基于dem的森林火灾自动定位算法研究

基于dem的森林火灾自动定位算法研究

世界每年有20万多次森林火灾，火灾面积超过6.4%。1958年,首次提出了计算机化地形要素信息的数字表达即数字地面模型(DTM)着火点位置的确定可分为单点、双点和多点定位方法1机光轴的定位单点定位的基本思想是将瞭望塔上单目摄像机光轴视为沿视野中心延伸的射线,当火点位于图像中心(默认为主像点位置)时,射线与山体的第一个交点是需要定位的火点1.1火点经纬度计算由图1所示,单点定位中,摄像机光轴与水平面夹角为β,即为数字云台(摄像机光轴)当前俯仰角。摄像机光轴在水平方向上的投影与Y轴(正北方向)夹角为α,即为数字云台当前的旋转角。如果火点位于图像正中心,则火点的旋转角和俯仰角就是摄像机光轴的旋转角和俯仰角。根据已知摄像头的旋转角和俯仰角,求解火点的地理坐标位置,即火点的经度和纬度。首先,假设大地坐标和直角坐标进行重叠,标定正北方向(OY轴)为数字云台起始零度角,通过云台的旋转角确定火点发生的方向。其次,通过俯仰角确定火点的具体位置。线段AB是瞭望塔高度,OA是山高,F是假想火点,D是F点在坐标系X-Y平面上的投影。只需求解出线段OD的长度即可获得火点距离瞭望塔的投影距离,从而得到火点的经纬度信息。本系统采用渐进穷举法与二分法结合的方法求解F点的坐标。通过旋转角α确定火点的具体方位,俯仰角β确定火点距云台的水平距离。取点O、B、C、D构成的平面如图1所示。在本系统中,前端视频监控的红外摄像头为定焦镜头,可视范围10km。根据实际应用情况,本文采用的定位算法从坐标原点O(即瞭望塔在地面的投影,平面XOY与海平面重叠)开始,每隔1000m(步长)取射线OG上一点M,求射线上M点的地面高程MH和β角对边EN之和。然后用瞭望塔的坐标高度OB(等于MN)减去该和值,得到EH的值。可以看出,随着射线OG上M点向前每隔1000m的不断取点求值,对应EH的数值会逐渐趋近于零(因为地形变化无规则,高程不一定是单方向趋近于零)。当计算出的EH数值小于零值时,说明选点M超过火点F在OG上的投影点D,这时退回上一次的选点,开始每隔100m继续向前取点计算,直到再次计算出的EH数值小于零为止,这时得到的OM数值误差在100m范围内。为了更加精确,采用二分法确定火点位置D。再求解D点对应的坐标值:x=OD×sinα,y=OD×cosα。最后,根据O点的经纬度和D点坐标,计算出D点的经纬度坐标。通过M点逐渐前移,直到逼近D点的每个高程MH的数值,可以通过求出M点的直角坐标位置,再根据O点的经纬度,计算出对应该点的经纬度。1.2水平线p点高度旋转角的调整如图2所示,在平面像素坐标与立体空间坐标之间建立映射,图像实际宽度为w,像素坐标为w在图3中,OA/OB的实际比值等于它们的像素比值,即:OA/OB=(h摄像机光轴沿垂直方向如果要调整到与火点同一水平位置时,需要调整的角度为Δy。在直角三角形AOD中:tan(Δy)=OA/OD;tan(Δy)=h×(h再通过求反三角函数即可获得Δy角度数值,Δy即为火点垂直调整的角度数。如果火点像我们假设的一样位于中心点的左上方,则火点俯仰角应该调整为β-Δy。如果火点位于图像中心点的右上方、左下方、右下方,可以做对应的处理。区别在于火点位于图像中心水平线EF(见图2)以上时,调整角度是减小;而火点位于图像中心水平线EF以下时,调整角度是增加,既β+Δy。同理,可以求得摄像机光轴沿水平方向旋转到P点的角度数为:tan(Φ)=w×(w如果CD//OM,F点是实际火点,则FC⊥CD,FC⊥BC,即FC垂直于过C点的任何线段,也就是说FC垂直于平面BCD。可以看出,调整后的俯仰角为β-Δy。根据火点图像位于正中心位置的计算,C点的投影M距离O点的距离OM,以及获得C点的高程CM。在直角三角形BCD和平行四边形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)。求解反三角函数,可以得到ΔX的度数。同理,如果火点像位于中心点的左上方,则火点水平旋转角应该调整为α-ΔX。如图2所示,如果火点位于图像中心点的右上方、左下方、右下方,可以做相应的处理。区别在于火点位于图像中心垂直线BC左边时,调整角度是减小;而火点位于中心垂直线BC右边时,调整角度是增加(α+ΔX)。根据火点P需要调整的角度Δx和Δy,即可计算出火点图像位于图像任意点时的经纬度数值如图1所示,不管火点图像位于正中心,还是位于其他图像位置,通过已知O点和火点F的经纬度,计算出OD的距离,并通过F的经度纬度查阅地图数据得到F点的高程DF。在直角三角形BFJ中,tan(γ)=BJ/FJ=(OB-OJ)/OD=(OB-DF)/OD,tan(β)=(OB-DF)/OD,再通过反三角函数计算得到β,求得俯仰角。已知O点和D点的经纬度,取经度相等,都等于O点的经度,即OY轴(正北),就可以通过已知两点经纬度数值计算出D点在OY轴上的坐标长度OV。同理,再取纬度相等,都等于O点的纬度,即OX轴,可以计算出D点在OX轴坐标长度OW和OV。在直角三角形ODV中,tan(α)=DV/OV=OW/OV,通过反三角函数求得α。2利用心理所测点的旋转角和液压器的经纬度重新验证选择VC++2010编程实现算法,项目甲方提供数据为:瞭望塔经度117.421123°,瞭望塔纬度26.910223°,山顶高程为564m,塔高为31.2m。用提供的旋转角和俯仰角计算出火点坐标的经纬度,通过计算出的经纬度重新验证旋转角和俯仰角。甲方提供的11组数据测试的结果见表1。利用谷哥地图在陕西乾县乾陵附近选择实际的观测点,瞭望塔经度为108.2025432587°,瞭望塔纬度为34.58679621171°,山顶高程为859.19m,塔高为31.2m。用Google地图上实际的经纬度坐标计算出摄像头的旋转角和俯仰角,通过计算出的旋转角和俯仰角重新验证经纬度坐标。甲方提供的3组数据和Google地图上选择的10组数据的测试结果见表2。3参考文献计算时距离误差由表3可知,本文算法计算出的旋转角误差和俯仰角误差明显优于参考文献[1];经度误差和纬度误差优于参考文献[3]的第一批数据,较好于参考文献[3]的第二批数据结果;距离误差略高于参考文献[1]的计算结果。本文没有对所测试的数据进行筛选,且所有数据可以重复计算,算法计算时间0.0