專利名稱：基于數(shù)字地圖的數(shù)碼像片方位元素獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種獲取像片方位元素的方法，尤其涉及一種利用數(shù)字地圖獲取普通數(shù)碼像片方位元素的方法。

背景技術(shù)：
計(jì)算像片的方位元素是攝影測量和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要內(nèi)容，利用像片的方位元素可以進(jìn)一步對攝影目標(biāo)進(jìn)行三維測量。目前，計(jì)算像片的方位元素的方法主要有兩種方法借助控制點(diǎn)計(jì)算和GPS/INS觀測的方法。
借助控制點(diǎn)計(jì)算的方法是利用一定數(shù)量、合理分布的三維控制點(diǎn)(計(jì)算機(jī)視覺中又稱為黃金點(diǎn))，建立與相應(yīng)影像點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算像片的參數(shù)具有很廣泛的研究和應(yīng)用，該方法同樣可以實(shí)現(xiàn)視頻幀的內(nèi)外方位元素的解算(張祖勛.數(shù)字?jǐn)z影測量與計(jì)算機(jī)視覺[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2004.12，12(29))。目前已廣泛應(yīng)用于攝影測量領(lǐng)域。
利用GPS/INS觀測的方法是近十多年來發(fā)展而來的新技術(shù)，采用GPS/INS組合系統(tǒng)(簡稱POS系統(tǒng))來獲取航空攝影時(shí)影像的空間方位(即利用GPS確定攝站的空間位置，利用IMU慣性測量裝置獲取影像的姿態(tài)角)，以直接用于航測內(nèi)業(yè)的像片定向，目的是取代攝影測量加密工序(CannonM E，Sun H.Experimentalassessment of a non-dedicate GPS receiver system for airborne attitudedetermination[J].ISPRS Jour nal of Photogrammetry & Remote Sensing，1996，51(2)99-108.)。同樣，該技術(shù)也可以用于地面上，通過在機(jī)動車上裝配GPS/CCD/INS/或航位推算系統(tǒng)等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備，可以在車輛的高速行進(jìn)之中快速采集道路及道路兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，如道路中心線或邊線位置坐標(biāo)，目標(biāo)地物的位置坐標(biāo)，路、車道、寬、橋、隧道高、交通標(biāo)志、坡度、道路設(shè)施等數(shù)據(jù)同步存儲在車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，經(jīng)事后編輯處理，形成內(nèi)容豐富的道路空間信息數(shù)據(jù)庫(李德仁.移動測量技術(shù)及其應(yīng)用[J].地理空間信息.2006年8月1-5)。
目前采用的技術(shù)方法盡管精度較高，但也有其不足。借助控制點(diǎn)計(jì)算的方法無法做到實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)工作量大。而GPS/INS觀測高昂的價(jià)格一直制約著它的推廣應(yīng)用(何秀鳳，徐勇，桑文剛.微小型IMU/GPS組合定位定向系統(tǒng)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版.第30卷第11期，2005年11月991-994)。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一利用數(shù)字地圖計(jì)算普通數(shù)碼像片方位元素的方法，使得獲取三維空間信息更簡便、快捷、廉價(jià)。
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)方案是一種基于數(shù)字地圖的數(shù)碼像片方位元素獲取方法，該方法包括如下步驟 步驟1拍攝數(shù)碼像片和與該數(shù)碼像片相對應(yīng)的數(shù)字地圖，該數(shù)碼像片包括至少5個(gè)地物點(diǎn)，數(shù)字地圖中包括與地物點(diǎn)對應(yīng)的同名點(diǎn)，地物點(diǎn)及同名點(diǎn)統(tǒng)稱為控制點(diǎn)，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獲取控制點(diǎn)在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)及在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和像片像主點(diǎn)在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為攝影物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)； 步驟3建立攝影測量坐標(biāo)系D-XDYDZD，該攝影測量坐標(biāo)系以近似的拍攝點(diǎn)位置為原點(diǎn)、實(shí)地東方向?yàn)閄軸、垂直向上方向?yàn)閅軸、實(shí)地南方向?yàn)閆軸的右手三維空間坐標(biāo)系，將控制點(diǎn)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)； 步驟4利用控制點(diǎn)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)獲取像片的方位元素，獲取方法包括如下步驟 步驟41利用控制點(diǎn)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)，根據(jù)二維直接線性變換原理計(jì)算像片二維直接線性變換第一參數(shù)、第二變換參數(shù)、第三變換參數(shù)、第四變換參數(shù)、第五變換參數(shù)、第六變換參數(shù)、第七變換參數(shù)和第八變換參數(shù)，即 其中， (x、y)是控制點(diǎn)在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(X、Y)是控制點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；k1代表物鏡畸變參數(shù)；Δx、Δy是物鏡畸變對像片二維坐標(biāo)系的影響；l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8分別代表二維直接線性第一變換參數(shù)、第二變換參數(shù)、第三變換參數(shù)、第四變換參數(shù)、第五變換參數(shù)、第六變換參數(shù)、第七變換參數(shù)和第八變換參數(shù)；(x0、y0)為像片像主點(diǎn)的在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)； 引入過渡第一參數(shù)γ1、過渡第二參數(shù)γ2、過渡第三參數(shù)γ3，令 可以得到 步驟42由二維直接線性變換參數(shù)獲取攝影物鏡焦距，即 ，其中，f為攝影物鏡焦距； 步驟43引入旋轉(zhuǎn)矩陣設(shè) 可以得到 步驟44獲取像片的方位元素，像片的方位元素包括攝影點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(XS、YS、ZS)和攝影的側(cè)滾角、俯仰角和像片旋轉(zhuǎn)角分別用

、ω、κ表示； 其中

ω、κ獲取方法為
攝影點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(XS、YS、ZS)獲取方法為 f為攝影物鏡焦距，x0、y0為像片像主點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)。
有益效果本發(fā)明的有益效果在于利用現(xiàn)有的數(shù)字地圖為條件，計(jì)算普通數(shù)碼圖像的方位元素，為獲取三維空間信息提供了一條簡便、快捷、廉價(jià)的途徑，外業(yè)工作量小，代價(jià)低。



圖1為本發(fā)明提供的像片方位元素計(jì)算方法的流程圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明提供的計(jì)算方法能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)碼像片拍攝位置、攝影姿態(tài)、像片焦距和畸變的計(jì)算，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(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域。本發(fā)明在利用二維直接線性變換公式，根據(jù)數(shù)碼像片內(nèi)方位元素中的x0、y0近似等于0的特點(diǎn)，提出了計(jì)算像片內(nèi)方位元素的方法，參見圖1，其步驟如下 步驟S11獲取數(shù)碼像片和與該數(shù)碼像片相對應(yīng)的數(shù)字地圖，該數(shù)碼像片包括至少5個(gè)地物點(diǎn)，數(shù)字地圖中包括與地物點(diǎn)對應(yīng)的同名點(diǎn)，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖有數(shù)字地圖坐標(biāo)系； 步驟S12利用Visual C#平臺開發(fā)的軟件獲取同名點(diǎn)在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和地物點(diǎn)在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)； 步驟S13建立攝影測量坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系以近似的攝影點(diǎn)位置為原點(diǎn)、實(shí)地東方向?yàn)閄軸、垂直向上方向?yàn)閅軸、實(shí)地南方向?yàn)閆軸的右手三維空間坐標(biāo)系，將同名點(diǎn)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)； 步驟S14利用同名點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和地物點(diǎn)在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算像片的方位元素。
步驟S14包括如下步驟 步驟S141首先利用控制點(diǎn)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(jì)算像片二維直接線性變換參數(shù)和像片畸變參數(shù)； 步驟S142由二維直接線性變換參數(shù)計(jì)算攝影機(jī)的焦距； 步驟S143根據(jù)二維直接線性變換參數(shù)和攝影機(jī)拍攝時(shí)的焦距進(jìn)一步計(jì)算像片的外方位元素(包括攝影位置參數(shù)XS、YS、ZS和攝影姿態(tài)參數(shù)

ω、κ)，然后將攝影位置參數(shù)XS、YS、ZS轉(zhuǎn)換到地圖坐標(biāo)系中。
也就是說，本發(fā)明提供的方法包括 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(jī)拍攝研究目標(biāo)的數(shù)碼像片。拍攝時(shí)要求位于同一水平面上的地物點(diǎn)的個(gè)數(shù)在5個(gè)以上，即利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)，要包含至少5個(gè)地物點(diǎn)，這些地物點(diǎn)在實(shí)地應(yīng)處于同一水平面上，并且成像清晰，便于識別。同時(shí)這些地物點(diǎn)必須是數(shù)字地圖存在的點(diǎn)。
第三步選擇數(shù)字地圖和數(shù)碼像片上一一對應(yīng)的同名點(diǎn)。通過編制相應(yīng)的軟件獲取同名點(diǎn)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)。
第四步建立攝影測量坐標(biāo)系，具體方法見表1。然后將同名點(diǎn)在地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
表1 攝影測量坐標(biāo)系與地圖坐標(biāo)系的關(guān)系 第五步利用5個(gè)以上同名點(diǎn)的攝影測量坐標(biāo)和二維像片坐標(biāo)計(jì)算像片的方位元素。
計(jì)算像片的方位元素，步驟如下 ①計(jì)算二維直接線性變換參數(shù) 考慮影像畸變，即為二維直接線性變換公式 其中包含像片畸變參數(shù)k1。
式中x、y是控制點(diǎn)的圖像坐標(biāo)； X、Y是控制點(diǎn)的攝影測量坐標(biāo)； Δx、Δy是物鏡畸變對圖像坐標(biāo)的影響； l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8是二維直接線性變換參數(shù)； k1代表物鏡畸變系數(shù)； x0、y0 x0、y0為像片像主點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn) 根據(jù)最小二乘法原理，利用間接平差計(jì)算公式(1)中的二維直接線性變換參數(shù)l1……l8和畸變參數(shù)k1。
②計(jì)算像片方位元素與二維直接線性變換之間的關(guān)系。
根據(jù)平面點(diǎn)高程相同的條件，將攝影測量中的共線方程進(jìn)行變換為 式中f是攝影物鏡焦距； ai、bi、ci是旋轉(zhuǎn)矩陣中的各值。
通分合并為 為表述方便，引入過渡參數(shù)γ1、γ2、γ3，令 可簡化得 當(dāng)x0＝0、y0＝0時(shí)得到 式中l(wèi)1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8是二維直接線性變換參數(shù)。
對公式(3)的參數(shù)進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算 由以上兩式可以解算影像焦距 進(jìn)一步得到 或 代人到(3)式，可以得到旋轉(zhuǎn)矩陣中的六個(gè)參數(shù) 同樣可以得到 攝影姿態(tài)參數(shù)
式中

ω、κ是攝影瞬間的攝影姿態(tài)參數(shù)。
其中

ω、κ分別表示攝影的側(cè)滾角、俯仰角和像片旋轉(zhuǎn)角，f為像片焦距， 攝影位置參數(shù)的解算 ③利用②中的格式由二維直接線性變換參數(shù)計(jì)算像片方位元素。
下面更進(jìn)一步的說明本發(fā)明。
選取所拍攝的像片中中位于同一地平面上的六個(gè)點(diǎn)，在像片上測量像素點(diǎn)坐標(biāo)，在數(shù)字地圖上測量二維地圖坐標(biāo)。各坐標(biāo)系的算例觀測數(shù)據(jù)見表2。
表2 平面控制結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)坐標(biāo)
計(jì)算步驟和結(jié)果如下 (1)計(jì)算二維DLT參數(shù)和影像畸變 計(jì)算結(jié)果為 l1＝-0.0073896 l2＝-2.8547409 l3＝3159.7316 l4＝-0.3400813 l5＝0.0011163 l6＝353.6026 l7＝-0.000970 l8＝-0.0000002 k1＝-6.4×10-10 (2)計(jì)算焦距 (像素) (3)計(jì)算γ1、γ2、γ3的值 先計(jì)算 然后計(jì)算 (4)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣 (5)計(jì)算外方位元素，然后轉(zhuǎn)換回地圖坐標(biāo)系中，計(jì)算結(jié)果為

(弧度) ω＝0.000209(弧度) κ＝-0.000405(弧度) XS＝1031.344(米) YS＝1104.133(米) ZS＝10.445(米)
權(quán)利要求
1、一種基于數(shù)字地圖的數(shù)碼像片方位元素獲取方法，其特征在于該方法包括如下步驟
步驟1拍攝數(shù)碼像片和與該數(shù)碼像片相對應(yīng)的數(shù)字地圖，該數(shù)碼像片包括至少5個(gè)地物點(diǎn)，數(shù)字地圖中包括與地物點(diǎn)對應(yīng)的同名點(diǎn)，地物點(diǎn)及同名點(diǎn)統(tǒng)稱為控制點(diǎn)，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獲取控制點(diǎn)在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)及在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和像片像主點(diǎn)在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為攝影物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)；
步驟3建立攝影測量坐標(biāo)系D-XDYDZD，該攝影測量坐標(biāo)系以近似的拍攝點(diǎn)位置為原點(diǎn)、實(shí)地東方向?yàn)閄軸、垂直向上方向?yàn)閅軸、實(shí)地南方向?yàn)閆軸的右手三維空間坐標(biāo)系，將控制點(diǎn)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)；
步驟4利用控制點(diǎn)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)獲取像片的方位元素，獲取方法包括如下步驟
步驟41利用控制點(diǎn)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)，根據(jù)二維直接線性變換原理計(jì)算像片二維直接線性變換參數(shù)，即
式1
其中，
(x、y)是控制點(diǎn)在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(X、Y)是控制點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；k1代表物鏡畸變參數(shù)；Δx、Δy是物鏡畸變對像片二維坐標(biāo)系的影響；l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8分別代表二維直接線性第一變換參數(shù)、第二變換參數(shù)、第三變換參數(shù)、第四變換參數(shù)、第五變換參數(shù)、第六變換參數(shù)、第七變換參數(shù)和第八變換參數(shù)；(x0、y0)為像片像主點(diǎn)的在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)；
引入過渡第一參數(shù)γ1、過渡第二參數(shù)γ2、過渡第三參數(shù)γ3，令
可以得到
步驟42由二維直接線性變換參數(shù)獲取攝影物鏡焦距，即
其中，f為攝影物鏡焦距；
步驟43引入旋轉(zhuǎn)矩陣設(shè)
可以得到
步驟44獲取像片的方位元素，像片的方位元素包括攝影點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(XS、YS、ZS)和攝影的側(cè)滾角、俯仰角和像片旋轉(zhuǎn)角分別用
ω、κ表示；
其中
ω、κ獲取方法為
攝影點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(XS、YS、ZS)獲取方法為
f為攝影物鏡焦距，x0、y0為像片像主點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)，a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3分別為旋轉(zhuǎn)矩陣中不同的數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字地圖的數(shù)碼像片方位元素獲取方法，步驟1拍攝數(shù)碼像片和與該數(shù)碼像片相對應(yīng)的數(shù)字地圖，該數(shù)碼像片包括至少5個(gè)地物點(diǎn)，數(shù)字地圖中包括與地物點(diǎn)對應(yīng)的同名點(diǎn)，地物點(diǎn)及同名點(diǎn)統(tǒng)稱為控制點(diǎn)，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獲取控制點(diǎn)在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)及在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和像片像主點(diǎn)在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為攝影物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)；步驟3建立攝影測量坐標(biāo)系D-XDYDZD。本發(fā)明利用現(xiàn)有的數(shù)字地圖為條件，計(jì)算普通數(shù)碼圖像的方位元素，為獲取三維空間信息提供了一條簡便、快捷、廉價(jià)的途徑，外業(yè)工作量小，代價(jià)低。
文檔編號G01C11/00GK101545776SQ20091002672
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(jìn), 胡伍生, 魏林金 申請人:東南大學(xué)