CN109798875B - 一种在矿区视频***中实时标注采矿范围线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在矿区视频***中实时标注采矿范围线的方法，包括：步骤1、建立矿区摄影测量坐标系：步骤2、将采矿许可证中矿区范围拐点坐标转换到矿区摄影测量坐标系中，根据采矿许可证中矿区范围拐点坐标通过GPS实地测量出拐点对应的高程；步骤3、确定摄像机的内方位元素和畸变系数；步骤4、通过GPS获得摄像机外方位元素的坐标，并将其转换到矿区摄影测量坐标系中；步骤5、计算出矿区范围拐点坐标对应的像平面坐标系上的坐标并连线，形成采矿范围线，并在矿区视频***中实时显示采矿范围线。本发明克服了物理标志桩容易被损坏及移位等缺点，同时大大减小了工作人员识别矿山越界开采的难度。

Description

一种在矿区视频***中实时标注采矿范围线的方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，尤其涉及一种在矿区视频***中实时标注采矿范围线的方法。

背景技术

矿山安全事故是我国矿山普遍存在严重问题，该问题严重威胁人们生命和生活，引起了国家和社会的普遍关注。矿山业主的越界开采是引发矿山事故的重要原因之一，但是现在一直没有成熟的越界开采的实时监测技术。黄潘等人提出了利用天然地震确定震源位置方法，通过计算出***震源时空参数，来判断是否进行了越界开采。汪云甲等人的专利方法：《多源数据监测矿区形变的时空特性及越界开采识别方法》，利用合成孔径雷达判断矿区沉降与形变，识别越界开采区域。现有的方法或专利技术均要求高成本的数据监测，同时需要监测人员有着过硬的相关专业知识，并不能真正的做到实时监测越界开采发生与否的要求。

在矿山的现有监控设备与数据基础上，如果能够做到在监控画面中标明开采范围，将可以辅助监控人员实时、准确的判断越界开采情况发生与否。因此，提出一种经济实用的在矿区视频***实时标注采矿范围线的方法，是本领域极有价值的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷：目前采矿许可证中仅规定了矿区范围线拐点坐标，为了实时的发现及识别矿区存在的越界开采现象，提供一种在矿区视频***中实时标注采矿范围线的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种在矿区视频***中实时标注采矿范围线的方法，在矿区内设置实时监控矿区画面的矿区视频***，包括多台摄像机；该方法包括以下步骤：

步骤1、建立矿区摄影测量坐标系：根据矿区的实际地理位置和地形地貌特征选取坐标系原点，以天顶方向为坐标系z轴，以地理东方向为x轴，地理北方向为y轴建立右手空间直角坐标系；

步骤2、将采矿许可证中矿区范围拐点坐标转换到矿区摄影测量坐标系中，根据采矿许可证中矿区范围拐点坐标通过GPS实地测量出拐点对应的高程；

步骤3、通过直接线性变换解法建立摄像机像点坐标和相应物点在矿区摄影测量坐标系下的直接的线性关系，并由此确定摄像机的内方位元素和畸变系数；

步骤4、通过GPS获得摄像机外方位元素的坐标，并将其转换到矿区摄影测量坐标系中；

步骤5、根据摄像机外方位元素在矿区摄影测量坐标系中的坐标，计算出矿区范围拐点坐标对应的像平面坐标系上的坐标并连线，形成采矿范围线，并在矿区视频***中实时显示采矿范围线。

进一步地，本发明的步骤3中确定摄像机的内方位元素和畸变系数的方法具体为：

步骤3.1、建立控制场并测定控制点坐标：直接线性变换检校方法是借助实验场中坐标己知的标志点进行检校,建立控制场是基础；在控制场中布设一定数量的基本控制点，控制点保证稳定；通过建立高精度控制网的方法精密测定基本控制点的坐标,运用工程测量前方交会方法,精确测定控制点的物方空间坐标；

步骤3.2、拍摄标志点照片并获取控制点像平面坐标：在控制场中不同位置,相机以不同旋转角度拍摄控制点照片，每张照片拍摄6个以上的控制点；将照片传输到计算机中，通过像点量测软件获得标志点像平面坐标；

步骤3.3、DLT求解检校参数值：利用获得的标志点的物方空间坐标和像平面坐标，依据DLT模型计算出模型的11个l系数值，通过l系数值和相机内方位元素的关系计算出相机的内方位元素和畸变系数。

进一步地，本发明的步骤4中通过GPS获得摄像机外方位元素的坐标，并将其转换到矿区摄影测量坐标系中的具体方法为：

通过GPS获得摄像机外方位元素并将其转换到矿区摄影测量坐标系(X_O，Y_O，Z_O)中：将相机固定在工作区域；将GPS接收机天线相位中心和摄像机成像平面在水平方向对齐，记录下GPS接收机返回的位置坐标，减去GPS接收机相对摄像机的相对高度即得到摄像机的位置坐标(X_C，Y_C，Z_C)；摄像机位置坐标在矿区摄影测量坐标系下的坐标为(Y_C-Y_O，X_C-X_O，Z_G-Z_O)，记作(X_cY_c，Z_c)；相机的初始外方位角元素通过两台GPS接收机解算，在不考虑相机感光元件旋转的情况下，得到相机外方位角元素为

进一步地，本发明的步骤4中相机外方位角元素随着相机姿态的变化而实时更新。

进一步地，本发明的步骤5中计算像平面坐标系上的坐标的具体方法为：

步骤5.1、确定摄像机旋转矩阵：由步骤4得到的摄像机外方位元素的角元素得到对应的摄像机旋转矩阵，记作R；

步骤5.2、根据步骤5.1所确定的摄像机旋转矩阵确定各个控制点所对应的共线条件方程式；

步骤5.3、寻找位于摄影平面前方的矿区范围拐点坐标：由于位于摄影平面后方的范围点坐标一定不成像，所以要区分位于摄影平面前方的点；首先记待区分点位置矢量为g＝(X_g，Y_g，Z_g)，记相机位矢为c＝(X_c，Y_c，Z_c)，设摄像机成像面在像空间坐标系下的法向量为i＝(0，0，1)，则摄像机成像面在摄影测量坐标系下的法向量为R·i；若R·i·(g-c)＞0，则位矢g对应的矿区范围拐点在摄影平面前方；

步骤5.4、计算矿区范围拐点坐标对应的像平面坐标系上的坐标并连线：将步骤5.3所得到的位于摄影平面前方的矿区范围拐点坐标代入步骤5.2中所计算的共线方程中，得到待求的矿区范围拐点坐标对应的像点坐标(x，y)，将其按照顺序连接并显示。

进一步地，本发明的步骤5.2中的共线条件方程式的形式为：

其中，dx，dy为相机畸变修正项，相机的内方位元素为x₀，y₀，f_x，f_y。

本发明产生的有益效果是：本发明的在矿区视频***中实时标注采矿范围线的方法，现有矿区范围线标注需要在范围线拐点处设置标志桩，本发明无需设置任何物理标志桩，通过在视频中实时生成虚拟标线的方式替代物理标志桩，可克服物理标志桩容易被损坏及移位等缺点；另外，本发明的方法还具有以下优点：1.利用摄影测量技术在视频中实时生成虚拟边界线线来替代物里边界线，无需设置任何物理标志，可克服物理标志桩容易被损坏及移位等缺点。2.虚拟边界线降低了购置埋设物理标志物的成本。3.在视频中实时标注边界线，大大减小了工作人员识别矿山越界开采的难度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的总流程图；

图2是本发明实施例的步骤5的流程图；

图3是本发明实施例的实际应用场景图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例以露天采石矿为例对本发明的流程进行一个具体的阐述，该方法包括以下步骤：

步骤1，建立矿区摄影测量坐标系：根据矿区的实际地理位置和地形地貌特征选取坐标系原点，以天顶方向为坐标系z轴，以地理东方向为x轴，地理北方向为y轴建立右手空间直角坐标系。其坐标系原点在大地坐标系中的位置记作(X_O，Y_O，Z_O)。

建立摄影测量坐标系应以方便后续计算为原则，最好将坐标系原点设置在已有的地面控制点上。若无较好的地面控制点，可以考虑选择一空旷区域，使用GPS测量坐标并埋设地面控制点。

步骤2，将采矿许可证中矿区范围拐点坐标转换到矿区摄影测量坐标系(X_O，Y_O，Z_O)中：注意到实施例中采矿许可证中矿区范围拐点坐标为1980西安大地坐标系。矿区范围拐点坐标为大地坐标系，而大地坐标系是左手系。矿区范围拐点平面坐标记作(X_G，Y_G)，则转换后的矿区范围拐点在矿区摄影测量坐标系下的平面坐标为(Y_G-Y_O，X_G-X_O)。

根据采矿许可证中矿区范围拐点坐标通过GPS实地测量出拐点对应的高程，记作Z_G。则矿区范围拐点在矿区摄影测量坐标系下的坐标为(Y_G-Y_O，X_G-X_O，Z_G-Z_O)，我们记作(X_g，Y_g，Z_g)。

在实施例中，步骤1中的坐标系原点坐标是利用GPS实地测量得到，则需要先将矿区摄影测量坐标系原点坐标由WGS-84坐标系转化为1980西安大地坐标系。

实施例过程涉及矿区范围拐点坐标数据如下表：

步骤3，通过直接线性变换解法建立摄像机像点坐标和相应物点在矿区摄影测量坐标系下的直接的线性关系，并由此确定摄像机的内方位元素和畸变系数。

在本实施例中，摄像机的内方位元素包括像主点坐标(x₀，y₀)，和摄像机的x方向主距f_x，和y方向主距f_y，畸变系数包括坐标轴不垂直误差dβ和比例尺不一致误差ds。

在所述的步骤3中，相机检校的具体操作方法如下。

步骤3.1，建立控制场并测定控制点坐标：直接线性变换检校方法是借助实验场中坐标己知的标志点进行检校，建立控制场是基础。控制场中要求布设一定数量的基本控制点。控制点须保证相当的稳定。通过一些建立高精度控制网的方法精密测定基本控制点的坐标，运用工程测量前方交会方法，精确测定控制点的物方空间坐标。

步骤3.2，拍摄标志点像片并获取控制点像平面坐标：在控制场中不同位置，相机以不同旋转角度拍摄控制点像片，每张相片需至少拍摄6个以上的控制点。由于视频监控领域的相机为固定焦距相机，所以不存在焦距改变的情况。将数字图像传输到计算机中，通过像点量测软件获得标志点像平面坐标。

步骤3.3，DLT求解检校参数值。利用获得的标志点的物方空间坐标和像平面坐标，依据DLT模型计算出模型的11个l系数值。通过l系数值和相机内方位元素的关系计算出相机的内方位元素和畸变系数。

步骤4，通过GPS获得摄像机外方位元素并将其转换到矿区摄影测量坐标系(X_O，Y_O，Z_O)中：将相机固定在工作区域。将GPS接收机天线相位中心和摄像机成像平面在水平方向对齐，记录下GPS接收机返回的位置坐标，减去GPS接收机相对摄像机的相对高度即得到摄像机的位置坐标(X_C，Y_C，Z_C)。摄像机位置坐标在矿区摄影测量坐标系下的坐标为(Y_C-Y_O，X_C-X_O，Z_G-Z_O)，记作(X_cY_c，Z_c)。相机的初始外方位角元素可通过两台GPS接收机解算。在不考虑相机感光元件旋转的情况下，可以得到相机外方位角元素为

相机外方位角元素需要随着相机姿态的变化而实时更新。

在本实施例中，摄像机为旋转半球面相机，可以通过旋转更新姿态。旋转半球面相机在旋转过程中可以实时更新相机的外方位角元素。

步骤5，根据相机内外方位元素，计算出矿区范围拐点坐标对应的像平面坐标系上的坐标并连线：

如图2所示，在所述的步骤5中，具体操作方法如下：

步骤5.1，确定摄像机旋转矩阵：由步骤四得到的摄像机外方位元素的角元素可以得到对应的摄像机旋转矩阵，记作R。其中R矩阵中的各个元素为：

步骤5.2，根据步骤5.1所确定的摄像机旋转矩阵确定各个控制点所对应的共线条件方程式。共线条件方程是求解边界点像平面坐标的基础。

对于本例而言，加入了相机坐标轴不垂直性畸变和比例尺不一致性畸变的共线条件方程的形式为：

其中x₀，y₀，f_x，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃，ds，dβ，(X_C，Y_C，Z_C)已知，待求的像点坐标(x，y)和该像点对应的摄影测量坐标(X_g，Y_g，Z_g)为未知数。

步骤5.3，寻找位于摄影平面前方的矿区范围拐点坐标：由于位于摄影平面后方的范围点坐标一定不成像，所以要区分位于摄影平面前方的点。首先记待区分点位置矢量为g＝(X_g，Y_g，Z_g)。记相机位矢为c＝(X_c，Y_c，Z_c)设摄像机成像面在像空间坐标系下的法向量为i＝(0，0，1)，则摄像机成像面在摄影测量坐标系下的法向量为R·i。

由矢量运算法则知，若R·i·(g-c)＞0，则位矢g对应的矿区范围拐点在摄影平面前方。

对于本实施例来说，在半球相机改变其外方位角元素的时候，都要进行一次步骤5.2和5.3。而对于某些固定姿态的摄像机，则在初始化阶段进行一次步骤5.2和5.3即可。

步骤5.4，计算矿区范围拐点坐标对应的像平面坐标系上的坐标并连线：将步骤5.3所得到的位于摄影平面前方的矿区范围拐点坐标代入步骤5.2中所计算的共线方程中。得到待求的矿区范围拐点坐标对应的像点坐标(x，y)，将其按照顺序连接并显示即可。具体显示效果见附图3。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种在矿区视频***中实时标注采矿范围线的方法，其特征在于，在矿区内设置实时监控矿区画面的矿区视频***，包括多台摄像机；该方法包括以下步骤：

步骤1、建立矿区摄影测量坐标系：根据矿区的实际地理位置和地形地貌特征选取坐标系原点，以天顶方向为坐标系z轴，以地理东方向为x轴，地理北方向为y轴建立右手空间直角坐标系；

步骤2、将采矿许可证中矿区范围拐点坐标转换到矿区摄影测量坐标系中，根据采矿许可证中矿区范围拐点坐标通过GPS实地测量出拐点对应的高程；

步骤3、通过直接线性变换解法建立摄像机像点坐标和相应物点在矿区摄影测量坐标系下的直接的线性关系，并由此确定摄像机的内方位元素和畸变系数；

步骤4、通过GPS获得摄像机外方位元素的坐标，并将其转换到矿区摄影测量坐标系中；

步骤5、根据摄像机外方位元素在矿区摄影测量坐标系中的坐标，计算出矿区范围拐点坐标对应的像平面坐标系上的坐标并连线，形成采矿范围线，并在矿区视频***中实时显示采矿范围线；

步骤5中计算像平面坐标系上的坐标的具体方法为：

步骤5.1、确定摄像机旋转矩阵：由步骤4得到的摄像机外方位元素的角元素得到对应的摄像机旋转矩阵，记作R；

步骤5.2、根据步骤5.1所确定的摄像机旋转矩阵确定各个控制点所对应的共线条件方程式；

步骤5.3、寻找位于摄影平面前方的矿区范围拐点坐标：由于位于摄影平面后方的范围点坐标一定不成像，所以要区分位于摄影平面前方的点；首先记待区分点位置矢量为g＝(X_g，Y_g，Z_g)，记相机位矢为c＝(X_c，Y_c，Z_c)，设摄像机成像面在像空间坐标系下的法向量为i＝(0，0，1)，则摄像机成像面在摄影测量坐标系下的法向量为R·i；若R·i·(g-c)＞0，则位矢g对应的矿区范围拐点在摄影平面前方；

步骤5.4、计算矿区范围拐点坐标对应的像平面坐标系上的坐标并连线：将步骤5.3所得到的位于摄影平面前方的矿区范围拐点坐标代入步骤5.2中所计算的共线方程中，得到待求的矿区范围拐点坐标对应的像点坐标(x，y)，将其按照顺序连接并显示；

步骤5.2中的共线条件方程式的形式为：

其中，dx，dy为相机畸变修正项，相机的内方位元素为x₀，y₀，f_x，f_y；

步骤3中确定摄像机的内方位元素和畸变系数的方法具体为:

步骤3.1、建立控制场并测定控制点坐标：直接线性变换检校方法是借助实验场中坐标己知的标志点进行检校，建立控制场是基础；在控制场中布设一定数量的基本控制点，控制点保证稳定；通过建立高精度控制网的方法精密测定基本控制点的坐标，运用工程测量前方交会方法，精确测定控制点的物方空间坐标；

步骤3.2、拍摄标志点照片并获取控制点像平面坐标：在控制场中不同位置，相机以不同旋转角度拍摄控制点照片，每张照片拍摄6个以上的控制点；将照片传输到计算机中，通过像点量测软件获得标志点像平面坐标；

步骤3.3、DLT求解检校参数值：利用获得的标志点的物方空间坐标和像平面坐标，依据DLT模型计算出模型的11个l系数值，通过l系数值和相机内方位元素的关系计算出相机的内方位元素和畸变系数；

步骤4中通过GPS获得摄像机外方位元素的坐标，并将其转换到矿区摄影测量坐标系中的具体方法为：

通过GPS获得摄像机外方位元素并将其转换到矿区摄影测量坐标系(X_O，Y_O，Z_O)中：将相机固定在工作区域；将GPS接收机天线相位中心和摄像机成像平面在水平方向对齐，记录下GPS接收机返回的位置坐标，减去GPS 接收机相对摄像机的相对高度即得到摄像机的位置坐标(X_C，Y_C，Z_C)；摄像机位置坐标在矿区摄影测量坐标系下的坐标为(Y_C-Y_O，X_C-X_O，Z_G-Z_O)，记作(X_c，Y_c，Z_c)；相机的初始外方位角元素通过两台GPS接收机解算，在不考虑相机感光元件旋转的情况下，得到相机外方位角元素为

步骤4中相机外方位角元素随着相机姿态的变化而实时更新。

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