一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法与流程

本发明涉及摄影测量和计算机视觉几何定位技术领域，尤其涉及一种距离约束的摄影测量高精度目标定位方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明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，本发明的步骤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，本发明的步骤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，本发明的步骤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，本发明的步骤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，本发明的步骤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。

本发明产生的有益效果是：本发明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发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明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，自动建立同一空间点在不同图像中所成像点之间对应关系，同一空间点在不同图像上的对应点被称为同名像点。量测时要将图像上同名点全部量测出来。

5.计算物理坐标初始值；

目标点物理坐标初始值是平差模型线性化的关键，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，对本质进行奇异值分解估计摄影机运动参数，最后计算出目标点的三维坐标。具体计算过程如下：

假设基础矩阵为量测的同名像点坐标为m＝[uv1]^t，m′＝[u′v′1]^t，则满足：

m′fm＝0(1)

当量测了8对以上同名点时，则可利用最小二乘法对式(1)进行求解，即得到基础矩阵f。

由相机标定参数形成相机内部矩阵结合基础矩阵f可以计算出本质矩阵e为：

e＝k′fk(2)

对本质矩阵进行奇异值分解，得到：

e＝udv′(3)

利用分解结果计算摄像机的运动参数r和t为：

r＝uan′,t＝(001)′(4)

其中

由摄像机运动参数和摄像机内参数矩阵，形成不同位置的摄像机的投影矩阵：

如果同名像点m和m′对应的物方点齐次坐标为(xwywzw1),则满足：

根据公式(6)即可求解目标点三维坐标。

6.计算图像外方位元素初始值；

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。由于基础矩阵是在差一个常数因子情况下求解出来的，造成外方位线元素与实际值存在一个比例，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。

7.自由网平差计算；

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，如公式(7)所示，建立误差方程式，最后按最小二乘平差方法进行求解。

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。

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。

给定改正阈值(根据精度要求，阈值范围可设定为0.1mm)，判断改正值的大小，如果改正值小于给定的阈值，停止计算，得到目标点的高精度坐标。

如果改正值大于阈值，则由平差后的相机运动参数，重新按照步骤6计算目标点的三维坐标，重复步骤7进行带约束条件的平差计算，再次判断计算出的改正值大小，直到满足限小于给定的阈值。

8.结果验证

为验证本发明方法的正确性和可行性，利用一台数码相机对室内设定的一组目标点进行定位试验，试验采用的相机参数如表1所示。选用的铟钢尺为2m长，经国家指定质量检验处检定。

表1试验采用的相机参数

将铟钢尺放置在量测目标前方，利用上述相机对目标拍摄图像，从不同位置共拍摄9幅图像，利用自行编写的图像量测程序，获取每个目标点在多张图像上的图像坐标，按照本发明所述流程计算目标点三维坐标。目标点的实际三维空间坐标由高精度全站仪观测得到，但由于在实验过程中是任意放置，所以其三维坐标值已发生变化，但目标点之间的距离没有改变，为评定本发明方法确定目标点的精度，利用本发明计算出来的点间距离与实际距离进行比较，结果如表2所示。

表2本发明方法精度评定

从表2可以看出，利用本发明方法所确定的点间距离与实际观测结果非常接近，两者之间的差值均在毫米级，从统计结果可值，距离差值最大1.7mm，距离差值均方根0.9mm，结果和传统高精度全站仪观测结果一致。这说明本发明所述的目标点确定方法是正确、可行的，能够简化传统作业方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。