大斜视角下无人机可见光和红外图像目标定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感图像处理技术领域，具体涉及一种大斜视角下无人机可见光和红 外图像目标定位方法。
【背景技术】
[0002] 无人机目标定位作为一种先进的侦察数据处理技术，在民用和军用领域都有重要 的应用价值。
[0003] 基于无人机侦察图像的目标定位方法主要有以下三种：1基于图像匹配模式的目 标定位、2基于成像模型的目标定位、3基于空间交会的目标定位方法。方法1，精度高，计算 耗时，并且依赖控制点或正射影像，不易实时处理和大范围应用。方法2,计算量小，但定位 精度易受参数误差、成像姿态等因素影响。方法3,空间交互定位实施不便，往往进行单点测 距定位，精度不高，并且只能对图像中的测距点进行定位。
[0004] 在无人机飞行过程中，最常用的实时目标定位方法是第二种基于成像模型的目标 定位。在误差一定条件下，这种方法目标定位精度斜视角（成像传感器光轴与竖直向下方 向的夹角）增大而降低。随无人机依据数据统计，一般情况执行侦察任务过程中，斜视角在 0到30度之间的概率约站20%，在30到60度间的概率约占60%，大于60度的概率约占 20%。在某些特殊侦察情况下斜视角大于70度。大斜视角严重影响了目标定位精度，使得 无人机系统目标定位能力大打折扣。
[0005] 假如某无人机垂直下视时（斜视角为0度）目标定位精度为70mCEP，则随斜视角 变大，定位误差随之增大，尤其是斜视角超过50度时，定位误差增大趋势近似指数曲线，如 图1。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决无人机大斜视角条件下目标定位的问题，提出一种大斜 视角下无人机可见光和红外图像目标定位方法，在基于成像模型目标定位的基础上，对目 标定位矢量误差进行预测和补偿，提高目标定位精度。
[0007] 本发明的大斜视角下无人机可见光和红外图像目标定位方法，包括以下几个步 骤：
[0008] 第一步：基于成像模型的可见光和红外图像目标定位。
[0009] 基于成像模型的可见光和红外图像目标定位，可以分为基于中心投影成像模型构 建共线方程、系统几何校正和目标定位结算。
[0010] 第二步：多因素影响下目标定位误差特征提取与表示。
[0011] 分析影响无人机侦察图像校正定位精度的各种因素，依据各因素之间的耦合关 系，将影响定位误差的因素进行简化等效处理，确定最终用于定位误差预测补偿的特征因 素，并求解等效特征因素的表达式。
[0012] 第三步：变高度、大斜视角下目标定位误差预测与补偿。
[0013] 利用第二步获取的特征因素建立定位误差预测的数学模型，并选取足够已知定位 误差的充足训练样本对模型进行训练，获取预测模型的参数。利用此参数对待校正的侦察 图像进行定位误差预测，得到该图像的误差矢量，在第一步目标定位基础上叠加误差矢量， 最终确定补偿后的图像坐标。
[0014] 本发明的优点在于：
[0015] (1)在大斜视角条件下，本发明能够有效地提高无人机目标定位精度；
[0016] (2)本发明提出的目标定位和误差补偿方法，计算量小，可以达到机载计算的实时 性要求；
[0017] (3)本发明适用于可见光图像、红外图像等多种符合中心投影成像模型的图像目 标定位应用。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明说明定位误差随斜视角变化而增大的趋势图；
[0019] 图2是本发明涉及的几何校正过程多极坐标系变换示意图；
[0020] 图3是本发明建立校正模型所用到的中心共线条件方程示意图；
[0021] 图4是本发明设计的定位误差因素等效模型示意图；
[0022] 图5是等效的特征因素光轴端点坐标求解示意图；
[0023] 图6是根据飞机高度、斜视角和成像方向角进行训练样本选择；
[0024] 图7是在工作飞行高度时训练样本选择分布图；
[0025] 图8是本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0027] 本发明是一种大斜视角下无人机可见光和红外图像目标定位方法，流程如图8所 示，具体实施步骤如下：
[0028] 第一步：基于成像模型的可见光和红外图像目标定位；
[0029] 具体为：
[0030] (1)基于坐标系转换的侦察图像系统几何校正；
[0031] 图像校正的过程，实际上是图像坐标系向大地坐标系转换的过程。
[0032] 基于中心投影成像模型进行系统级几何校正，需要建立各个坐标系之间的变换关 系。图像平面到空间直角坐标系的转换需要经历"像素坐标系（I系）一〉相机坐标系（C 系）一〉无人机坐标系（P系）一〉北东天坐标系（N系）一〉空间直角坐标系（G系）一〉大 地坐标系（E系）"的过程，如图2,给出了各个坐标系的示意图。
[0033] 其中，像素坐标系（I系）与相机坐标系（C系）之间存在平移变换以及坐标轴 翻转变彳
即将X变为相反数。由于安装原因，相机坐标系（C系）中心 与飞机坐标系（P系）中心不一致，因此C系和P系之间存在平移变换Te。此外，由于相机 平台相对飞机平台有方位和俯仰两个自由度的转动，故C系到P系之间还存在透视变换Mc。 以P系原点为原点建立北东天坐标系（N系），P系相对N系有三个方向的自由度转动，航 向、俯仰、横滚。P系到N系的变换用透视变换Mp表示。
[0034] I系中的像平面FJxdy。到N系中像平面FN(xN,yN,zN)的变换可以表示为下面 过程，如公式（1):
[0035] FN=MP.MC.TC (1)
[0036] 其中：匕表示图像转换到N系中后的坐标，图像中的任意一点可由（xN，yN，zN)表 示；
[0037] &表示图像在I系中的坐标，图像中的任意一点可由（X:，yi，Zl)表示。
[0038] G系的X0Y平面是高斯-克吕格投影面，原点为格林尼治子午线与赤道的交点。X0Y 平面海拔高度为零。Z轴指向天向，XYZ符合左手定则。N系与G系平行，只是原点不一样， 因此存在平移变换。其三个平移量就是飞机坐标系P系原点（认为是飞机GPS位置）在G 系的三个坐标轴上的投影。G系到E系的变换需要按照规定的投影模式（高斯-克吕格投 影）进行。
[0039] 综上所述，利用公式（1)像平面从I系变换到N系后，再根据N系、G系、E系的关 系利用空间相似三角形和高斯-克吕格投影理论，最终完成像平面从I系到E系的转换过 程。这一过程为侦察图像系统几何校正过程。
[0040] (2)基于共线方程的目标定位；
[0041] 从成像模型分析，可见光和红外图像属于中心投影，成像瞬间，物点、摄影中心、像 点，三点位于一条直线上，即满足共线条件。因此，像点与对应地面点之间的空间映射关系 可通过共线条件构建方程，从而确定像点的位置，实现图像的目标定位。
[0042] 如图3,假设像点a在I系的坐标为（u，v)，贝帳据公式⑴坐标系的变换，可以求 得像点a在N系的坐标（Xda，Yda，Zda)，设与像点a相对应的物点A在G系坐标为（XA，YA，ZA)， 摄影中心S的G系坐标为（Xs，Ys，Zs)，由于飞机当地N系与G系相互平行，根据相似三角形 关系可以得到像点的N系（Xda，Yda，Zda)与对应物点的G系坐标（XA，YA，ZA)之间的关系为：
[0043]
[0044] 将上式写成矩阵形式为：
[0045]
[0046] 式中入为比例因子，（Xs，Ys，Zs)是由飞机所在的E系坐标（B，L，H)经高斯-克吕 格投影变换得到的。
[0047] 假设侦察目标在校正影像中的I系坐标为（u。，V。)，则侦察目标的E系坐标（x。，y。） 可由下式计算得到：
[0048]
[0049] 其中，Lat_th、LatSC]Uth、Lngeast、Lng_^别为校正影像的北炜、南炜、东经和西经边 界值，Width、Height分别为校正影像的宽和高。
[0050] 第二步：多因素影响下目标定位误差特征提取与表示；
[0051] 具体为：
[0052] (1)选择目标定位误差特征
[0053] 由于目标定位方程中引入了图像大小、成像高度、成像位置、像元尺寸、焦距、飞机 航向角、飞机俯仰角、飞机横滚角、平台方位角、平台高低角等多元数据。多元因素的综合作 用增加了目标定位误差分析的难度。
[0054] 分析得知，飞行的过程中飞机姿态角（飞机航向角、飞机俯仰角、飞机横滚角）和 平台姿态角（平台方位角、平台高低角）的变化最终影响综合体现在传感器光轴在三维空 间的指向上。当无人机的高度、飞机俯仰角、飞机横滚角、平台高低角保持不变时，随着无人 机航向角及平台方位角的变化（0-360度），光轴的指向在地面上的投影是以无人机中心点 投影为圆心的圆。当光轴指向与竖直向下方向的夹角（斜视角）从〇度逐渐增大时圆的半 径也不断增大。在不同高度下，斜视角不同时，两个光轴的指向也可能在同一圆上，如图4。
[0055] 从上图得出结论，随斜视角和高度的变化，同心圆的半径的取值范围可以是0到 无穷大。这就证明了，光轴指向和高度的影响对整个侦察区域都具有代表性，可以用光轴指 向和高度两个因素分析侦察区域范围和目标定位位置。考虑到方向性要求，将光轴指向分 解成斜视角（图4中a)以及光轴在水平面与正北方向的夹角（图4中，方向角0)。因 此，将斜视角、成像方向角、高度作为基本影响参数进行后续分析，即将设置斜视角、成像方 向角、高度设为目标定位误差特征。
[0056] (2)目标定位误差特征表示
[0057] 当无人机不存在任何姿态角的情况下，飞机机体坐标系与东北天坐标系是重合 的，在这种情况下，假设光轴长度为单位值1，如图5粗线所示，推算出光轴端点在北东天坐 标系中的三维坐标表示（X，y,z)，如图5所示
[0058]
[0059] 式中表示平台高低角；k表示平台方位角。
[0060] 当无人机自身发生姿态变化时，也就是由N系转换到P系，机体的转动将带动光轴 指向发生变化。此时，可以根据坐标系转换（坐标旋转）重新获得光轴端点在新的坐标系 下（？系）的三维坐标表示（1'， 7'