基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法及系统，包括：利用几何定标解算非制冷型热红外相机内方位元素；对采集的热红外影像数据集进行对比度增强；通过布设地面控制点，计算热红外影像序列轨迹；以水体的温度变化作为热源示踪剂，追踪影像序列特征；通过影像滤波滤除错误的影像追踪结果并进行实际流速解算。本发明专利技术通过追踪冷热水混合形成的纹理实现高精度流速场测量，该方法即可用于小型溪流，也可用于大型河流湖泊。也可用于大型河流湖泊。也可用于大型河流湖泊。

【技术实现步骤摘要】
基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法及系统，涉及热红外影像流速测量


技术介绍

[0002]流体速度场测量对于研究流体流量或污染物传播时间等水文问题至关重要。传统的河流速度测量方法(如：螺旋桨测速仪、声学设备)能够精确地测量流体的流速信息，但是每次布设只能获得单点速度信息，耗时耗力，难以快速构建大范围流速场测量，而且测速仪器必须放置在水下，因而可能会阻碍或者改变河流的原始流速和流向。因此，这些传统设备具有测量效率低、消耗时间长、人工成本高、只能在安全环境下测量等缺点。
[0003]现有技术中替代传统流速测量仪器的方案是基于影像特征追踪的方法，因为基于影像特征匹配的方法无需直接接触河流，同时能够提供连续的测速信息。此外，相比单点测量结果，基于影像匹配的测量方法能够获得密集的流速场。因此，基于影像特征追踪的流速测量方法被广泛地应用于地面近景流速测量和无人机遥感流速测量。地面近景流速测量方法需要将相机架设在河岸边，因此只能测量小溪或者大型河流内局部区域的流速，无法兼顾大型河流的测量。无人机遥感流速测量无需在地面架设相机，利用无人机机载特性可实现灵活的大范围观测，且不受洪水等极端条件的影响，但是，无人机影像序列难以保持在一个固定的空中位置不变，为了测量流体的流速，首先必须确定无人机影像序列的运动轨迹，进而才能计算流体的运动速度。
[0004]基于影像特征追踪的流体测速方法大体可以分为两大类：粒子影像测速法(particle image velocimetry,PIV)和粒子追踪测速法(particle tracking velocimetry,PTV)。PIV是一种欧拉测速方法，以每个影像子块为基本单元，通过匹配影像子块的纹理特征实现视场内流体的速度测量；PTV属于拉格朗日测速方法，通过追踪探测粒子在视场范围内轨迹的变化实现流体速度测量。因此，PIV方法可以提供基于影像子块的格网化追踪结果，而PTV方法能够得到所有探测粒子的运动轨迹。但是，无论是PIV还是PTV，基于影像特征追踪的方法均需要示踪剂才能实现流速测量。示踪剂通常使用人工布设漂浮物的方式实现，现有研究中应用最为广泛的示踪剂是不同颜色的染料和漂浮物颗粒。染料示踪剂的缺点是对于周围环境具有潜在的污染效应，漂浮物颗粒的主要问题是其受到粘性力和摩擦力的影响，漂浮颗粒容易结块，不仅影响河流的自然流动，而且漂浮物颗粒的形状变化也会导致影像匹配精度下降。另外，传统的影像特征追踪方法主要为光学影像设计，而光学影像极易受到不均匀光照或光照条件变化的影响导致测速精度下降，且无法实现夜间观测。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够通过追踪冷热水混合纹理实现高精度流速场测量的无人机热红外影像序列密集流速场测量方法、系统、设备及存储介质。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供的基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法，其包括：
[0008]利用几何定标解算非制冷型热红外相机内方位元素；
[0009]对采集的无人机热红外影像数据集进行对比度增强；
[0010]通过布设地面控制点，计算无人机热红外影像序列轨迹；
[0011]以水体的温度变化作为热源示踪剂，追踪影像序列特征；
[0012]通过影像滤波滤除错误的影像追踪结果并进行实际流速解算。
[0013]进一步地，采用梯度直方图均衡化方法对采集的无人机热红外影像数据集进行对比度增强。
[0014]进一步地，通过布设地面控制点，计算无人机热红外影像序列轨迹，包括：
[0015]布设地面控制点；
[0016]将采集的影像序列进行分割，利用多尺度分割方法提取影像对象，实现热红外影像的对象级提取；
[0017]基于影像分割结果，提取影像控制点像坐标，实现无人机热红外影像序列的自动配准；
[0018]基于相机内方位元素和控制点像坐标，利用空间后方交会计算每帧影像的外方位元素，确定无人机热红外影像序列在三维空间的位置和姿态。
[0019]进一步地，基于影像分割结果，提取影像控制点像坐标，实现无人机热红外影像序列的自动配准，包括：
[0020]通过面向对象的控制点特征提取方法，在每一帧无人机热红外影像上自动检测地面控制点的位置，通过对比无人机热红外影像序列上控制点的位置变化确定相机的位置和姿态变化；
[0021]基于影像分割结果，使用边缘指数EI特征从候选影像对象中提取控制点区域：
[0022][0023]其中，b
m
表示对象m的边界周长，l
m
表示对象m的最小外接正方形边长，EI值就越低，该对象就越可能是控制点区域，只需要从所有候选对象中挑选出EI特征值最小的设定对象，即可实现控制点区域的自动提取；
[0024]使用Shi
‑
Tomasi算法在控制点区域内逐像素搜索最强的角点特征作为初始位置，并使用基于梯度下降的迭代搜索方法优化控制点的位置，在无人机热红外影像序列上逐帧提取地面控制点的影像坐标；
[0025]利用匹配点对和最小二乘方法，计算相邻帧影像之间的仿射变换，确定因无人机位移和姿态变化引起的像素移位：
[0026][0027]其中，(x
r
,y
r
)表示地面控制点在热红外影像序列中第一帧参考影像上的位置，(x
s
,y
s
)表示地面控制点在热红外影像序列中后续影像上的位置；(h
xx
,h
xy
,h
xy
,h
yy
,h
x
,h
y
)描
述了后续影像相对于参考影像的仿射变化，从二维影像的视角描述无人机的位置与姿态变化。
[0028]进一步地，确定影像序列特征追踪，包括：
[0029]提取冷热水混合纹理中的局部热点作为待追踪特征点，基于冷热水混合得到的图像纹理进行特征追踪；
[0030]构建影像金字塔，实现基于局部热点的特征追踪：首先在最低分辨率的影像上利用LK算法进行子像素级的特征追踪，然后将第一级影像追踪结果传递至下一级更高分辨率的影像上作为追踪初值，重复执行，直到最高分辨率的原始图像为止；
[0031]对图像进行LK算法特征追踪，完成影像匹配。
[0032]进一步地，影像滤波，包括：
[0033]基于LK前后向估计偏移量滤波，移除明显错误的追踪结果，具体为：利用LK算法对t时刻图像特征点a进行前向追踪，得t+1时刻图像特征点b的位置，同样地，根据t+1时刻图像中特征点b的位置反向追踪，得到t时刻图像上特征点c的位置，计算两者偏移即为LK前后向估计偏移量d
offset
，当某特征点的前后向估计偏移量d
offse本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法，其特征在于包括：利用几何定标解算非制冷型热红外相机内方位元素；对采集的无人机热红外影像数据集进行对比度增强；通过布设地面控制点，计算无人机热红外影像序列轨迹；以水体的温度变化作为热源示踪剂，追踪影像序列特征；通过影像滤波滤除错误的影像追踪结果并进行实际流速解算。2.根据权利要求1所述的基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法，其特征在于，采用梯度直方图均衡化方法对采集的无人机热红外影像数据集进行对比度增强。3.根据权利要求1或2所述的基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法，其特征在于，通过布设地面控制点，计算无人机热红外影像序列轨迹，包括：布设地面控制点；将采集的影像序列进行分割，利用多尺度分割方法提取影像对象，实现热红外影像的对象级提取；基于影像分割结果，提取影像控制点像坐标，实现无人机热红外影像序列的自动配准；基于相机内方位元素和控制点像坐标，利用空间后方交会计算每帧影像的外方位元素，确定无人机热红外影像序列在三维空间的位置和姿态。4.根据权利要求3所述的基于无人机热红外影像序列的光流流速场测量方法，其特征在于，基于影像分割结果，提取影像控制点像坐标，实现无人机热红外影像序列的自动配准，包括：通过面向对象的控制点特征提取方法，在每一帧无人机热红外影像上自动检测地面控制点的位置，通过对比无人机热红外影像序列上控制点的位置变化确定相机的位置和姿态变化；基于影像分割结果，使用边缘指数EI特征从候选影像对象中提取控制点区域：其中，b
m
表示对象m的边界周长，l
m
表示对象m的最小外接正方形边长，EI值就越低，该对象就越可能是控制点区域，只需要从所有候选对象中挑选出EI特征值最小的设定对象，即可实现控制点区域的自动提取；使用Shi
‑
Tomasi算法在控制点区域内逐像素搜索最强的角点特征作为初始位置，并使用基于梯度下降的迭代搜索方法优化控制点的位置，在无人机热红外影像序列上逐帧提取地面控制点的影像坐标；利用匹配点对和最小二乘方法，计算相邻帧影像之间的仿射变换，确定因无人机位移和姿态引起的像素移位：其中，(x
r
,y
r
)表示地面控制点在热红外影像序列中第一帧参考影像上的位置，(x
s
,y
s
)表示地面控制点在热红外影像序列中后续影像上的位置；(h
xx
,h
xy
,h
yx
,h
yy
,...

【专利技术属性】
技术研发人员：林栋，杨保平，王昱，徐俊峰，杨娜，程绵绵，邢志斌，孟瑶，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学士官学校，
类型：发明
国别省市：