CN115727819A - 一种基于箱式集成的摄影测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于箱式集成的摄影测量系统及方法，包括以下步骤，步骤1，设置带有标识和绝对距离定义的标志板，根据被测物体的特征，布设相机阵列的点位，在被测周围布设至少一个同照片采集系统集成的大小一致的标志板；步骤2，根据布设的相机阵列点位对被测地物拍摄，获得多角度带有清晰标志板信息的照片；步骤3，将照片导入计算机解译系统，进行第一次摄影测量计算具体的作用是进行粗对正等本发明可以在很大程度上提高野外摄影测量的观测精度和观测效率，大大节省劳力和时间，而且主要组成构件均为可组装可移动，保证测量过程的便捷性。

Description

一种基于箱式集成的摄影测量系统及方法

技术领域

本发明涉及摄影测量技术领域，具体来说，涉及一种箱子集成式的地物测量方法及系统。

背景技术

在日常的地物测量中，大场景里面的区域测量或者小场景物体测量只需要知道像对就行，比如局部区域的渠道断面、沟壑的坡面、旅游景点的标志性建筑物等，而现有的地物测量通常包括以下几种：

1、传统的人工测量方式是接触式测量，需要人工带测量工具到被测地物跟前完成测量，测量的效率太低，一次只能测一条线，需要经后期处理得到三维数据，工作量大，且受天气、环境的影响大；

2、基于无人机的摄影测量技术，其控制点的设定通常人为在地上设置航标才能达到像控的目的，设置要求苛刻，而且无人机受飞行条件的限制，测量方向单一，在飞行高度太低时，精度高，但是效率低，飞行高度太高时，视场大，但是精度低。灵活性不够，不适用地物测量。

3、三维激光扫描测量技术，精度高，但是灵活性差，没有大场景，属于静止场景下的单向测量，需要根据地物特征和方位，多站测测量，每一次测站设置要求高、过程繁琐，要求有严格的建站过程，工作量大，且对具体工作环境要求高。

4、摄影测量技术对工作环境的要求比较低，具有非接触、大视场、高效高精度测量的特点，其理论精度可以达到毫米级，且可以实现三维测量，在地物测量方面有巨大优势，但是已有的摄影测量标志点的设计基于传统方法，从标志点的引出，需要严格的空间定义。根据摄影测量算法原理，对标志点的要求有两方面，一是标志点木身的精确性控制摄影测量空间整体误差；二是标志点之间相对位置关系的准确性，控制摄影测量对象尺寸的精准性。

因此，本发明专利将摄影机和标志板集成在一起，通过摄影机和标志板位置关系建立相机和被测物体之间的位置关系，利用标志板的真实的物理尺寸赋予计算机中解译的单位长度真实的物理长度，实现地物测量的目的。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于箱式集成的摄影测量系统及方法，以实现非接触式的高精度、高效率测量的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种箱子集成式的地物测量方法，包括以下步骤，步骤1，设置带有标识和绝对距离定义的标志板，根据被测物体的特征，布设相机阵列的点位，在被测周围布设至少一个同照片采集系统大小一致的标志板；步骤2，根据布设的相机阵列点位对被测地物拍摄，获得多角度带有清晰标志板信息的照片；步骤3，将照片导入计算机解译系统，进行第一次摄影测量计算，进行粗对正，并根据拍摄照片中照片采集系统中的标志板以及布设在被测物体周围的标志板所占的面积比，计算出摄影机距离被测物体的距离，确定摄影瞬间摄影机物镜中心与像片在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态的参数，即确定这摄影机物镜中心、像片和被测物体三者之间的相关位置参数；步骤4，根据照片中箱体上真实长度已知的标识物，在照片中对应长度，标定被测物体在相对坐标中单位长度的真实物理长度；步骤5，根据摄影测量原理，将三者之间相关位置的参数以及相对坐标的真实长度作为已知量，导入摄影测量解译计算的平差计算文件中，生成摄影测量精确模型，从模型中量取需要的尺寸，完成测量。

在可能的一个设计中，步骤1中，保证拍摄的被测地物相邻照片的重合度达到60％以上，标志板的每个面在3～5张照片中清晰呈现。

在可能的一个设计中，步骤3中，标志板1和标志板2的尺寸大小一致，其中标志板1集成在照片采集系统里面，与摄影机的距离是W，标志板2在被测物体周围，与摄影机的距离是W’，通过标志板1和标志板2在照片里面呈现的面积比K和K’，K/K’＝(W/W’)^2确定摄影机与被测物体的位置关系。

在可能的一个设计中，步骤4中，根据具体照片中箱体的标识物长为L，呈现在照片中标识块的对应长度是L、，根据比例关系K＝L/L’，定义相对坐标中单位长度的真实距离U＝K，完成了被测物体在相对坐标中单位长度的真实物理长度标定。

在可能的一个设计中，步骤5中，将三者之间相关位置的参数以及相对坐标的真实长度作为已知量，导入摄影测量解译计算的平差计算文件中，误差方差方程式可表示为：

V_x＝a₁₁ΔX_S+a₁₂ΔY_S+a₁₃ΔZ_S+a₁₄ΔA+a₁₅Δα+a₁₆Δk_v-a₁₁ΔX-a₁₂ΔY-a₁₃ΔZ-l_x，

V_y＝a₂₁ΔX_S+a₂₂ΔY_S+a₂₃ΔZ_S+a₂₄ΔA+a₂₅Δα+a₂₆Δk_v-a₂₁ΔX-a₂₂ΔY-a₂₃ΔZ-l_y，

其中，像点坐标(x_i,y_i)为观测值，其相应的改正数为V_x，V_y；物方空间坐标为(X,Y,Z)；物方空间坐标系中的位置(X_S,Y_S,Z_S)、方位角A、像片倾角α、像片旋角k_v为待定参数，常数项l_x＝x_i-(x_i)，l_y＝y_i-(y_i)。生成摄影测量精确模型，从模型中量取需要的尺寸，完成测量。

本发明还提供一种基于箱式集成的摄影测量系统及方法，所述系统包括图像采集系统、底座和图像数字化解译处理系统；所述图像采集系统是相机与便携式标志板组合体，用于从不同角度采集高分辨率的被测物体照片；所述的标志板用于辅助测量工作，提高测量的精度和效率；所述的底座用于将图像采集系统固定在待测量区；所述的图像数字化处理化系统，将采集的图像用于生成被测地物模型，进行所需尺寸的测量。

在可能的一个设计中，标志板1和标志板2的尺寸大小一致。

在可能的一个设计中，所述的图像数字化处理化系统至少包括基于空中三角测量原理的图像数字化解译软件。

本发明的原理：

基本原理是利用两种相机阵列对同一观测区域拍照，提取图像的特征点并进行同名点匹配，然后根据相机标定的参数经区域平差处理计算出同名点的三维坐标，最后插值重构出所拍摄物体的表面形态。

本发明提供了一种基于箱式集成的摄影测量系统及方法，本发明将标志板1与摄影机集成在一起，在测量的过程中将至少一个标志板2，其大小同标志板1布设在被测物体周围，且至少3个角度的照片中标志板2均可以清晰呈现，通过标志板1和2在同一张照片中的所占的面积比确定标志板2与摄影机之间的距离，从而确定被测物体与摄影机之间的距离，其次根据被测物体表面长度已知的标识物和照片中的相对长度，标定被测物体在相对坐标中单位长度的真实物理长度。从而通过提高标志点之间相对位置关系的准确性，实现地物对象精准的尺寸测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于箱式集成的摄影测量系统示意图；

图2为本发明实施例的拍摄图片示意图；

图3为本发明实施例的标志板1、2的设计图；

图4为本发明实施例的空间坐标系示意图；

图5为本发明实施例的空间前方交会图；

图6为本发明实施例的双目视觉示意图；

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1-6示，一种基于箱式集成的摄影测量系统及方法，包括以下步骤，

第一步：根据被测物体的特征，布设相机阵列的点位，保证拍摄的被测地物相邻照片的重合度达到60％以上，在被测周围布设至少一个同照片采集系统大小一致的标志板；

第二步：开始根据布设的相机阵列点位对被测地物拍摄，获得多角度带有清晰标志板信息的照片；

第三步：将照片导入计算机解译系统，按照第一次提供的材料中摄影测量计算原理进行第一次摄影测量计算具体的作用是进行粗对正；

第四步：确认相机和被测物体之间的相对位置关系

由于标志板1和标志板2的尺寸大小一致，因为标志板1集成在照片采集系统里面，距离摄影机近，占据的视野大，在照片里面呈现的面积大，记为S1，标志板2距离摄影机远，占据的视野小，在照片里面呈现的面积小，记为S2，因此可以通过标志板1和标志板2在照片里面呈现的面积比K和K、确定摄影机与被测物体的位置关系。

W和W、分别为标志板1和标志板2物距大小，其中W为图像采集系统里面摄影机距离标志板1的距离。根据公式(1)计算得W、，确定摄影瞬间摄影机物镜中心与像片在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态的参数，即确定这三者之间相关位置的参数。大大简化地物信息获取，标志点设置、标准尺寸设置等的工作量，提升工作效率，提升工作便捷性和易得性，保证摄影测量质量；

第五步：标定被测物体在相对坐标中单位长度的真实物理长度根据具体照片中箱体的标识物长为L，呈现在照片中标识块的对应长度是L、，根据比例关系

定义相对坐标中单位长度的真实距离U＝K，完成了被测物体在相对坐标中单位长度的真实物理长度标定；

第六步：第二次平差解译，实现相对坐标解译情况下被测对象的总体精度和尺寸精准

将三者之间相关位置的参数以及相对坐标的真实长度作为已知量，导入摄影测量解译计算的平差计算文件中，误差方差方程式可表示为：

V_x＝a₁₁ΔX_s+a₁₂ΔY_S+a₁₃ΔZ_S+a₁₄ΔA+a₁₅Δα+a₁₆Δk_v-a₁₁ΔX-a₁₂ΔY-a₁₃ΔZ-l_x

V_y＝a₂₁ΔX_S+a₂₂ΔY_S+a₂₃ΔZ_s+a₂₄ΔA+a₂₅Δα+a₂₆Δk_v-a₂₁ΔX-a₂₂ΔY-a₂₃ΔZ-l_y (1)

式中：像点坐标(x_i,y_i)为观测值，其相应的改正数为V_x，V_y。物方空间坐标为(X,Y,Z)；物方空间坐标系中的位置(X_S,Y_S,Z_S)、方位角A、像片倾角α、像片旋角k_v为待定参数。此处略去了其中的内方位元素像主点相对于影像中心的位置(x₀,y₀)、主距f。常数项l_x＝x_i-(x_i)，l_y＝y_i-(y_i)。对每一个畸变纠正后影像上的像点列出一组误差方程式并对其进行整理，求出每幅影像的外方位元素后，再利用空间前方交会法，即可求得全部待定点的地面坐标。

V_x＝-a₁₁ΔX+a₁₂ΔY+a₁₃ΔZ-l_x

V_y＝-a₂₁ΔX+a₂₂ΔY+a₂₃ΔZ-l_y (2)

第七步：从生成的摄影测量精确模型中量取需要的尺寸，完成测量。

在至少一个实施例中，摄影机与标志板固定距离的确定主要依据相机的成像满足的关系是物距大于两倍的焦距(即u>2f)、标志板占据相机拍摄视野大小、便携特点等三部分。根据尼康D810的传感器尺寸、标志板与相机之间的距离，相机与标志板固定距离设置了0.3～1.0m，选择最优的物距。选择标志板与相机之间的距离为0.5米，对应的标志物大小为0.008mm。

其中：相机精度是mm/pixel；素数量是相机的分辨率(尼康D810分辨率是7360×4912)；面尺寸是相机的传感器尺寸(尼康D810传感器尺寸是35.9×24mm)；康D810取焦距为35mm。

采用该系统采集地物照片，分析同一张照片发现标志1占据相机拍摄视野大小的10％，而标志板2占据的视野是2.5％，因此可以计算得到摄影机距离标志板2的距离是C，其中C＝0.5*10％/2.5％＝2m，其次标识物1的真实长度15cm，其在照片中的长度是0.5，标识模型在图像数字化解译软件中单位长度代表的真实物理长度是30cm。确定摄影瞬间摄影机物镜中心与像片在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态的参数，即确定这摄影机物镜中心、像片和被测物体三者之间的相关位置参数以及相对坐标的真实长度。将三者之间相关位置的参数以及相对坐标的真实长度作为已知量，导入摄影测量解译计算的平差计算文件中，生成摄影测量精确模型，从模型中量取需要的尺寸，完成测量。

其次，根据摄影测量的相关文献发现，影响野外拍摄精度的因素有光线、材质等，因此，选择标志板材料时，遵循漫反射大(糙率大、孔隙度大)、热胀冷缩变形能力小、材质感光性能好、结构稳定，不受野外风力的影响、可以折叠、轻便容易携带(理想的材料是聚四氟乙烯材料，反射比接近于1)。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种基于箱式集成的摄影测量方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤1，设置带有标识和绝对距离定义的标志板，根据被测物体的特征，布设相机阵列的点位，在被测周围布设至少一个同照片采集系统大小一致的标志板；步骤2，根据布设的相机阵列点位对被测地物拍摄，获得多角度带有清晰标志板信息的照片；步骤3，将照片导入计算机解译系统，进行第一次摄影测量计算，进行粗对正，并根据拍摄照片中照片采集系统中的标志板以及布设在被测物体周围的标志板所占的面积比，计算出摄影机距离被测物体的距离，确定摄影瞬间摄影机物镜中心与像片在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态的参数，即确定这摄影机物镜中心、像片和被测物体三者之间的相关位置参数；步骤4，根据照片中箱体上真实长度已知的标识物，在照片中对应长度，标定被测物体在相对坐标中单位长度的真实物理长度；步骤5，根据摄影测量原理，将三者之间相关位置的参数以及相对坐标的真实长度作为已知量，导入摄影测量解译计算的平差计算文件中，生成摄影测量精确模型，从模型中量取需要的尺寸，完成测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于箱式集成的摄影测量方法，其特征在于，步骤1中，保证拍摄的被测地物相邻照片的重合度达到60％以上，标志板的每个面在3～5张照片中清晰呈现。

3.根据权利要求2所述的一种基于箱式集成的摄影测量方法，其特征在于，步骤3中，标志板1和标志板2的尺寸大小一致，其中标志板1集成在照片采集系统里面，与摄影机的距离是W，标志板2在被测物体周围，与摄影机的距离是W’，通过标志板1和标志板2在照片里面呈现的面积比K和K`，

确定摄影机与被测物体的位置关系。

4.根据权利要求3所述的一种基于箱式集成的摄影测量方法，其特征在于，步骤4中，根据具体照片中箱体的标识物长为L，呈现在照片中标识块的对应长度是L`，根据比例关系K＝L/L’，定义相对坐标中单位长度的真实距离U＝K，完成了被测物体在相对坐标中单位长度的真实物理长度标定。

5.根据权利要求4所述的一种基于箱式集成的摄影测量方法，其特征在于，步骤5中，将三者之间相关位置的参数以及相对坐标的真实长度作为已知量，导入摄影测量解译计算的平差计算文件中，误差方差方程式可表示为：

V_x＝a₁₁ΔX_S+a₁₂ΔY_S+a₁₃ΔZ_S+a₁₄ΔA+a₁₅Δα+a₁₆Δk_v-a₁₁ΔX-a₁₂ΔY-a₁₃ΔZ-l_x，

V_y＝a₂₁ΔX_S+a₂₂ΔY_S+a₂₃ΔZ_S+a₂₄ΔA+a₂₅Δα+a₂₆Δk_v-a₂₁ΔX-a₂₂ΔY-a₂₃ΔZ-l_y，

其中，像点坐标(x_i，y_i)为观测值，其相应的改正数为V_x，V_y；物方空间坐标为(X，Y，Z)；物方空间坐标系中的位置(X_S，Y_S，Z_S)、方位角A、像片倾角α、像片旋角k_v为待定参数，常数项l_x＝x_i-(x_i)，l_y＝y_i-(y_i)。生成摄影测量精确模型，从模型中量取需要的尺寸，完成测量。

6.一张基于如权利要求1-4任一项所述基于箱式集成的摄影测量方法的系统，其特征在于，所述系统包括图像采集系统、底座和图像数字化解译处理系统；所述图像采集系统是相机与便携式标志板组合体，用于从不同角度采集高分辨率的被测物体照片；所述的标志板用于辅助测量工作，提高测量的精度和效率；所述的底座用于将图像采集系统固定在待测量区；所述的图像数字化处理化系统，将采集的图像用于生成被测地物模型，进行所需尺寸的测量。

7.根据权利要求5所述的一种基于箱式集成的摄影测量系统，其特征在于，标志板包括标志板1和标志板2，其中标志板1和标志板2的尺寸大小一致。

8.根据权利要求6所述的一种基于箱式集成的摄影测量系统，其特征在于，所述的图像数字化处理化系统至少包括基于空中三角测量原理的图像数字化解译软件。

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