一種可定位定姿的近景攝影測量系統(tǒng)和測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種可定位定姿的近景攝影測量系統(tǒng)和測量方法，屬于測繪科學與技 術領域，具體的設及攝影測量技術。該系統(tǒng)利用裝在相機上的棱鏡和架設在通視范圍內的 全站儀對系統(tǒng)進行實時跟蹤定位，利用裝在相機底部云臺下方的水平度盤和相機左/右側 的垂直度盤對系統(tǒng)進行實時定姿。通過建立棱鏡、水平度盤、垂直度盤和相機的關系模型， 將定位定姿數(shù)據(jù)轉換到相機中屯、，從而在利用攝影測量技術拍攝影像的同時，獲取相機的 位置和姿態(tài)等信息。
【背景技術】
[0002] 攝影測量是研究利用攝影或遙感的手段獲取被測物體的信息(影像)，經過分析、 處理，確定被測物體的形狀、大小和位置，并判斷其性質的學科。攝影測量的特點是不接觸 被測對象，間接地采集被測對象的幾何信息和物理信息，不受區(qū)域限制，量測工作和信息獲 取分別進行；量測工作大部分在室內進行；機械化和自動化程度高。
[0003] 作為攝影測量學的一 口分支一-近景攝影測量在建筑物的變形觀測、動態(tài)監(jiān)測、 文物保護等工作中起著重要的作用。與=維激光掃描、傳統(tǒng)手工測量等測繪手段相比，近景 攝影測量設備成本低廉、外業(yè)采集時間短、數(shù)據(jù)量小，該些優(yōu)點使得近景攝影測量技術在文 物測繪、考古、隧道、橋梁、機械、海洋等領域中的應用將越來越廣泛，將數(shù)字攝影測量技術 與RS(遙感)、GPS、GIS進行集成，在城市規(guī)劃、文物保護、地下工程等實踐中取得了良好的 效果。
[0004] 攝影測量逐步發(fā)展到了全數(shù)字攝影測量階段。目前，數(shù)字攝影測量的應用已經很 廣泛，能W某種精度測定物體的形狀、大小和運動參數(shù)。隨著計算機技術的發(fā)展和微處理機 的廣泛應用，近景攝影測量技術正朝著自動化的方向發(fā)展。
[0005] 攝影測量的一大特點就是測繪外業(yè)周期短，作業(yè)速度快，勞動強度大為降低。然而 相比外業(yè)，攝影測量的內業(yè)工作量較大，除了需要對大量影像提取特征點并匹配外，還需要 解算影像的外方位元素和待求點地面坐標。
[0006] 并且隨著普通數(shù)碼相機在近景攝影測量中的廣泛應用，如今的數(shù)字攝影測量與傳 統(tǒng)的單基線立體、測標的近景攝影測量相比已有了很大的差別。傳統(tǒng)的攝影測量多是模擬 "人的雙目"，依靠一條基線、兩張影像所構成的立體像對，即"單基線立體"。該種基于作業(yè) 員的目視立體觀測的模擬、解析攝影測量必須根據(jù)精度要求，考慮被攝對象的遠景、近景， 來設計攝影基線、交向角，比較復雜。且若W-個立體像對為單位，則難W像航空攝影測量 一樣，按一個攝影區(qū)域進行處理。特別是對房屋該種體形體比較龐大、特殊的目標時，很難 進行拍攝及后續(xù)數(shù)據(jù)處理。并且對單基線立體的處理一般均按非量測相機的直接線性變換 進行，每個像對至少需要6個控制點，因此增加了外業(yè)的工作量。若希望利用現(xiàn)有的非量測 數(shù)碼相機，減少外業(yè)控制點，進行自檢校區(qū)域網平差，提高精度和匹配的可靠性，則需要對 傳統(tǒng)算法進行改進，在近景攝影測量中采用短基線、大角度、多目視覺，即大傾角多基線近 景攝影測量方法。
[0007] 為快速、準確解算大傾角多基線攝影測量，需要提供外方位線元素和角元素的初 值，即通過定位定姿系統(tǒng)提供相機中屯、的位置和姿態(tài)信息。利用大傾角多基線攝影測量的 數(shù)學模型，每個攝站對被攝物拍若干張一定重疊度的像片，可構成多基線多影像組序列，提 高影像匹配的效率和可靠性，生成高精度的建筑=維模型。
[0008] 現(xiàn)今對于可定位定姿的攝影測量系統(tǒng)主要集中在航空攝影測量、地面移動攝影測 量系統(tǒng)（匪S)中。無論是航測還是匪S中的定位定姿系統(tǒng)，都是IMU/DGPS組合的高精度位 置與姿態(tài)測量系統(tǒng)（positionandorientationsystem,P0S)。POS系統(tǒng)利用裝在飛機上 的GI^接收機和設在地面上的一個或多個基站上的GI^接收機同步而連續(xù)地觀測GI^衛(wèi)星 信號，精密定位主要采用差分GI^定位（DGPS)技術，而姿態(tài)測量主要是利用慣性測量裝置 IMU來感測飛機或其他載體的加速度，經過積分運算，獲取載體的速度和姿態(tài)等信息。因此， POS的產品組成包括導航處理計算機（PCS)、慣性測量單元（IMU)、里程計（DMI)、導航信息 綜合顯示軟件和導航數(shù)據(jù)緊密集成軟件等。
[0009] 同樣將相機和定位定姿系統(tǒng)結合考慮的是妹卡公司生產的TS15圖像全站儀。 TS15全站儀在傳統(tǒng)全站儀上假設了一臺500萬像素的相機，利用相機結合自動化照準，超 級捜索等功能，使得圖像測量解脫了肉眼瞄準測量的繁瑣。同時通過使用全站儀的內置相 機獲取目標物體立體像對，完成攝影測量。即在使用內置相機獲取目標物體立體像對，根據(jù) 相機主光軸和全站儀視準軸之間的關系，W及全站儀在每次拍攝測量時的攝站信息和姿態(tài) 信息，可W獲取每張像片的6個外方位元素，從而在無地面控制點的情況下進行攝影測量。
[0010] 目前可定位定姿的攝影測量系統(tǒng)主要是將各種先進且昂貴的測量儀器進行集成， 構成復雜，數(shù)據(jù)處理難度大，精度提高較困難。
[0011] POS系統(tǒng)利用GI^進行定位，然而GI^數(shù)據(jù)輸出頻率低，在高動態(tài)環(huán)境下可靠性較 差，且會產生"周跳"現(xiàn)象；利用IMU進行定姿，但IMU的姿態(tài)參數(shù)誤差會隨著時間的增加 而迅速積累。二者的組合雖可W-定程度上取長補短，提高準確度，但若用于近景攝影測量 中，精度仍然難W滿足要求。例如，普通民用的NV-LINS800GPS/INS組合導航系統(tǒng)的精度 指標為：位置2m，速度0. 03m/s，側滾和俯仰0. 05。，偏航0.r，時間20ns;LD2000系統(tǒng) 攝影立體影像測量誤差與距離相關，隨著距離的增加，誤差逐漸增大，如攝影距離20m時， 立體影像測量誤差為0. 063m，攝影距離40m時，立體影像測量誤差則達到了 0. 252m;而目 前精度較高的P0S/AV510,經過嚴密數(shù)據(jù)處理后，位置精度最高為0. 05m，方向角度精度為 20" -30"?？梢?，利用可定位定姿的POS系統(tǒng)輔助攝影測量，在無需地面控制點的情況下， 可W達到部分比例尺地圖測圖的精度要求，但若是用于房屋、建筑等精度要求較高的地面 近景攝影測量，則還需改進。
[001引并且，GPS/IMU組合的計算模型復雜。GPS/IMU的數(shù)據(jù)處理主要有；種模式；松禪 合、緊禪合和超緊禪合，該也代表了不同的精度和水平。松禪合是最簡單的組合模式。在此 模式下GI^和IMU接收機各自獨立工作，分別輸出位置與速度信息，再由組合Kalman濾波 器（W測量誤差為狀態(tài)）進行優(yōu)化處理，給出最優(yōu)的結果，并反饋給IMU進行修正，該種等級 的組合是基于位置與速度的組合，至少要存在4顆衛(wèi)星才能得到GI^的導航信息，從而對濾 波器進行更新。此外如果GPS接收機采用自己的Kalman濾波器求解其位置和速度，該種組 合導致濾波器的串聯(lián)，使組合導航觀測噪聲時間相關，不滿足Kalman濾波器觀測噪聲為白 噪聲的基本要求，嚴重時可能使濾波器不穩(wěn)定。緊禪合改進了松禪合的算法，但對軟硬件要 求較高，實現(xiàn)難度較大。超緊禪合方式相對于松禪合和緊禪合是更復雜的組合方式，甚至設 及到內部碼環(huán)載波環(huán)電路的重新編排，在結構或算法方面與松、緊禪合相比都更加復雜。
[0013] 而Leica公司生產的TS15圖像全站儀，是由全站儀提供角度和站點位置信息，通 過視準軸和主光軸的關系，推算出每張像片的外方位元素，進而對目標點的地面坐標進行 解算。TS15全站儀相機主要參數(shù)為；500萬像素，焦距21mm。因此TS15的局限在于，裝置 不夠不靈活、鏡頭分辨率低、精度不高。
[0014] 同樣重要的是，無論是GPS/IMU組成的定位定姿系統(tǒng)，還是全站儀和相機的組合， 儀器裝置的價格均較為昂貴，數(shù)據(jù)處理模型也較為復雜，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來不小的工 作量。
[0015] 而傳統(tǒng)近景攝影測量的單基線立體方法是基于作業(yè)員目視立體觀測的模擬、解析 攝影測量必須根據(jù)精度要求，考慮被攝對象的遠景、近景，設計攝影基線、交向角，比較復 雜。且若W-個立體像對為單位，則難W像航空攝影測量一樣，按一個攝影區(qū)域進行處理。 因此當被測物體形體比較特殊時(例如較大型的房屋或高塔等建筑物)，則很難進行拍攝及 后續(xù)數(shù)據(jù)處理。并且對單基線立體的處理，一般均按非量測相機的直接線性變換進行，每個 像對至少需要6個控制點，因此增加了外業(yè)的工作量。

【發(fā)明內容】

[0016] 本發(fā)明旨在解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，提高近景攝影測量效率和精度，簡 化數(shù)據(jù)處理模型，節(jié)約成本。
[0017] 傳統(tǒng)近景攝影測量對拍攝要求較高，需要垂直目標拍攝，否則在未知外方位元素 初值的情況下，法方程的解算無法收斂于正確結果；且在數(shù)據(jù)處理中需要一定數(shù)量的控制 點。為提高近景攝影測量的效率，進一步減小外業(yè)工作量，提高精度，需要對儀器設備及解 算方法進行改進。然而，令人遺憾的是目前在該方面仍是一項巨大的市場空白。本發(fā)明將 采用最實用、簡便方法組成定位定姿系統(tǒng)，運用最先進的大傾角、多基線攝影測量算法處理 數(shù)據(jù)，為攝影測量的數(shù)據(jù)采集和處理提供新的高效率方法。
[0018] 通過大量的外業(yè)控制點進行攝影測量，從而解求像