火。人为火主要包括：生产性火源、非生产性火源和故意纵火。在人为火源引起的火灾中，以开垦烧荒、吸烟、烧纸等引起的森林火灾最多。森林火灾会给森林带来毁灭性的后果，森林火灾不只是会烧毁成片的森林以及伤害森林内的动物，还会降低森林更新能力、引起土壤贫瘠以及破坏森林涵养水源等，甚至会导致森林生态环境失去平衡。森林火灾所带来的各项损失具体包括：

1、林木资源损失

林木资源损失是森林火灾损失中最为重要的直接损失，主要是指由火烧造成的天然林或人工林中一切可利用的生产、生活及其他用途的活立木和枯立木的木材损失。

2、流动资产损失

流动资产损失主要包括林副产品、农牧业产品、存货等经济损失。其中，所说的林副产品损失是指火烧区内林副产品(如香菇、木耳、中草药等有采集、加工价值的副产品)的损失；所说的农牧业产品损失是指火烧区内的农业产品(如粮、棉、油等)和畜牧产品(畜、家禽等)的损失；所说的存货损失是指火烧区内的原料、在产品、成产品的损失。

3、火灾扑救费用损失

火灾扑救费用损失具体包括：扑火消耗物资(消防器材、手工工具、油料和燃料等的消耗)和参加扑火人员的工资支出(职工工资补贴、社会用工工资、军警扑救费用补贴和临时伙食补贴)；飞机、船舶和车辆租赁费用；善后处理费用，主要包括火烧迹地及火烧现场的清理费用、伤亡人员的抚恤金和医疗费用。

4、旅游业的损失

随着经济和社会的高速发展和社会，人们已经把目光从森林具有生产木材的商品机能转向了旅游观光、保健疗养等功能，人们走进森林，拥抱绿色，在森林里消除疲劳、疗养休息和避暑度假。一旦发生森林火灾，森林的这种功能将失去作用，从而造成旅游业的巨大损失。

5、对土壤的影响

森林能降低风速，防风固沙，防止土壤沙漠化和沙尘暴的形成。森林火灾后，原有的绿色屏障将不复存在，森林环境发生急剧变化，天气、水域和土壤等森林生态将受到干扰而失去平衡，土地沙化、沙漠迁移、干旱将导致整个生态系统发生不可逆转的破坏。

因此，如何有效提高森林防火意识以及如何有效实现对火点的精准定位已经成为了森林防火任务中亟待解决的问题之一。

在森林防火任务中，为了能够及时发现火情，通常采用以下现有方法进行火点监测和定位。具体为：当火情监测系统检测到火点后，会将拍摄的图像自动传输给地面指挥中心，由地面指挥中心对图像进行技术分析，核实有无着火；如果判断为着火，则需要根据护林员对林区的经验，进一步将拍摄图像与地形图进行比对，从而判断出火点的大概位置。这种定位火点的方法存在以下问题：火点定位过程的判断时间较长，不能在短时间内获取精准的火点位置，且对护林员的过往经验依赖性较大，最终得到的火点位置误差大，无法对救火、灭火起到很好的帮助作用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，利用火点定位系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、火点检测；

步骤二、火点居中；

步骤三、GIS地图初步定位火点位置；

步骤四、计算火点与摄像机镜头中心之间的直线距离；

步骤五、利用激光测距仪实现对火点位置的误差修正；

步骤六、计算修正后的准确火点位置。

进一步的，所述火点定位系统包括：

与地面指挥中心进行无线通讯的控制器，所述控制器接收并执行地面指挥中心的控制指令；

自带驱动器的云台，所述驱动器与控制器电连接，所述驱动器用于驱动云台动作；

均与控制器电连接的激光测距仪、摄像机和GPS接收器，所述激光测距仪和摄像机固定在云台上，所述GPS接收器与摄像机电连接，所述GPS接收器安装在摄像机的光轴上，所述激光测距仪的测距方向与摄像机的光轴方向保持平行。

进一步的，步骤一中，利用火情监测系统进行检测，将拍摄的图像自动传输给地面指挥中心，由地面指挥中心对图像进行技术分析，核实有无着火。

进一步的，步骤二中，若判断为着火，则通过控制器控制驱动器工作，通过驱动器驱动云台旋转，使火点居中到摄像机镜头中心。

进一步的，步骤三中，通过GPS接收器获取摄像机镜头中心S的坐标(X_S，Y_S，Z_S)，同时通过控制器实时获取摄像机的俯仰角θ，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式，自动确定出火点F的GPS坐标(X_F1，Y_F1，Z_F1)和高程值H_F1。

进一步的，步骤四中，根据距离计算公式

计算出火点F(X_F1，Y_F1，Z_F1)与摄像机镜头中心S(X_S，Y_S，Z_S)之间的直线距离D₁。

进一步的，步骤五的具体操作流程如下：

(1)使激光测距仪的激光方向与摄像机的镜头光轴方向保持平行，用激光测距仪测量摄像机镜头中心S与火点F的真实距离D₂；

(2)对计算得到的距离D₁与真实距离D₂进行比较：

若D₁>D₂,则修正俯仰角θ’大于俯仰角θ，设修正俯仰角θ’＝θ+Δθ，其中，Δθ表示修正俯仰角与真实俯仰角之间的差值；在θ和θ+0.1之间均匀采样100个点，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式获取这100个采样点所对应的GPS坐标(X₁，Y₁，Z₁)，…，(X_n，Y_n，Z_n)，…，(X₁₀₀，Y₁₀₀，Z₁₀₀)，并计算其与摄像机镜头中心S之间的直线距离序列d₁，…，d_n，…，d₁₀₀，其中，

选取与D₂最接近的直线距离序列d_n，即求Min|d_n-D₂|，将对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为修正火点F’的GPS坐标；

若D₁<D₂，则修正俯仰角θ”小于俯仰角θ，设修正俯仰角θ”＝θ-Δθ，其中，Δθ表示修正俯仰角与真实俯仰角之间的差值；在θ-0.1和θ之间均匀采样100个点，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式获取这100个采样点所对应的GPS坐标(X₁，Y₁，Z₁)，…，(X_n，Y_n，Z_n)，…，(X₁₀₀，Y₁₀₀，Z₁₀₀)，并计算其与摄像机5镜头中心S之间的直线距离序列d₁，…，d_n，…，d₁₀₀，其中，

选取与D₂最接近的直线距离序列d_n，即求Min|d_n-D₂|，将对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为修正火点F”的GPS坐标。

进一步的，步骤六的具体操作流程如下：

通过控制器实时计算出摄像机的镜头光轴与X_wY_wZ_w大地坐标系中的X_wY_w水平面的夹角B及摄像机的镜头光轴在水平方向上的投影与Y_w轴的夹角A；通过GPS接收器获取摄像机镜头中心S的坐标(X_S，Y_S，Z_S)；当通过GIS地图定位并基于激光测距进行定位误差修正后，利用得到的与D₂最接近的直线距离序列d_n，将其对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为最终的修正火点F的GPS坐标(X_F，Y_F，Z_F)，计算公式如下。

本发明的有益效果是：

本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正系统及方法，能够实现快速、准确、自动的火点定位校正，克服了现有定位火点的方法存在的缺陷，可以完成实时计算，且能自动、快速地完成整个火点定位流程，不再需要深度依赖护林员的过往经验；同时，采用基于精确绘制的GIS地图进行火点定位，又利用激光测距仪对其进行了高精度的误差修正，最终得到了准确的火点位置信息，可以及时、快速地为救火、灭火任务提供精准的火点定位，适用于广泛的推广和使用。

附图说明

图1为本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正系统的结构组成框图。

图2为本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法的流程图。

图3为本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法中所涉及的摄像机镜头中心S、火点F、S与F之间的直线距离D1、修正后火点(F’和F”)之间的位置关系示意图。

图4为本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法步骤五中最终的修正火点的GPS坐标求解示意图。

图5为宁波旱山顶塔台的站点GPS坐标。

图6为通过GIS定位得到两位置间的直线距离1440米，激光测距得到距离为1428米。

图中，1、控制器，2、云台，3、驱动器，4、激光测距仪，5、摄像机，6、GPS接收器，7、地面指挥中心。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正系统，能够实现快速、准确、自动的火点定位校正。

该系统主要包括以下组件：

控制器1、云台2、驱动器3、激光测距仪4、摄像机5和GPS接收器6。

控制器1可与地面指挥中心7进行无线通讯，接收并执行地面指挥中心7的控制指令。

驱动器3、激光测距仪4、摄像机5和GPS接收器6均与控制器1电连接。

控制器1、激光测距仪4和摄像机5均安装在云台2的监控球台上。

GPS接收器6与摄像机5电连接，并且GPS接收器6安装在摄像机5的光轴上；同时，激光测距仪4的正前方测距方向与摄像机5的光轴方向保持平行。

云台2自带驱动器3，用于驱动云台2动作。

云台2可在驱动器3的驱动下左右旋转和上下旋转，同时，固定在云台2上的激光测距仪4和摄像机5一起随云台2动作。

控制器1通过无线通讯方式接收并执行地面指挥中心7的控制指令；控制器1向驱动器3发送驱动指令使驱动器3驱动云台2旋转，此时，激光测距仪4和摄像机5随着云台2共同旋转；GPS接收器6用于获取摄像机5镜头中心坐标；控制器1用于实时获取摄像机5的俯仰角；控制器1用于将摄像机5镜头中心坐标以及摄像机5的俯仰角以无线通讯方式传输至地面指挥中心7中，由地面指挥中心7在GIS地图上初步确定出火点的GPS坐标和高程值，并利用距离计算公式计算出火点与摄像机5镜头中心之间的直线距离，激光测距仪4用于对由摄像机5的俯仰角方向精度造成的定位误差进行修正，并计算出准确的火点定位坐标。

本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，首先通过GIS地图初步定位火点位置，然后计算出火点与摄像机镜头中心之间的直线距离，最后结合激光测距对火点定位进行误差修正，最终得到准确的火点位置，本发明能够实现快速、准确、自动的火点定位校正，提高了火点定位精度和速度。

如图2所示，本发明的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，是利用上述的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正系统实现的，具体包括以下步骤：

步骤一、当火情监测系统检测到疑似火点后，会将拍摄的图像自动传输给地面指挥中心7，由地面指挥中心7对图像进行技术分析，核实有无着火；如果判断为着火，则通过控制器1控制驱动器3工作，通过驱动器3驱动云台2旋转，使火点居中到画面中心即摄像机5的镜头中心，使监控界面中能看到的火点位于画面正中心。

步骤二、如图3所示，通过GPS接收器6获取摄像机5镜头中心S的坐标(X_S，Y_S，Z_S)，同时通过控制器1实时获取摄像机5的俯仰角θ，在GIS地图上即可通过射线与地形曲线相交的方式，自动确定出火点F的GPS坐标(X_F1，Y_F1，Z_F1)和高程值H_F1。

步骤三、计算火点F(X_F1，Y_F1，Z_F1)与摄像机5镜头中心S(X_S，Y_S，Z_S)之间的直线距离D₁。根据距离计算公式，计算直线距离D₁，即

步骤四、定位误差修正

在实际应用中发现，步骤三中计算得到的摄像机5镜头中心S与火点F之间的直线距离D₁与激光测距仪4测得的真实距离D₂存在一定的误差。这主要是由于摄像机5的误差精度等原因造成的。因此，针对摄像机5误差精度原因造成的误差，需要对火点F的定位结果进行进一步修正。由于摄像机5水平角方向精度造成的定位误差非常小，故在此主要针对由摄像机5的俯仰角θ方向精度造成的定位误差进行修正。

在森林防火任务中使用的摄像机5，其俯仰角θ方向精度误差不大于0.1°，因此，针对由摄像机5的俯仰角θ方向精度造成的定位误差进行修正的具体步骤如下：

(1)使激光测距仪4的激光方向(正前方测距方向)与摄像机5的镜头光轴方向保持平行，用激光测距仪4测量摄像机5镜头中心S与火点F的真实距离D₂。

(2)对计算得到的距离D₁与真实距离D₂进行比较，具体步骤如下：

若D₁>D₂,则修正俯仰角θ’大于俯仰角θ，设修正俯仰角θ’＝θ+Δθ，Δθ表示修正俯仰角与真实俯仰角之间的差值；根据行业标准中摄像机5俯仰角度误差水平不大于0.1度，在θ和θ+0.1之间均匀采样100个点，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式获取这100个采样点所对应的GPS坐标(X₁，Y₁，Z₁)，…，(X_n，Y_n，Z_n)，…，(X₁₀₀，Y₁₀₀，Z₁₀₀)，并计算其与摄像机5镜头中心S之间的直线距离序列d₁，…，d_n，…，d₁₀₀，其中，

选取与D₂最接近的直线距离序列d_n，即求Min|d_n-D₂|，将对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为最终的修正火点F’的GPS坐标。

若D₁<D₂，则修正俯仰角θ”小于俯仰角θ，设修正俯仰角θ”＝θ-Δθ，其中，Δθ表示修正俯仰角与真实俯仰角之间的差值；根据行业标准中摄像机5俯仰角度误差水平不大于0.1度，在θ-0.1和θ之间均匀采样100个点，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式获取这100个采样点所对应的GPS坐标(X₁，Y₁，Z₁)，…，(X_n，Y_n，Z_n)，…，(X₁₀₀，Y₁₀₀，Z₁₀₀)，并计算其与摄像机5镜头中心S之间的直线距离序列d₁，…，d_n，…，d₁₀₀，其中，

选取与D₂最接近的直线距离序列d_n，即求Min|d_n-D₂|，将对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为最终的修正火点F”的GPS坐标。

步骤五、计算校正后的火点定位坐标

如图4所示，通过控制器1实时计算出摄像机5的镜头光轴(SE)与X_wY_wZ_w大地坐标系中的X_wY_w水平面的夹角B以及摄像机5的镜头光轴(SE)在水平方向上的投影(SE’)与Y_w轴的夹角A；通过GPS接收器6获取摄像机5镜头中心S的坐标(X_S，Y_S，Z_S)，由于GPS接收器6、摄像机5、激光测距仪4之间的距离很小，因此可以认为GPS接收器6、摄像机5、激光测距仪4均位于摄像机5镜头中心S点。

当通过GIS地图定位并基于激光测距进行定位误差修正后，利用得到的与D₂最接近的直线距离序列d_n，将其对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为最终的修正火点F的GPS坐标(X_F，Y_F，Z_F)，计算公式如下：

本发明中使用的方法在实际工作中得到了大量使用及验证，火点定位准确率高、速度快，获得了一致认可。

具体应用实例如下：

宁波旱山顶塔台的站点GPS坐标如图5所示，经度121.07666，纬度29.73893，高程值987米，塔台高度50米。

某火点报警时，俯仰角θ＝5.04°。

通过在系统GIS地图上即可通过射线与地形曲线相交的方式，自动确定出火点F的GPS坐标，经度121.064，纬度29.74568，高程值849.89米。

通过GIS定位得到两位置间的直线距离1440米，激光测距得到距离为1428米，如图6所示。

故而采用如下的方式进行校正：设修正俯仰角θ’＝θ+Δθ，Δθ表示修正俯仰角与真实俯仰角之间的差值；根据行业标准中摄像机5俯仰角度误差水平不大于0.1度，在θ和θ+0.1之间均匀采样100个点，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式获取这100个采样点所对应的GPS坐标(X₁，Y₁，Z₁)，…，(X_n，Y_n，Z_n)，…，(X₁₀₀，Y₁₀₀，Z₁₀₀)，并计算其与摄像机5镜头中心S之间的直线距离序列d₁，…，d_n，…，d₁₀₀，其中，

该过程通过计算机算法可以快速完成，最终得到d_n＝1428.35，火点F’坐标为经度121.0566，纬度29.74888，高程值909.77米。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，利用火点定位系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、火点检测；

步骤二、火点居中；

步骤三、GIS地图初步定位火点位置；

步骤四、计算火点与摄像机镜头中心之间的直线距离；

步骤五、利用激光测距仪实现对火点位置的误差修正；

步骤六、计算修正后的准确火点位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，其特征在于，所述火点定位系统包括：

与地面指挥中心进行无线通讯的控制器，所述控制器接收并执行地面指挥中心的控制指令；

自带驱动器的云台，所述驱动器与控制器电连接，所述驱动器用于驱动云台动作；

均与控制器电连接的激光测距仪、摄像机和GPS接收器，所述激光测距仪和摄像机固定在云台上，所述GPS接收器与摄像机电连接，所述GPS接收器安装在摄像机的光轴上，所述激光测距仪的测距方向与摄像机的光轴方向保持平行。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，其特征在于，步骤一中，利用火情监测系统进行检测，将拍摄的图像自动传输给地面指挥中心，由地面指挥中心对图像进行技术分析，核实有无着火。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，其特征在于，步骤二中，若判断为着火，则通过控制器控制驱动器工作，通过驱动器驱动云台旋转，使火点居中到摄像机镜头中心。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，其特征在于，步骤三中，通过GPS接收器获取摄像机镜头中心S的坐标(X_S，Y_S，Z_S)，同时通过控制器实时获取摄像机的俯仰角θ，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式，自动确定出火点F的GPS坐标(X_F1，Y_F1，Z_F1)和高程值H_F1。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，其特征在于，步骤四中，根据距离计算公式

计算出火点F(X_F1，Y_F1，Z_F1)与摄像机镜头中心S(X_S，Y_S，Z_S)之间的直线距离D₁。

7.根据权利要求6所述的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，其特征在于，步骤五的具体操作流程如下：

(1)使激光测距仪的激光方向与摄像机的镜头光轴方向保持平行，用激光测距仪测量摄像机镜头中心S与火点F的真实距离D₂；

(2)对计算得到的距离D₁与真实距离D₂进行比较：

若D₁>D₂,则修正俯仰角θ’大于俯仰角θ，设修正俯仰角θ’＝θ+Δθ，其中，Δθ表示修正俯仰角与真实俯仰角之间的差值；在θ和θ+0.1之间均匀采样100个点，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式获取这100个采样点所对应的GPS坐标(X₁，Y₁，Z₁)，…，(X_n，Y_n，Z_n)，…，(X₁₀₀，Y₁₀₀，Z₁₀₀)，并计算其与摄像机镜头中心S之间的直线距离序列d₁，…，d_n，…，d₁₀₀，其中，

选取与D₂最接近的直线距离序列d_n，即求Min|d_n-D₂|，将对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为修正火点F’的GPS坐标；

若D₁<D₂，则修正俯仰角θ”小于俯仰角θ，设修正俯仰角θ”＝θ-Δθ，其中，Δθ表示修正俯仰角与真实俯仰角之间的差值；在θ-0.1和θ之间均匀采样100个点，在GIS地图上通过射线与地形曲线相交的方式获取这100个采样点所对应的GPS坐标(X₁，Y₁，Z₁)，…，(X_n，Y_n，Z_n)，…，(X₁₀₀，Y₁₀₀，Z₁₀₀)，并计算其与摄像机5镜头中心S之间的直线距离序列d₁，…，d_n，…，d₁₀₀，其中，

选取与D₂最接近的直线距离序列d_n，即求Min|d_n-D₂|，将对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为修正火点F”的GPS坐标。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光测距和GIS地图的火点定位校正方法，其特征在于，步骤六的具体操作流程如下：

通过控制器实时计算出摄像机的镜头光轴与X_wY_wZ_w大地坐标系中的X_wY_w水平面的夹角B及摄像机的镜头光轴在水平方向上的投影与Y_w轴的夹角A；通过GPS接收器获取摄像机镜头中心S的坐标(X_S，Y_S，Z_S)；当通过GIS地图定位并基于激光测距进行定位误差修正后，利用得到的与D₂最接近的直线距离序列d_n，将其对应的采样点的GPS坐标(X_n，Y_n，Z_n)作为最终的修正火点F的GPS坐标(X_F，Y_F，Z_F)，计算公式如下。

Images