已知摄站位置的近景摄影测量目标定位方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法及系统，进行摄站位置三维坐标获取，包括测量获得影像拍摄时摄站的三维坐标；对拍摄的目标点图像，量测在影像上的二维坐标；引入单位四元数构建影像空间到物方空间的旋转矩阵；相对定向获取物方三维坐标初始值，对单位四元数构建的旋转矩阵求微分，建立关于单位四元数的误差方程式；建立单位四元数约束条件方程，附带有限定条件的区域网平差，包括利用附带有限定条件的间接平差方法进行迭代计算，求解目标点三维坐标。本发明专利技术的实施毋需布设影像控制点，减少了区域网平差时对摄影坐未知数的求解，方法简单易行，测量速度快，减少了作业时间，极大提高了测量作业效率。

【技术实现步骤摘要】
已知摄站位置的近景摄影测量目标定位方法及系统
本专利技术涉及摄影测量和视觉测量几何定位
，尤其涉及已知摄站位置的近景摄影测量目标定位方法及系统。
技术介绍
获取目标的几何位置是摄影测量和视觉测量中关键问题之一。其原理主要是利用摄像机，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，主要优势在于具有非接触性、速度快、可同时获取众多观测目标、精度高等特点。已经在地形测量、工业测量、城市三维建模、考古(古文物、古建筑等)、生物医学等众多领域得到应用。但其主要的缺陷在于，仅仅利用图像构建的测量目标在绝对位置、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，但存在整体的三维旋转和一个尺寸大小比例缩放。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，摄影测量中称为影像控制点(已知其在影像上的二维坐标和对应物方的三维坐标)。获取影像控制点的做法是利用其它测量工具(GNSS测量方法、全站仪、激光扫描仪、激光跟踪仪等)，对少量被测目标点进行三维坐标测量，将其作为外部控制，对构建的三维模型进行三维旋转和一定的比例缩放，从而得到观测目标的绝对几何信息。而影像控制点的获取是非常繁琐的事情，一般先要在被测目标前建立三维控制场，然后对目标点逐一进行观测。这种做法工作量大、作业进度慢，后期数据处理也较为复杂，需要求解的未知量包括目标点的三维坐标和拍摄每张像片时候摄像机的位置、姿态(6个外方位元素)，一般通过光束法区域网平差求解。因此，本领域亟待更有效率的技术方案出现。
技术实现思路
本专利技术的技术特点在于针对现有技术的不足，提供一种已知摄站位置的近景摄影测量目标定位技术方案。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案提供一种已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法，在没有影像控制点的条件下执行包括以下步骤：步骤1、摄站位置三维坐标获取，包括测量获得影像拍摄时摄站的三维坐标；步骤2、目标点图像坐标量测，包括对拍摄的目标点图像，量测在影像上的二维坐标；步骤3、基于单位四元数的旋转矩阵构建，包括引入单位四元数q0，qx，qy，qz构建影像空间到物方空间的旋转矩阵；步骤4、相对定向获取物方三维坐标初始值，包括在已知摄站位置的情况下，利用影像的相对位置关系，使同名光线相交于一点得到物方三维坐标初始值；步骤5、四元数误差方程式建立，包括对单位四元数构建的旋转矩阵求微分，建立关于单位四元数的误差方程式；步骤6、建立单位四元数约束条件方程，包括由单位四元数满足平方和为1的限定条件，求微分以后得到约束条件方程；步骤7、附带有限定条件的区域网平差，包括利用附带有限定条件的间接平差方法进行迭代计算，求解目标点三维坐标。而且，步骤1中摄站位置三维坐标获取方式如下，将摄影测量相机与三个全反射棱镜以刚体连接，保证相机与三个棱镜之间的相对距离不变，使用前先在室内标定场将相机到三个反射棱镜的几何距离标定出来；使用时利用安置在一固定位置的全站仪观测三个棱镜的坐标，同时利用相机拍摄目标，则拍摄时刻摄站位置的三维坐标由距离交会计算得到。而且，步骤2中目标点图像坐标量测实现方式如下，将拍摄的目标图像逐一导入，对待量测的目标，获取在图像坐标系中的坐标，图像坐标系以图像左上角为原点；在多张影像上出现的同一目标点均分别进行量测。而且，步骤3中基于单位四元数的旋转矩阵构建实现方式如下，其中，R为引入单位四元数q0，qx，qy，qz表示的旋转矩阵。而且，步骤4中相对定向获取物方三维坐标初始值时，量测3对同名像点以后，利用同名光线相交于一点的共面条件方程，计算物方点的初始坐标。而且，步骤5中建立四元数误差方程式实现如下，采用共线条件方程描述的非线性相机成像模型，表达式为：其中，x0，y0，f为相机的内方位元素；(XS，YS，ZS)为摄站坐标；(X，Y，Z)为物方空间坐标；(x，y)为像点坐标；Rij为单位四元数构成的旋转矩阵R中第i行第j列元素，i,j＝1,2,3；Δx，Δy为畸变改正量，畸变改正量表示为：式中，k1，k2，k3为径向畸变参数；p1，p2为离心畸变参数；b1，b2为剪切畸变和吸引畸变参数；r为像点坐标(x，y)到像主点(x0，y0)的径向距离；根据式(一)对式(二)进行线性化，得误差方程式为：其中，vx,vy为像点坐标改正值，dq0,dqx,dqy,dqz为单位四元数改正值，a11,a12,a13,a14,a21,a22,a23,a24为单位四元数改正值系数；dX,dY,dZ为物方坐标改正值，b11,b12,b13,b21,b22,b23为物方坐标改正值系数，lx,ly为误差方程式常数项。而且，步骤6中建立单位四元数约束条件方程实现如下，单位四元数满足以下约束条件，对上式线性化，得约束条件方程为：q0dq0+qxdqx+qydqy+qzdqz+w＝0(六)其中，其中，w为单位四元数约束条件微分后的常数项。而且，步骤7中附带有限定条件的区域网平差方法实现如下，如果某一物方点位于n张影像上，则对每张影像上的像点坐标建立如式(四)所示的误差方程式，用矩阵形式表示为：其中，矩阵中各元素dX＝[dXdYdZ]T；本步骤中上标k用于标识第k张影像的相应参数；按间接平差方法对式(八)进行法化得法方程为：其中，矩阵中各元素对式(九)采用消元法消去坐标未知数改正数，只保留像片单位四元数参数得，基于式(六)、式(十)得到用矩阵形式表示的附有限制条件的间接平差模型：其中，V为单位四元数误差方程改正值矩阵，A为单位四元数改正值系数矩阵，L为单位四元数误差方程常数矩阵，B为单位四元数约束方程系数矩阵，W为单位四元数约束方程常数矩阵；利用每个目标点量测的像点坐标，在每个图像点都建立误差方程之后，基于式(十一)进行平差方法求解改正数，并对物理坐标初始值进行改正；如果改正值小于预设的阈值，停止计算，得到目标点的三维坐标；如果改正值大于等于阈值，则由平差后的相机参数，重新按照步骤5到步骤7进行迭代，再次判断计算出的改正值大小，直到满足小于预设的阈值。另一方面，本专利技术还提供一种已知摄影位置的近景摄影测量目标定位系统，用于实现如上所述的一种已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法。而且，包括以下模块，第一模块，用于摄站位置三维坐标获取，包括测量获得影像拍摄时摄站的三维坐标；第二模块，用于目标点图像坐标量测，包括对拍摄的目标点图像，量测在影像上的二维坐标；第三模块，用于基于单位四元数的旋转矩阵构建，包括引入单位四元数q0，qx，qy，qz构建影像空间到物方空间的旋转矩阵；第四模块，用于相对定向获取物方三维坐标初本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法，其特征在于，在没有影像控制点的条件下执行包括以下步骤：/n步骤1、摄站位置三维坐标获取，包括测量获得影像拍摄时摄站的三维坐标；/n步骤2、目标点图像坐标量测，包括对拍摄的目标点图像，量测在影像上的二维坐标；/n步骤3、基于单位四元数的旋转矩阵构建，包括引入单位四元数q

【技术特征摘要】
1.一种已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法，其特征在于，在没有影像控制点的条件下执行包括以下步骤：
步骤1、摄站位置三维坐标获取，包括测量获得影像拍摄时摄站的三维坐标；
步骤2、目标点图像坐标量测，包括对拍摄的目标点图像，量测在影像上的二维坐标；
步骤3、基于单位四元数的旋转矩阵构建，包括引入单位四元数q0，qx，qy，qz构建影像空间到物方空间的旋转矩阵；
步骤4、相对定向获取物方三维坐标初始值，包括在已知摄站位置的情况下，利用影像的相对位置关系，使同名光线相交于一点得到物方三维坐标初始值；
步骤5、四元数误差方程式建立，包括对单位四元数构建的旋转矩阵求微分，建立关于单位四元数的误差方程式；
步骤6、建立单位四元数约束条件方程，包括由单位四元数满足平方和为1的限定条件，求微分以后得到约束条件方程；
步骤7、附带有限定条件的区域网平差，包括利用附带有限定条件的间接平差方法进行迭代计算，求解目标点三维坐标。


2.根据权利要求1所述的已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法，其特征在于：步骤1中摄站位置三维坐标获取方式如下，
将摄影测量相机与三个全反射棱镜以刚体连接，保证相机与三个棱镜之间的相对距离不变，使用前先在室内标定场将相机到三个反射棱镜的几何距离标定出来；使用时利用安置在一固定位置的全站仪观测三个棱镜的坐标，同时利用相机拍摄目标，则拍摄时刻摄站位置的三维坐标由距离交会计算得到。


3.根据权利要求1所述的已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法，其特征在于：步骤2中目标点图像坐标量测实现方式如下，
将拍摄的目标图像逐一导入，对待量测的目标，获取在图像坐标系中的坐标，图像坐标系以图像左上角为原点；在多张影像上出现的同一目标点均分别进行量测。


4.根据权利要求1或2或3所述的已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法，其特征在于：步骤3中基于单位四元数的旋转矩阵构建实现方式如下，



其中，R为引入单位四元数q0，qx，qy，qz表示的旋转矩阵。


5.根据权利要求4所述的已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法，其特征在于：步骤4中相对定向获取物方三维坐标初始值时，
量测3对同名像点以后，利用同名光线相交于一点的共面条件方程，计算物方点的初始坐标。


6.根据权利要求4所述的已知摄影位置的近景摄影测量目标定位方法，其特征在于：步骤5中建立四元数误差方程式实现如下，
采用共线条件方程描述的非线性相机成像模型，表达式为：



其中，x0，y0，f为相机的内方位元素；(XS，YS，ZS)为摄站坐标；(X，Y，Z)为物方空间坐标；(x，y)为像点坐标；Rij为单位四元数构成的旋转矩阵R中第i行第j列元素，i，j＝1，2，3；Δx，Δy为畸变改正量，畸变改正量表示为：



式中，k1，k2，k3为径向畸变参数；p1，p2为离心畸变参数；b1，b2为剪切畸变和吸引畸变参数；r为像点坐标(x，y)到像主点(x0，y0)的径向距离；
根据式(一)对式(二)进行线性化，得误差方程式为：



其中，vx，vy为像点坐标改正值，dq0，dqx，dqy，dqz为单位四元数改正值，a11，a12，a13，a14，a21，a...

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