CN115540876A - 一种结合离线dem和光电视频数据的目标定位方法 - Google Patents

一种结合离线dem和光电视频数据的目标定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电智能识别目标定位技术领域，具体提供一种结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法,包括如下步骤：对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置；通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度；在水平方位角方向上逐步移动迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置。光电平台对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置；然后通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度；最后在水平方位角方向上逐步迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置。无需测距、无需较高硬件资源和无需高精度内外方位元素进行目标快速定位。

Description

一种结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法
技术领域
本发明涉及光电智能识别目标定位技术领域，具体提供一种结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，光电设备在林草防火监控、重点区域入侵告警监控等安防领域的应用越来越广泛。在林区防火监测的过程中，对疑似目标火点的识别是首要步骤，但快速准确地确定出目标火点的位置是关键环节，可以为后续实施精确减灾及救援提供位置指示。
数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）作为地理信息系统数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统，国家测绘部门将其作为国家空间数据基础设施建设的重要内容之一。随着全国多尺度DEM的相继建立，其正在科学研究、生产与国防建设中发挥越来越重要的作用。
目标定位的方式主要有三大类。第一类是传统的三角测量定位方式，通过测量光电平台和目标之间的距离和目标光线的水平俯仰方位角，然后再利用基于测距的三角测量算法进行目标定位。这类方式需要光电平台具有测距的功能。第二类是基于图像匹配的目标定位，通过对光电平台获取的实时数据进行校正，然后与预存的该地区的基准影像进行匹配校准，获取目标点位的地理位置。这类方式需要预存大量的高分辨率的基准影像，另外影像的校正和匹配校准需要较高的计算资源，对硬件的要求较高，限制了该方式的使用方式。第三类是基于共线方程的目标定位，该方式有较多限制，需要精确获取摄影机的内外方位元素且计算过程复杂，实时性较差。
发明内容
针对第一类是传统的三角测量定位方式，通过测量光电平台和目标之间的距离和目标光线的水平俯仰方位角，然后再利用基于测距的三角测量算法进行目标定位。这类方式需要光电平台具有测距的功能。第二类是基于图像匹配的目标定位，通过对光电平台获取的实时数据进行校正，然后与预存的该地区的基准影像进行匹配校准，获取目标点位的地理位置。这类方式需要预存大量的高分辨率的基准影像，另外影像的校正和匹配校准需要较高的计算资源，对硬件的要求较高，限制了该方式的使用方式。第三类是基于共线方程的目标定位，该方式有较多限制，需要精确获取摄影机的内外方位元素且计算过程复杂，实时性较差的问题，本发明提供一种结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法。
本发明技术方案提供一种结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，包括如下步骤：
对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置；
通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度；
在水平方位角方向上逐步移动迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置。
进一步的，对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置的步骤之前包括：
获取光电设备检校过程中光电设备最长焦和最广角时的视场大小及两者之间的中心偏差；
记录光电设备安装校北过程确定的光电设备正北方向与真北方向的角度偏差，即零点偏差。
进一步的，对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置的步骤包括：
在光电设备的日常监控过程中，发现疑似目标后，确定目标识别时刻的设备状态信息及目标在视频中的坐标，设备状态信息包括设备水平方位角、俯仰方位角、设备当前视场角度、设备分辨率。
进一步的，通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度的步骤包括：
根据确定的设备状态信息及目标在视频中的坐标，计算出目标的水平方位角和俯仰方位角；
根据确定的光电设备最长焦和最广角的视场大小，将水平和俯仰两方向的中心偏差归一化到当前目标角度中；
采用零点偏差对当前目标角度进行纠正得到实际目标俯仰角。
进一步的，在水平方位角方向上逐步移动迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置的步骤包括：
加载离线DEM数据，获取DEM数据的边界范围及内部高程值；
设置光电设备的俯仰角不为90度，初始化俯仰角最小差值为180度，并设置目标是否找到标志；
在真北方向方位角上用设定阈值趋近，每增加一次计算一次俯仰角，直至找到最佳的俯仰角确定目标的位置。
进一步的，在真北方向方位角上用设定阈值趋近，每增加一次计算一次俯仰角，直至找到最佳的俯仰角确定目标的位置的步骤包括：
以当前设备目标位置为起点，在设备水平方位角上每次移动第一阈值距离，计算当前目标位置；
使用双线性采样方法在离线DEM数据中计算当前目标位置高程值；
计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值，记为高程差值；
当高程差值符合要求时，计算高程差值与移动距离比值的反正切，即为当前目标俯仰角；
计算当前目标俯仰角与实际目标俯仰角差值的绝对值；
当绝对值小于设定的限差时，设置目标已找到标记；
当前目标俯仰角与实际目标俯仰角的差值小于最小差值时，保存最小差值、目标位置及目标位置高程值。
进一步的，计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值的步骤之前包括：
判断移动距离是否小于限值且光电设备平台位置在DEM边界范围内；
若是，执行步骤：计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值；
若否，结束。
进一步的，计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值，记为高程差值的步骤之后包括：
判断高程差值是否符合要求；
若是，执行步骤：计算高程差值与移动距离比值的反正切，即为当前目标俯仰角；
若否，执行步骤：以当前设备目标位置为起点，在设备水平方位角上每次移动第一阈值距离，计算当前目标的位置。
进一步的，计算当前目标俯仰角与实际目标俯仰角差值的绝对值的步骤之后包括：
判断所述绝对值是否小于设定的限差；
若是，设置目标已找到标记为是；
若否，判断目标已找到标记是否存在；若是，结束，若否，执行步骤：以当前设备目标位置为起点，在设备水平方位角上每次移动第一阈值距离，计算当前目标的位置。
进一步的，设置目标已找到标记的步骤之后还包括：
判断当前目标俯仰角与实际目标俯仰角的差值是否小于最小差值；
若是，保存最小差值、目标位置及目标位置高程值;
修改移动距离为第二阈值，且第二阈值小于第一阈值，重新计算目标位置及目标位置高程值；
若否，执行步骤：修改移动距离为第二阈值，且第二阈值小于第一阈值，重新计算目标位置及目标位置高程值。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：光电平台对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置；然后通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度；最后在水平方位角方向上逐步迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置。无需测距、无需较高硬件资源和无需高精度内外方位元素进行目标快速定位。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明一个实施例1的方法的示意性流程图。
图2是本发明一个实施例2的方法的示意性流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本法发明实施例1提供一种结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，包括如下步骤：
步骤1：对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置；
步骤2：通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度；
步骤3：在水平方位角方向上逐步移动迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置。
首先光电平台对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置；然后通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度；最后在水平方位角方向上逐步迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置。无需测距、无需较高硬件资源和无需高精度内外方位元素的进行目标快速定位。
如图2所示，本法发明实施例2提供一种结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，包括如下步骤：
S1：获取光电设备检校过程中光电设备最长焦和最广角时的视场大小及两者之间的中心偏差；
光电设备检校，获取设备最长焦和最广角时的视场大小及两者之间的中心偏差，按四象限确定正负；
S2：记录光电设备安装校北过程确定的光电设备正北方向与真北方向的角度偏差，即零点偏差；
在光电设备的安装过程中，对其进行校北，确定设备正北方向与真北方向的角度偏差，即零点偏差；
S3：在光电设备的日常监控过程中，发现疑似目标后，确定目标识别时刻的设备状态信息及目标在视频中的坐标，设备状态信息包括设备水平方位角、俯仰方位角、设备当前视场角度、设备分辨率；根据确定的设备状态信息及目标在视频中的坐标，计算出目标的水平方位角和俯仰方位角；
S4：根据确定的光电设备最长焦和最广角的视场大小，将水平和俯仰两方向的中心偏差归一化到当前目标角度中；
根据步骤S1中确定的设备最长焦和最广角的视场大小，将水平和俯仰两方向的中心偏差归一化到当前目标角度中，目标水平方向角度在0-360度之间。
S5：采用零点偏差对当前目标角度进行纠正得到实际目标俯仰角。
因设备较北后，存在一定的真北偏差，采用步骤S2中的零点偏差对当前目标角度进行纠正，目标水平方向角度在0-360度之间。
S6：加载离线DEM数据，获取DEM数据的边界范围及内部高程值；
S7：以当前设备目标位置为起点，在设备水平方位角上每次移动第一阈值距离，计算当前目标位置；
以当前设备目标位置为起点，在设备水平方位角上每次增加距离d1=0.1米，移动总距离记为distance，计算当前目标位置present；
S8：使用双线性采样方法在离线DEM数据中计算当前目标位置高程值；
S9：判断移动距离是否小于限值且光电设备平台位置在DEM边界范围内；确保光电设备平台位置在DEM边界范围内；
若是，执行步骤S10，若否，执行步骤S20；
S10：计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值，记为高程差值deltaHeight；
当设备的俯仰方位角为负，即镜头向下拍摄时，确保S10中计算的高程差值为负，否则重复步骤S7-S10；当设备的俯仰方位角为正，即镜头向上拍摄时，确保S10中计算的高程差值为正，否则重复步骤S7-S10。
S11：判断高程差值是否符合要求；
若是，执行步骤S12，若否，执行步骤S7；
确保光电设备平台位置在DEM中的高程值小于设备安装高程，确保光电设备的俯仰角不为90度，初始化俯仰角最小差值为180度，记为minDiff；
S12：计算高程差值与移动距离比值的反正切，即为当前目标俯仰角；
计算高程差值deltaHeight与移动距离distance比值的反正切，即为当前目标点处的俯仰角；
S13：计算当前目标俯仰角与实际目标俯仰角差值的绝对值；
S14：判断所述绝对值是否小于设定的限差；
若是，执行步骤S15，若否，执行步骤S17；
计算当前俯仰角与步骤S5计算的目标俯仰角差值的绝对值，记为diffAngle。若大于给定限差，则重复步骤S7-S14。否则认为目标已找到，设置flag状态为true，判断diffAngle是否小于minDiff，若是，保存此时的俯仰角差值diffAngle、目标位置。否则执行步骤S15。
S15：设置目标已找到标记为是；
S16：判断当前目标俯仰角与实际目标俯仰角的差值是否小于最小差值；
若是，执行步骤S18，若否，执行步骤S19；
S17：判断目标已找到标记是否存在；若是，执行步骤S20，若否，执行步骤S7；
S18：保存最小差值、目标位置及目标位置高程值；执行步骤S19；
S19：修改移动距离为第二阈值，且第二阈值小于第一阈值，重新计算目标位置及目标位置高程值；执行步骤S8。
S20：结束退出。
若目标已找到，修改设备在水平方位角上移动的距离d2为0.01米，重复步骤S8-S14。若目标标志flag由true转为false，则退出循环，步骤S18中保存的结果即为最终目标位置。
若目标始终未找到，当移动总距离distance大于设置最大距离或者目标当前位置超出DEM覆盖范围时，退出循环，目标未找到。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/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 (10)

1.一种结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置；
通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度；
在水平方位角方向上逐步移动迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置。
2.根据权利要求1所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置的步骤之前包括：
获取光电设备检校过程中光电设备最长焦和最广角时的视场大小及两者之间的中心偏差；
记录光电设备安装校北过程确定的光电设备正北方向与真北方向的角度偏差，即零点偏差。
3.根据权利要求2所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，对目标进行识别，并确定目标在视场中的位置的步骤包括：
在光电设备的日常监控过程中，发现疑似目标后，确定目标识别时刻的设备状态信息及目标在视频中的坐标，设备状态信息包括设备水平方位角、俯仰方位角、设备当前视场角度、设备分辨率。
4.根据权利要求3所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，通过光电平台的水平俯仰方位角，计算目标的方位角度的步骤包括：
根据确定的设备状态信息及目标在视频中的坐标，计算出目标的水平方位角和俯仰方位角；
根据确定的光电设备最长焦和最广角的视场大小，将水平和俯仰两方向的中心偏差归一化到当前目标角度中；
采用零点偏差对当前目标角度进行纠正得到实际目标俯仰角。
5.根据权利要求4所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，在水平方位角方向上逐步移动迭代，并结合DEM数据，计算目标的位置的步骤包括：
加载离线DEM数据，获取DEM数据的边界范围及内部高程值；
设置光电设备的俯仰角不为90度，初始化俯仰角最小差值为180度，并设置目标是否找到标志；
在真北方向方位角上用设定阈值趋近，每增加一次计算一次俯仰角，直至找到最佳的俯仰角确定目标的位置。
6.根据权利要求5所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，在真北方向方位角上用设定阈值趋近，每增加一次计算一次俯仰角，直至找到最佳的俯仰角确定目标的位置的步骤包括：
以当前设备目标位置为起点，在设备水平方位角上每次移动第一阈值距离，计算当前目标位置；
使用双线性采样方法在离线DEM数据中计算当前目标位置高程值；
计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值，记为高程差值；
当高程差值符合要求时，计算高程差值与移动距离比值的反正切，即为当前目标俯仰角；
计算当前目标俯仰角与实际目标俯仰角差值的绝对值；
当绝对值小于设定的限差时，设置目标已找到标记；
当前目标俯仰角与实际目标俯仰角的差值小于最小差值时，保存最小差值、目标位置及目标位置高程值。
7.根据权利要求6所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值的步骤之前包括：
判断移动距离是否小于限值且光电设备平台位置在DEM边界范围内；
若是，执行步骤：计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值；
若否，结束。
8.根据权利要求7所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，计算目标位置高程值与设备安装平台高程的差值，记为高程差值的步骤之后包括：
判断高程差值是否符合要求；
若是，执行步骤：计算高程差值与移动距离比值的反正切，即为当前目标俯仰角；
若否，执行步骤：以当前设备目标位置为起点，在设备水平方位角上每次移动第一阈值距离，计算当前目标的位置。
9.根据权利要求8所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，计算当前目标俯仰角与实际目标俯仰角差值的绝对值的步骤之后包括：
判断所述绝对值是否小于设定的限差；
若是，设置目标已找到标记为是；
若否，判断目标已找到标记是否存在；若是，结束，若否，执行步骤：以当前设备目标位置为起点，在设备水平方位角上每次移动第一阈值距离，计算当前目标的位置。
10.根据权利要求9所述的结合离线DEM和光电视频数据的目标定位方法，其特征在于，设置目标已找到标记的步骤之后还包括：
判断当前目标俯仰角与实际目标俯仰角的差值是否小于最小差值；
若是，保存最小差值、目标位置及目标位置高程值;
修改移动距离为第二阈值，且第二阈值小于第一阈值，重新计算目标位置及目标位置高程值；执行步骤：判断移动距离是否小于限值且光电设备平台位置在DEM边界范围内；
若否，执行步骤：修改移动距离为第二阈值，且第二阈值小于第一阈值，重新计算目标位置及目标位置高程值。
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