一种无人机视频地理空间信息注册方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无人机视频地理空间信息注册方法，属于遥感地理信息技术领 域。
【背景技术】
[0002] 在传统的遥感测绘领域，各种类型的航空航天传感器获取的遥感影像均属于"静 态"影像，对于时效性要求不高的领域可以满足其要求。而在一些应急响应的条件下，"静 态"影像往往难以对用户所关系的态势进行实时连续的描述，例如，发生洪水时水位的实时 监测、森林火灾中火势的蔓延情况。以上应用中用户不仅关心场景的态势变化，通常也需要 获取场景的地理位置信息。目前有些机构利用无人机搭载摄像头航拍视频，并利用自驾仪 内置的GPS和IMU进行目标定位，以得到目标的概略方位。但受限于GPS/IMU的精度较低、 系统未进行集合标定、摄像头与GPS/1MU相对关系不稳定等因素，应用效果并不理想，所得 到的场景地理位置信息不够准确。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种无人机视频地理空间信息注册方法，以解决目前无人机 视频信息所获取场景的地理位置信息不够准确的问题。
[0004] 本发明为解决上述技术问题提供了一种无人机视频地理空间信息注册方法，该方 法包括以下步骤：
[0005] 1)将成像设备和P0S系统搭载到无人机上，利用地面三维控制场对成像设备进行 严密几何标定，包括内方位元素和镜头畸变参数；
[0006] 2)根据无人机上的P0S系统与成像设备之间的相对几何关系将P0S系统得到的位 置姿态数据进行空间基准转换和系统误差补偿，以转换为视频数据的外方位元素；
[0007] 3)结合成像设备几何标定参数和视频数据的外方位元素，赋予每一帧视频影像精 确的内、外方位元素，以实现视频数据的地理空间信息注册。
[0008] 所述步骤1)中的内方位元素和畸变参数可描述为：
[0009] X=χ〇+Δxr+Δxd+Δxm
[0010] y=y〇+Ayr+Δyd+Δym
[0011] 其中x、y表示像空间坐标，x。、y。表示像主点坐标，Δx-Δyi^分别表示径向畸变 在x、y方向上的分量，Axd、Ayd分别表示偏心畸变在X、y方向上的分量，Axm、Aym分别 表示像平面畸变在X、y方向上的分量。
[0012] 所述步骤2)中P0S数据转换为视频数据的外方位元素包括线元素和角元素，线元 素转换的目的是确定成像设备透视中心在物方坐标系m中的坐标（Xs，Ys，Ys)，角元素转换 的目的是确定成像设备像空间坐标系在物方坐标系下的姿态信息。
[0013] 所述的摄像机透视中心在物方坐标系m中的坐标（Xs，Ys，Ys)可表示为：
[0014]
[0015] 其中（XIMU，YIMU，YIMU)为P0S系统中頂U的坐标，（Xl，yi，Zl)表示成像设备投影中心 相对于IMU本体坐标系的坐标，（Χο,Υο,Υ。）表示切平面直角坐标系原点在地心地固坐标系 下的坐标，ψ表示IMU得到的侧滚角，Θ表示IMU得到的俯仰角，Φ表示IMU得到的偏航 角，^^表示从地心直角坐标系（Ε系）到切平面直角坐标系（m系）的转换矩阵，表示从 导航坐标系（η系）到地心直角坐标系（E系）的转换矩阵，表示从頂U本体坐标系（b 系）到导航坐标系（η系）的转换矩阵。
[0016] 所述摄像机像空间坐标系在物方坐标系下的姿态信息（ω，φ，κ)为：
[0017]
[0018] 其中，（ex，ey，ez)表示頂U相对于摄像机的视轴偏心角，B、L分别为P0S设备测量 得到的经度和炜度数据，BpL。分别表示测区原点的经度和炜度，ω、p和κ表示影像外方 位元素的角元素，表示从物方坐标系（m系）到摄像机坐标系（c系）的旋转矩阵，<表 示从摄像机像空系（c系）到IMU本体系（b系）的转换矩阵。
[0019] 该注册方法还包括对成像设备采集到的图像和P0S设备采集位置姿态数据进行 时间同步的过程。
[0020] 所述的时间同步是将每帧图像曝光瞬间的GPS时间记录下来，对P0S数据在时间 上内插以获取图像曝光瞬间的位置姿态数据，从而实现图像与P0S设备采集位置姿态数据 在时间上的同步。
[0021] 所述内插采用全局化的分段插值方法-三次样条差值法。
[0022] 本发明的有益效果是：本发明首先将成像设备和P0S系统搭载到无人机上，利用 地面三维控制场对成像设备进行严密几何标定，包括内方位元素和镜头畸变参数；然后根 据无人机上的P0S系统与成像设备之间的相对几何关系将P0S系统得到的位置姿态数据进 行空间基准转换和系统误差补偿，以转换为视频数据的外方位元素；结合成像设备几何标 定参数和视频数据的外方位元素，赋予每一帧视频影像精确的内、外方位元素，以完成视频 数据的地理空间信息注册。本发明将P0S采集到的姿态信息和成像设备拍摄的视频数据进 行融合，频序列成像的每帧画面在P0S系统测量参数的标注下，转化为具有定量化地理空 间信息标志的动态影像产品，比电视直播画面具有更加精细、量化的信息优势，满足了应急 条件下测绘保障需求。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明无人机视频信息的应用示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步的说明。
[0025] 如图1所示，本发明的无人机视频信息包括序列视频影像和P0S输出的GPS/1MU 数据，通过视频数据的地理空间信息注册，以得到具有高精度地理定位信息的高清（1080P) 视频，视频数据的地理空间信息注册是赋予每帧影像精确的内外方位元素，使其具有地理 属性，注册的过程主要包括空间和时间两个方面，具体的实施过程如下。
[0026] 1.将成像设备和P0S系统搭载到无人机上，利用地面三维控制场对成像设备进行 严密几何标定，包括内方位元素和镜头畸变参数。
[0027] 本实施例中采用起降方便、机动灵活的无人直升机平台来搭载高清成像设备、测 量型定位测姿系统（P〇S，PositionandOrientationSystem)，以获取现场的高清视频数 据及其位置姿态信息。其中P0S系统是由惯性测量单元（InertialMeasurementUnit,IMU) 与全球定位系统（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)构成的组合导航系统。IMU 实时获取载体的角速度和加速度信息，通过解算可得载体的位置、速度和姿态等运动参数； GNSS可以提供载体的高精度位置信息，两者进行结合便可提供实时的位置姿态服务。
[0028] 成像设备可选用高清摄像机，在实际使用中，，内方位元素也就是摄像机几何标定 得到的内方位元素和畸变参数，可以用下面的公式表达：
[0029] X=χ〇+Δ xr+ Δ xd+ Δ xm
[0030] y=y〇+ A yr+ Δ yd+ Δ ym
[0031] X、y表示像空间坐标，X。、y。表示像主点坐标，Δx pΔ分别表示径向畸变在x、y 方向上的分量，Axd、Ayd分别表示偏心畸变在x、y方向上的分量，Axm、Aym表示像平面 畸变在x、y方向上的分量。
[0032] 2.根据无人机上的P0S系统与成像设备之间的相对几何关系将P0S系统得到的位 置姿态数据进行空间基准转换和系统误差补偿，以转换为视频数据的外方位元素。
[0033] P0S数据转换为外方位元素可以从线元素和角元素两个方面来展开。线元素转换 的目的是确定摄像机透视中心在物方坐标系m中的坐标（Xs，Ys，Zs)。无人直升机上搭载的 P0S系统中的GPS和IMU数据联合结算时需考虑到GPS相对IMU的偏移，输出的位置数据是 IMU中心的位置信息。但摄影测量需要的是摄像机投影中心的位置信息，用（Xl，yi， Zl)表示 摄像机投影中心相对于MU本体坐标系的位置，影像外方位元素的表示如下：
[0034]
[0035] 其中（XIMU，YIMU，YIMU)为P0S系统中頂U的坐标，（Xl，yi，Zl)表示成像设备投影中心 相对于IMU本体坐标系的坐标，（Χο,Υο,Υ。）表示切平面直角坐标系原点在地心地固坐标系 下的坐标，Ψ表示IMU得到的侧滚角，Θ表示IMU得到的俯仰角，Φ表示IMU得到的偏航 角，表示从地心直角坐标系（Ε系）到切平面