專利名稱：：利用數(shù)字地圖計算像片方位元素和建筑物高度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種計算像片方位元素和建筑物高度的方法，尤其涉及一種利用數(shù)字地圖同時計算近景像片方位元素和建筑物高度的方法。該技術(shù)屬于攝影測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著攝影攝像設(shè)備分辨率的不斷提高和普及，普通數(shù)碼像片也成為人們進行攝影測量的重要工具。城市三維建模技術(shù)的首要內(nèi)容在于大量的城市基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)包括地物目標(biāo)的平面位置、地面高程、高度和地物紋理。目前的三維數(shù)據(jù)采集方法是利用攝影測量和遙感技術(shù)得到城市的數(shù)字地面模型、數(shù)字線劃地圖(DigitalLineGraphic,縮寫DLG)、利用數(shù)碼相機實地獲取地物的紋理、建筑物高度數(shù)據(jù)來建立數(shù)碼城市模型。《數(shù)字城市三維地理空間框架》(李成名，王繼周，馬照亭.科學(xué)出版社，2008)提出了利用量測相機單像片進行建筑物的三維測量的方法，其理論是根據(jù)建筑物本身的三組平行線來計算像片的方位元素，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)建筑物的單像片三維建模。然而，很多建筑物無法提供完整的三個方向的平行線，同時只能利用量測相機來進行，使得這種方法有很大的局限性。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題:本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種利用數(shù)字地圖計算像片方位元素和建筑物高度的方法，能從單張數(shù)碼像片和數(shù)字地圖中計算建筑物高度。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是步驟S1:拍攝包括完整建筑物的數(shù)碼像片，獲取該建筑物區(qū)域的數(shù)字地圖，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖設(shè)有數(shù)字地圖坐標(biāo)系；步驟S2:數(shù)字地圖上一點對應(yīng)于數(shù)碼像片中建筑物墻邊上的多個點，根據(jù)建筑物的層狀結(jié)構(gòu)，給不同高度的墻角點假定一個高程數(shù)據(jù)，墻角點為像片控制點，獲取像片控制點分別在像片二維坐標(biāo)系中和數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；獲取像片像主點的在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點為攝影物鏡中心在像片上的垂足點；步驟S3:建立攝影測量坐標(biāo)系"—,該攝影測量坐標(biāo)系以近似的攝影點位置為原點、實地東方向為X軸、垂直向上方向為Y軸、實地南方向為Z軸的右手三維空間坐標(biāo)系,將像片控制點在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo),該轉(zhuǎn)換過程分為平移、y軸和z軸互換以及平面旋轉(zhuǎn)四個步驟，其中平移、y軸和Z軸互換用方法為=義圖—"<7_7—70厶圖厶S'zD=—r圖(i)平面旋轉(zhuǎn)方法為X,=X。cos(")+Zflsin(a).=-JfXor)十ZDCos(a)(2)式中；XD&ZD代表像片控制點的地圖坐標(biāo)平移至以D為原點的坐標(biāo)；^Zffl代表像片控制點的數(shù)字地圖坐標(biāo)系的坐標(biāo)；"《代表攝影測量坐標(biāo)原點D的地圖坐標(biāo)；ZtX4代表像片控制點的攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；"代表攝影時的攝影方向的地面方位角；步驟S4:根據(jù)攝影測量中的共線方程計算像片的方位元素和建筑物高度；像片的方位元素包括攝影位置(^s、&、Z"，攝影的側(cè)滾角伊、攝影俯仰角"和像片旋轉(zhuǎn)角r，,攝影物鏡焦距，像片像主點的圖像坐標(biāo)"o、h);攝影點位置(^S、^、Z^，以X外直來表示；X"^、^分別表示攝影點在攝影測量坐標(biāo)中的三維坐標(biāo)；攝影的側(cè)滾角P、攝影俯仰角W和像片旋轉(zhuǎn)角^以1々卜*來表示；/為攝影物鏡焦距，A、^為像片像主點即物鏡中心在像片上的垂足點的圖像坐標(biāo)，,A、A，以X力來表示；影像畸變系數(shù)A，以1**來表示；未知點空間坐標(biāo)(;^、yD、zD)，以i封^來表示；計算方程為-T,&j，，ax",,,,,,j=-《s+-《+-+—卻+——一+—#+-血0+——狄s'5&5ZS5必y5x0&0&J!&&",&",^=1札+1"+1仏+!*+立鈿+，&+^/〃14+立辦。d￥s3ZS5"+iw0+1《一L式中K、K為誤差方程式的改正數(shù)；按未知數(shù)分類用矩陣表示為^=碼卜直+狄外角+d內(nèi)+I畸變+^未知點—Z3/*0(3)(4)式中7為誤差方程式的改正數(shù)矩陣；l為誤差方程式常數(shù)項矩陣；Z^^中包含了建筑物高度的未知數(shù)；然后按最小二乘法原理可以計算各個未知數(shù)。有益效果利用數(shù)字地圖為條件整體計算像片的方位元素和建筑物高度，由于設(shè)備簡單、易操作，外業(yè)工作量小，代價低，精度高，是城市三維數(shù)據(jù)獲取的未來發(fā)展趨勢，解決了從單張數(shù)碼像片和數(shù)字地圖中計算建筑物高度的問題。圖1為本發(fā)明提供的像片方位元素計算方法的流程圖；圖2為建筑物的數(shù)碼像圖。其中l(wèi)-9為點號(見以下的表1和表2)具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明能夠嚴(yán)密計算數(shù)碼像片的拍攝位置、攝影姿態(tài)、像片焦距和畸變以及建筑物高度，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)和三維建模，屬于近景攝影測量和計算機視覺領(lǐng)域。本發(fā)明利用現(xiàn)有的大比例尺數(shù)字地圖，并顧及建筑物的層狀控制結(jié)構(gòu)，計算數(shù)碼像片的方位元素的方法和建筑物高度，外業(yè)工作量小，代價低，精度高。本發(fā)明利用數(shù)字地圖提供的平面控制點、顧及建筑物本身的層狀控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)共線方程，提出了嚴(yán)密計算像片方位元素和建筑物高度的方法，參見圖l，其步驟如下步驟S11:拍攝包括完整建筑物的數(shù)碼像片，獲取該建筑物區(qū)域的數(shù)字地圖，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖設(shè)有數(shù)字地圖坐標(biāo)系；步驟S12:數(shù)字地圖上一點對應(yīng)于數(shù)碼像片中建筑物墻邊上的多個點，根據(jù)建筑物的層狀結(jié)構(gòu)，給不同高度的墻角點假定一個高程數(shù)據(jù)，墻角點為像片控制點，獲取像片控制點分別在像片二維坐標(biāo)系中和數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；步驟S13:建立攝影測量坐標(biāo)系?！猉^^Z、該攝影測量坐標(biāo)系以近似的攝影點位置為原點、實地東方向為X軸、垂直向上方向為Y軸、實地南方向為Z軸的右手三維空間坐標(biāo)系，將數(shù)字地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為攝影測量坐標(biāo)系；步驟S14:利用像片控制點在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計算像片的內(nèi)外方位元素和建筑物高度。步驟S12中，利用建筑物的層狀結(jié)構(gòu)選擇像片控制點，建筑物的一個房角點在數(shù)碼像片上可以選擇多個不同高度的像片控制點，并分別假定一個高度值。步驟S14中，包括完整建筑物的數(shù)碼像片的方位元素包括攝影像片的攝影位置參數(shù)義s、&、Zs、攝影姿態(tài)參數(shù)^、《、k、內(nèi)方位元素/、x。、根據(jù)像片控制點在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，利用攝影測量中的共線方程，計算數(shù)碼像片的方位元素、像片畸變參數(shù)^和建筑物高度，其中Is、&、Zs分別表示攝影點在攝影測量坐標(biāo)中的三維坐標(biāo)，伊、《、k分別表示攝影的側(cè)滾角、俯仰角和像片旋轉(zhuǎn)角，,為攝影物鏡焦距，X°、^為像片像主點的圖像坐標(biāo)，像片像主點為物鏡中心在像片上的垂足點。艮P:第一步獲取研究范圍的數(shù)字地圖。第二步用普通數(shù)碼相機拍攝建筑物的數(shù)碼像片。拍攝時要求拍攝到完整的建筑物，主要包括建筑物的高、低邊線，便于計算。第三步選擇數(shù)字地圖和數(shù)碼像片上對應(yīng)的點。由于數(shù)字地圖上一點對應(yīng)與建筑物墻邊線上的多個點，通過給不同高度的墻角點假定一個高程數(shù)據(jù)，這些點稱為像片控制點。通過編制相應(yīng)的軟件獲取像片控制點在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在像片坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)。利用建筑物的層狀結(jié)構(gòu)選擇像片控制點，建筑物的一個房角點在數(shù)碼像片上可以選擇多個不同高度的像片控制點，并分別假定一個高度值。第四步建立攝影測量坐標(biāo)系^-^^^Z"，以攝影位置為原點或以近似攝影位置為原點，高程方向為Y軸、攝影方向的反方向為Z軸的右手系。通過編制相應(yīng)的軟件將地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到攝影測量坐標(biāo)系。第五步利用同名點在攝影測量坐標(biāo)和二維像片平面坐標(biāo)計算像片的方位元素和建筑物高度。更詳細(xì)的為-.(1)獲取數(shù)字地圖。(2)拍攝數(shù)碼像片。(3)獲取像片控制點的地圖坐標(biāo)和像片坐標(biāo)。由于數(shù)字地圖上一點對應(yīng)于建筑物墻邊線上的多個點，通過給不同高度的墻角點假定一個高程數(shù)據(jù)。(4)建立攝影測量坐標(biāo)系"—Z。y。ZD。坐標(biāo)系以近似攝影位置或攝影位置為原點，高程方向為Y軸、攝影方向的反方向為Z軸的右手系。通過編制相應(yīng)的軟件將地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到攝影測量坐標(biāo)系。地圖坐標(biāo)系向攝影測量坐標(biāo)系Z)-ZoyDZD轉(zhuǎn)換過程分為平移、y軸和Z軸互換以及平面旋轉(zhuǎn)四個步驟，其中平移、y軸和Z軸互換用公式來實現(xiàn)<7—7—70J￡)—厶圖厶S、乙D一』SJ圖(1)平面旋轉(zhuǎn)公式為Xt=^cos(q;)+Zflsin()Zt=_Xfls/w(a)+Zflcos()(2)式中；Xfl&Z。代表像片控制點的地圖坐標(biāo)平移至以D為原點的坐標(biāo)；Zffl&z目代表像片控制點的數(shù)字地圖坐標(biāo)系的坐標(biāo)；X〗"《代表攝影測量坐標(biāo)原點D的地圖坐標(biāo)；Z'KZt代表像片控制點的攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；"代表攝影時的攝影方向的地面方位角。(5)根據(jù)共線方程，利用像片控制點的攝影測量坐標(biāo)和像片坐標(biāo)計算像片的內(nèi)外方位元素、像片畸變和建筑物高度。計算的數(shù)學(xué)模型是解算模型中包含四類參數(shù)攝影點位置、攝影點姿態(tài)、內(nèi)方位元素和影像畸變系數(shù)。解算的未知數(shù)包括五類未知數(shù)，分別是攝影點位置^s、&、Z、以^WS來表示；Xs、&、A分別表示攝影點在攝影測量坐標(biāo)中的三維坐標(biāo)。攝影點姿態(tài)^、w、^，以^^卜*來表示；^、"、^分別表示攝影的側(cè)滾角、俯仰角和像片旋轉(zhuǎn)角。內(nèi)方位元素,"。、^，以^^來表示；,為攝影物鏡焦距，"Q、^為像片像主點即物鏡中心在像片上的垂足點的圖像坐標(biāo)。影像畸變系數(shù)S，以7*來表示；未知點空間坐標(biāo)^0、^、Zo中的部分或全部，以^*^來表示。解算模型的誤差方程式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中F、^為誤差方程式的改正數(shù)。按未知數(shù)分類用矩陣表示為-P=1外直+AT外角十C^內(nèi)+IIY崎變+5X未知點一Z(4)式中「為誤差方程式的改正數(shù)矩陣；丄為誤差方程式常數(shù)項矩陣；中包含了建筑物高度的未知數(shù)。然后按最小二乘法原理可以計算各個未知數(shù)。采用VisualC#.NET編程，利用ArcGISENGINE地圖控件，自動實現(xiàn)數(shù)字地圖和數(shù)碼像片的坐標(biāo)量測。對圖2中的像片中19點對應(yīng)的三個房角點的坐標(biāo)見表1。表1數(shù)字地圖上的二維平面坐標(biāo)及其高程初始值<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>建立的攝影測量坐標(biāo)原點"的坐標(biāo)為-%s0=1038.892(m).y/=l222.86l(m)Zs0=9.000(m)其中，《為近似值。以攝影的近似方位角"攝=1.06730270945475弧度的反向為Z軸。將表l中的地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到攝影測量坐標(biāo)系"—z。^Zo中，轉(zhuǎn)換結(jié)果見表2。表2控制點的攝影測量坐標(biāo)系坐標(biāo)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>利用轉(zhuǎn)換后的攝影測量坐標(biāo)系坐標(biāo)和像片坐標(biāo)，計算的各未知數(shù)見表3.表3計算結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1、一種利用數(shù)字地圖計算像片方位元素和建筑物高度的方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟1拍攝包括完整建筑物的數(shù)碼像片，獲取該建筑物區(qū)域的數(shù)字地圖，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖設(shè)有數(shù)字地圖坐標(biāo)系；步驟2數(shù)字地圖上一點對應(yīng)于數(shù)碼像片中建筑物墻邊上的多個點，根據(jù)建筑物的層狀結(jié)構(gòu)，給不同高度的墻角點假定一個高程數(shù)據(jù)，墻角點為像片控制點，獲取像片控制點分別在像片二維坐標(biāo)系中和數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；獲取像片像主點的在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點為攝影物鏡中心在像片上的垂足點；步驟3建立攝影測量坐標(biāo)系D-XDYDZD，該攝影測量坐標(biāo)系以近似的攝影點位置為原點、實地東方向為X軸、垂直向上方向為Y軸、實地南方向為Z軸的右手三維空間坐標(biāo)系，將像片控制點在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，該轉(zhuǎn)換過程分為平移、Y軸和Z軸互換以及平面旋轉(zhuǎn)四個步驟，其中平移、Y軸和Z軸互換用方法為式1平面旋轉(zhuǎn)方法為式2式中；XDYDZD代表像片控制點的地圖坐標(biāo)平移至以D為原點的坐標(biāo)；X圖Y圖Z圖代表像片控制點的數(shù)字地圖坐標(biāo)系的坐標(biāo)；代表攝影測量坐標(biāo)原點D的地圖坐標(biāo)；XtYtZt代表像片控制點的攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；α代表攝影時的攝影方向的地面方位角；步驟4根據(jù)攝影測量中的共線方程計算像片的方位元素和建筑物高度；像片的方位元素包括攝影位置(XS、YS、ZS)，攝影的側(cè)滾角攝影俯仰角ω和像片旋轉(zhuǎn)角κ，f攝影物鏡焦距，像片像主點的圖像坐標(biāo)(x0、y0)；攝影點位置(XS、YS、ZS)，以X外直來表示；XS、YS、ZS分別表示攝影點在攝影測量坐標(biāo)中的三維坐標(biāo)；攝影的側(cè)滾角攝影俯仰角ω和像片旋轉(zhuǎn)角κ以X外角來表示；f為攝影物鏡焦距，x0、y0為像片像主點即物鏡中心在像片上的垂足點的圖像坐標(biāo)，f、x0、y0，以X內(nèi)來表示；影像畸變系數(shù)κ1，以X畸變來表示；未知點空間坐標(biāo)(XD、YD、ZD)，以X未知點來表示；計算方程為式中Vx、Vy為誤差方程式的改正數(shù)；按未知數(shù)分類用矩陣表示為V＝AX外直+BX外角+CX內(nèi)+DX畸變+EX未知點-L式4式中V為誤差方程式的改正數(shù)矩陣；L為誤差方程式常數(shù)項矩陣；X未知點中包含了建筑物高度的未知數(shù)；然后按最小二乘法原理可以計算各個未知數(shù)。全文摘要本發(fā)明提供了一種利用數(shù)字地圖計算像片方位元素和建筑物高度的方法，該方法包括如下步驟步驟S1拍攝包括完整建筑物的數(shù)碼像片，獲取該建筑物區(qū)域的數(shù)字地圖，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖設(shè)有數(shù)字地圖坐標(biāo)系；步驟S2數(shù)字地圖上一點對應(yīng)于數(shù)碼像片中建筑物墻邊上的多個點，根據(jù)建筑物的層狀結(jié)構(gòu)，給不同高度的墻角點假定一個高程數(shù)據(jù)，墻角點為像片控制點，獲取像片控制點分別在像片二維坐標(biāo)系中和數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；獲取像片像主點的在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點為攝影物鏡中心在像片上的垂足點。該方法外業(yè)工作量小，代價低，精度高。文檔編號G01B11/03GK101545775SQ20091002660公開日2009年9月30日申請日期2009年5月5日優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日發(fā)明者沙月進,王慧青,旋胡申請人:東南大學(xué)