一种可定位定姿的近景摄影测量系统和测量方法

摘要

本发明公开了一种可定位定姿的近景摄影测量系统和测量方法，属于测绘科学与技术领域，具体的涉及摄影测量技术。该系统利用装在相机上的棱镜和架设在通视范围内的全站仪对系统进行实时跟踪定位，利用装在相机底部云台下方的水平度盘和相左侧或右侧的垂直度盘对系统进行实时定姿。通过建立棱镜、水平度盘、垂直度盘和相机的关系模型，将定位定姿数据转换到相机中心，从而在利用摄影测量技术拍摄影像的同时，获取相机的位置和姿态等信息。本发明利用大倾角多基线摄影测量算法，结合定位定姿系统提供的外方位线元素和角元素初值，实现快速解算大倾角、多基线近景摄影测量，提高影像匹配的效率和准确性，提高数据处理的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可定位定姿的近景摄影测量系统和测量方法，属于测绘科学与技术领域，具体的涉及摄影测量技术。该系统利用装在相机上的棱镜和架设在通视范围内的全站仪对系统进行实时跟踪定位，利用装在相机底部云台下方的水平度盘和相机左/右侧的垂直度盘对系统进行实时定姿。通过建立棱镜、水平度盘、垂直度盘和相机的关系模型，将定位定姿数据转换到相机中心，从而在利用摄影测量技术拍摄影像的同时，获取相机的位置和姿态等信息。

背景技术

摄影测量是研究利用摄影或遥感的手段获取被测物体的信息（影像），经过分析、处理，确定被测物体的形状、大小和位置，并判断其性质的学科。摄影测量的特点是不接触被测对象，间接地采集被测对象的几何信息和物理信息，不受区域限制，量测工作和信息获取分别进行；量测工作大部分在室内进行；机械化和自动化程度高。

作为摄影测量学的一门分支——近景摄影测量在建筑物的变形观测、动态监测、文物保护等工作中起着重要的作用。与三维激光扫描、传统手工测量等测绘手段相比，近景摄影测量设备成本低廉、外业采集时间短、数据量小，这些优点使得近景摄影测量技术在文物测绘、考古、隧道、桥梁、机械、海洋等领域中的应用将越来越广泛，将数字摄影测量技术与RS（遥感）、GPS、GIS进行集成，在城市规划、文物保护、地下工程等实践中取得了良好的效果。

摄影测量逐步发展到了全数字摄影测量阶段。目前，数字摄影测量的应用已经很广泛，能以某种精度测定物体的形状、大小和运动参数。随着计算机技术的发展和微处理机的广泛应用，近景摄影测量技术正朝着自动化的方向发展。

摄影测量的一大特点就是测绘外业周期短，作业速度快，劳动强度大为降低。然而相比外业，摄影测量的内业工作量较大，除了需要对大量影像提取特征点并匹配外，还需要解算影像的外方位元素和待求点地面坐标。

并且随着普通数码相机在近景摄影测量中的广泛应用，如今的数字摄影测量与传统的单基线立体、测标的近景摄影测量相比已有了很大的差别。传统的摄影测量多是模拟“人的双目”，依靠一条基线、两张影像所构成的立体像对，即“单基线立体”。这种基于作业员的目视立体观测的模拟、解析摄影测量必须根据精度要求，考虑被摄对象的远景、近景，来设计摄影基线、交向角，比较复杂。且若以一个立体像对为单位，则难以像航空摄影测量一样，按一个摄影区域进行处理。特别是对房屋这种体形体比较庞大、特殊的目标时，很难进行拍摄及后续数据处理。并且对单基线立体的处理一般均按非量测相机的直接线性变换进行，每个像对至少需要6个控制点，因此增加了外业的工作量。若希望利用现有的非量测数码相机，减少外业控制点，进行自检校区域网平差，提高精度和匹配的可靠性，则需要对传统算法进行改进，在近景摄影测量中采用短基线、大角度、多目视觉，即大倾角多基线近景摄影测量方法。

为快速、准确解算大倾角多基线摄影测量，需要提供外方位线元素和角元素的初值，即通过定位定姿系统提供相机中心的位置和姿态信息。利用大倾角多基线摄影测量的数学模型，每个摄站对被摄物拍若干张一定重叠度的像片，可构成多基线多影像组序列，提高影像匹配的效率和可靠性，生成高精度的建筑三维模型。

现今对于可定位定姿的摄影测量系统主要集中在航空摄影测量、地面移动摄影测量系统（MMS）中。无论是航测还是MMS中的定位定姿系统，都是IMU/DGPS组合的高精度位置与姿态测量系统（position and orientation system, POS）。POS系统利用装在飞机上的GPS接收机和设在地面上的一个或多个基站上的GPS接收机同步而连续地观测GPS卫星信号，精密定位主要采用差分GPS定位（DGPS）技术，而姿态测量主要是利用惯性测量装置IMU来感测飞机或其他载体的加速度，经过积分运算，获取载体的速度和姿态等信息。因此，POS的产品组成包括导航处理计算机(PCS)、惯性测量单元(IMU)、里程计(DMI)、导航信息综合显示软件和导航数据紧密集成软件等。

同样将相机和定位定姿系统结合考虑的是徕卡公司生产的TS15图像全站仪。TS15全站仪在传统全站仪上假设了一台500万像素的相机，利用相机结合自动化照准，超级搜索等功能，使得图像测量解脱了肉眼瞄准测量的繁琐。同时通过使用全站仪的内置相机获取目标物体立体像对，完成摄影测量。即在使用内置相机获取目标物体立体像对，根据相机主光轴和全站仪视准轴之间的关系，以及全站仪在每次拍摄测量时的摄站信息和姿态信息，可以获取每张像片的6个外方位元素，从而在无地面控制点的情况下进行摄影测量。

目前可定位定姿的摄影测量系统主要是将各种先进且昂贵的测量仪器进行集成，构成复杂，数据处理难度大，精度提高较困难。

POS系统利用GPS进行定位，然而GPS数据输出频率低，在高动态环境下可靠性较差，且会产生“周跳”现象；利用IMU进行定姿，但IMU的姿态参数误差会随着时间的增加而迅速积累。二者的组合虽可以一定程度上取长补短，提高准确度，但若用于近景摄影测量中，精度仍然难以满足要求。例如，普通民用的NV-LINS800 GPS/INS组合导航系统的精度指标为：位置2m，速度0.03 m/s，侧滚和俯仰0.05°，偏航0.1°，时间20 ns；LD2000系统摄影立体影像测量误差与距离相关，随着距离的增加，误差逐渐增大，如摄影距离20m时，立体影像测量误差为0.063m，摄影距离40m时，立体影像测量误差则达到了0.252m；而目前精度较高的POS/AV 510，经过严密数据处理后，位置精度最高为0.05m，方向角度精度为20″-30″。可见，利用可定位定姿的POS系统辅助摄影测量，在无需地面控制点的情况下，可以达到部分比例尺地图测图的精度要求，但若是用于房屋、建筑等精度要求较高的地面近景摄影测量，则还需改进。

并且，GPS/IMU组合的计算模型复杂。GPS/IMU的数据处理主要有三种模式：松耦合、紧耦合和超紧耦合，这也代表了不同的精度和水平。松耦合是最简单的组合模式。在此模式下GPS和IMU接收机各自独立工作，分别输出位置与速度信息，再由组合Kalman滤波器（以测量误差为状态）进行优化处理，给出最优的结果，并反馈给IMU进行修正，这种等级的组合是基于位置与速度的组合，至少要存在4颗卫星才能得到GPS的导航信息，从而对滤波器进行更新。此外如果GPS接收机采用自己的Kalman滤波器求解其位置和速度，这种组合导致滤波器的串联，使组合导航观测噪声时间相关，不满足Kalman滤波器观测噪声为白噪声的基本要求，严重时可能使滤波器不稳定。紧耦合改进了松耦合的算法，但对软硬件要求较高，实现难度较大。超紧耦合方式相对于松耦合和紧耦合是更复杂的组合方式，甚至涉及到内部码环载波环电路的重新编排，在结构或算法方面与松、紧耦合相比都更加复杂。

而Leica公司生产的TS15图像全站仪，是由全站仪提供角度和站点位置信息，通过视准轴和主光轴的关系，推算出每张像片的外方位元素，进而对目标点的地面坐标进行解算。TS15全站仪相机主要参数为：500万像素，焦距21mm。因此TS15的局限在于，装置不够不灵活、镜头分辨率低、精度不高。

同样重要的是，无论是GPS/IMU组成的定位定姿系统，还是全站仪和相机的组合，仪器装置的价格均较为昂贵，数据处理模型也较为复杂，为后续的数据处理带来不小的工作量。

而传统近景摄影测量的单基线立体方法是基于作业员目视立体观测的模拟、解析摄影测量必须根据精度要求，考虑被摄对象的远景、近景，设计摄影基线、交向角, 比较复杂。且若以一个立体像对为单位，则难以像航空摄影测量一样，按一个摄影区域进行处理。因此当被测物体形体比较特殊时（例如较大型的房屋或高塔等建筑物），则很难进行拍摄及后续数据处理。并且对单基线立体的处理，一般均按非量测相机的直接线性变换进行，每个像对至少需要6个控制点，因此增加了外业的工作量。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提高近景摄影测量效率和精度，简化数据处理模型，节约成本。

传统近景摄影测量对拍摄要求较高，需要垂直目标拍摄，否则在未知外方位元素初值的情况下，法方程的解算无法收敛于正确结果；且在数据处理中需要一定数量的控制点。为提高近景摄影测量的效率，进一步减小外业工作量，提高精度，需要对仪器设备及解算方法进行改进。然而，令人遗憾的是目前在这方面仍是一项巨大的市场空白。本发明将采用最实用、简便方法组成定位定姿系统，运用最先进的大倾角、多基线摄影测量算法处理数据，为摄影测量的数据采集和处理提供新的高效率方法。

通过大量的外业控制点进行摄影测量，从而解求像片的外方位元素，是传统摄影测量的方法。这种作业模式不但周期长，而且由于依赖地面控制点，需要花费大量的人力和物力。将定位定姿技术引入摄影测量领域，可使摄影测量加密所需的地面控制点大量减少，甚至实现无地面控制的摄影测量，大大地减少了外业工作量，降低了生产成本。本发明的定位定姿系统包括：相机顶端的棱镜、相机底部和左侧的水平度盘和垂直度盘。即利用装在相机上的棱镜和架设在通视范围内的全站仪对系统进行实时定位，利用装在相机底部云台下方的水平度盘和相机左/右侧的垂直度盘对系统进行实时定姿。

可见，无论是相比于GPS/IMU定位定姿系统还是Leica TS15图像全站仪，本发明的定位定姿系统灵活、方便、造价较低。而在精度方面，无论是相机精度、全站仪测量精度还是度盘读数精度，均大为提高。

同时，为适应被摄物体的空间分布不连续、断裂、遮挡的情况，在近景摄影测量中引入新的测量机制、数据获取方式和影像算法——大倾角多基线数字近景摄影测量。该方法利用现有的普通数码相机，突破传统的非量测相机的直接线性变换的要求，减少控制点需求，直接利用摄影测量的自检区域网平差计算被测物体上特征点坐标。基于大倾角多基线数字近景摄影测量，在影像匹配中可无需进行核线排列，无需产生核线影像，同时提高匹配的可靠性，可以很方便地进行数字近景摄影测量。

本发明的测量系统的有益效果是：

（1）本系统将影像信息的采集和处理分开，首先是设计了一套适用于近景摄影测量的定位定姿系统。采用测量中常用的棱镜、水平度盘、垂直度盘和相机进行组合，形成可定位定姿的近景摄影测量系统。相比于目前市面上常见的POS系统、MMS上的定位定姿系统，本发明造价成本低、精度高、安装方便、操作简单、适应性强。

（2）通过建立棱镜、水平度盘、垂直度盘和相机的关系模型，将定位定姿数据转换到相机中心，从而在利用摄影测量技术拍摄影像的同时，获取相机的位置和姿态等信息，即外方位元素初值，解决大倾角摄影的解算问题。

（3）在摄影方式上，突破传统摄影测量的限制，采用大倾角、多基线数字近景摄影测量的方法。该方法改变传统近景摄影测量基本原理，由传统两个摄站对被摄物拍两张重叠照片生成模型变为由多个摄站，每个摄站对被摄物拍若干张一定重叠度的像片，构成大倾角、多基线多影像组序列，生成高精度的三维模型。

本发明通过采用测量中常用的设备建立一套适用于近景摄影测量的定位定姿系统，并且建立装置相应的关系模型，在采集影像的同时获取外方位元素初值。相比于目前市面上常见的定位定姿系统，能够实现成本低、精度高、安装方便、操作简单、适应性强的优势。同时，在摄影方式上，突破传统摄影测量的限制，采用大倾角、多基线数字近景摄影测量的方法，利用定位定姿系统所提供的信息，解决大倾角摄影的解算问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。本发明多处仅仅对做出改进的部分进行描述，而其他未说明部分可以借助本领域的现有技术实现，亦即未说明部分通过现有技术实现，在此不进行详细说明。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为定位定姿近景摄影测量系统示意图。

图2为定位定姿近景摄影测量系统结构图。

图3为可定位定姿的近景摄影测量数据获取和处理流程图。

图4为摄影测量外方位元素示意图。

图5为大倾角多基线数字近景摄影测量示意图。

图中，棱镜—1，相机—2，垂直度盘—3，垂直度盘支架—4，云台—5，水平度盘—6，三脚架—7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术实施过程做进一步说明。

实施例1：

本实施例主要介绍定位定姿近景摄影测量系统的构成。

结合附图1-2，一种可定位定姿的近景摄影测量系统，包括棱镜（1）、相机（2）、垂直度盘（3）、云台（5）、水平度盘（6），其特征在于：棱镜（1）安装于相机（2）的上方，垂直度盘（3）安装于相机（2）的左侧或者右侧，相机（2）下方连接云台（5），云台（5）下方连接水平度盘（6），并且垂直度盘（3）通过垂直度盘支架（4）与云台（5）连接。

进一步的，上述的可定位定姿的近景摄影测量系统还包括三脚架（7），所述水平度盘（6）通过连接件连接至三脚架（7）。

进一步的，上述的可定位定姿的近景摄影测量系统中的三脚架（7）为测量三脚架，该测量三脚架带有螺纹锁紧件。

进一步的，水平度盘（6）与三脚架（7）的连接是通过如下结构和方式实现的：所述水平度盘（6）用于连接三脚架（7）的一侧中心设置与水平度盘（6）高度紧密结合的外螺纹连接头，外螺纹连接头长度为12-20mm，直径为15-30mm，螺纹深度2-3mm；所述连接件整体呈圆柱状，包含大头端和小头端，大头端具有容纳所述外螺纹连接头的空间，具有内螺纹，内螺纹与外螺纹连接头的外螺纹相匹配；小头端具有外螺纹；所述的连接件，大头端用于连接外螺纹连接头，小头端与所述三脚架（7）上的螺纹锁紧件连接。

进一步的，所述棱镜（1）中心、相机（2）中心、水平度盘（6）中心、连接件中心在竖直方向上共轴。

进一步的，所述可定位定姿的近景摄影测量系统还包括配套使用的全站仪，全站仪架设于棱镜（1）的通视范围内。

进一步的，所述可定位定姿的近景摄影测量系统还包括计算机，用于数据的接收、存储、处理和分析，计算机与全站仪、相机（2）通过有线或无线方式连接。

实施例2：

本实施例是在前述的实施例1的基础上进行的，主要介绍使用实施例1中的可定位定姿近景摄影测量系统进行定位定姿的方法。

本发明提供一种可定位定姿的近景摄影测量数据获取和处理的方法，在近景摄影测量的实施中为平台提供实时、精确的位置和姿态信息作为参考，将其作为外方位线元素和角元素的初值纳入摄影测量的解算中，以加快收敛速度，提高精度。

在影像获取方式和数据处理模型方面，引入“大倾角多基线数字近景摄影测量”方法。利用现有的普通数码相机，在每个摄站上拍摄多张影像，采用正交或旋转多基线交向摄影来保证对所有影像进行“整体处理”。大倾角多基线数字近景摄影测量改变了传统近景摄影测量的基本原理，由传统两个摄站对被摄物拍两张重叠照片生成模型，改进为由多个摄站，每个摄站对被摄物拍若干张任意角度且具有一定重叠度的像片，构成大倾角、多基线多影像组序列，生成高精度的三维模型。

附图3为可定位定姿的近景摄影测量数据获取和处理流程图。

附图4为摄影测量外方位元素示意图，又称像片外定向元素，是确定摄影光束在物方几何关系的基本数据，用于表征摄影光束在摄影瞬间的空间位置，包括摄影中心在某一空间直角坐标系中的三维坐标值，即外方位线元素，以及确定摄影光束空间方位的三个角定向元素，共6个数据。其中的3个角定向元素，常因采用的转角系统不同而用不同的元素表示，当采用以y轴为主轴的转角系统时，表示为俯仰角ω、航向角κ和像片旋偏角φ。定姿系统的水平和垂直度盘分别测定摄影时相机的俯仰角ω和航向角κ，而旋偏角φ在拍摄过程中始终为0。

附图5为大倾角多基线数字近景摄影测量示意图。

结合附图3-5，本发明定位定姿的方法步骤如下：

步骤（1）：定位定姿近景摄影测量系统搭建。具体的包括，棱镜（1）的安置、水平度盘（6）和垂直度盘（3）的安装，三脚架（7）的安置，以及配套的全站仪、计算机之间的连接等。可定位定姿的近景摄影测量系统用于获取摄影平台的位置和姿态信息，从而获取摄影测量解算时的外方位线元素和角元素初值。其中，定位装置为安放于相机（2）顶端的棱镜（1），定姿装置为安装于相机（2）底部云台（5）下方的水平度盘（6）和相机左侧或右侧的垂直度盘（3）。

定位定姿近景摄影测量系统以相机为主体，在相机顶端安装棱镜，通过架设在通视范围内的全站仪测定棱镜在固定地面坐标系下的三维坐标（XL，YL，ZL）。利用装在相机底部云台下方的水平度盘测定相机的航向角κ，通过相机右侧的垂直度盘测定相机俯仰角ω。其中水平度盘固定在云台与脚架之间，不随云台和相机水平转动；垂直度盘通过支架与云台相连接，并且度盘中心与相机中心相连，因此，垂直度盘随相机水平转动，但不垂直转动。

步骤（2）：建立装置模型。具体的为定位定姿平台模型的建立。通过建立棱镜、水平度盘、垂直度盘和相机的关系模型，可以将定位定姿数据转换到相机中心，从而在利用摄影测量技术拍摄影像的同时，获取相机的位置和姿态等信息，即外方位元素。

利用定位定姿系统可直接测定相机的航向角κ和俯仰角ω，由于旋偏角φ始终设为0°，因此外方位角元素通过水平和垂直度盘可直接测定。根据图1定位定姿近景摄影测量系统示意图，推算从棱镜中心坐标到外方位线元素的转换模型：假定棱镜中心在相机坐标系的坐标为（u，v，w），称为偏心矢量，棱镜中心在物方坐标系下的坐标为（XL，YL，ZL），则线元素（XS，YS，ZS）坐标为：

                       （1）

其中，R为外方位角元素组成的旋转矩阵：

 （2）

步骤（3）：装置模型检校和相机检校。其中，装置模型检校包括位置关系检校和姿态角检校，相机检校包括像主点坐标提取、主距提取、像片畸变差校正。

相机检校模型可采用直接线性变换、自检校光束法平差以及Tsai两步法等相机检校/标定方法。在检校过程中，可对像差模型进行完善，不仅对镜头的径向畸变进行修正，同时将可能存在的不对心畸变和薄透镜畸变加入到像差修正模型中予以统一解算。最后使得整个标定过程完整而全面，提高标定精度。

步骤（4）：外业影像信息、控制点坐标的获取。具体的为两部分，一部分为大倾角、多基线摄影测量影像获取，另一部分为外业控制点测量。

大倾角、多基线摄影测量方法为：首先将目标物进行分区，根据摄站上的拍摄条件，分别摄取每个分区的多张重叠影像。结合附图5可知，该方法改变传统近景摄影测量基本原理，由传统两个摄站对被摄物拍两张重叠照片生成模型变为由多个摄站，每个摄站对被摄物拍若干张一定重叠度的像片，构成大倾角、多基线多影像组序列，生成高精度的三维模型。即从空间一个点由两条光线交会的摄影测量基本法则改进为空间一个点由多条光线交会而成。

传统近景摄影测量对拍摄要求较高，需要垂直目标拍摄，否则在未知外方位元素初值的情况下，法方程的解算无法收敛于正确结果。而在解算大倾角多基线数字近景摄影测量时，正是利用了定位定姿系统所提供的位置、姿态信息作为外方位元素的初值，使得在拍摄的过程中不再要求垂直目标物，可采用任意旋转角度的方式进行拍摄，即所谓的“大倾角摄影”。

步骤（5）：影像信息提取。具体的包含三部分：像点信息提取、控制点信息提取、检查点信息提取。

步骤（6）：多基线影像匹配。在影像匹配时，由于近景摄影变形较大，利用常规的单基线立体匹配技术无法满足匹配的可靠性和精确性。而在大倾角多基线摄影测量中，通过短基线和多影像的结合，不仅可以快速匹配，并且能够提高匹配精度。并且正是由于在影像匹配中可无需进行核线排列，无需产生核线影像，同时提高匹配的可靠性，因此可以很方便地进行数字近景摄影测量。

步骤（7）：外方位元素、待定点坐标初值获取。具体的包含定位信息输入（外方位线元素初值）、定姿信息输入（外方位角元素初值）。

步骤（8）：自检校光束法平差。

步骤（9）：待定点结果输出、立体模型创建。所述的立体模型创建为目标物三维模型的创建。

步骤（10）：精度分析、成果检查。

本发明是对现有技术进行了改进，故实施过程中借鉴了现有技术，限于篇幅，未对现有技术部分进行详细描述；凡是本发明未提及的技术部分，均可以采用现有技术实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。