实时显示航拍照片覆盖区域的方法及系统与流程

技术特征：

1.一种实时显示航拍照片覆盖区域的方法，其特征在于，包括以下步骤：

飞机上的拍照设备通过数传电台将曝光时刻的角度信息传送至地面站；

所述地面站将接收到的角度信息，发送至数学建模单元；

所述数学建模单元根据四元素理论，将角度信息进行计算，得到飞机实际拍照区域的坐标；

根据飞机实际拍照区域的坐标，图像处理单元在地图界面上进行范围划定，模拟显示实时的拍照区域范围；

重复上述四个步骤，绘制一条航线上的所有曝光点的拍照区域范围。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，曝光时刻的角度信息为俯仰角、横滚角和方向角。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数学建模单元根据四元素理论，将角度信息进行计算，得到飞机实际拍照区域的坐标的具体步骤如下：

当飞机在俯仰角为0°、横滚角为0°、方向角为0°时，根据投射原理，得到实际拍照区域的坐标；

将俯仰角、横滚角、方向角旋转，使飞机的俯仰角为α、横滚角为β、方向角为γ时，所述数学建模单元根据四元素理论，在实际拍照区域的坐标的基础上，计算出飞机旋转后的实际拍照区域的坐标。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当飞机在俯仰角为0°、横滚角为0°、方向角为0°时，根据投射原理，得到实际拍照区域的坐标的具体步骤为：

当飞机在俯仰角为0°、横滚角为0°、方向角为0°时，设拍照设备的四个顶点为A、B、C、D，并将A、B、C、D四个顶点投射在实际拍摄中的地面上，得到E、F、G、H四个点，E、F、G、H为实际拍照区域的坐标。

5.如权利要求4所述的方法，特征在于，将俯仰角、横滚角、方向角旋转，使飞机的俯仰角为α、横滚角为β、方向角为γ时的具体步骤为：

连接AE、BF、CG、DH各点并作延伸线，交于点O，以O点在地平面上的投影点H为坐标原点、飞机飞行方向为x轴、垂直地面向上为y轴、机翼方向为z轴建立空间三维直角坐标系，则俯仰角绕z轴旋转，横滚角绕x旋转，方向角绕y轴旋转，使飞机的俯仰角为α、横滚角为β、方向角为γ。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数学建模单元根据四元素理论，在实际拍照区域的坐标的基础上，计算出飞机旋转后的实际拍照区域的坐标的具体步骤如下：

步骤1)当飞机的俯仰角为α时，A点偏移，得到A₁，设A点笛卡尔坐标为(x_A,y_A,z_A)，用四元数表示为p_A＝x_Ai+y_Aj+z_Ak，俯仰角旋转α角度时，A₁的坐标的四元数用矩阵(旋转轴单位矢量为<0,0,1>)表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{A1}\\ y_{A1}\\ z_{A1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&alpha;}& \sin \mathrm{\&alpha;}& 0\\ -\sin \mathrm{\&alpha;}& \cos \mathrm{\&alpha;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_A\\ y_A\\ z_A\end{array}\right]=\&gt;\left\{\begin{array}{c}{x}_{A1}=\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A+\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A\\ y_{A1}=\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A-\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A\\ z_{A1}=z_A\end{array}\right.$

同样地，再进行横滚角β(旋转轴单位矢量为<1,0,0>)和方向角γ(旋转轴单位矢量为<0,1,0>)的旋转，对A₁(x_A1，y_A1，z_A1)→A₂(x_A2，y_A2，z_A2)、A₂(x_A2，y_A2，z_A2)→A₃(x_A3，y_A3，z_A3)的坐标变换，有

$\left[\begin{array}{c}{x}_{A2}\\ y_{A2}\\ z_{A2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&beta;}& \sin \mathrm{\&beta;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{A1}\\ y_{A1}\\ z_{A1}\end{array}\right]=\&gt;\left\{\begin{array}{c}{x}_{A2}=x_{A1}\\ y_{A2}=\cos \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;y_{A1}+\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_{A1}\\ z_{A2}=\cos \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_{A1}-\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;y_{A1}\end{array}\right.$

$\left[\begin{array}{c}{x}_{A3}\\ y_{A3}\\ z_{A3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&gamma;}& 0& -\sin \mathrm{\&gamma;}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\&gamma;}& 0& \cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{A1}\\ y_{A1}\\ z_{A1}\end{array}\right]=\&gt;\left\{\begin{array}{c}{x}_{A3}=\cos \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;x_{A2}-\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;z_{A2}\\ y_{A3}=y_{A2}\\ z_{A2}=\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;x_{A2}+\cos \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;z_{A2}\end{array}\right.$

所以，A₃的坐标的四元素用矩阵表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{A3}=\cos \mathrm{\&gamma;}(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A+\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A)-\sin \mathrm{\&gamma;}\&lsqb;\cos \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_A-\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A-\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A)\&rsqb;\\ y_{A3}=\cos \mathrm{\&beta;}(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A-\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A)+\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_A\\ z_{A3}=\sin \mathrm{\&gamma;}(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A+\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A)+\cos \mathrm{\&gamma;}\&lsqb;\cos \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_A-\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A-\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A)\&rsqb;\end{array}\right.$

同理，得到B、C、D、O点后，再得到B₃、C₃、D₃、O₃点；

步骤2)根据点A₃、O₃，得出直线O₃A₃的方程为：

$\frac{x-x_{A3}}{x_{O3}-x_{A3}}=\frac{y-y_{A3}}{y_{O3}-y_{A3}}=\frac{z-z_{A3}}{z_{O3}-z_{A3}}$

直线O₃A₃与地平面y＝0的交点为E₃，表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{E3}=\frac{-y_{A3}(x_{O3}-x_{A3})}{y_{O3}-y_{A3}}+x_{A3}\\ y_{E3}=0\\ z_{E3}=\frac{-y_{A3}(z_{O3}-z_{A3})}{y_{O3}-y_{A3}}+z_{A3}\end{array}\right.$

同理，计算得出F₃、G₃、H₃，即当飞机在俯仰角为α、横滚角β、方向角γ情况下，得到实际拍照区域的四个点的坐标E₃、F₃、G₃、H₃。

7.一种实时显示航拍照片覆盖区域的系统，其特征在于，包括：

数传电台，用于将曝光时刻的俯仰角、横滚角、方位角的角度信息回传给地面接收站；

地面接收站，用于接收所述数传电台传送的角度信息；

数学建模单元，用于根据四元素理论，将地面接收站发送的角度信息进行计算，得到飞机的实际拍照区域的坐标；

图像处理单元，用于根据实际拍照区域的坐标，在地图界面上进行范围划定，模拟显示实时的拍照区域范围；

其中，图像处理单元可以绘制一条航线上的所有曝光点的拍照区域范围。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数学建模单元用于：

当飞机在俯仰角为0°、横滚角为0°、方向角为0°时，设拍照设备的四个顶点为A、B、C、D，并将A、B、C、D四个顶点投射在实际拍摄中的地面上，得到E、F、G、H四个点，E、F、G、H为实际拍照区域的坐标；

将俯仰角、横滚角、方向角旋转，使飞机的俯仰角为α、横滚角为β、方向角为γ时，根据四元素理论，在实际拍照区域的坐标的基础上，计算出飞机旋转后的实际拍照区域的坐标。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，将俯仰角、横滚角、方向角旋转，使飞机的俯仰角为α、横滚角为β、方向角为γ包括：

连接AE、BF、CG、DH各点并作延伸线，交于点O，以O点在地平面上的投影点H为坐标原点、飞机飞行方向为x轴、垂直地面向上为y轴、机翼方向为z轴建立空间三维直角坐标系，则俯仰角绕z轴旋转，横滚角绕x旋转，方向角绕y轴旋转，使飞机的俯仰角为α、横滚角为β、方向角为γ。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，根据四元素理论，在实际拍照区域的坐标的基础上，计算出飞机旋转后的实际拍照区域的坐标包括：

步骤1)当飞机的俯仰角为α时，A点偏移，得到A₁，设A点笛卡尔坐标为(x_A,y_A,z_A)，用四元数表示为p_A＝x_Ai+y_Aj+z_Ak，俯仰角旋转α角度时，A₁的坐标的四元数用矩阵(旋转轴单位矢量为<0,0,1>)表示为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{A1}\\ y_{A1}\\ z_{A1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&alpha;}& \sin \mathrm{\&alpha;}& 0\\ -\sin \mathrm{\&alpha;}& \cos \mathrm{\&alpha;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_A\\ y_A\\ z_A\end{array}\right]=\&gt;\left\{\begin{array}{c}{x}_{A1}=\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A+\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A\\ y_{A1}=\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A-\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A\\ z_{A1}=z_A\end{array}\right.$

同样地，再进行横滚角β(旋转轴单位矢量为<1,0,0>)和方向角γ(旋转轴单位矢量为<0,1,0>)的旋转，对A₁(x_A1，y_A1，z_A1)→A₂(x_A2，y_A2，z_A2)、A₂(x_A2，y_A2，z_A2)→A₃(x_A3，y_A3，z_A3)的坐标变换，有

$\left[\begin{array}{c}{x}_{A2}\\ y_{A2}\\ z_{A2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&beta;}& \sin \mathrm{\&beta;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{A1}\\ y_{A1}\\ z_{A1}\end{array}\right]=\&gt;\left\{\begin{array}{c}{x}_{A2}=x_{A1}\\ y_{A2}=\cos \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;y_{A1}+\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_{A1}\\ z_{A2}=\cos \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_{A1}-\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;y_{A1}\end{array}\right.$

$\left[\begin{array}{c}{x}_{A3}\\ y_{A3}\\ z_{A3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&gamma;}& 0& -\sin \mathrm{\&gamma;}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\&gamma;}& 0& \cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{A1}\\ y_{A1}\\ z_{A1}\end{array}\right]=\&gt;\left\{\begin{array}{c}{x}_{A3}=\cos \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;x_{A2}-\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;z_{A2}\\ y_{A3}=y_{A2}\\ z_{A2}=\sin \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;x_{A2}+\cos \mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;z_{A2}\end{array}\right.$

所以，A₃的坐标的四元素用矩阵表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{A3}=\cos \mathrm{\&gamma;}(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A+\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A)-\sin \mathrm{\&gamma;}\&lsqb;\cos \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_A-\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A-\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A)\&rsqb;\\ y_{A3}=\cos \mathrm{\&beta;}(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A-\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A)+\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_A\\ z_{A3}=\sin \mathrm{\&gamma;}(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A+\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A)+\cos \mathrm{\&gamma;}\&lsqb;\cos \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;z_A-\sin \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\cos \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y_A-\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;x_A)\&rsqb;\end{array}\right.$

同理，得到B、C、D、O点后，再得到B₃、C₃、D₃、O₃点；

步骤2)根据点A₃、O₃，得出直线O₃A₃的方程为：

$\frac{x-x_{A3}}{x_{O3}-x_{A3}}=\frac{y-y_{A3}}{y_{O3}-y_{A3}}=\frac{z-z_{A3}}{z_{O3}-z_{A3}}$

直线O₃A₃与地平面y＝0的交点为E₃，表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{E3}=\frac{-y_{A3}(x_{O3}-x_{A3})}{y_{O3}-y_{A3}}+x_{A3}\\ y_{E3}=0\\ z_{E3}=\frac{-y_{A3}(z_{O3}-z_{A3})}{y_{O3}-y_{A3}}+z_{A3}\end{array}\right.$

同理，计算得出F₃、G₃、H₃，即当飞机在俯仰角为α、横滚角β、方向角γ情况下，得到实际拍照区域的四个点的坐标E₃、F₃、G₃、H₃。