用于在测量场景上定位地质雷达数据的摄影测量系统

摘要

一种相对于具有原点O(0,0)和轴x及轴y的笛卡尔参考系S(x,y)对具有表面(210)的场景(200)进行探地雷达分析的方法。该方法包括以下步骤：预先布置GPR设备，其包括至少一个GPR传感器、控制单元、具有相对于笛卡尔参考系S(x,y)的坐标xc和yc的参考中心C(xc,yc)、至少一个图像获取装置(110、120)，各个图像获取装置(110、120)具有相对于参考中心C(xc,yc)已知的指向方向yj。该方法然后包括在表面上操纵GPR设备和借助GPR技术检测可能地下物体的步骤。特别地，操纵步骤包括以下步骤：获取场景的至少一个前面图像IF，各个图像包括多个像素Pi；相对于各个指向方向yj定位各个前面图像IF的各个像素Pi，所述定位步骤包括为各个像素Pi定义至少一对角度θxi和θyi的步骤；针对各个像素pi，处理相对于笛卡尔参考系S(x,y)的坐标xi和yj；重建所述场景(200)的平面图像IP，所述平面图像IP包括处于所述坐标xi和yi中的所述多个像素Pi。

说明书

技术领域

本发明涉及使用GPR(探地雷达)技术的勘测领域。

具体地，本发明涉及在场景勘测期间辅助GPR设备的移动和定位的方法。

背景技术

众所周知，使用GPR(探地雷达)技术搜索地下物体在土木工程、地质学和考古学领域有许多应用。

GPR装置提供至少一个RF射频接收器/发射天线(GPR传感器)以及包括PC和带有天线的接口卡的远程控制单元。GPR传感器在要勘测的场景表面上移动，并且一旦启动RF信号的传输，通常将接收到的反馈信号显示为二维图像。

为了在检测到的物体的空间中进行正确的定位，有必要提供工具来在GPR设备检测到地下物体时帮助GPR设备相对于已知参考系进行定位。用于得出GPR设备在实时空间中的位置的主要解决方案包括例如通过GPS和/或激光束相对于已知位置的本地站(全站仪)进行定位。

然而，这些解决方案并不总是适用的。尤其是，GPS定位在部分覆盖的地方存在问题，而在GPR设备与本地站之间插入物体的情况下，用激光束进行定位是不可能的。

此外，这两种系统均不允许操作员在他前方和在平面图中实时显示场景中可见的物体的坐标，而这一方面将大大有助于GPR设备的正确移动和所收集数据的解释。

US2017323480公开了一种基于探地雷达(GPR)的系统，该系统可视地示出了被表面隐藏的物体。特别是，它通过所谓的增强现实技术提供了隐藏的物体的逼真可视化。得益于这种可视化，与隐藏的物体的交互更容易且不易出错。该系统可以具有两个摄像头，以便更逼真地观察环境。

然而，US2017323480未以任何方式提供创建包括GPR天线、隐藏的物体和可见物体的场景的平面测量的可能性。

发明内容

因此，本发明的特征在于提供一种用于对场景进行探地雷达分析的方法，该方法允许在不需要处理来自其它定位系统(例如GPS或本地站)的信息的情况下相对于GPR设备所设想的位置以及相对于预定参考系来定位该场景内的物体。

该目的和其它目的通过一种相对于具有原点O(0,0)和轴x及轴y的笛卡尔参考系S(x,y)对具有表面的场景进行探地雷达分析的方法来实现，所述方法包括以下步骤：

-预先布置GPR设备，所述GPR设备包括：

-至少一个GPR传感器；

-控制单元；

-参考中心C(x

-至少两个图像获取装置，其具有相对于所述参考中心C(x

-在所述表面上操纵所述GPR设备；

-借助GPR技术检测可能的地下物体；

所述方法主要特征是操纵的步骤包括以下步骤：

-借助相应的图像获取装置获取所述场景的至少两个前面图像(front image)I

-比较所述前面图像I

-相对于所述指向方向γ

-针对各个像素P

-重建所述场景的平面图像I

由于场景平面中像素的定位，因此可以知道场景表面上方存在的任何物体的尺寸和距GPR设备的距离。

更具体地，使用摄像头的特征参数的合适的软件算法能够确定由两个照相装置成帧(framed)的物体相对于GPR天线的距离。该三角测量算法接收两个摄像头的观察角度信息作为输入，并返回相对于两个摄像头之间的中心(因此相对于GPR天线)的位置(x,y)作为结果。

必须知道以下项以执行三角测量：

-各个摄像头的“光学中心”，即，房间的传感器(图像被印在该传感器上)在3D空间中的确切位置；

-立体摄像头的“基线”，即，摄像头的两个光学中心之间的距离；

-两个摄像头在3D空间中相对于参考中心的指向角度，因此也是一个摄像头相对于另一摄像头的旋转角度。

此外，为了正确执行三角测量，还必须考虑由摄像头镜头引入的光学畸变参数，这必须通过算法进行适当补偿。这些参数是通过特定的校准阶段以及其它先前提到的参数估计的。

应当注意的是，摄像头可以具有不同的视角，因此不必必须指向与移动GPR以进行扫描的方向相同的方向。然而，必须将两个摄像头的部分视角“叠加”，这是因为至少部分场景被两个图像获取装置成帧，以便对给定的物体进行三角测量，该物体必须落入交叠区域，换句话说，必须在两个摄像头的帧中都存在。

三角测量算法基于确定三维空间中两条线之间的相交点，这两条线穿过相应摄像头的光学中心，并在由物体标识的点处“相遇”。知道摄像头之间的距离(基线)，就可以获得物体在3D空间中的位置。输入信息由两对像素给出，这两对像素指示由两个摄像头成帧的同一物体：各个像素与空间中的、从系统的光学中心离开的直线相关联。

由于上述参数的估计误差或摄像头本身的分辨率，两条线可能没有公共交点，因此该算法确定3D空间中处于使位置物体相关联的最小距离处的点。在GPR技术中，该点然后被投影到勘测表面上，即在二维空间上，其指示相对于GPR设备的位置(x,y)。

以这种方式，可以具有这样的场景平面：其中场景的可见物体和地下物体以相对于已知技术有利的方式虚拟地叠加。实际上，在已知技术中，这种交叠只能使用卫星地图来实现，而卫星地图并不总是可用的，特别是在封闭的地方。在另一方面，本发明使得即使在没有GPS信号的情况下也可以执行这样的平面测量，使可见物体和地下物体交叠，还提供比卫星图像具有更高分辨率的平面图像。

该平面允许为地下物体的定位提供更直观的参考，既可以创建更简单的地图以供查阅，又可以在GPR设备移动期间为操作员提供便利。

有利地，GPR设备包括视觉界面，并且还提供了在视觉界面上显示场景的平面图像I

这样，操作员可以在场景中显示其自己的位置。

特别地，在操纵的步骤期间在时间范围t处，提供以下步骤的迭代：

-获取至少一个前面图像I

-定位各个像素P

-针对各个像素P

-重建所述场景的平面图像I

这样，场景内显示的位置也可以连续更新(甚至实时地)。

有利地，前面图像I

特别地，在所述视觉界面上，与所述前面图像I

这样即使在场景中没有可见参考物的情况下，也可以容易地移动设备。

有利地，GPR设备包括定位装置，该定位装置被适配为向控制单元实时提供坐标x

根据本发明的另一方面，要求保护的是一种相对于具有原点O(0,0)和轴x及轴y的笛卡尔参考系对具有表面的场景进行探地雷达分析的方法，所述方法包括以下步骤：

-预先布置GPR设备，所述GPR设备包括：

-至少一个GPR传感器；

-控制单元；

-参考中心C(x

-至少一个图像获取装置，各个图像获取装置具有相对于所述参考中心C(x

-在所述表面上操纵所述GPR设备；

-借助GPR技术检测可能的地下物体；

所述方法主要特征是操纵的步骤包括以下步骤：

-获取所述场景的至少一个前面图像I

-相对于所述指向方向γ

-针对各个像素P

-重建所述场景的平面图像I

有利地，提供以下步骤：

-在所述场景内布置已知大小的标记物；

-所述图像获取装置或各个图像获取装置获取包括所述标记物的至少一个前面图像I

-借助所述控制单元计算所述标记物与所述图像获取装置或各个图像获取装置之间的距离。

另选地，GPR设备包括至少一个角位置传感器(angular position transducer)或编码器，所述至少一个角位置传感器或编码器能够检测所述图像获取装置或各个图像获取装置的角位置的变化。

另选地，提供了获取所述图像获取装置或各个图像获取装置相对于所述场景的角位置的步骤。

使用上述系统之一，可以利用单个摄像头实现场景的平面测量。实际上可以(甚至实时地)从在获取期间拍摄的一系列图像中获得位置信息。

实际上，由于必须获得“比例因子”，因此现有技术不能够从图像获得所成帧的物体的3D位置信息(或因此获得相对于所成帧物体的GPR坐标)。通常，可以根据一个图像与下一图像之间的相关性得出摄像头在3D空间中相对于其先前位置的取向(在某种意义上，旋转角度)。代替地，如上所述，该相对位置是根据可以借助标记物、编码器或摄像头的角位置的知识获得的度量因子来估计的。

一旦知道了GPR相对于本地参考中心的位置，就可以在各个获取的帧中进行反向图像变换以获得高分辨率的制图图像。对于该技术，需要一种算法，该算法通过解释所获取的图像，从不同视角识别出成帧在多个帧上的物体。

特别地，GPR设备包括至少两个图像获取装置，所述至少两个图像获取装置具有相对于所述参考中心C(x

有利地，获取的步骤借助于相应的图像获取装置提供对两个前面图像I

特别地，还提供了以下步骤：

-比较所述前面图像I

-相对于所述指向方向γ

这样，存在像素的三维定位，因此可以更精确地重建场景。特别地，像素的三维定位使得可以更准确地计算场景中可见物体的尺寸和相对距离。

附图说明

通过以下参照附图进行的对本发明的示例性实施方式的示例性而非限制性描述，本发明的进一步的特征和/或优点将更加明显，在附图中：

-图1示出了根据本发明的方法的流程图，其中，提供了单个图像获取装置；

-图2示出了根据本发明的方法的实现方式变型的流程图，其中，提供了两个图像获取装置；

-图3A示出了场景的前面图像；

-图3B示出了场景的平面图像。

具体实施方式

图1的流程图300示出了根据本发明的在场景中进行探地雷达分析的方法的第一变型的步骤，其中，提供了单个图像获取装置110，特别是摄像机或摄像头。

该方法提供以下步骤：预先布置具有机载摄像头的GPR设备的第一步骤[310]，在要勘测的场景的表面上操纵该设备的第二步骤[320]以及检测可能的地下物体的第三步骤[330]。

甚或参照图3A和图3B，根据本发明的方法提供了，在操纵设备100的步骤期间，设置一些步骤以允许操作员(甚至实时地)定位设备100并在场景200本身的平面图像中显示该场景的物体，以便将场景200的这些物体虚拟地叠加到检测到的地下物体上。

特别地，存在通过摄像头110获取前面图像I

然后，通过获知摄像头110相对于设备100的参考中心C(x

一旦相对于设备100的位置定位了像素P

最后，通过将所有像素相对于其在参考系S(x,y)中的坐标进行组合，可以重建场景200的平面图像I

然后，在预定时间范围处，按使得平面图像I

在该方法的变型中(由图2的图表300’示意性示出)，提供了具有各自的指向方向γ

在这种情况下，获得了两个前面图像I

这样，通过获取两对角度，各个像素都有三维定位，因此可以更精确地重建场景。

前面描述的一些示例性的具体实施方式将根据概念上的观点如此充分地揭示本发明，从而使得其它人通过应用当前知识将能够在不作进一步研究和在不脱离本发明的情况下在各种应用中修改和/或调整具体示例性实施方式，因此，这意味着必须将这些调整和修改视为等同于具体实施方式。因此，在不脱离本发明的领域的情况下，用于实现本文所述的不同功能的装置和材料可以具有不同的性质。应当理解，本文采用的措词或术语是出于描述的目的而不是限制。