基于地理信息的地面目标距离单站测量方法及其测量系统

摘要

本发明公开了一种基于地理信息的地面目标距离单站测量方法及其测量方法，包括如下步骤：（1）测量测站点的大地坐标；（2）对监测范围内的地形表面采样；使用采集软件在电子地图上对监测区域的地形表面采样，得到采样点的大地坐标，并将采样点存储作为标定点；（3）标定点地形划分；对得到的标定点进行地形划分，将得到的所有区域编号并记为GC，表示对应标定点的地形属性；（4）坐标变换；（5）邻域点搜索；（6）目标距离计算。该方法和系统通过对监测区域内的地形表面采样，将采样结果结合光电探测系统测量到的目标角度，快速其且准确地得到目标距离。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于地理信息的地面目标距离单站测量方法及其测量系统，用于系统的目标定位、轨迹生成，为情报数据的加工处理提供支持。 

背景技术

常见的光电地面监测系统由前端探测系统、通信系统和指挥控制中心三部分组成，其系统框图见图1。其中，前端探测系统负责运动目标的探测和数据上报；通信系统负责前端探测系统和指挥控制中心之间的数据传输；指挥控制中心负责前端数据融合、三维视景显示及指挥决策。其中，对目标的定位是数据融合和三维视景显示的基础。普通的光电地面监测系统单站只能测量目标的角度，包括方位角度和俯仰角度，而不能测量目标距离，所以单站无法定位目标。因此通常利用配置激光测距机实现测距，但是这种方式会增加光电地面监测系统结构、电气、软件等系统的设计难度，提高系统成本和使用者的操作复杂性，另外测量过程易受气象条件制约。 

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于地理信息的地面目标距离单站测量方法及其测量系统，该方法和系统通过对监测区域内的地形表面采样，将采样结果结合光电探测系统测量到的目标角度，快速且准确地得到目标距离。 

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以解决： 

一种基于地理信息的地面目标距离单站测量方法，包括如下步骤： 

（1）测量测站点的大地坐标 

（2）对监测范围内的地形表面采样 

使用采集软件在电子地图上对监测区域的地形表面采样，得到M(M≥3)个采样点的大地坐标，并将采样点存储作为标定点； 

（3）标定点地形划分 

对得到的标定点进行地形划分，将得到的所有区域编号并记为G_C，表示对应标定点的地形属性； 

（4）坐标变换 

步骤一：将测站点和标定点的大地坐标分别转化为大地直角坐标； 

步骤二：得到所有标定点的站心直角坐标： 

步骤三：将所有标定点的站心直角坐标转换为站心极坐标： 

（5）邻域点搜索 

实时测量目标点的方位角^θ_P和俯仰角β_P，在所有标定点中进行邻域点搜索，得到点集^P_nb； 

（6）目标距离计算 

使用点集^P_nb拟合平面，将平面直角坐标方程和测站点指向目标点的视线的直线方程联立求解，得到目标点距测站点的距离L_P。 

进一步的，所述步骤（3）中使用基于分水岭的图像分割方法对得到的标定点进行地形划分，具体步骤如下： 

将标定点映射到一幅二维图像上，即将标定点的大地坐标中的经度、纬度对应二维图像的像素坐标，将标定点的高程对应像素点的灰度；计算每个标定点的坡度，将坡度数据作为初始输入，将标定点分割成不同的区域。 

进一步的，所述步骤（4）中步骤一的转化公式为： 

$b_E=\left(\begin{array}{cc}(N+H_E)\cos B_E& \cos L_E\\ (N+H_E)\cos B_E& \sin L_E\\ [N(1-e^2)+H_E]& \sin B_E\end{array}\right)$   （式1） 

$b_{\mathrm{Ci}}=\left(\begin{array}{cc}(N+H_{\mathrm{Ci}})\cos B_{\mathrm{Ci}}& \cos L_{\mathrm{Ci}}\\ (N+H_{\mathrm{Ci}})\cos B_{\mathrm{Ci}}& \sin L_{\mathrm{Ci}}\\ [N(1-e^2)+H_{\mathrm{Ci}}]& \sin B_{\mathrm{Ci}}\end{array}\right)$   （式2） 

其中，b_E表示测站点的大地直角坐标；b_Ci表示第i个标定点的大地直角坐标；(B_E,L_E,H_E)表示测站点的大地坐标；(B_Ci,L_Ci,H_Ci)表示第i个标定点的大地坐标，i∈[1,M] 

；N表示卯酉圈曲率半径；e表示地球椭球体偏心率。 

进一步的，所述步骤（4）中步骤二的标定点中，第i个标定点的站心直角坐标 

X_EPi＝(x_EPi,_yEPi,z_EPi)^T

                 根据式3求得： 

X_EPi＝A_E(b_Ci-b_E) 

                                          （式3） 

其中，$A_E=\left(\begin{array}{ccc}-\sin B_E\cos L_E& -\sin B_E\sin L_E& \cos B_E\\ -\sin L_E& \cos L_E& 0\\ \cos B_E\cos L_E& \cos B_E\sin L_E& \sin B_E\end{array}\right)$

其中，(B_E,L_E,H_E)表示测站点的大地坐标；b_E表示测站点的大地直角坐标；b_Ci表示第i个标定点的大地直角坐标，i∈[1,M]；； 

进一步的，所述步骤（4）中步骤三的所有标定点中，第i个标定点的坐标转换公式为式4-式6： 

θ_Ci＝atan(y_EPi/x_EPi)   （式4） 

${\beta }_{\mathrm{Ci}}=\alpha \tan (z_{\mathrm{EPi}}/\sqrt{{x_{\mathrm{EPi}}}^2+{y_{\mathrm{EPi}}}^2})$   (式5) 

L_Ci＝|b_E-b_Ci|   （式6）； 

θ_Ci、β_Ci、L_Ci分别表示第i个标定点在站心极坐标下的方位角、俯仰角和距离。 

进一步的，所述步骤（5）中所述的在所有标定点中进行邻域点搜索采用最近邻法，具体步骤如下： 

步骤一：计算每个标定点视线和目标点视线的夹角α_C； 

步骤二：查找夹角α_C最小的标定点P_min； 

步骤三：在P_min的邻域点中查找与点P_min的地形属性G_C相等的标定点，得到点集P_nb。 

进一步的，所述步骤（6）的具体步骤如下： 

设平面的直角坐标方程为Ax+By+Cz+1＝0   （式7） 

设点集P_nb中的点共有K个，将P_nb中所有点的极坐标转换到直角坐标： 

$\left(\begin{array}{c}{x}_i=L_{\mathrm{Ci}}\sin {\beta }_{\mathrm{Ci}}\cos {\theta }_{\mathrm{Ci}}\\ y_i=L_{\mathrm{Ci}}\sin {\beta }_{\mathrm{Ci}}\sin {\theta }_{\mathrm{Ci}}\\ z_i=L_{\mathrm{Ci}}\cos {\beta }_{\mathrm{Ci}}\end{array}\right),(i\in [1,K\left]\right)$   （式8） 

其中，i表示点集P_nb中的点的序号； 

得到平面方程的最小二乘拟合解为： 

$\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ C\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}\Sigma {x_i}^2& \Sigma x_i{y}_i& \Sigma z_i{x}_i\\ \Sigma x_i{y}_i& \Sigma {y_i}^2& \Sigma y_i{z}_i\\ \Sigma z_i{x}_i& \Sigma y_i{z}_i& \Sigma {z_i}^2\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}-\Sigma x_i\\ -\Sigma y_i\\ -\Sigma z_i\end{array}\right),$其中$\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}$简记为Σ。（式9） 

将测站点指向目标点的视线的直线方程记作： 

$\left(\begin{array}{c}x=L_P\sin {\beta }_P\cos {\theta }_P\\ y=L_P\sin {\beta }_P\sin {\theta }_P\\ z=L_P\cos {\beta }_P\end{array}\right)$   （式10） 

由式（7）、（10）联立求解，得到目标点距测站点的距离L_P： 

$L_P=-\frac{1}{A\sin {\beta }_P\cos {\theta }_P+B\sin {\beta }_P\sin {\theta }_P+C{\cos \beta }_P}$   (式11) 

其中，θ_C表示标定点的方位角，β_C表示标定点的俯仰角，L_C表示标定点与测站点之间的距离，α_C表示标定点视线和目标点视线的夹角，G_C表示标定点的地形属性；θ_P表示目标点的方位角；β_P表示目标点的俯仰角。 

使用上述基于地理信息的地面目标距离测量方法的测量系统，包括光电探测系统、GPS、采集软件、电子地图和数据处理系统，其中： 

所述光电探测系统用于测量目标的方位角和俯仰角，并实时发送给数据处理系统； 

所述GPS用于测量测站点的大地坐标； 

所述采集软件用于在电子地图上对监测区域的地形表面采样，得到采样点的大地坐标，并将采样点存储作为标定点； 

所述数据处理系统用于接收光电探测系统发送的测量目标的方位角和俯仰角，接收GPS测量得到的测站点的大地坐标，存储采集软件得到的标定点；用于对标定点地形划分、坐标变换、邻域点搜索和目标距离计算； 

所述光电探测系统、GPS、采集软件分别连接所述数据处理系统，采集软件连接电子地图。 

本发明的优点在于： 

（1）融合了GIS信息和光电测量数据；克服了传统的光电地面探测系统不能够单站测距的缺陷，实现了单站测距，且测量结果满足要求。 

（2）利用分水岭的图像分割方法进行了标定点的地形分类，符合地形表面的自然分布规律，使得区域划分结果客观准确。 

（3）用最近邻方法查找邻域点符合地形表面连续的自然现象，使得最终目标距离计算准确。 

（4）本发明的方法中，只有邻域点搜索和目标距离计算两个步骤需要进行实时计算，其他的计算内容均可离线进行。理论及实践证明，采取离线和在线运算相结合的方式，能够满足系统的实时性要求。 

（5）测距精度与标定点的采样精度有关，本发明根据需要，可以通过采集区域以及采集步长的灵活调节，能够控制标定点采样密度满足不同的测距精度要求。 

附图说明

图1是传统的光电地面监测系统的组成框图。 

图2是本发明的方法中使用的光电地面监测系统的组成框图。 

图3是本发明的方法的计算流程图。 

图4是标定数据示意图。 

图5是标定数据坡度数据示意图。 

图6是地形区域划分示意图。 

图7是计算结果示意图。 

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。 

具体实施方式

如图2、图3所示，本发明的基于地理信息的地面目标距离单站测量方法，具体包括如下步骤： 

（1）测量测站点的大地坐标 

将光电探测系统安装在监测区域的测站点，通过GPS测量测站点的大地坐标，并将测量结果传输到数据处理系统；大地坐标指经度、纬度和高程信息； 

（2）对监测范围内的地形表面采样 

使用采集软件（如GoogleEarth高程数据采集工具v1.1）在电子地图（GoogleEarth或者其他电子地图）上对监测区域的地形表面采样，得到M(M≥3)个采样点的大地坐标，并将采样点存储作为标定点；采样范围在光电探测系统的探测范围内，采样步长根据精度需要确定。 

（3）标定点地形划分 

使用基于分水岭的图像分割方法对得到的标定点进行地形划分。 

将标定点映射到一幅二维图像上，即将标定点的大地坐标中的经度、纬度对应二维图像的像素坐标，将标定点的高程对应像素点的灰度。在3×3邻域计算每个标定点的坡度，将坡度数据作为初始输入，运用分水岭分割方法将标定点分割成不同的区域，将得 

到的所有区域编号，记为G_C，表示对应标定点的地形属性。 

（4）坐标变换 

步骤一：利用式1、式2将测站点和标定点的大地坐标分别转化为大地直角坐标： 

$b_E=\left(\begin{array}{cc}(N+H_E)\cos B_E& \cos L_E\\ (N+H_E)\cos B_E& \sin L_E\\ [N(1-e^2)+H_E]& \sin B_E\end{array}\right)$   （式1） 

$b_{\mathrm{Ci}}=\left(\begin{array}{cc}(N+H_{\mathrm{Ci}})\cos B_{\mathrm{Ci}}& \cos L_{\mathrm{Ci}}\\ (N+H_{\mathrm{Ci}})\cos B_{\mathrm{Ci}}& \sin L_{\mathrm{Ci}}\\ [N(1-e^2)+H_{\mathrm{Ci}}]& \sin B_{\mathrm{Ci}}\end{array}\right)$   （式2） 

其中，b_E表示测站点的大地直角坐标；b_Ci表示第i个标定点的大地直角坐标；(B_E,L_E,H_E)表示测站点的大地坐标；(B_Ci,L_Ci,H_Ci)表示第i个标定点的大地坐标；(i∈[1,M])；N表示卯酉圈曲率半径；e表示地球椭球体偏心率； 

                   X_EPi＝(x_EPi,_yEPi,z_EPi)^T

步骤二：利用式3得到第i个标定点的站心直角坐标： 

X_EPi＝A_E(b_Ci-b_E) 

                            （式3 

其中，$A_E=\left(\begin{array}{ccc}-\sin B_E\cos L_E& -\sin B_E\sin L_E& \cos B_E\\ -\sin L_E& \cos L_E& 0\\ \cos B_E\cos L_E& \cos B_E\sin L_E& \sin B_E\end{array}\right)$

步骤三：利用式4-式6将第i个标定点的站心直角坐标转换为站心极坐标： 

θ_Ci＝atan(y_EPi/x_EPi)   （式4） 

${\beta }_{\mathrm{Ci}}=\alpha \tan (z_{\mathrm{EPi}}/\sqrt{{x_{\mathrm{EPi}}}^2+{y_{\mathrm{EPi}}}^2})$   （式5） 

L_Ci＝|b_E-b_Ci|   （式6）； 

θ_Ci、β_Ci、L_Ci分别表示第i个标定点在站心极坐标下的方位角、俯仰角和距离。 

（5）邻域点搜索 

为了便于表达，将标定点表示为一个5维向量P_C＝(θ_C,β_C,L_C,α_C,G_C)，其中，θ_C表示标定点的方位角，β_C表示标定点的俯仰角，L_C表示标定点与测站点之间的距离，α_C表示标定点视线和目标点视线的夹角，G_C表示标定点的地形属性；设目标点的站心极坐标为P＝(θ_P，β_P，L_P)。 

光电探测系统实时测量目标点的方位角θ_P和俯仰角β_P，并传输到数据处理系统，数据处理系统采用最近邻法在所有标定点中进行邻域点搜索，得到点集P_nb，具体步骤如下： 

步骤一：计算每个标定点视线和目标点视线的夹角α_C； 

步骤二：查找夹角α_C最小的标定点P_min； 

步骤三：在P_min的邻域点中查找与点P_min的地形属性G_C相等的标定点，得到点集P_nb。 

（6）目标距离计算 

设平面的直角坐标方程为Ax+By+Cz+1＝0   （式7） 

设点集P_nb中的点共有K个，将P_nb中所有点的极坐标转换到直角坐标： 

$\left(\begin{array}{c}{x}_i=L_{\mathrm{Ci}}\sin {\beta }_{\mathrm{Ci}}\cos {\theta }_{\mathrm{Ci}}\\ y_i=L_{\mathrm{Ci}}\sin {\beta }_{\mathrm{Ci}}\sin {\theta }_{\mathrm{Ci}}\\ z_i=L_{\mathrm{Ci}}\cos {\beta }_{\mathrm{Ci}}\end{array}\right),(i\in [1,K\left]\right)$   （式8） 

其中，i表示点集P_nb中的点的序号。 

得到平面方程的最小二乘拟合解为： 

$\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ C\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}\Sigma {x_i}^2& \Sigma x_i{y}_i& \Sigma z_i{x}_i\\ \Sigma x_i{y}_i& \Sigma {y_i}^2& \Sigma y_i{z}_i\\ \Sigma z_i{x}_i& \Sigma y_i{z}_i& \Sigma {z_i}^2\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}-\Sigma x_i\\ -\Sigma y_i\\ -\Sigma z_i\end{array}\right),$其中$\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}$简记为Σ。（式9） 

将测站点指向目标点的视线的直线方程记作： 

$\left(\begin{array}{c}x=L_P\sin {\beta }_P\cos {\theta }_P\\ y=L_P\sin {\beta }_P\sin {\theta }_P\\ z=L_P\cos {\beta }_P\end{array}\right)$   （式10） 

由式（7）、（10）联立求解，得到目标点距测站点的距离L_P： 

$L_P=-\frac{1}{A\sin {\beta }_P\cos {\theta }_P+B\sin {\beta }_P\sin {\theta }_P+C{\cos \beta }_P}$   (式11) 

如图2所示，使用本发明的基于地理信息的地面目标距离测量方法的测量系统，包括光电探测系统、GPS、采集软件、电子地图和数据处理系统。其中： 

光电探测系统用于测量目标的方位角和俯仰角，并实时发送给数据处理系统； 

GPS用于测量测站点的大地坐标； 

采集软件用于在电子地图上对监测区域的地形表面采样，得到采样点的大地坐标，并将采样点存储作为标定点； 

数据处理系统用于接收光电探测系统发送的测量目标的方位角和俯仰角，接收GPS测量得到的测站点的大地坐标，存储采集软件得到的标定点；用于对标定点地形划分、坐标变换、邻域点搜索和目标距离计算； 

光电探测系统、GPS、采集软件分别连接所述数据处理系统，采集软件连接电子地图。 

为了验证本发明的可行性与有效性，发明人给出了如下目标距离测量实例。 

实施例： 

在本实施例中采用GoogleEarth高程数据采集工具v1.1在GoogleEarth地图上采集标定点。采集的标定点数为625；经度范围[107.505639°，107.560527°]，采样间隔为0.002287°；纬度范围[34.482877°，34.528453°]，采样间隔为0.001899°；测站的站址大地坐标为(107.53286，34.52795，843)。标定点的数据如图4所示，图4中的数据是经过数据归一化后显示的，*表示原始的标定点。图5是标定数据坡度示意图；图6是标定点地形划分示意图；图7是计算结果示意图（数据归一化后显示），*表示计算结 果，计算时逐个将标定点作为未知点用其他标定点计算，标定点的电子地图坐标值转换得到的距离值作为真值，统计距离误差小于0.1%。