基于dem的森林火災(zāi)自動(dòng)定位算法研究

基于dem的森林火災(zāi)自動(dòng)定位算法研究

世界每年有20萬(wàn)多次森林火災(zāi)，火災(zāi)面積超過(guò)6.4%。1958年,首次提出了計(jì)算機(jī)化地形要素信息的數(shù)字表達(dá)即數(shù)字地面模型(DTM)著火點(diǎn)位置的確定可分為單點(diǎn)、雙點(diǎn)和多點(diǎn)定位方法1機(jī)光軸的定位單點(diǎn)定位的基本思想是將瞭望塔上單目攝像機(jī)光軸視為沿視野中心延伸的射線,當(dāng)火點(diǎn)位于圖像中心(默認(rèn)為主像點(diǎn)位置)時(shí),射線與山體的第一個(gè)交點(diǎn)是需要定位的火點(diǎn)1.1火點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算由圖1所示,單點(diǎn)定位中,攝像機(jī)光軸與水平面夾角為β,即為數(shù)字云臺(tái)(攝像機(jī)光軸)當(dāng)前俯仰角。攝像機(jī)光軸在水平方向上的投影與Y軸(正北方向)夾角為α,即為數(shù)字云臺(tái)當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角。如果火點(diǎn)位于圖像正中心,則火點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角和俯仰角就是攝像機(jī)光軸的旋轉(zhuǎn)角和俯仰角。根據(jù)已知攝像頭的旋轉(zhuǎn)角和俯仰角,求解火點(diǎn)的地理坐標(biāo)位置,即火點(diǎn)的經(jīng)度和緯度。首先,假設(shè)大地坐標(biāo)和直角坐標(biāo)進(jìn)行重疊,標(biāo)定正北方向(OY軸)為數(shù)字云臺(tái)起始零度角,通過(guò)云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角確定火點(diǎn)發(fā)生的方向。其次,通過(guò)俯仰角確定火點(diǎn)的具體位置。線段AB是瞭望塔高度,OA是山高,F是假想火點(diǎn),D是F點(diǎn)在坐標(biāo)系X-Y平面上的投影。只需求解出線段OD的長(zhǎng)度即可獲得火點(diǎn)距離瞭望塔的投影距離,從而得到火點(diǎn)的經(jīng)緯度信息。本系統(tǒng)采用漸進(jìn)窮舉法與二分法結(jié)合的方法求解F點(diǎn)的坐標(biāo)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)角α確定火點(diǎn)的具體方位,俯仰角β確定火點(diǎn)距云臺(tái)的水平距離。取點(diǎn)O、B、C、D構(gòu)成的平面如圖1所示。在本系統(tǒng)中,前端視頻監(jiān)控的紅外攝像頭為定焦鏡頭,可視范圍10km。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,本文采用的定位算法從坐標(biāo)原點(diǎn)O(即瞭望塔在地面的投影,平面XOY與海平面重疊)開(kāi)始,每隔1000m(步長(zhǎng))取射線OG上一點(diǎn)M,求射線上M點(diǎn)的地面高程MH和β角對(duì)邊EN之和。然后用瞭望塔的坐標(biāo)高度OB(等于MN)減去該和值,得到EH的值。可以看出,隨著射線OG上M點(diǎn)向前每隔1000m的不斷取點(diǎn)求值,對(duì)應(yīng)EH的數(shù)值會(huì)逐漸趨近于零(因?yàn)榈匦巫兓療o(wú)規(guī)則,高程不一定是單方向趨近于零)。當(dāng)計(jì)算出的EH數(shù)值小于零值時(shí),說(shuō)明選點(diǎn)M超過(guò)火點(diǎn)F在OG上的投影點(diǎn)D,這時(shí)退回上一次的選點(diǎn),開(kāi)始每隔100m繼續(xù)向前取點(diǎn)計(jì)算,直到再次計(jì)算出的EH數(shù)值小于零為止,這時(shí)得到的OM數(shù)值誤差在100m范圍內(nèi)。為了更加精確,采用二分法確定火點(diǎn)位置D。再求解D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值:x=OD×sinα,y=OD×cosα。最后,根據(jù)O點(diǎn)的經(jīng)緯度和D點(diǎn)坐標(biāo),計(jì)算出D點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。通過(guò)M點(diǎn)逐漸前移,直到逼近D點(diǎn)的每個(gè)高程MH的數(shù)值,可以通過(guò)求出M點(diǎn)的直角坐標(biāo)位置,再根據(jù)O點(diǎn)的經(jīng)緯度,計(jì)算出對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的經(jīng)緯度。1.2水平線p點(diǎn)高度旋轉(zhuǎn)角的調(diào)整如圖2所示,在平面像素坐標(biāo)與立體空間坐標(biāo)之間建立映射,圖像實(shí)際寬度為w,像素坐標(biāo)為w在圖3中,OA/OB的實(shí)際比值等于它們的像素比值,即:OA/OB=(h攝像機(jī)光軸沿垂直方向如果要調(diào)整到與火點(diǎn)同一水平位置時(shí),需要調(diào)整的角度為Δy。在直角三角形AOD中:tan(Δy)=OA/OD;tan(Δy)=h×(h再通過(guò)求反三角函數(shù)即可獲得Δy角度數(shù)值,Δy即為火點(diǎn)垂直調(diào)整的角度數(shù)。如果火點(diǎn)像我們假設(shè)的一樣位于中心點(diǎn)的左上方,則火點(diǎn)俯仰角應(yīng)該調(diào)整為β-Δy。如果火點(diǎn)位于圖像中心點(diǎn)的右上方、左下方、右下方,可以做對(duì)應(yīng)的處理。區(qū)別在于火點(diǎn)位于圖像中心水平線EF(見(jiàn)圖2)以上時(shí),調(diào)整角度是減小;而火點(diǎn)位于圖像中心水平線EF以下時(shí),調(diào)整角度是增加,既β+Δy。同理,可以求得攝像機(jī)光軸沿水平方向旋轉(zhuǎn)到P點(diǎn)的角度數(shù)為:tan(Φ)=w×(w如果CD//OM,F點(diǎn)是實(shí)際火點(diǎn),則FC⊥CD,FC⊥BC,即FC垂直于過(guò)C點(diǎn)的任何線段,也就是說(shuō)FC垂直于平面BCD。可以看出,調(diào)整后的俯仰角為β-Δy。根據(jù)火點(diǎn)圖像位于正中心位置的計(jì)算,C點(diǎn)的投影M距離O點(diǎn)的距離OM,以及獲得C點(diǎn)的高程CM。在直角三角形BCD和平行四邊形ODCM中:CD=OM,BC=CD/cos(β-Δy)。在直角三角形BCF中,CF=BC×tan(φ)=CD/cos(β-Δy)×tan(Φ)。在直角三角形CDF中,tanΦ=CF/CD=(CD/cos(β-Δy)×tan(Φ))/CD=tan(Φ)/cos(β-Δy),即得tan(ΔX)=tan(Φ)/cos(β-Δy)。求解反三角函數(shù),可以得到ΔX的度數(shù)。同理,如果火點(diǎn)像位于中心點(diǎn)的左上方,則火點(diǎn)水平旋轉(zhuǎn)角應(yīng)該調(diào)整為α-ΔX。如圖2所示,如果火點(diǎn)位于圖像中心點(diǎn)的右上方、左下方、右下方,可以做相應(yīng)的處理。區(qū)別在于火點(diǎn)位于圖像中心垂直線BC左邊時(shí),調(diào)整角度是減小;而火點(diǎn)位于中心垂直線BC右邊時(shí),調(diào)整角度是增加(α+ΔX)。根據(jù)火點(diǎn)P需要調(diào)整的角度Δx和Δy,即可計(jì)算出火點(diǎn)圖像位于圖像任意點(diǎn)時(shí)的經(jīng)緯度數(shù)值如圖1所示,不管火點(diǎn)圖像位于正中心,還是位于其他圖像位置,通過(guò)已知O點(diǎn)和火點(diǎn)F的經(jīng)緯度,計(jì)算出OD的距離,并通過(guò)F的經(jīng)度緯度查閱地圖數(shù)據(jù)得到F點(diǎn)的高程DF。在直角三角形BFJ中,tan(γ)=BJ/FJ=(OB-OJ)/OD=(OB-DF)/OD,tan(β)=(OB-DF)/OD,再通過(guò)反三角函數(shù)計(jì)算得到β,求得俯仰角。已知O點(diǎn)和D點(diǎn)的經(jīng)緯度,取經(jīng)度相等,都等于O點(diǎn)的經(jīng)度,即OY軸(正北),就可以通過(guò)已知兩點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)值計(jì)算出D點(diǎn)在OY軸上的坐標(biāo)長(zhǎng)度OV。同理,再取緯度相等,都等于O點(diǎn)的緯度,即OX軸,可以計(jì)算出D點(diǎn)在OX軸坐標(biāo)長(zhǎng)度OW和OV。在直角三角形ODV中,tan(α)=DV/OV=OW/OV,通過(guò)反三角函數(shù)求得α。2利用心理所測(cè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角和液壓器的經(jīng)緯度重新驗(yàn)證選擇VC++2010編程實(shí)現(xiàn)算法,項(xiàng)目甲方提供數(shù)據(jù)為:瞭望塔經(jīng)度117.421123°,瞭望塔緯度26.910223°,山頂高程為564m,塔高為31.2m。用提供的旋轉(zhuǎn)角和俯仰角計(jì)算出火點(diǎn)坐標(biāo)的經(jīng)緯度,通過(guò)計(jì)算出的經(jīng)緯度重新驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)角和俯仰角。甲方提供的11組數(shù)據(jù)測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)表1。利用谷哥地圖在陜西乾縣乾陵附近選擇實(shí)際的觀測(cè)點(diǎn),瞭望塔經(jīng)度為108.2025432587°,瞭望塔緯度為34.58679621171°,山頂高程為859.19m,塔高為31.2m。用Google地圖上實(shí)際的經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算出攝像頭的旋轉(zhuǎn)角和俯仰角,通過(guò)計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)角和俯仰角重新驗(yàn)證經(jīng)緯度坐標(biāo)。甲方提供的3組數(shù)據(jù)和Google地圖上選擇的10組數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。3參考文獻(xiàn)計(jì)算時(shí)距離誤差由表3可知,本文算法計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)角誤差和俯仰角誤差明顯優(yōu)于參考文獻(xiàn)[1];經(jīng)度誤差和緯度誤差優(yōu)于參考文獻(xiàn)[3]的第一批數(shù)據(jù),較好于參考文獻(xiàn)[3]的第二批數(shù)據(jù)結(jié)果;距離誤差略高于參考文獻(xiàn)[1]的計(jì)算結(jié)果。本文沒(méi)有對(duì)所測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,且所有數(shù)據(jù)可以重復(fù)計(jì)算,算法計(jì)算時(shí)間0.0