基于地理标记图像的烟火定位与林火三维可视化模拟

发布时间：2020-05-05 10:28

【摘要】：森林防火是森林资源保护工作的重中之重,而如何做到对森林火灾的有效监测、准确定位,是实现科学决策、快速扑救的核心。目前林火监测、定位的技术手段形式多样,其中视频监测是当前林火监测技术中应用最广泛的监测手段。视频监控系统主要以GIS系统为基础,一般通过数字云台获取方位角、俯仰角等参数来计算林火位置,但这种方式的定位精度受硬件性能指标的限制。地理标记图像是一种利用内置GPS功能的图像采集设备获得的具有地理位置信息的实景图像,借助该种图像所包含的地理信息,可应用于基于图像的定位以及对三维场景的增强表达等方面。本文首先基于地形匹配技术原理将地理标记图像转换为可定位图像,将该种技术应用于森林防火,提出基于地理标记图像的林火定位方法,并对定位精度进行分析评估;然后探究了基于地理标记图像的火场三维可视化表达实现过程,并将地理标记图像作为纹理投影到三维地表;最后以北京九龙山自然保护区作为研究区域,对本文提出的定位方法进行了验证与结果展示。主要研究内容如下:1.基于地形匹配的烟火定位:本文利用地形匹配原理将地理标记图像转换为可定位图像,提出了基于单视点地理标记图像的烟火定位方法。针对图像烟火区选定像元在DEM中对应的定位区域,提出定位区域精度信息分析与评估流程。该流程根据分析结果将定位区域分为可定位区与不可定位区,同时提供详细的烟火位置信息。2.多视点地理标记图像定位:以单视点地理标记图像的烟火定位方法为基础,探讨了多视点地理标记图像的烟火定位过程的实现,并对基于两个视点定位的定位区域叠加情况进行了归类分析,对可能的几种叠加类型所获得的定位区域进行了定位精度信息获取方法的探究。3.基于地理标记图像的火场三维可视化表达:利用多视点地理标记图像与DEM之间的映射关系,将多个观测角度拍摄的实景影像投影到DEM二维地形中,并将投影后存在叠加的图像进行了拼接融合,最后将融合后的图像作为纹理贴到DEM三维地形中,从而实现基于地理标记图像的火场三维可视化表达。本文研究主要有以下创新点:(1)将地理标记图像应用于林火定位研究,提出了基于地理标记图像的烟火定位方法,该方法的定位精度只跟图像分辨率及侧视与实景图像匹配精度有关,避免了传统云台定位受硬件性能指标的限制;(2)建立多视点地理图像与DEM的转换关系,通过投影与拼接融合,实现基于地理标记图像的火场三维可视化表达。
【图文】：

效果图,天际线,算子,实景图像

gb_img = cv2.GaussianBlur(fire_img,(9,9),0)canny_img = cv2.Canny(img, 100, 200)利用以上代码，通过反复实验，得出当高斯模糊窗口设置为 3*3 或 5*5 时，边缘检测结果过密，存在山中树木轮廓的干扰；而当滤波窗口选择 7*7 或 9*9 时，边缘检测效果良好，其中 9*9 窗口时最佳；若设置 11*11 窗口则会丢失大量的边缘信息。除此之外，若 Canny 所设置的最大最小阈值过大或过小都会对检测效果造成影响，如最小阈值过小，虽然能保证边缘曲线的连续性，但存在过多噪声，，若最大阈值过大，则会造成大量边缘信息丢失，边缘曲线不连续，此处本文所设置的最小最大阈值分别为 100 和 200。图 2-3展示了实景图像边缘提取结果，图 a 为通过智能手机拍摄的山地实景图像，b 图为图像边缘检测的效果图。从 b 图中边缘检测的效果来看，利用 Canny 算子提取的天际线基本将天空与地面划分为了两部分，虽然仍然有部分地面地物的轮廓干扰，天际线效果有些粗糙，仍然但基本可以满足后文中进行地形特征线匹配的实际需求。

示意图,实景图像,侧视图,示意图

图 2-13 实景图像与 DEM 侧视图地形轮廓线匹配示意图Fig.2-13 Schematic diagram of contour matching between real image and DEM side-view map在完成两种图像的地形线匹配（图 2-13）后，利用定位测试程序，进行烟火区域的定位过程如下：当某一帧已经识别了烟火区域、并标定了烟火区域选定像元点的地理标记图像与 DEM 侧视图匹配后，在图像上点击该选定像元点，获知在地理标记图像的侧视坐标(α0,β0)，其中 α0可视作某高程点相对于观测点的方位角，β0可视作该点相对于观测点的俯仰角 θ0的余角（θ0为仰角时取负值，θ0为俯角时取正值），通过坐标映射关系，就可以获知该图像坐标唯一对应的 DEM 二维平面上某个地理坐标（x0,y0）。这一过程实际上完成了从图像坐标到 DEM 二维平面坐标的映射定位。2.4.2 定位区域
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S762;P208

【参考文献】