[发明专利]一种空中光电测量平台目标定位方法

权利要求书

1.一种空中光电测量平台目标定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、在被测目标落点附近的地平面上按照一定的布点要求放置两个信标，信标上安装GPS测量装置，可以实时通过无线传输的方式将其中心大地坐标发送到空中光电测量设备上；所述信标，用作合作目标源，光电测量设备对其成像获取每个信标中心在图像上的位置；所述按照一定的布点要求放置两个信标，保证光电测量平台对其成像时，两个信标的在图像上的投影距离超过1/3视场；

步骤2、空中光电设备采集地平面信标和被测目标图像，保证两个信标和被测目标同时在视场中；

步骤3、对采集到的图像采用自适应图像分割方法进行二值化；

步骤4、提取全局图像中所有目标和信标点在图像中的质心坐标；

步骤5、利用小孔线性成像模型建立空间任意一点和成像平面点之间的映射关系，即完成像平面坐标系与世界坐标系之间的变换；所述像平面坐标系，其原点为相机的光轴和相机靶面的交点，其坐标单位为毫米；所述世界坐标系也称绝对坐标系，该坐标系以其中一个信标为坐标原点，z轴指向正北方向，x轴由原点指向天顶方向，y与z和x组合起来构成的右手坐标系；

步骤6、根据两个信标在图像坐标系、大地坐标系中的坐标以及相机光学中心的大地坐标，计算相机坐标系和世界坐标系之间的旋转矩阵R以及平移向量T，其中，

所述相机坐标系是指原点位于相机的光学中心，相机的光轴为z轴，x轴和y轴分别和图像坐标系的x轴和y轴方向相同；

所述旋转矩阵R描述了两个坐标系之间角度变换关系；

所述平移向量T描述了两个坐标系之间位移变换关系；

相机坐标系C和世界坐标系W之间的变换关系可以按照(2)式来描述，

C＝RW+T (2)

步骤7、根据图像坐标系以及世界坐标系之间的变换关系，利用地平面为水平平面假设，将被测目标在二维图像中的坐标反投影到三维世界坐标系中坐标；

步骤8、将被测目标在世界坐标系中坐标转换为大地坐标系中坐标。

2.根据权利要求1所述的一种空中光电测量平台目标定位方法，其特征在于，步骤6计算相机坐标系和世界坐标系之间的旋转矩阵R以及平移向量T，具体包括以下步骤：

步骤61、通过空中光电平台中的GPS模块测量相机光学中心大地坐标；同时两个信标的大地坐标实时无线传输到空中光电平台中，空中光电平台根据信标和相机光学中心位置计算每个信标到相机光学中心的距离r₁和r₂；

步骤62、通过两个信标在图像坐标系中坐标，计算其在相机坐标系中的坐标，两个信标在相机坐标系中的坐标为(r₁u₁,r₁v₁,r₁)^T、(r₂u₂,r₂v₂,r₂)^T，分别记为列矢量C₁、C₂；

步骤63、通过两个信标在大地坐标系中坐标，计算其在世界坐标系中的坐标(x_w1,y_w1,z_w1)^T、(x_w2,y_w2,z_w2)^T，分别记为列矢量W₁、W₂；同理，通过相机光学中心在大地坐标系中坐标，计算其在世界坐标系中的坐标(x_w0,y_w0,z_w0)^T，则平移向量T即为：

T＝-(x_w0,y_w0,z_w0)^T (3)

步骤64、根据两个信标在相机坐标系以及世界坐标系中的坐标构建两个方程：

步骤65、将两个信标在相机坐标系和世界坐标系中分别做向量积运算，得：C₁×C₂、W₁×W₂，这两个向量积在两个坐标系中对应同一个点，因此，

C₁×C₂＝R(W₁×W₂)+T (5)

将(4)、(5)式写成矩阵的形式有，

[(C₁-T),(C₂-T),(C₁×C₂-T)]＝R[W₁,W₂,(W₁×W₂)] (6)

通过求解矩阵方程组(6)可以解算出旋转矩阵R，

R＝[(C₁-T),(C₂-T),(C₁×C₂-T)][W₁,W₂,(W₁×W₂)]^-1 (7)。

3.根据权利要求1所述的一种空中光电测量平台目标定位方法，其特征在于，步骤7根据被测目标在图像中的坐标计算其在世界坐标系中坐标，具体包括以下步骤：

由公式(7)可以建立如下方程组：

其中，(u_m,v_m)^T为被测目标在图像上坐标，(x_m,y_m,z_m)^T为被测目标在世界坐标系中的坐标，M是大小为3×4的投影变换矩阵，可以将空间三维坐标投影到二维平面，m₁₂,…,m₃₄是投影变换矩阵元素；

公式(8)所组成的方程组是一个欠定方程组，要想解出目标在世界坐标系中的坐标，可以假定地平面是水平平面，即z_m＝0，这样可以求解目标在世界坐标系中的坐标(x_m,y_m,z_m)^T。