一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法技术

本发明专利技术公开了一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法，该方法包括以下步骤：步骤1、相机内参数标定；步骤2、拍摄包含铟钢尺的目标图像；步骤3、目标点图像坐标量测；步骤4、采用最小二乘法计算目标点的三维坐标，作为目标点的物理坐标初始值；步骤5、图像外方位元素初始值获取；步骤6、计算距离约束的网平差；步骤7、平差迭代收敛判断，判断每次计算出的改正数，直到满足限差要求；得到目标点的高精度坐标。本发明专利技术的方法毋需单独布设控制点，可获得毫米级目标点位精度，方法简单、快速，减少了作业时间，测量速度快，极大提高了测量作业效率。

A High Precision Target Location Method for Photogrammetry with Distance Constraints

【技术实现步骤摘要】
一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法
本专利技术涉及摄影测量和计算机视觉几何定位
，尤其涉及一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法。
技术介绍
摄影测量目标定位是利用摄像机，通过获取被测量目标的图像，经处理后而得到被摄物体的几何和位置信息，具有非接触性、速度快、可同时获取众多观测目标、精度高等优点。已经从航空摄影测量领域扩展到了考古(古文物、古建筑等)、生物医学、工业测量等众多领域。而其主要的缺陷在于，仅仅利用图像构建的测量目标在尺寸大小、相互距离等几何信息方面都是相对的，即利用图像构建的三维模型与实际物体是相似的，存在一个比例缩放。要想得到被测目标的绝对几何信息，就要依赖与外部控制点。一般的做法是利用其它测量工具(全站仪、激光扫描仪、激光跟踪仪等)观测少量被测目标中的几何信息或点的坐标值，将其作为外部控制，对构建的三维模型进行一定的比例缩放，从而得到观测目标的绝对几何信息。为了获取高精度的控制信息，常常需要在被测目标前建立三维控制场。如利用全站仪交会测量建立三维控制场，首先要在被测目标前设立2-4个稳定的强制对中基座，用于安置全站仪，强制对中基座可用钢筋焊接或水泥现场浇筑。将仪器安置于强制对中基座之后，首先对两台全站仪之间进行相对定向，确定角度观测的起始方向。旋转仪器法的操纵步骤为：a)在两个要进行相互观测的全站仪A、B上分别固定大头针，将仪器严格精平，并用仪器粗瞄器互相瞄准对方仪器；b)将全站仪A设置为盘左观测；c)照准B仪器上的大头针记录水平方向H1，并将B仪器水平方向置零；d)将全站仪B旋转180°，自全站仪A照准B仪器上的大头针记录水平方向H2；e)将全站仪B旋转180°，转换为盘右观测；f)重复(c)和(d)两步，完成一个测回，并将观测值取平均作为AB起始方向；按照同样的步骤可以确定BA的起始方向。在确定起始方向之后，还要通过标准尺法测量铟钢尺上某一段已知长度来反算测站AB之间的精确距离，之后通过角度观测交会计算控制点坐标。这种做法较为繁琐、工作量大，这与摄影测量快速获取大量被测目标的要求严重不符。而且，对于测量精度要求高，测量时间紧迫，测量空间有限的情况下根本无法实施。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法，该方法包括以下步骤：步骤1、相机内参数标定；步骤2、拍摄包含铟钢尺的目标图像；步骤3、目标点图像坐标量测：将拍摄的目标图像导入量测软件，对待量测的目标，获取其在图像坐标系中的坐标，以图像一角为原点，同时量测出铟钢尺上具有一定距离的两点，作为图像点；步骤4、采用最小二乘法计算目标点的三维坐标，作为目标点的物理坐标初始值；步骤5、图像外方位元素初始值获取：在获取了目标点的三维坐标之后，使其和图像点相互对应，然后按照单片后方交会方法计算出图像的外方位元素，即三个位置参数、三个姿态参数；步骤6、计算距离约束的网平差：对量测的图像点坐标按一定顺序编号，使其与物理坐标一一对应；然后按摄影测量共线条件模型进行线性化，建立平差的误差方程式；在建立误差方程时，对于铟钢尺上的两点，引入距离约束作为平差约束条件；步骤7、平差迭代收敛判断：在每个图像点都建立误差方程之后，采用具有约束条件的最小二乘间接平差方法求解改正数，并对物理坐标初始值进行改正，重复步骤6和步骤7，判断每次计算出的改正数，直到满足限差要求；得到目标点的高精度坐标。进一步地，本专利技术的步骤1中进行相机内参数标定的方法为：对选定的相机，在手动模式下调整好拍摄景深，然后将其固定不变；选择高精度室内三维标定场，保证相机从标定场正面左、中、右三个方向拍摄影像，提取图像上标志点图像坐标，并计算相机内参数。进一步地，本专利技术的步骤2中拍摄包含铟钢尺的目标图像的方法具体为：对要进行量测的目标进行图像采集，采集时在目标的指定位置放置铟钢尺，保证拍摄的图像既包含要量测的目标，也包含铟钢尺；拍摄时要从正面、上面、下面、左面、右面五个不同方向进行拍摄，确保量测目标在不同影像上有重叠。进一步地，本专利技术的步骤4中目标点物理坐标初始值的获取方法为：目标点物理坐标初始值的计算采用运动结构算法，从多幅图像恢复物体三维几何形状；由量测的同名像点，在相差一个常数因子的情况下，采用最小二乘求解基础矩阵，并对其进行SVD分解得到本质矩阵，对本质矩阵进行奇异值分解计算摄影机运动参数，最后计算出目标点的三维坐标。进一步地，本专利技术的步骤5中图像外方位元素初始值获取的方法为：由目标点的三维坐标和每张图像对应的图像坐标，利用基于共线条件的单像空间后方交会方法，计算出相片的外方位元素值；由于基础矩阵求解时缺少一个常数因子，造成外方位线元素与实际值存在一定比例，改比例值由铟钢尺上的实际长度与初始值之比得到，并对外方位线元素进行改正。进一步地，本专利技术的步骤6中计算距离约束的网平差的方法为：在目标点初始值和外方位元素初始值都确定的情况下，基于摄影测量共线条件方程，建立误差方程式，最后按最小二乘平差方法进行求解；基于摄影测量共线条件方程为：将畸变量表示为：式中，(x，y)为图像坐标；(X，Y，Z)为图像点对应的物方坐标；(XS,YS,ZS)为相机外方位线元素；(Rij,i,j＝1,2,3)为相机外方位角元素构成的旋转矩阵；(f，x0，y0)为相机内方位元素；(k1,2,3，p1,2)为相机畸变参数；r2＝x2+y2。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的距离约束的摄影测量高精度目标定位方法，基于摄影测量原理，用摄像机拍摄包含高精度铟钢尺和观测目标的影像，经距离约束的网平差计算，可以得到目标的高精度坐标，毋需单独布设控制点，可获得毫米级目标点位精度，方法简单、快速，减少了作业时间，测量速度快，极大提高了测量作业效率。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的方法流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术实施例的距离约束的摄影测量高精度目标定位方法，包括以下步骤：1.相机内参数标定；对选定的摄像机，在手动模式下调整好拍摄景深，然后将其固定不变。内参数的标定通过拍摄室内高精度三维控制场计算得到。2.选取铟钢尺；根据拍摄场景的实际情况，选取一定长度的铟钢尺，一般有1米、2米或3米长等型号。选取后的铟钢尺必须经过国家检测要求，即对铟钢尺间隔长度平均值及各分米分划误差有如下要求：铟钢尺米间隔长度平均值与标称值之差，一支标尺不得超过±0.1mm，一副标尺不得超过±0.05mm；一排分划的刻划标准差不得超过±13um。3.目标点图像拍摄；将铟钢尺放置在需要量测的目标点前，利用选定的摄像机拍摄包含铟钢尺和量测目标的影像，要求从不同位置进行拍摄，且相邻影像之间有60％以上的重叠度。获取的影像应光照均匀，目标清晰。4.目标点量测；将图像上目标点精确量测出来是计算其三维坐标的关键，在图像处理中称为特征点提取。对于多张图像而言，还要将特征点之间进行匹配，自动建本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、相机内参数标定；步骤2、拍摄包含铟钢尺的目标图像；步骤3、目标点图像坐标量测：将拍摄的目标图像导入量测软件，对待量测的目标，获取其在图像坐标系中的坐标，以图像一角为原点，同时量测出铟钢尺上具有一定距离的两点，作为图像点；步骤4、采用最小二乘法计算目标点的三维坐标，作为目标点的物理坐标初始值；步骤5、图像外方位元素初始值获取：在获取了目标点的三维坐标之后，使其和图像点相互对应，然后按照单片后方交会方法计算出图像的外方位元素，即三个位置参数、三个姿态参数；步骤6、计算距离约束的网平差：对量测的图像点坐标按一定顺序编号，使其与物理坐标一一对应；然后按摄影测量共线条件模型进行线性化，建立平差的误差方程式；在建立误差方程时，对于铟钢尺上的两点，引入距离约束作为平差约束条件；步骤7、平差迭代收敛判断：在每个图像点都建立误差方程之后，采用具有约束条件的最小二乘间接平差方法求解改正数，并对物理坐标初始值进行改正，重复步骤6和步骤7，判断每次计算出的改正数，直到满足限差要求；得到目标点的高精度坐标。

【技术特征摘要】
1.一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、相机内参数标定；步骤2、拍摄包含铟钢尺的目标图像；步骤3、目标点图像坐标量测：将拍摄的目标图像导入量测软件，对待量测的目标，获取其在图像坐标系中的坐标，以图像一角为原点，同时量测出铟钢尺上具有一定距离的两点，作为图像点；步骤4、采用最小二乘法计算目标点的三维坐标，作为目标点的物理坐标初始值；步骤5、图像外方位元素初始值获取：在获取了目标点的三维坐标之后，使其和图像点相互对应，然后按照单片后方交会方法计算出图像的外方位元素，即三个位置参数、三个姿态参数；步骤6、计算距离约束的网平差：对量测的图像点坐标按一定顺序编号，使其与物理坐标一一对应；然后按摄影测量共线条件模型进行线性化，建立平差的误差方程式；在建立误差方程时，对于铟钢尺上的两点，引入距离约束作为平差约束条件；步骤7、平差迭代收敛判断：在每个图像点都建立误差方程之后，采用具有约束条件的最小二乘间接平差方法求解改正数，并对物理坐标初始值进行改正，重复步骤6和步骤7，判断每次计算出的改正数，直到满足限差要求；得到目标点的高精度坐标。2.根据权利要求1所述的距离约束的摄影测量高精度目标定位方法，其特征在于，步骤1中进行相机内参数标定的方法为：对选定的相机，在手动模式下调整好拍摄景深，然后将其固定不变；选择高精度室内三维标定场，保证相机从标定场正面左、中、右三个方向拍摄影像，提取图像上标志点图像坐标，并计算相机内参数。3.根据权利要求1所述的距离约束的摄影测量高精度目标定位方法，其特征在于，步骤2中拍摄包含铟钢尺的目标图像的方法具体为：对要进行量测的目标进行图像采集，采集时在目标的指定位...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆祥，付建红，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42