阅读说明：本技术 一种航拍图像任意像素点定位信息获取方法 (Method for acquiring positioning information of any pixel point of aerial image ) 是由 毕国玲 张星祥 聂婷 余达 张艳超 于 2019-07-23 设计创作，主要内容包括：一种航拍图像任意像素点定位信息获取方法,涉及光电成像技术领域,解决现有对无人机的航拍图像进行目标定位时,存在定位精度低的问题,包括坐标系的建立,根据飞机的航拍系统获得航拍图像,并根据惯导系统提供的飞行姿态信息,对航拍图像进行正射校正和求图像上任意点的经纬度三个步骤,通过本发明的方法有效地避免了双目立体视觉定位技术的复杂性和解决了单目相机定位精度低的问题,能够准确地获取图像上任意点的经纬度定位信息,为航拍系统在灾害救援、国土监察、资源调查、军事侦查等方面的应用奠定了基础。(A method for obtaining positioning information of any pixel point of an aerial image relates to the technical field of photoelectric imaging, and solves the problem of low positioning precision when the aerial image of an unmanned aerial vehicle is subjected to target positioning.)

一种航拍图像任意像素点定位信息获取方法

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及一种航拍图像各像素点定位信息获取方法。

背景技术

随着无人机技术的不断发展，无人机作为一种新生代的重要工具，在灾害救援、国土监察、环境保护、资源调查、军事侦查等方面得到了广泛的应用。其中，利用无人机的航拍图像进行目标定位已经成为了无人机领域中的研究热点，基于双目立体视觉监控目标定位技术来推算定位目标的位置，基于单一相机拍摄的目标定位方面利用多种坐标系之间的转换，获取相机坐标系统目标点在地面坐标系中的坐标信息。由于无人机在飞行过程中环境复杂，三个方位的位姿角(俯仰角、偏航角、横滚角)的存在及平台差异较大，使得在实际的系统中精确定位实现困难。

发明内容

本发明为解决现有对无人机的航拍图像进行目标定位时，存在定位精度低的问题，提供一种航拍图像各像素点定位信息获取方法。

一种航拍图像各像素点定位信息获取方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、首先建立地面坐标系O_g-X_gY_gZ_g，原点为O_g，X_g轴正方向指向地理正北方向，Z_g轴正方向垂直于地平面向下，Y_g轴正方向由右手定则来确定；

机体坐标系O-XYZ与地面坐标系之间的夹角作为飞机的姿态角，其中偏航角ψ为机体轴OX在水平面O_gX_gY_g上的投影与地轴O_gX_g之间的夹角，俯仰角θ为机体轴OX与水平面O_gX_gY_g之间的夹角，横滚角φ为飞机对称面绕机体轴OX转过的角度；

步骤二、所述飞机的航拍系统获得航拍图像，并根据惯导系统提供的飞行姿态信息，对航拍图像进行正射校正；具体为：

首先根据姿态信息，建立地面坐标系向机体坐标系转换模型，用下式表示为：

所述机体坐标系向地面坐标系转换模型，用下式表示为：

将航拍获取的图像由机体坐标系向地面坐标系进行转换校正，校正后的图像的列方向为地理正北向；

步骤三、获得校正后的图像上任意点的经纬度；

图像中心点O_a的经纬度坐标已知，图像中心点O_a点在图像上的像素坐标为(Xa，Ya)，经纬度坐标为(Ja，Wa)；

图像上任意一点B，像素坐标为(Xb，Yb)，经纬度坐标为(Jb，Wb)；则任意两点A_o、B的横坐标差Δx＝Xb-Xa，A_o、B两点纵坐标差Δy＝Yb-Ya，两点间的方位角γ,根据下式计算得到，

并判断Δx，Δy所在的象限，得到最终的方位角γ，用下式表示为：

根据相机内部参数，获得A_oB两点间的距离L，用下式表示为：

式中，a像元尺寸，f为焦距，H为飞行高度；

将所述距离L向经度方向投影为dx，向纬度方向投影为dy，所述dx和dy分别用下式表示为：

dx＝L*sin(γ)

dy＝L*cos(γ)

修正纬度方向变换的半径长度ex，采用下式表示为：

ex＝Ej+(Er-Ej)*(90-Wa)/90

式中，Er为赤道半径，Ej为极半径；

获得A_o点所在纬度圈的半径ed，用下式表示为：

ed＝ex*cos(Wa*PI/180)

获得任意一点B的经纬度坐标，分别用下式表示为：

Jb＝dx/ed*180/PI+Ja

Wb＝dy/ex*180/PI+Wa。

本发明的有益效果：

通过本发明的方法有效地避免了双目立体视觉定位技术的复杂性和解决了单目相机定位精度低的问题，能够准确地获取图像上任意点的经纬度定位信息，为航拍系统在灾害救援、国土监察、资源调查、军事侦查等方面的应用奠定了基础。

附图说明

图1为本发明所述的一种航拍图像各像素点定位信息获取方法中机体坐标系O-XYZ与地面坐标系O_g-X_gY_gZ_g的关系示意图；

图2为本发明所述的一种航拍图像各像素点定位信息获取方法中经位姿信息校正后的正射航拍图像；

图3为本发明所述的一种航拍图像各像素点定位信息获取方法中A_o点和B点的距离向经纬度方向投影关系原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，一种航拍图像各像素点定位信息获取方法，通过惯导系统给出的飞行姿态信息，对航拍图像进行正射校正，再利用惯导给出的拍摄点的经纬度信息，计算获取航拍图像上每一个像素点的定位信息即经纬度坐标信息。具体由以下步骤实现：

一、建立坐标系；

如图1所示，首先建立地面坐标系O_g-X_gY_gZ_g，原点为O_g，X_g轴正方向指向地理真北方向，Z_g轴正方向垂直于地平面向下，Y_g轴正方向由右手定则来确定。而机体坐标系O-XYZ与地面坐标系之间的夹角就是飞机的姿态角，其中偏航角ψ为机体轴OX在水平面O_gX_gY_g上的投影与地轴O_gX_g之间的夹角；俯仰角θ为机体轴OX与地平面(水平面O_gX_gY_g)之间的夹角；滚转角φ为飞机对称面绕机体轴OX转过的角度。

二、所述飞机的航拍系统获得航拍图像，根据惯导系统提供的飞行姿态信息，对航拍图像进行正射校正；

首先根据位姿信息，地面坐标系向机体坐标系转换模型如公式(1)所示。其中，ψ为航向角、θ为俯仰角、φ为横滚角。

那么，由机体坐标系向地面坐标系转换关系如式(8)所示。

根据式(2)，将航拍获取的图像由机体坐标系向地面坐标系进行转换校正，校正后的图像的列方向(或纵坐标方向)为地理正北向，如图2所示。

三、求图像上任意点的经纬度；

经过系统标定，(对整个成像系统的标定，包括相机安装角度、相机内部参数的标定等)。图像中心点O_a的经纬度坐标已知，O_a点在图像上的像素坐标记为(Xa，Ya)，其经纬度坐标记为(Ja，Wa)。图像上任意一点B，像素坐标记为(Xb，Yb)，其经纬度坐标记为(Jb，Wb)。那么，A_o、B两点横坐标差Δx＝Xb-Xa，A_o、B两点纵坐标差Δy＝Yb-Ya，两点间的方位角γ,根据公式(3)计算得到，并且判断Δx，Δy所在的象限，得到最终的结果，如公式(4)所示。

根据相机内部参数，由公式(5)可得A_oB两点间的距离L，其中a像元尺寸，f为焦距，H为飞行高度。

由此,将距离L向经度方向投影为dx，向纬度方向投影为dy，如图3所示，其长度dx，dy如式(6)、(7)所示。

dx＝L*sin(γ) (6)

dy＝L*cos(γ) (7)

由于航拍幅宽不是很大，所以可不考虑地球曲率的变化，由于地球近似球体，那么，赤道半径Er与极半径Ej并不相同，利用公式(8)修正不断变换的半径长度。

ex＝Ej+(Er-Ej)*(90-Wa)/90 (8)

那么，A_o点所在纬度圈的半径ed如式(9)所示，其中PI取3.1415926。

ed＝ex*cos(Wa*PI/180) (9)

从而，可得任意点B经纬度坐标如式(10)、(11)所示。

Jb＝dx/ed*180/PI+Ja (10)

Wb＝dy/ex*180/PI+Wa (11)。