CN116821414A - 基于无人机视频形成视场投影地图的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于无人机视频形成视场投影地图的方法及系统，所述方法包括如下步骤：获取视频数据并将视频数据进行实时传输；对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源；将WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示。本发明的方法通过将无人机的全动态视频数据进行动态的地理时空化的表达，基于视频数据，实现高精度、实时同步、直观定位无人机当前视场状态，同能够与当前地图叠加以进行地理定位及实现变化对比分析、态势环境观察分析等数据分析；无人机视频数据能够转为一种OpenGIS支持的地图影像数据格式，实现可视化和二次开发以提升视频数据的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于无人机视频形成视场投影地图的方法及系统。
背景技术
卫星影像是一种全面、真实、客观地反映地表特征的数据，但卫星影像数据更新周期长，难以及时对地表的建筑、道路等地物的更新情况进行观察统计。而随着无人机的技术发展，使及时且高效获取地表的最新影像数据成为可能。近几年来，无人机已经广泛应用于各行各业，完成满足不同作业需求的飞行任务。无人机通过搭载视频采集设备，包括单相机光电吊舱、多相机全景设备等，借助多种数据传输链路，将全动态视频数据传输到地面，实时了解飞行区域的情况，快速获取地面影像，便于实时获取地面区域的最新情况。
然而，在应急救灾、灾情监测等场景下，往往需要最新的地表情况进行观察分析，从而了解灾区最新地理情况、以及交通道路最新情况等。然而，现有的无人机视频数据无法同步实现无人机飞行过程中对飞行区域的变化对比分析以及态势环境观察分析，视频数据使用效率较低。因此，如何将实时的影像数据与地理位置结合起来，使之可以叠加在卫星影像地图上，动态实时显示飞行区域的建筑、道路等地物的变化情况；动态实时显示飞行区域的态势环境来预判分析监控目标的情况；达到更加直观且准确的掌握飞行区域情况的目的，成为无人机的视频数据的应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，如何将无人机视频数据与地图结合以实现飞行区域的变化对比分析以及态势环境观察分析，以及如何实现无人机视频数据的可视化和二次开发以提升视频数据的利用率。
本发明解决其技术问题所采用的其中一种技术方案是：基于无人机视频形成视场投影地图的方法，所述方法包括如下步骤：
获取视频数据并将视频数据进行实时传输；
对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源；
将WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示。
进一步的，所述获取视频数据并将视频数据进行实时传输，具体包括如下步骤：
获取全动态视频并同步记录所述全动态视频任意视频帧对应的元数据；
对所述全动态视频及元数据进行图数同步编码形成视频数据以实现图数一体传输。
进一步的，所述对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源，具体包括如下步骤：
WDMS服务端接收图数一体传输的视频数据并进行解码获取当前视频帧和对应的元数据；
根据当前视频帧和对应的元数据建立仿射变换矩阵；
根据当前视频帧的图像和所述仿射变换矩阵生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源。
进一步的，所述根据当前视频帧和对应的元数据建立仿射变换矩阵，具体为：根据当前视频帧和对应的元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，并建立仿射变换矩阵。
进一步的，所述根据当前视频帧和对应的元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，并建立仿射变换矩阵，具体包括如下步骤：
将当前视频帧、无人机POS数据、载荷框架角、视场角、相机内参数、畸变参数作为输入参数，计算的四个角点和像主点在相机坐标系下的像素坐标；
根据所述像素坐标以及数字表面模型DSM和共线方程计算当前视频帧的四个角点、像主点在物方坐标系下的物方坐标；
根据当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标，以及与之对应的物方坐标，建立第一仿射变换矩阵。
进一步的，所述根据当前视频帧和对应的元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，并建立仿射变换矩阵，还包括如下步骤：
判断当前地图坐标系与物方坐标系是否一致；
若是，则输出第一仿射变换矩阵；
若否，则对第一仿射变换矩阵进行重投影计算，得到像素坐标到当前地图坐标系下的第二仿射变换矩阵，并输出第二仿射变换矩阵。
进一步的，所述将WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示，具体包括如下步骤：
客户端访问WDMS服务端；
WDMS服务端向客户端返回WDMS服务数据源；
客户端在当前地图上实时动态显示当前视频帧的视场投影脚印图以形成视场投影地图。
进一步的，所述客户端访问WDMS服务端具体包括如下步骤：
客户端基于WDMS协议的GetCapabilites操作，在客户端构建URL，通过HTTP向WDMS服务器发起请求；
WDMS服务器解析GetCapabilites操作的URL，处理该请求并向客户端返回功能描述文档；
客户端从返回的功能描述文档中，获取所支持的地图数据驱动器VideoFootPrinter的概要描述；
客户端基于获取的VideoFootPrinter的概要描述和DescribeDriver操作，在客户端构建URL，通过HTTP协议向WDMS服务器发起PutDriver请求；
WDMS服务器处理该PutDriver操作的请求，启动视频脚印图计算驱动。
进一步的，所述元数据包括无人机POS数据、载荷框架角和视场角。
进一步的，所述方法还包括如下步骤：
配置无人机视频的视场投影驱动并发布该驱动对应的WDMS服务。
本发明中基于无人机视频形成视场投影地图的方法的有益效果在于：将无人机的全动态视频数据进行动态的地理时空化的表达，基于视频数据，实现高精度、实时同步、直观定位无人机当前视场的状态，同能够与当前地图叠加以进行地理定位以及实现变化对比分析、态势环境观察分析等数据分析；无人机视频数据能够转为一种OpenGIS支持的地图影像数据格式，进而实现可视化和二次开发以提升视频数据的利用率。
本发明解决其技术问题所采用的另一种技术方案是：基于无人机视频形成视场投影地图的系统，包括：
视频数据获取单元，所述视频数据获取单元用于获取视频数据并将视频数据向WDMS服务器实时传输；
WDMS服务器，所述WDMS服务器用于对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源；
客户端，所述客户端用于访问服务器，并将服务器返回的WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示。
进一步的，所述视频数据获取单元包括：
数据采集模块，所述数据采集模块用于获取全动态视频并同步记录所述全动态视频任意视频帧对应的元数据；
图数编码模块，所述图数编码模块用于对所述全动态视频及元数据进行图数同步编码形成视频数据；
图数一体传输模块，所述图数一体传输模块用于将图数同步编码形成的视频数据进行图数一体传输。
进一步的，所述WDMS服务器包括视场投影计算驱动；
所述视场投影计算驱动具体包括：
动态读写模块，所述动态读写模块用于对视频数据进行解码获取当前视频帧和对应的元数据，以及根据所述当前视频帧的图像和所述仿射变换矩阵生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图；
投影计算模块，所述投影计算模块用于根据当前视频帧和对应的元数据建立仿射变换矩阵。
进一步的，所述客户端包括：
可视化显示模块，所述可视化显示模块用于在当前地图上实时动态显示当前视频帧的视场投影脚印图以形成视场投影地图。
本发明中基于无人机视频形成视场投影地图的系统的有益效果在于：能够实现无人机的全动态视频数据进行动态的地理时空化的表达，同能够与当前地图叠加以进行地理定位以及实现变化对比分析、态势环境观察分析等数据分析；基于WDMS协议，实现WDMS服务器和服务器的分部式部署，表现层、应用层和数据层实现解耦，既支持C/S架构也支持B/S架构，通过协议URL即可实现桌面端、浏览器端直接访问视场投影计算结果，从而进行自定义的可视化显示。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例一中的基于无人机视频形成视场投影地图的方法的流程图；
图2为本发明实施例一中的获取视频数据的流程图；
图3为本发明实施例一中的更新WDMS服务数据源的流程图；
图4为本发明实施例一中的建立仿射变换矩阵的流程图；
图5为本发明实施例一中的可视化展示的流程图；
图6为本发明实施例一中的客户端访问WDMS服务端的流程图；
图7为本发明实施例二中的基于无人机视频形成视场投影地图的方法的流程图；
图8为本发明实施例二中基于Web浏览器实现可视化视场投影地图的其中一个示意图；
图9为本发明实施例二中基于Web浏览器实现可视化视场投影地图的另一个示意图；
图10为本发明实施例三中的基于无人机视频形成视场投影地图的系统的结构示意图；
图11为本发明实施例三中客户端与WDMS服务器交互的的工作流程示意图；
图12为本发明实施例三中WDMS服务器内部的工作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所述的实施例仅仅是本发明的实施例之一，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所推广的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下为本发明中涉及的相关缩略语和关键术语定义进行简要解释。
地理信息系统(GIS:Geographic Information System)：一种特定的十分重要的空间信息系统；它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
全动态视频(FMV:Full Motion Video)：一种利用元数据承载时空信息并与图像数据同步编码传输的视频数据，使用承载时空信息的元数据可以实现图像信息和地理信息之间的相互转换。
开放地理空间联盟(OGC:Open Geospatial Consortium)：是一个非盈利的志愿的国际标准化组织，制定了地理时空数据及其服务的一系列标准，GIS厂商按照这些标准进行开发就可以保证地理时空数据的互操作性。
栅格数据模型(Raster Data Model)：用数字矩阵来表示，空间坐标隐含在矩阵行列中；在栅格数据模型中，点实体表现为一个栅格单元或像元，线实体表现为一串彼此相连的像元，面实体则由一系列相邻像元构成；栅格单元形状通常是正方形，栅格的行列栅格数据模型信息和原点地理位置被记录在每一层中，像元值对应一个实体属性值。
网络地图服务(WMS:Web Map Service)：定义了一套标准的HTTP接口，用于从一个或多个地理空间数据传输有地理定位的地图图像数据，其返回为JPEG、PNG等格式的地图数据，可用于网页或桌面客户端显示；其定义了三个主要操作：GetCapabilities返回服务级元数据，它是对服务信息内容和要求参数的一种描述，服务器必须实现；GetMap返回一个地图影像，其地理空间参考和大小参数是明确定义了的，服务器必须实现；GetFeatureInfo返回显示在地图上的某些特殊要素的信息，服务方可选择性实现。
网络动态地图服务(WDMS:Web Dynamic Map Service)：基于WMS，扩展为网络动态地图服务，相对WMS增加的DescribeDriver、GetDriver和PutDriver这3个操作请求，用以动态更新地图的原始数据。
视场角(AOV:Angle of View)：视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围。在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，即为视场角。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。
实施例一
如图1所示，本发明所述基于无人机视频形成视场投影地图的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、配置无人机视频的视场投影驱动并发布该驱动对应的WDMS服务；
S2、获取视频数据并将视频数据进行实时传输；
其中，如图2所示，步骤S2中，所述获取视频数据并将视频数据进行实时传输，具体包括如下步骤：
S21、获取全动态视频并同步记录所述全动态视频任意视频帧对应的元数据，所述元数据包括无人机POS数据、载荷框架角和视场角；
S22、对所述全动态视频及元数据进行图数同步编码形成视频数据以实现图数一体传输。
S3、对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源；
其中，如图3所示，步骤S3中，所述对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源，具体包括如下步骤：
S31、WDMS服务端接收图数一体传输的视频数据并进行解码获取当前视频帧和对应的元数据；
S32、根据当前视频帧和对应的元数据建立仿射变换矩阵；
其中，步骤S32具体为，根据当前视频帧和对应的元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，并建立仿射变换矩阵；
其中，如图4所示，步骤S32中，根据当前视频帧和对应的元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，并建立仿射变换矩阵，具体包括如下步骤：
S321、将当前视频帧、无人机POS数据、载荷框架角、视场角、相机内参数、畸变参数作为输入参数，计算的四个角点和像主点在相机坐标系下的像素坐标；
S322、根据所述像素坐标以及数字表面模型DSM和共线方程计算当前视频帧的四个角点、像主点在物方坐标系下的物方坐标；
S323、根据当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标，以及与之对应的物方坐标，建立第一仿射变换矩阵；
S324、判断当前地图坐标系与物方坐标系是否一致；
若是，则输出第一仿射变换矩阵；
若否，则对第一仿射变换矩阵进行重投影计算，得到像素坐标到当前地图坐标系下的第二仿射变换矩阵，并输出第二仿射变换矩阵。
S33、根据当前视频帧的图像和所述仿射变换矩阵生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源。
S4、将WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示。
其中，如图5所示，步骤S4中，所述将WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示，具体包括如下步骤：
S41、客户端访问WDMS服务端；
其中，如图6所示，所述步骤S41中，客户端访问WDMS服务端具体包括如下步骤：
S411、客户端基于WDMS协议的GetCapabilites操作，在客户端构建URL，通过HTTP向WDMS服务器发起请求；
S412、WDMS服务器解析GetCapabilites操作的URL，处理该请求并向客户端返回功能描述文档；
S413、客户端从返回的功能描述文档中，获取所支持的地图数据驱动器VideoFootPrinter的概要描述；
S414、客户端基于获取的VideoFootPrinter的概要描述和DescribeDriver操作，在客户端构建URL，通过HTTP协议向WDMS服务器发起PutDriver请求；
S415、WDMS服务器处理该PutDriver操作的请求，启动视频脚印图计算驱动。
S42、WDMS服务端向客户端返回WDMS服务数据源；
S43、客户端在当前地图上实时动态显示当前视频帧的视场投影脚印图以形成视场投影地图。
其中，VideoFootPrinter即地图数据驱动器；GetCapabilites操作为网络地图服务WMS定义的三个主要操作之一，它是对服务信息内容和要求参数的一种描述，服务器必须实现；PutDriver操作和DescribeDriver操作均为网络动态地图服务WDMS相对WMS增加的操作请求，用以动态更新地图的原始数据。
在本发明所提供的实施例中，网络动态地图服务是一种能够实现动态更新地图数据的方法。而本发明则介绍了一种基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其中包括实时视频的视场投影计算方法，并封装为计算驱动，发布为网络动态地图服务。网络动态地图服务为前后端解结构，无人机在采集全动态视频的飞行作业过程中，服务器端结合直接地理定位技术，计算视频的每一帧的图像数据的仿射变换参数，生成视频脚印图。客户端在地图上实时叠加传感器的视频脚印图，实现高精度、实时同步且直观地定位无人机当前视场的状态。在应急救灾、森林防火、公路巡检等任务中，快速了解地物的实时情况、定位异常位置点和态势环境。
实施例二
如图7所示，本发明针对无人机视频的视场投影地图功能，还提供了一种具体的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、配置无人机视频的视场投影驱动VideoFootPrinter并发布该驱动对应的WDMS服务；
S2、通过无人机的相机采集全动态视频以及同步记录当前视频帧对应的无人机POS数据、载荷框架角和视场角AOV等元数据；其中，无人机POS数据包括无人机的经纬高和姿态角，载荷框架角包括吊舱相对无人机的姿态角θ、Φ和Ψ；
S3、对步骤S2中采集的全动态视频以及元数据进行图数同步编码，形成视频流或者视频文件等视频数据；其中，图数同步编码的过程包括对视频流或者视频文件等视频数据和元数据进行加密，压缩；从相机获取H264压缩码流；将处理好的视频数据和元数据封装到H264帧的SEI字段；将新的添加了SEI字段的H264码流封装到MPEGTS流中；交给图传进行传输；
S4、按照视频传输协议，将图数同步编码后的视频数据经过图数一体传输至地面，其中，地面可以是客户端也可以是服务端；
S5、动态读写模块通过FMV解码器对视频数据进行图数同步解码，获取当前视频帧和元数据；其中，FMV解码器的具体解码方法包括：接收到MPEGTS视频流、对MPEGTS流进行解析；得到H264码流、对H264帧进行解析，得到SEI字段中的视频数据和元数据、对视频数据和元数据进行解压以及解密、对H264码流进行解码，得到原始视频画面、对视频图像进行图像算法处理，得到新的视频图像、将视频数据和元数据两者进行同步、将视频画面渲染并将元数据绘制到画面中、图数同步解码后得到当前视频帧和元数据；
S6、根据当前视频帧和元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，建立仿射变换矩阵；
S7、根据当前视频帧的图像和仿射变换矩阵生成具有地理空间信息和影像特征的图像，即视频脚印图；
S8、对于步骤S7生成的第一帧视频脚印图更新为WDMS服务的数据源，其中，视频脚印图更新为WDMS服务的数据源的具体方法可以参考在先申请的发明专利《一种实现网络动态地理信息服务的方法及实现网络动态地理信息服务不同的装置(CN114186003B)》中所公开的内容，本发明的实施例中对此不再赘述；
S9、WDMS客户端通过URL访问WDMS服务，在当前地图上实时动态显示当前视频帧的视频脚印图。
在上述方法中，在步骤S6中，所述仿射变换矩阵的建立方法如下；
S61、将当前视频帧数据、无人机的POS数据、视场角、相机内参数、畸变参数作为输入参数，计算的四个角点和像主点在相机坐标系下的像素坐标；
S62、根据步骤S61中的数据、数字表面模型DSM、以及共线方程计算当前帧的四个角点和像主点在物方坐标系下的物方坐标；
S63、根据当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标，以及与之对应的物方坐标，建立第一仿射变换矩阵；
S64、如果当前客户端中可视化的当前地图的坐标系与物方坐标系不一致时，可通过重投影，变换仿射变换矩阵，得到像素坐标到当前地图坐标系下的第二仿射变换矩阵；
S65、将第一仿射变换矩阵或第一仿射变换矩阵和视频帧图像数据通过数据驱动生成视频脚印图。
结合实际的数值计算为例，所述仿射变换矩阵可以根据当前图像帧的四个角点和像主点在像素坐标系的值pi(ui,vi),i＝1,2,3,4,5和大地坐标系下值Pi(Xi,Yi,Zi)i＝1,2,3,4,5，求得第一仿射变换参数affine。
具体的计算方法如下：
S06-1、解析当前视频帧记录的数据，为S05(飞机的经纬高、姿态角)、吊舱相对无人机的姿态角θ、Φ和Ψ、视场角AOV。作为输入参数。获取相机的内参数，为CCD的物理尺寸大小w、h，单位为毫米mm；
S06-2、标定相机内参数及畸变参数，畸变矩阵D＝[k1 k2 p1 p2 k3]，可选畸变参数[k4 k5 k6],其中ki,pj,i＝1,2,...,6，j＝1,2为畸变参数，做为输入参数；
S06-3、根据相机的画幅大小以及视场角求取焦距f，由于无人机的相机一般都为变焦镜头，故需计算当前帧的焦距f，其中
S06-4、根据相机的内参数、畸变参数、焦距求得画幅的四个角点和像主点在相机坐标系下的值pi(xi,yi,fi)i＝1,2,3,4,5；
S06-5、根据坐标pi(xi,yi,fi)i＝1,2,3,4,5、数字表面模型DSM、以及共线方程计算当前帧的四个角点和像主点在大地坐标系下，这里举大地坐标系为WGS1984的坐标值；利用高程迭代分别求取这5个点在大地坐标系下的值Pi(Xi,Yi,Zi)i＝1,2,3,4,5；
S06-6、根据当前帧S05四个角点和像主点的像素坐标pi(ui,vi),i＝1,2,3,4,5、与之对应的在大地坐标系下值Pi(Xi,Yi,Zi)i＝1,2,3,4,5，建立第一仿射变换矩阵affine。这里可采用最小二乘平差或其他矩阵分解求得第一仿射变换矩阵affine；
其中i＝1,2,3,4,5
S06-7、可选的，若大地坐标系与可视化地图的坐标系不一致时，则需要进行重投影计算，将第一仿射变换矩阵affine经过重投影计算，得到像素坐标系到当前地图的坐标系的第二仿射变换矩阵affine'，并通过动态读写模块，将当前视频帧图像和第二仿射变换矩阵affine'作为入参，通过GDAL栅格数据驱动，生成当前帧的脚印图；
更新WDMS服务器模块的网络动态地图服务(WDMS)的数据源，以及生成脚印图的投影范围文件；
依次循环解析下一帧进行视场投影，重复执行上述步骤，可获取实时动态的视频脚印图。
在上述方法中，在步骤S9中，WDMS客户端通过URL访问WDMS服务，具体包括如下步骤：
S91、WDMS客户端基于WDMS协议的GetCapabilites操作，构建URL，通过HTTP向WDMS服务器发起请求；
S92、WDMS客户端从GetCapabilites操作返回的功能描述文档中，获取所支持的地图数据驱动器VideoFootPrinter的概要描述；
S93、基于获取的VideoFootPrinter的概要描述清单和DescribeDriver操作，在WDMS客户端以无人机的视频流地址等参数构建URL，通过HTTP协议向WDMS服务器发起PutDriver请求；
S94、WDMS服务器收到请求后，进一步地，在WDMS服务器内部处理该PutDriver操作的请求：启动视频脚印图计算驱动，以视频流地址为参数；
在某些更进一步的实施例中，如图8和图9所示，WDMS客户端通过URL访问WDMS服务中的客户端具有可视化功能，而客户端所包括的可视化显示模块可以基于Web浏览器实现，视频的视场投影驱动，基于WDMS协议，发布为网络动态地图服务，Web浏览器通过GetMap在地图上可视化显示，实现视频的视场投影的B/S架构，将大量的计算与可视化分开部署。以开源库OpenLayers调用为例，OpenLayers是一个专为Web GIS客户端提供的免费且开源的JavaScript类库包，它可以显示从任何数据源加载的地图数据；步骤如下：
S09-1、Web浏览器，基于WDMS协议的GetDriver请求，构建URL，通过HTTP向WDMS服务器发起请求；
S09-2、WDMS服务器解析GetDriver操作的URL，处理该请求；
S09-3、Web浏览器从GetDriver操作返回的视频脚印图范围描述文档中，获取当前视频帧的地图数据范围；
S09-4、Web浏览器，基于WDMS或WMS协议的GetMap操作，构建URL，请求参数中BBOX范围，即为从步骤S09-3中获取的当前视频帧的视场投影计算结果的范围；
S09-5、WDMS服务器解析GetMap操作的URL，处理该请求，如重采样；
S09-6、Web浏览器，通过OpenLayers的ImageWMS类型加载GetMap操作返回的视场投影计算驱动生成的脚印图；
S09-7、Web浏览器，通过定时器，重复S09-1至S09-6，进行GetDriver和GetMap请求，即可实时刷新视频当前帧的视场投影结果显示在Web浏览器地图上。
在某些更进一步的实施例中，WDMS客户端通过URL访问WDMS服务中的客户端具有可视化功能，客户端所包括的可视化显示模块还可以基于Qt平台和Mapbox GL Native实现。Mapbox GL Native是一个C++库，通过采用符合Mapbox样式规范的样式表，将它们应用于符合Mapbox矢量图块规范的矢量图块，并使用OpenGL或Metal渲染它们，为多个平台上的本机应用程序中的可自定义矢量图块提供支持；Qt的QtLocation模块通过封装Mapbox GLNative，以工厂模式实现了QGeoMappingManagerEngineMapboxGL和QGeoMapMapboxGL类型，本发明将基于Mapbox GL Native扩展实现具有WDMS客户端功能的Source类型，从而使原有的QGeoMapMapboxGL类型支持访问基于WDMS协议的地图源。
基于Qt平台和Mapbox GL Native实现的可视化显示模块，其实施步骤如下：
S09-1、添加WDMS数据源，基于WDMS协议配置GetMap请求的URL；
S09-2、添加视频脚印图图层，并将该图层的数据源配置为S09-1所添加的WDMS数据源；
S09-3、在WDMS数据源中，定时向WDMS服务器发起GetMap请求；
S09-4、WDMS服务器响应GetMap请求，返回视频脚印图数据给WDMS数据源；
S09-5、视频脚印图图层根据当前的地图参数(包括不限于当前地图的视口大小、地理范围、缩放层级等)，调用Mapbox GL Native封装的渲染器，将从WDMS数据源获取的视频脚印图数据绘制并显示到地图上。
实施例三
如图10至12所示，本发明所述基于无人机视频形成视场投影地图的系统，包括：
视频数据获取单元，所述视频数据获取单元用于获取视频数据并将视频数据向WDMS服务器实时传输；
WDMS服务器，所述WDMS服务器用于对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源；
客户端，所述客户端用于访问服务器，并将服务器返回的WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示。
其中，所述系统在工作时，视频数据获取单元将获取的视频数据向WDMS服务器进行传输，而客户端向WDMS服务器发起请求，WDMS服务器响应请求后，由WDMS服务器启动视场投影计算驱动，随后动态读写模块则对视频数据进行解码，解码后的的当前视频帧和相应元数据在投影计算模块中进行计算以获得仿射变换矩阵。在动态读写模块中，将当前视频帧图像和仿射变换矩阵作为入参，通过GDAL栅格数据驱动，生成当前帧的视频脚印图，随后将视频脚印图更新为WDMS服务的数据源，并返回客户端的请求，使客户端的可视化显示模块能够定时刷新视频脚印图，并将定时刷新的视频脚印图和当前地图叠加以实现视场投影地图。此外，视频数据获取单元获取的视频数据可以是通过流媒体服务器进行转发，客户端获得从流媒体的视频流地址，通过URL请求将视频流地址发送至WDMS服务器，WDMS服务器进而获取视频以及处理视频。
在某些具体的实施例中，如图10所示，所述视频数据获取单元包括：
数据采集模块，所述数据采集模块用于获取全动态视频并同步记录所述全动态视频任意视频帧对应的元数据；
图数编码模块，所述图数编码模块用于对所述全动态视频及元数据进行图数同步编码形成视频数据；
图数一体传输模块，所述图数一体传输模块用于将图数同步编码形成的视频数据进行图数一体传输。
其中，视频数据获取单元具体可以是无人机装置，数据采集模块具体可以是相机或传感器。
在某些具体的实施例中，如图10所示，所述WDMS服务器用于接收图数一体传输的视频数据，以及更新WDMS服务数据源；
其中，如图11所示，WDMS服务器具体执行的操作包括启动视场投影计算驱动以及更新WDMS的数据源，启动视场投影计算驱动的操作由客户端的可视化显示模块发起请求，更新WDMS的数据源所需要的视频脚印图由动态读写模块输出，同时更新后的WDMS的数据源会依照可视化显示模块的请求输出至可视化显示模块中并定时进行更新。
WDMS服务器包括视场投影计算驱动；
所述视场投影计算驱动具体包括：
动态读写模块，所述动态读写模块用于对视频数据进行解码获取当前视频帧和对应的元数据，以及根据所述当前视频帧的图像和所述仿射变换矩阵生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图；
其中，如图12所示，动态读写模块具体执行的操作包括FMV解码器解析视频帧和元数据，并将视频帧和元数据输出至投影计算模块中进行计算以得到仿射变换矩阵，随后在动态读写模块内需要将由投影计算模块返回的仿射变换矩阵以及视频帧作为入参，通过GDAL栅格数据驱动，生成当前帧的视频脚印图并传输至WDMS服务器。
投影计算模块，所述投影计算模块用于根据当前视频帧和对应的元数据建立仿射变换矩阵。
其中，如图12所示，投影计算模块具体执行的操作为接收动态读写模块所解析的视频帧和元数据，并根据相应的参数计算当前视频帧图像的四个角点和像主点在相机坐标系下的像素坐标，随后根据数字表面模型和高程迭代计算5个点在POS数据所在的物方坐标系下的物方坐标坐标，随后计算当前帧从像素坐标变换到物方坐标的第一仿射变换矩阵，其中，还需要判断物方坐标系与可视化模块中显示的当前地图坐标系是否一致，若一致，则向动态读写模块输出第一仿射变换矩阵，若不一致，则需要进行重投影得到图像坐标系到当前地图坐标系的第二仿射变换矩阵，并向动态读写模块输出第二仿射变换矩阵。
此外，在某些具体的实施例中，WDMS服务器还包括WDMS调度器和地图图像渲染器。
在某些具体的实施例中，如图10所示，所述客户端包括：
可视化显示模块，所述可视化显示模块用于在当前地图上实时动态显示当前视频帧的视场投影脚印图以形成视场投影地图。
其中，如图11所示，可视化显示模块具体执行的操作为开启WDMS服务，随后向WDMS服务器发起请求，WDMS服务器处理请求后将WDMS服务的数据源返回至可视化显示模块，从而使可视化显示模块能够定时刷新视频脚印图并将视频脚印图与当前地图叠加以显示视场投影地图。
在某些更进一步的实施例中，可视化显示模块可以基于Web浏览器实现。视频的视场投影驱动，基于WDMS协议，发布为网络动态地图服务，Web浏览器通过GetMap在地图上可视化显示，实现视频的视场投影的B/S架构，将大量的计算与可视化分开部署。以开源库OpenLayers调用为例，OpenLayers是一个专为Web GIS客户端提供的免费且开源的JavaScript类库包，它可以显示从任何数据源加载的地图数据。
在某些更进一步的实施例中，可视化显示模块还可以基于Qt平台和Mapbox GLNative实现。Mapbox GL Native是一个C++库，通过采用符合Mapbox样式规范的样式表，将它们应用于符合Mapbox矢量图块规范的矢量图块，并使用OpenGL或Metal渲染它们，为多个平台上的本机应用程序中的可自定义矢量图块提供支持；Qt的QtLocation模块通过封装Mapbox GL Native，以工厂模式实现了QGeoMappingManagerEngineMapboxGL和QGeoMapMapboxGL类型，本发明将基于Mapbox GL Native扩展实现具有WDMS客户端功能的Source类型，从而使原有的QGeoMapMapboxGL类型支持访问基于WDMS协议的地图源。
其中，在Web浏览器或者桌面端通过定时刷新，在地图上可视化显示视场投影脚印图，即可视化显示模块；在WDMS服务器将视场投影计算驱动发布为基于WDMS协议的网络动态地图服务，WDMS服务器基于MapServer进行二次开发，MapServer是由美国明尼苏达大学和美国太空总署(NASA)开发的开源WebGIS软件，基本配置文件有MapFile和MapScript，MapServer通过支持OGC协会的若干标准，支持分布和互操作，即WDMS服务器；结合直接地理定位技术，实现无人机视频的视场投影计算，即投影计算模块；以FMV解码器以及GDAL(是一个在X/MIT许可协议下的开源栅格空间数据转换库，它利用抽象数据模型来表达所支持的各种文件格式)插件作为时空数据驱动器，提供跨进程动态数据读写机制，即动态读写模块。
其中，本发明的基于无人机视频形成视场投影地图的系统的工作原理及导览方法可参考上述基于无人机视频形成视场投影地图的系统方法中所列举的各个实施例，此处不再赘述。
此外，在本发明上述各个实施例的基于无人机视频形成视场投影地图的方法或系统中，通过将无人机的全动态视频数据进行动态的地理时空化的表达，基于视频数据，实现高精度、实时同步、直观定位无人机当前视场的状态。此外，本发明基于全动态视频流，本发明支持多视频流的视场投影，叠加多图层的不同视频流的动态实时投影地图，进行观察区域的地物变化情况和态势环境的综合分析。目前，GDAL支持的栅格数据驱动包括不限于ADRG、GEORASTER、GTiff、HDF4、HDF5、netCDF、NITF、NTv2、PDF等数据格式；在应用本发明技术方案，将全动态视频每一视频帧计算视场投影之后，可支持投影结果数据与这些数据格式的相互转换，可发布为WMS等Web服务。基于WDMS协议，实现视频的视场投影计算系统的分部署部署，既支持C/S架构也支持B/S架构，通过协议URL即可实现桌面端、浏览器端直接访问视场投影计算结果，从而进行自定义的可视化显示。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储与一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的和实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM通过多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双速据率SDRAM(SSRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (14)
1.基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取视频数据并将视频数据进行实时传输；
对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源；
将WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示。
2.根据权利要求1中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述获取视频数据并将视频数据进行实时传输，具体包括如下步骤：
获取全动态视频并同步记录所述全动态视频任意视频帧对应的元数据；
对所述全动态视频及元数据进行图数同步编码形成视频数据以实现图数一体传输。
3.根据权利要求2中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源，具体包括如下步骤：
WDMS服务端接收图数一体传输的视频数据并进行解码获取当前视频帧和对应的元数据；
根据当前视频帧和对应的元数据建立仿射变换矩阵；
根据当前视频帧的图像和所述仿射变换矩阵生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源。
4.根据权利要求3中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述根据当前视频帧和对应的元数据建立仿射变换矩阵，具体为：根据当前视频帧和对应的元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，并建立仿射变换矩阵。
5.根据权利要求4中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述根据当前视频帧和对应的元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，并建立仿射变换矩阵，具体包括如下步骤：
将当前视频帧、无人机POS数据、载荷框架角、视场角、相机内参数、畸变参数作为输入参数，计算的四个角点和像主点在相机坐标系下的像素坐标；
根据所述像素坐标以及数字表面模型DSM和共线方程计算当前视频帧的四个角点、像主点在物方坐标系下的物方坐标；
根据当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标，以及与之对应的物方坐标，建立第一仿射变换矩阵。
6.根据权利要求5中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述根据当前视频帧和对应的元数据，计算当前视频帧的四个角点和像主点的像素坐标以及与之对应的物方坐标，并建立仿射变换矩阵，还包括如下步骤：
判断当前地图坐标系与物方坐标系是否一致；
若是，则输出第一仿射变换矩阵；
若否，则对第一仿射变换矩阵进行重投影计算，得到像素坐标到当前地图坐标系下的第二仿射变换矩阵，并输出第二仿射变换矩阵。
7.根据权利要求1中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述将WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示，具体包括如下步骤：
客户端访问WDMS服务端；
WDMS服务端向客户端返回WDMS服务数据源；
客户端在当前地图上实时动态显示当前视频帧的视场投影脚印图以形成视场投影地图。
8.根据权利要求7中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述客户端访问WDMS服务端具体包括如下步骤：
客户端基于WDMS协议的GetCapabilites操作，在客户端构建URL，通过HTTP向WDMS服务器发起请求；
WDMS服务器解析GetCapabilites操作的URL，处理该请求并向客户端返回功能描述文档；
客户端从返回的功能描述文档中，获取所支持的地图数据驱动器VideoFootPrinter的概要描述；
客户端基于获取的VideoFootPrinter的概要描述和DescribeDriver操作，在客户端构建URL，通过HTTP协议向WDMS服务器发起PutDriver请求；
WDMS服务器处理该PutDriver操作的请求，启动视频脚印图计算驱动。
9.根据权利要求2至6任一项中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述元数据包括无人机POS数据、载荷框架角和视场角。
10.根据权利要求1至8任一项中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
配置无人机视频的视场投影驱动并发布该驱动对应的WDMS服务。
11.基于无人机视频形成视场投影地图的系统，其特征在于，包括：
视频数据获取单元，所述视频数据获取单元用于获取视频数据并将视频数据向WDMS服务器实时传输；
WDMS服务器，所述WDMS服务器用于对视频数据进行处理以生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图并更新为WDMS服务数据源；
客户端，所述客户端用于访问服务器，并将服务器返回的WDMS服务数据源的视频脚印图进行可视化展示。
12.根据权利要求11所述的基于无人机视频形成视场投影地图的系统，其特征在于，所述视频数据获取单元包括：
数据采集模块，所述数据采集模块用于获取全动态视频并同步记录所述全动态视频任意视频帧对应的元数据；
图数编码模块，所述图数编码模块用于对所述全动态视频及元数据进行图数同步编码形成视频数据；
图数一体传输模块，所述图数一体传输模块用于将图数同步编码形成的视频数据进行图数一体传输。
13.根据权利要求11中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的系统，其特征在于，所述WDMS服务器包括视场投影计算驱动；
所述视场投影计算驱动具体包括：
动态读写模块，所述动态读写模块用于对视频数据进行解码获取当前视频帧和对应的元数据，以及根据所述当前视频帧的图像和所述仿射变换矩阵生成具有地理空间信息和影像特征的视频脚印图；
投影计算模块，所述投影计算模块用于根据当前视频帧和对应的元数据建立仿射变换矩阵。
14.根据权利要求11中所述的基于无人机视频形成视场投影地图的系统，其特征在于，所述客户端包括：
可视化显示模块，所述可视化显示模块用于在当前地图上实时动态显示当前视频帧的视场投影脚印图以形成视场投影地图。
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