CN114618107A - 一种利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法 - Google Patents

一种利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法，涉及飞行器灭火领域，具体步骤为：第一步，在镜头坐标系中建立火点坐标；第二步，将火点坐标映射到地面坐标系中；第三步，将火点坐标映射到物理坐标系中；第四步：与飞机初始坐标加权得到火点实际坐标。本发明在飞行器上通过摄像头拍摄到火点后，可以对火点坐标进行快速和精确的定位，对火情变化的响应速度快，可以及时调配、组织人员和装备投入火场；本发明的扩展性强，对不同镜头的适应性较好，对于图像精度要求不高，计算简便，可有效节约成本。综上所述，本发明在防火救灾方面具有重要的意义。

Description

一种利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法
技术领域
本发明涉及飞行器灭火技术领域，特别是利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法。
背景技术
飞行器灭火是指利用消防专用飞机从空中扑灭火势，通常用于森林大火等大面积火灾。灭火用的飞行器从传统的固定翼飞机，目前已发展到无人机。灭火系统也从传统的手动操作系统发展到目前的自动灭火系统。对于自动灭火系统而言，在火灾发生初期准确地定位火点的地面位置十分重要，它直接决定着灭火设备的瞄准精度，对于自动灭火系统能否在火灾初期有效控制火势起着关键作用。如果不能迅速确定火点位置，导致防火指挥部门不能及时调配、组织人员和装备投入火场，延误了灭火的最佳时机。在飞行器上通过摄像头拍摄到火点后，如何快速准确定位火点的物理坐标，就是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法，本发明的目的是实现在飞行器上通过摄像头拍摄到火点后立即对火点坐标进行快速和精确的定位。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：在镜头坐标系中建立火点坐标；
设镜头分辨率为F1*F2，以镜头中心点为原点(0，0)建立镜头坐标系，设观察到的火点在镜头坐标系中的坐标为P(x，y)；
第二步：将火点坐标映射到地面坐标系中；
设镜头高度为h，镜头在横向和纵向的视场角分别为
Figure RE-GDA0002954041300000011
镜头在地面最大可观测到的横向和纵向距离分别为L1、L2，则：
Figure RE-GDA0002954041300000021
Figure RE-GDA0002954041300000022
以镜头中心点在地面上的投影点为原点(0，0)，以飞机向前飞行方向作为y轴正向，建立地面坐标系，火点在地面坐标系中的坐标为P’ (x’，y’)；
P点和P’点的位置满足：
Figure RE-GDA0002954041300000023
Figure RE-GDA0002954041300000024
得到：
Figure RE-GDA0002954041300000025
Figure RE-GDA0002954041300000026
第三步：将火点坐标映射到物理坐标系中；
以镜头中心点在地面上的投影点为原点(0，0)，正北方N为y 轴正向,正东方E为x轴正向，建立物理坐标系，火点在物理坐标系中的坐标为P”(x”，y”)；
在物理坐标系中：
Figure RE-GDA0002954041300000027
Figure RE-GDA0002954041300000028
角β为磁罗盘与机头方向之间的夹角；
将第二步得到的x’，y’代入上式得到x”，y”：
Figure RE-GDA0002954041300000031
Figure RE-GDA0002954041300000032
其中，角α满足
Figure RE-GDA0002954041300000033
则
Figure RE-GDA0002954041300000034
Figure RE-GDA0002954041300000035
将角α的值代入x”，y”的公式得到火点的物理坐标P”(x”，y”)；
第四步：与飞机初始坐标加权得到火点实际坐标：
设飞机的初始坐标为(x0，y0)，则火点的实际坐标Q(x′″,y′″) 为：
x′″＝x0+x″
y′″＝y0+y″
即得到火点的实际坐标。
所述镜头是垂直向下拍摄的。
所述镜头在镜头坐标系x轴的覆盖范围是-1/2*F1～1/2*F1，镜头在镜头坐标系y轴的覆盖范围是-1/2*F2～1/2*F2。
所述镜头在地面坐标系x轴的覆盖范围是-1/2*L1～1/2*L1，镜头在 y轴的覆盖范围是-1/2*L2～1/2*L2。
由于采用上述技术方案，本发明实施的优点是：
本发明在飞行器上通过摄像头拍摄到火点后，可以立即对火点坐标进行快速和精确的定位。由于具有定位坐标的能力，对火情变化的响应速度快，及时调配、组织人员和装备投入火场；该方法有较高的扩展性，镜头参数及分辨率可调，该方法对不同尺寸和型号镜头的适应性较好；对于图像精度要求不高，在拍摄照片不清晰的情况下，该方法仍可取得有效的对火源位置实现定位；该方法计算简便，基于本方法的装置较同配置的火源定位装置可有效节约成本。综上所述，本发明在防火救灾方面具有重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明火点在镜头坐标系中的坐标位置图。
图2是本发明镜头高度与地面最大可观测距离的关系图。
图3是本发明火点在地面坐标系中的坐标位置图。
图4是本发明火点在物理坐标系中的坐标位置图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一步：火点在镜头坐标系中的坐标(x，y)。
假设摄像头的镜头是长方形CMOS，镜头分辨率为F1(长)*F2 (宽)，以镜头中心点为原点(0，0)建立镜头坐标系，则镜头在镜头坐标系x轴的覆盖范围是-1/2*F1～1/2*F1，镜头在镜头坐标系y轴的覆盖范围是-1/2*F2～1/2*F2。将观测到的火点像素位置通过计算其与镜头中心点的距离从而转换到镜头坐标系中的坐标为P(x，y)，如图1所示。
第二步：将火点在镜头坐标系中的坐标(x，y)映射到地面坐标系中的坐标(x’，y’)。
假设摄像头是垂直向下拍摄的，镜头高度为h，镜头在横向和纵向的视场角分别为
Figure RE-GDA0002954041300000051
镜头在地面最大可观测到的横向和纵向距离分别为L1、L2，如图2所示。得到：
Figure RE-GDA0002954041300000052
Figure RE-GDA0002954041300000053
以镜头中心点在地面上的投影点为原点(0，0)，以飞机向前飞行方向作为y轴正向，建立地面坐标系，如图3所示，则镜头在地面坐标系x轴的覆盖范围是-1/2*L1～1/2*L1，镜头在y轴的覆盖范围是 -1/2*L2～1/2*L2，火点在地面坐标系中的坐标为P’(x’，y’)。
由于P点和P’点的位置满足：
Figure RE-GDA0002954041300000054
Figure RE-GDA0002954041300000055
得到：
Figure RE-GDA0002954041300000056
Figure RE-GDA0002954041300000057
第三步：将火点在地面坐标系中的坐标(x’，y’)映射到物理坐标系中的坐标(x”，y”)。
由于第二步中的地面坐标系是以飞机向前飞行方向作为y轴正向，而实际的物理坐标系与飞机飞行方向可能存着不一致，因此要把上述第二步的坐标转化到物理坐标系中。
参见图4，以镜头中心点在地面上的投影点为原点(0，0)，正北方N为y轴正向,正东方E为x轴正向，建立物理坐标系。火点在物理坐标系中的坐标为P”(x”，y”)。
由图4得到
Figure RE-GDA0002954041300000061
Figure RE-GDA0002954041300000062
Figure RE-GDA0002954041300000063
其中角β为磁罗盘与机头方向之间的夹角，即物理坐标系与地面坐标系之间的夹角。
将第二步得到的x’，y’代入上式得到最终坐标点x”，y”：
Figure RE-GDA0002954041300000064
Figure RE-GDA0002954041300000065
其中，角α由图4：
Figure RE-GDA0002954041300000066
则
Figure RE-GDA0002954041300000067
Figure RE-GDA0002954041300000068
将角α的值代入上式就可以得到火点的物理坐标P”(x”，y”)。
第四步：与飞机初始坐标加权得到火点实际坐标：
由于第三步的坐标系是以镜头即飞机为原点，得到的是火点相对于飞机的坐标偏移，因此要将此坐标与飞机位置的初始坐标加权得到火点的实际坐标，设飞机的初始坐标为(x0，y0)，则火点的实际坐标Q (x′″,y′″)为：
x′″＝x0+y″
y′″＝y0+y″
即得到火点的实际坐标。
【实施例一】
已知，飞机的高度h＝100米，镜头的视场角
Figure RE-GDA0002954041300000071
度，
Figure RE-GDA0002954041300000072
度，镜头分辨率为1920*1080像素，在镜头中计算出火点相对于镜头中心点的像素坐标为(300，200)。磁罗盘与机头方向之间的夹角β＝20度。飞机初始坐标为(328.52，792.93)。
由于高度h＝100米，视场角
Figure RE-GDA0002954041300000073
度，
Figure RE-GDA0002954041300000074
度，得到镜头所能覆盖的地面横向可观测距离L1＝200米，镜头所能覆盖的地面纵向可观测距离L2＝112.5米。
又由于镜头分辨率1920*1080，火点位于镜头中的像素坐标为P (300，200)，由于P点和P’点的位置满足：300像素/960像素＝x’/100 米，得到x’＝31.25米；200像素/540像素＝y’/56.25米，得到 y’＝20.83米。即得到了P’点坐标(31.25，20.83)。
由x’＝31.25米，y’＝20.83米，得到r＝37.56米，以及角α＝33.69 度。又由于磁罗盘与机头方向之间的夹角β＝20度。则x″＝37.56* cos(33.69+20)＝22.16，y″＝37.56*sin(33.69+20)＝30.27。即得到了 P”点坐标(22.16，30.27)。
与飞机初始坐标加权，得到火点的实际坐标Q(350.68，823.2)。
由此可指导消防作业设施对该位置进行灭火。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步：在镜头坐标系中建立火点坐标；
设镜头分辨率为F1*F2，以镜头中心点为原点(0，0)建立镜头坐标系，设观察到的火点在镜头坐标系中的坐标为P(x，y)；
第二步：将火点坐标映射到地面坐标系中；
设镜头高度为h，镜头在横向和纵向的视场角分别为
Figure RE-FDA0002954041290000011
镜头在地面最大可观测到的横向和纵向距离分别为L1、L2，则：
Figure RE-FDA0002954041290000012
Figure RE-FDA0002954041290000013
以镜头中心点在地面上的投影点为原点(0，0)，以飞机向前飞行方向作为y轴正向，建立地面坐标系，火点在地面坐标系中的坐标为P’(x’，y’)；
P点和P’点的位置满足：
Figure RE-FDA0002954041290000014
Figure RE-FDA0002954041290000015
得到：
Figure RE-FDA0002954041290000016
Figure RE-FDA0002954041290000017
第三步：将火点坐标映射到物理坐标系中；
以镜头中心点在地面上的投影点为原点(0，0)，正北方N为y轴正向,正东方E为x轴正向，建立物理坐标系，火点在物理坐标系中的坐标为P”(x”，y”)；
在物理坐标系中：
Figure RE-FDA0002954041290000021
Figure RE-FDA0002954041290000022
角β为磁罗盘与机头方向之间的夹角；
将第二步得到的x’，y’代入上式得到x”，y”：
Figure RE-FDA0002954041290000023
Figure RE-FDA0002954041290000024
其中，角α满足
Figure RE-FDA0002954041290000025
则
Figure RE-FDA0002954041290000026
Figure RE-FDA0002954041290000027
将角α的值代入x”，y”的公式得到火点的物理坐标P”(x”，y”)；
第四步：与飞机初始坐标加权得到火点实际坐标：
设飞机的初始坐标为(x0，y0)，则火点的实际坐标Q(x″′,y″′)为：
x″′＝x0+x″
y″′＝y0+y″
即得到火点的实际坐标。
2.根据权利要求1所述的利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法，其特征在于：所述镜头是垂直向下拍摄的。
3.根据权利要求1所述的利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法，其特征在于：所述镜头在镜头坐标系x轴的覆盖范围是-1/2*F1～1/2*F1，镜头在镜头坐标系y轴的覆盖范围是-1/2*F2～1/2*F2。
4.根据权利要求1所述的利用飞机摄像头确定地面火点坐标的方法，其特征在于：所述镜头在地面坐标系x轴的覆盖范围是-1/2*L1～1/2*L1，镜头在y轴的覆盖范围是-1/2*L2～1/2*L2。
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