CH695120A5

CH695120A5 - Anordnung und Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten mindestens eines Objekpunktes.

Info

Publication number: CH695120A5
Application number: CH00948/00A
Authority: CH
Inventors: Dr Wieland Feist; Dr Ludwin-Heinz Monz; Marcel Seeber
Original assignee: Trimble Jena Gmbh
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2005-12-15
Also published as: DE19922341A1; GB2353862B; GB0011378D0; DE19922341C2; JP2000337815A; GB2353862A; US6731329B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten mindestens eines Objektpunktes durch Video-Messbild-Tachymetrie, vorzugsweise zur Anwendung in der Geodäsie und auch in der Gebäude- und Objektvermessung.

Moderne elektronische Tachymeter verfügen über eine Anordnung zur automatischen Feinzielsuche. Im ersten Schritt würden sie bei Vorhandensein einer Bildauswerteelektronik die Speicherung des Zielbildes zur Ergänzung der Messdaten des Tachymeters ermöglichen, die aus der Distanz zu dem durch einen Reflektor markierten Zielpunkt, dem Horizontalwinkel und dem Vertikalwinkel bestehen. Damit kann das gesamte Umfeld des Messpunktes im digitalen Bild festgehalten werden. Das wäre die einfachste Form eines Videotachymeters. Die Voraussetzung dazu ist, dass das Objektfeld oder das Objekt in horizontaler Richtung nahezu senkrecht zur optischen Achse des Videotachymeters stehen und alle Objekte im Zielbild gleichzeitig scharf erscheinen. Ebenso muss die Zielung nahezu horizontal liegen.

Eine Anordnung eines "Videotachymeters" ist in der DE 3 628 350 angegeben. Dort wird mit einer Videokamera, die auf einem Tachymeter angeordnet ist, der Reflektor mit einem Punktnummernschild fotografiert, um den Messwert des Tachymeters mit der Zusatzinformation, der Punktnummer, zu ergänzen. Hier werden also zusätzliche Informationen gesammelt, die lediglich einer besseren Dokumentierung der zu vermessenden Geländepunkte dienen. Vermessungen der Geländepunkte anhand der aufgenommenen Bilder sind mit dieser Anordnung nicht möglich.

Eine ebenso einfache Anordnung mit einer ganz anderen Aufgabe ist in der DE 19 800 336 dargestellt. Hier befindet sich auf der Kamera eine Sensormesseinheit zum Messen von Abständen. Mit dieser Anordnung werden Daten zur Orientierung der Kamera zum Objekt gesammelt und digital verwendet. Damit erhalten die Messwerte der Kamera eine absolute Orientierung.

In der WO 97/36 147 handelt es sich ebenfalls um die Orientierung einer Videokamera zu einer -Szene als Objekt mit ausgewählten drei Punkten, deren Lage bekannt ist. Zur Bestimmung der Lage der Kamera werden Daten aus den aufgenommenen Bildern verwendet.

Eine ganz andere Aufgabe behandelt die DE 19 604 018. Die Anordnung umfasst einen Theodolit mit einem Zielpunktpointierer und mit einem aufgesetzten Laserstrahlentfernungsmesser zur reflektorlosen Distanzmessung. Es wird nun die Distanz auf die Fläche des Objektes gemessen, und die Kanten desselben werden mit dem Fernrohr angezielt und die winkelmässige Position des Objektes bestimmt. Aus dem Abstand und dem Winkel kann dann die Breite des Objektes berechnet werden. Hier handelt es sich nicht um einen Videotachymeter. Aus den ermittelten Messdaten von Theodolit und Distanzmesser werden mit Hilfe eines Rechners Messwerte des Objektes berechnet. Eine Aufnahme eines Bildes von dem zu vermessenden Objekt und Ermittlung von Messdaten des Objektes aus diesem Bild erfolgt nicht.

In der EP 0 417 125 B1 (DE 68 904 911 T2) wird mit einer ähnlichen Anordnung über drei Punkte die Zuordnung dieser zu Flächen von Räumen durch die Messung von Strecken und Winkeln ermittelt. Misst man mehrere Flächen an, kann man Schnittgeraden und Eckpunkte je nach Anzahl der angemessenen Flächen ermitteln. Auch hier werden keine Bilder des zu vermessenden Raumes aufgenommen und daraus Messdaten gewonnen.

Anordnungen zur Entfernungsmessung und Scharfeinstellung bei Fotoapparaten genügen den hohen Genauigkeitsanforderungen in der Geodäsie nicht.

In der Firmeninformation "Surveyor <TM> ALS with Video Option" der Firma MDL wird mit Hilfe einer digitalen Videokamera von einem Objekt in Form eines Geländes ein Geländebild aus räumlich orientierten und positionierten Videobildern digital zusammengesetzt und mit Hilfe von polaren Daten (Strecke und Winkel), die wie mit einem normalen Tachymeter bestimmt werden, vermessen. Dieses digitale Geländebild besitzt eine Grundriss- und eine Höheninformation, wobei man die Letztere in Form von Höhenschicht-linien über eine geometrische Berechnung, wie sie bei der Herstellung von Plänen und Karten üblich ist, ermittelt und dann darstellt. Mit Hilfe dieser Daten kann man dann Massenberechnungen und Geländemodelle ableiten.

Da es sich nach der Information um einen reflektorlosen Distanzmesser handelt, kann man offenes Gelände von einem erhöhten Standpunkt aus ohne Begehung vermessen. Dies ist eine vorteilhafte Anwendungsvariante der Videotachymetrie. Sie besitzt leider nur eine sehr geringe Genauigkeit.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass nach dem genannten Stand der Technik - keine Messungen im Videobild ausgeführt werden, - keine Verknüpfung der Videobildmessdaten mit den Daten des Tachymeters und/oder Theodoliten, wie Strecke, Horizontal- und Vertikalwinkel, stattfindet, - keine Daten aus diesen direkten Messdaten abgeleitet werden, - und damit keine Videotachymetrie vorgenommen wird.

Die Zielstellung des EV besteht darin, aus dem gespeicherten Zielbild Messdaten zur Bestimmung weiterer Objektpunkte zu erhalten und zu nutzen. Zu diesem Zweck werden mehrere durch Reflektoren markierte Basispunkte im Videobild festgehalten, zu denen nachfolgend Strecken und Winkel zentrisch gemessen werden, um bei einer späteren Heimauswertung der Messdaten und Messbilder noch nachträglich Messpunkte zwischen den markierten Basispunkten aus den Messdaten des Videobildes zu bestimmen. Bei grossen Entfernungen erscheinen alle Bilder nahezu gleichzeitig scharf. Um bei kürzeren Zielentfernungen, bei denen sich die Objekte in der Tiefe erstrecken, den markierten Objektpunkt in -einem scharfen Umfeld zu erkennen, wird auf dieses Bild mit maximalem Kontrast von den Bildern der Basispunkte aus transformiert.

So wird eine genaue Markierung des gewünschten Objektpunktes möglich. Das digitale Bild muss aus diesem Grunde die Qualität eines Messbildes besitzen. Diese Möglichkeit erlaubt es, bei der Geländeaufnahme sich auf wenige Schwerpunkte zu beschränken, die gleichzeitig die Basispunkte bilden, um weitere Objektpunkte aus dem Videobild während der Heimarbeitsphase zu bestimmen, die rechnerisch in ihrer Position aus den Basispunkten abgeleitet werden. Diese Objektpunkte können sowohl während der Aufnahme als auch hinterher im Videobild durch einen Mausklick markiert werden. Diese Möglichkeit spart Zeit bei der Aussenaufnahme, und sie gestattet Ergänzungen zur örtlichen Aufnahme ohne nachträgliche Begehung und zusätzlichen Feldvergleich.

So liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Video-Messbild-Tachymetrie zu schaffen, mit welchen aus dem aufgenommenen Zielbild Messdaten zur effektiven Bestimmung der Position von Objektpunkten gewonnen werden können und mit welchen der Aufwand bei geodätischen Messungen verringert wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe der Erfindung mit einer Anordnung nach dem ersten Patent-anspruch und einem Verfahren zum Betrieb der Anordnung, wie dieses in Patentanspruch 6 aufgeführt ist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen. So ist es vorteilhaft, wenn die Markierung der tachymetrisch bestimmten Basispunkte in den aufgenommenen Zielbildern vorgenommen wird.

Um die Vermessung von Objektpunkten zu erleichtern und die Arbeit draussen im Feld zu reduzieren, erfolgt vorteilhaft die Auswahl von zu vermessenden Objektpunkten P i am Zielpunkt in einem, auf einen dort vorgesehenen Bildschirm übertragenen Zielbild oder später bei der häuslichen Bearbeitung anhand von aufgenommenen und gespeicherten Zielbildern.

Eine Anordnung zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten mindestens eines Objektpunktes umfasst im Messstandpunkt ein elektronisches Tachymeter mit einer automatischen Zieleinrichtung und mit einem Sender und im Zielpunkt einen Zielstab mit Reflektor, Empfänger und das graphische Feldbuch mit Speicherbauelementen. Das elektronische Tachymeter oder Videotachymeter ist um eine vertikale Achse schwenkbar und umfasst einen um eine Kippachse kippbaren Streckenmesser und eine Video-kamera mit CCD-Matrix. Das Videotachymeter umfasst ferner eine Zieleinrichtung und Winkelmesseinrichtungen zur Messung von Horizontal- und Höhenwinkeln.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn zur optischen Achse der Videokamera mindestens ein Teil des Strahlenganges der Streckenmessanordnung koaxial angeordnet ist, wenn eine in Abhängigkeit von der durch die Streckenmessanordnung gemessenen Entfernung steuerbare oder manuell nach der Schärfe des Videobildes einstellbare Fokussieranordnung zur Fokussierung der CCD-Matrix der Videokamera vorgesehen ist und wenn ein Bildverarbeitungssystem zur Erkennung von Objektpunkten und deren Spezifizierung als Objektpunkt mit einer bestimmten Posi-tion vorgesehen sind.

Vorteilhaft ist die CCD-Matrix der Videokamera zwecks Fokussierung in einem in Richtung der optischen Achse steuerbar verschiebbaren Tubus angeordnet, dessen Verschiebung durch einen, nach -einem Algorithmus computergesteuerten Antrieb realisierbar ist.

So ist es weiterhin vorteilhaft, dass der jeweilige Verschiebeweg der CCD-Matrix entsprechend den von der Streckenmessanordnung ermittelten Entfernungen zum jeweils angezielten Basispunkt durch den Computer berechnet ist.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn eine Bildauswerteeinrichtung eine Autofokussierautomatik so steuert, dass die zu einer beliebigen Objektebene gehörende Fokussierstellung der CCD-Matrix Zielbildkoordinaten des gewünschten Objektpunktes P i misst, wobei die Basispunkte B 1 und B 2 , deren Bilder B' 1 und B' 2 in den Zielbildebenen M' 1 und M' 2 liegen, angezielt sein müssen.

Der Verschiebeweg kann auch hier bei der Fokussierung der CCD-Matrix aus dem durch eine Bildtransformation nach maximalem, auf eine zwischen den Zielbildebenen der Basispunkte gelegenen Objektpunktebene abgeleitet werden.

Um auch im Zielpunkt alle Operationen wie im Standpunkt vornehmen zu können, umfasst der im Zielpunkt gelegene Zielstab einen Signal- bzw. Datenempfänger und einen Computer mit einem Zielbildschirm.

Es ist vorteilhaft, bei einem Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten mindestens eines Objektpunktes P i aus den Koordinaten mindestens zweier, als Bezugspunkte dienender Basispunkte, die mit Hilfe eines in einem Aufnahmestandpunkt angeordneten um eine vertikale Stehachse StA schwenkbaren, mit einer um eine horizontale Kippachse kippbaren Aufnahme für einen Streckenmesser, mit einer Videokamera mit CCD-Matrix, mit einer Zieleinrichtung und mit Winkelmesseinrichtungen versehenen Videotachymeters bestimmt werden, folgende Verfahrensschritte vorzusehen:

- Anzielung zweier im Objektraum liegender Basispunkte und durch das in einem Aufnahmestandort angeordnete und um eine Stehachse um einen Horizontalwinkel drehbare Videotachymeter mit einer um die horizontale Kippachse um Höhenwinkel kippbaren Videokamera und Bestimmung der Schrägdistanzen und zu den mindestens zwei Basispunkten und mit Hilfe der Streckenmessanordnung des Video-tachymeters,

- Herstellung von zwei jeweils die mindestens zwei Basispunkte enthaltenden Videobildern und Speicherung derselben, wobei die Kamera jeweils so ausgerichtet wird, dass das Bild des jeweils angezielten Basispunktes im jeweiligen Hauptpunkt des Objektivs der Videokamera liegt,

- Bestimmung der Koordinaten x, y und z mindestens eines im durch die Videobilder erfassten Raum liegenden, gesuchten, während der Aufnahme oder auf den aufgenommenen Videobildern markierten Objektpunktes mit Hilfe der in den Zielbildern ausgemessenen Zielbildkoordinaten des auf der CCD-Matrix der Videokamera abgebildeten, ausgewählten und im Objektraum gelegenen Objektpunktes aus den Schrägdistanzen zu den Basispunkten, aus dem gemessenen Horizontalwinkel, aus den Höhenwinkeln zu den Basispunkten, aus einer Gerätekonstante und aus der Brennweite des Objektivs der Video-kamera, wobei diese Koordinaten x, y und z Koordinaten eines Koordinatensystems mit den Achsen X; Y;

Z mit ihrem im Schnittpunkt von Kipp- und Stehachse des Videotachymeters liegenden Koordinatenursprung sind und die Stehachse senkrecht auf der X-Y-Ebene steht und die Richtung der Z-Achse festlegt.

Es ist vorteilhaft, wenn das Verfahren in folgenden Verfahrensschritten durchgeführt wird:

a. Anzielung eines ersten Basispunktes durch Einstellen der Achse der Videokamera unter einem ersten Horizontalwinkel und unter einen ersten Höhenwinkel gegenüber der X-Y-Ebene in Richtung des ersten Basispunktes und Messen des ersten Höhenwinkels und des ersten Horizontalwinkels, wobei der Scheitel dieses Höhenwinkels und des Horizontalwinkels in der Kippachse des Videotachymeters liegt; Aufnahme und Speicherung eines ersten Zielbildes und Messung der Schrägdistanz zu diesem ersten Basispunkt mit einem koaxial zur Achse der Videokamera des Videotachymeters angeordneten Streckenmessanordnung, wobei die Videokamera so ausgerichtet wird, dass das Bild des ersten Basispunktes im Hauptpunkt des Objektivs der Videokamera liegt und ausserdem das Bild des zweiten Basispunktes enthält.

b. Schwenken des Videotachymeters um einen durch die beiden Basispunkte und die Stehachse des Videotachymeters gebildeten zweiten Horizontalwinkel, wobei der Scheitel dieses Winkels am Ort der Stehachse liegt;

c. Anzielung eines zweiten Basispunktes durch Einstellen der Achse der Videokamera unter einem zweiten Horizontalwinkel und unter einem zweiten Höhenwinkel gegenüber der X-Y-Ebene in Richtung des zweiten Basispunktes und Messen des zweiten Höhenwinkels und des zweiten Horizontalwinkels, wobei der Scheitel dieses Winkels in der Kippachse des Tachymeters liegt, Aufnahme und Speicherung eines zweiten Messbildes und Messung der Schrägdistanz zu diesem zweiten Basispunkt mit dem Streckenmesser des Videotachymeters, wobei die Videokamera so ausgerichtet wird, dass das Bild des zweiten Basispunktes im Hauptpunkt des Objektivs der Videokamera liegt und ausserdem das Bild des ersten Basispunktes enthält.

d. Bestimmung der Koordinaten beliebiger, in den aufgenommenen Zielbildern enthaltener, im Objekt-raum liegender Objektpunkte mit Hilfe der Koordinaten des ersten und des zweiten Basispunktes durch

da. Markierung des gesuchten Objektpunktes während der Aufnahme im jeweiligen anstehenden Videobild oder

Markierung des gesuchten Objektpunktes in den aufgenommenen Videobildern durch Mausklick,

db. Messung der Zielbildkoordinaten des Objektpunktes in den aufgenommenen Videobildern bzw. Aufnahmen,

dc. Umrechnung der in der jeweiligen Ebene der CCD-Matrix liegenden Zielbildkoordinaten des Objektpunktes in im Objektraum liegende analoge Koordinaten mit Hilfe - der gemessenen Schrägdistanzen zu den beiden Basispunkten, korrigiert mit der Gerätekonstanten, - der ausgemessenen Zielbildkoordinaten, - der Brennweite des Objektivs der Videokamera,

dd. Berechnung von Parametern von benötigten Stützpunkten mit Hilfe von - in den Objektraum umgerechneten Bildkoordinaten der Zielbilder, - den gemessenen Schrägdistanzen zu den beiden Basispunkten, - dem gemessenen Horizontalwinkel, um den das Videotachymeter bei der aufeinanderfolgenden Anzielung der Basispunkte um die Stehachse geschwenkt werden muss, - den gemessenen besagten Höhenwinkeln zu den Basispunkten, - Strecken, die aus dem Horizontalwinkel, von den besagten Schrägdistanzen und den beiden Höhenwinkeln abgeleitet werden,

de. Transformation dieser Stützpunktparameter in die Koordinaten des Koordinatensystems X; Y; Z mit seinem Ursprung im Schnittpunkt von Stehachse und Kippachse und Bestimmung der Koordinaten dieser Stützpunkte in diesem Koordinatensystem.

e. Berechnung der Koordinaten x; y und z des Objektpunktes mit dem Koordinatenursprung des besagten Koordinatensystems, der im Schnittpunkt von Kipp- und Stehachse des Videotachymeters liegt, mit Hilfe der Koordinaten der besagten Stützpunkte durch Ermittlung der Koordinaten des Schnittpunktes zweier, von diesen Stützpunkten definierter Geraden g 1 und g 2 . Die Koordinaten dieses Schnittpunktes sind auch die Koordinaten des zu messenden Objektpunktes.

Zur Weiterführung eines in einem ersten Standpunkt des Tachymeters begonnenen Videobildpolygons mit einem aus Objektpunkten bestehenden Polygonzug von einem zweiten Tachymeterstandpunkt aus wird von dem ersten Standpunkt des Tachymeters aus der aus Objektpunkten bestehende Polygonzug ermittelt, welcher von dem zweiten Standpunkt des Tachymeters aus weitergeführt wird.

Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es insbesondere dann, wenn der zusätzliche Objektpunkt in einer anderen Schärfeebene liegt, wie es bei kurzen Zielentfernungen schnell der Fall sein kann, und der Beobachter auf diese Ebene umfokussieren und den gewünschten Objektpunkt deutlich markieren muss, vorteilhaft, wenn eine Bildauswerteeinrichtung die zu einer beliebigen Objektpunktebene gehörenden Zielbildkoordinaten des gewünschten Objektpunktes ermittelt, nachdem mit Hilfe einer Autofokussiereinrichtung in die Zielbildebenen der Objektpunkte fokussiert -wurde. Die Bildauswerteeinrichtung zur Erkennung von Objektpunkten und ihre Spezifizierung als Objektpunkt mit einer bestimmten Position erfolgt also durch eine Transformation von bekannten Zielbild-ebenen auf eine solche Ebene mit maximalem Kontrast.

Das Verfahren beinhaltet die fortschreitende Messpunktmarkierung in den Zielbildern im Zielpunkt, die Steuerung des Messablaufes und die Methode der Bestimmung der ausgewählten Objektpunkte aus den Messdaten des Tachymeters und seiner Kamera. Die Bestimmung der Objektpunkte in ihrer Posi-tion in allen drei Koordinaten aus zwei Messpunkten wird erfindungsgemäss nur dadurch möglich, dass man aus den Tachymeterdaten und den Videobilddaten zusätzlich Stützpunkte ableitet, so dass daraus sich schneidende Geraden gebildet werden können, deren Schnittpunkte dann die ausgewählten Objektpunkte mit ihren Koordinaten darstellen. Die tachymetrischen Bezugspunkte können auch durch einen Laserpointer markiert und die Distanzen reflektorlos gemessen werden. Die Horizontal- und Vertikalwinkel sind in der bekannten Weise mit der Anzielung gegeben.

Die markierten Bezugs- oder Basispunkte sind durch das Laserlicht im Videobild hervorgehoben. Durch die gegebenen Winkel ist auch die Zuordnung der Bilder gegeben.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 vereinfacht die Lage von Basispunkten und Objektpunkten zu einem visuellen Fernrohr, Fig. 2 das Sehfeld des visuellen Fernrohrs, Fig. 3 vereinfacht die Lage der Basis- und Objektpunkte zu einer CCD-Kamera mit Bildschirm, Fig. 4 das Bild auf dem Bildschirm der CCD-Kamera, Fig. 5 eine erfindungsgemässe Anordnung zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten von Objektpunkten, Fig. 5a einen Zielstab am Zielpunkt in Vorderansicht, Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung eines Videotachymeters, Fig.

7 die geometrischen Zusammenhänge bei der Anzielung zweier Basispunkte und Bestimmung der Koordinaten x und y eines Objektpunktes in der X-Y-Ebene, Fig. 8 die geometrischen Zusammenhänge bei der Anzielung zweier Basispunkte und die Bestimmung der Koordinaten eines Objektpunktes bei kurzen Zielentfernungen, Fig. 9 ein Schema der Bestimmung der räumlichen Koordinaten x; y und z eines Objektpunktes P i bezogen auf einen Tachymeterstandpunkt, und Fig. 10 einen Videopolygonzug zur Vermessung von Objektpunktreihen.

In Fig. 1 ist der Einfachheit halber ein visuelles Fernrohr 1 eines Tachymeters mit einem Objektiv 2 und einem Okular 3 dargestellt. Entfernt vom Fernrohr 1, z.B. im Gelände, liegen die Basispunkte B 1 und B 2 , deren Koordinaten x; y und z bekannt sind. Mit P 1 und P 2 sind die Objektpunkte bezeichnet, deren Koordinaten gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren mit Hilfe der Basispunkte B 1 und B 2 bestimmt werden sollen. Das Fernrohr 1 ist um eine Achse StA schwenkbar, so dass nacheinander die Basispunkte B 1 und B 2 angezielt werden können. Diese Basis- und Objektpunkte werden in bekannter Weise in der Okularbildebene 4 des Fernrohrs 1 abgebildet.

In Fig. 2 ist das in der Okularbildebene 4 des visuellen Fernrohrs 1 sichtbare Sehfeld 5 mit der Lage der Bilder der Basispunkte B' 1 und B' 2 und der Bilder der Objektpunkte P' 1 und P' 2 dargestellt. Mit X; Y und Z sind die Koordinatenachsen bezeichnet.

Fig. 3 zeigt eine Videokamera 6 mit einem Objektiv 7, in dessen Bildebene 8 eine aus CCD-Elementen bestehende CCD-Matrix 9 angeordnet ist, auf die das Gelände mit den Basispunkten und den Objektpunkten abgebildet wird. Auf einem Bildschirm 10 der Videokamera 6 wird das auf der CCD-Matrix 9 abgebildete Bildfeld mit den Bildern der Basis- und Objektpunkte B' 1 ; B' 2 ; P' 1 und P' 2 für den Beobachter sichtbar gemacht.

Fig. 4 zeigt auf dem Bildschirm 10 der Videokamera 6 die Lage der Bilder B' 1 ; B' 2 ; P' 1 und P' 2 der abgebildeten Basispunkte B 1 und B 2 und der Objektpunkte P 1 und P 2 . X; Y und Z kennzeichnen auch hier die Koordinatenachsen. Der Einfachheit halber und zur besseren Veranschaulichung der Verhält-nisse liegen auch hier wie bei Fig. 2 die Basis- und Objektpunkte in der X-Y-Ebene. Die Videokamera 6 ist um eine Achse StA schwenkbar, um sie nacheinander auf die Basispunkte B 1 und B 2 richten zu können. Hier kann der Beobachter mit der Mitte M des scheinbaren Strichkreuzes den Basispunkt B 1 anzielen und mit dem Cursor C markieren, um, wenn auch die Lage des Basispunktes B 2 bekannt ist, die Position z.B. des Objektpunktes P 1 rechnerisch zu bestimmen.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten von Objektpunkten, welche im Messstandpunkt ein elektronisches oder Videotachymeter 11 mit dem Dreifuss 12 auf einem Stativ 13 umfasst, wobei das Tachymeter 11 mit seiner Achse (Stehachse) StA nach der Lotzielachse 14 über einem Bodenpunkt 15 zentriert ist. Das Videotachymeter 11 ist mit Dreifussschrauben des Dreifusses 12 nach einer Dosenlibelle 16 horizontiert und besitzt die Videokamera 6 mit einem Grobvisier 17. Mit einem Knopf 18, welcher sich am Fernrohr befindet, kann gleichzeitig zwecks Anzielung eines Zielpunktes die Videokamera 6 um eine Kippachse gekippt und das gesamte Tachymeter 11 um die Achse StA gedreht werden. Das Videotachymeter ist weiterhin mit einem Sender mit einer Antenne 19 und einer Zieleinrichtung versehen.

Wie Fig. 5 zu entnehmen, befindet sich am oberen Teil des Tachymeters 11 ein Display 20, auf dem der Zielpunkt sichtbar ist. Ausserdem ist auf dem Display 20 durch ein Strichkreuz die Bildmitte markiert. Die genaue Zieleinstellung kann der Beobachter mittels des horizontalen Feintriebes und des Vertikalfeintriebes des Tachymeters 11 vornehmen.

Im Zielpunkt ist ein Zielstab 21 über einem Bodenpunkt 22 angeordnet, an welchem eine Dosenlibelle 23 zum senkrechten Ausrichten desselben sowie ein Reflektorträger 24, der den kippbaren Reflektor 25 trägt, angeordnet. Weiterhin befinden sich am Zielstab eine Batterie 26, ein Videodisplay 27, eine Bedieneinheit 28 mit einem eigenen Bildschirm und ein Funkgerät 29 (Fig. 5a) mit Antenne 30. Zur Ausrichtung auf das im Messstandpunkt befindliche Videotachymeter 11 setzt der Beobachter den Zielstab 21 in das Zentrum des Bodenpunktes 22, richtet den Stab nach der Dosenlibelle 23 senkrecht von Hand aus, dreht dann den Zielstab 21 und kippt den Reflektor 25 so lange, bis er das Videotachymeter 11 im Messstandpunkt angezielt hat. Damit kann auch das Tachymeter 11 mit seiner Zielachse ZA den Reflektor 25 am Zielstab 21 anzielen.

Die Funkstrecke führt die Bild- und Datenübertragung zwischen dem Messstandpunkt und dem Zielpunkt auf Befehl durch. Mit Hilfe eines Joysticks kann der Beobachter mit einem nicht dargestellten Cursor in dem auf dem Videodisplay 27 erscheinenden Zielbild die oben erwähnten Objektpunkte markieren und rechnerisch bestimmen lassen, wenn er zuvor die für die Bestimmung notwendigen Basispunkte bestimmt hat, wie es in den Fig. 4 und 5 dargestellt wurde.

Fig. 5a zeigt den in Fig. 5 genannten Zielstab 21 mit seinen an ihm angeordneten Einheiten in Vorderansicht, wobei gleiche Bezugszeichen für die gleichen Teile wie in Fig. 5 verwendet werden.

Fig. 6 zeigt den Aufbau des Videotachymeters 11 im Überblick. Der Dreifuss 12 trägt die Stütze 31 mit einem Bedienpult 32, einem Kamerakörper 33 der Videokamera 6 und das Display 20. Auf dem Kamerakörper 33 befindet sich ein Grobvisier 17 mit einem Okular 34 mit weit ausserhalb gelegener Austrittspupille 35 und einer Höhenjustiereinrichtung 36. Der Kamerakörper 33 trägt die Videokamera 6 umfassend das Objektiv 7 mit dem vorderen Knotenpunkt K und der CCD-Matrix 9 in der Bildebene, die auf einer Trägerleiterplatte 9.1 befestigt ist und welche zentrisch zum Tubus 6.1 der Kamera 6 angeordnet ist. Für Fokussierungszwecke ist dieser Tubus 6.1 in einer zylindrischen Hülse 6.2 mit geringem Passungsspiel gelagert.

Er wird über einen Mitnehmer 37, dessen Mutter 37.1 auf einer Gewindespindel 37.2 konzentrisch gelagert ist, über ein Getriebe 38 von dem Motor 39 nach einem Algorithmus eines Rechners gesteuert.

Dieser Rechner befindet sich vorteilhaft auf einer Leiterplatte 40 und ist in Fig. 6 nicht eingezeichnet. Die Gewindespindel 37.2 ist im Lager 37.3 gelagert und steht mit dem Getriebe 38 in Verbindung. Der Rechner berechnet nach einem allgemein bekannten Programm den Schiebeweg der CCD-Matrix 9 nach den vom Streckenmesser 41 des Videotachymeters 11 ermittelten Entfernungen zum jeweils angezielten, im Gelände gelegenen Basispunkt B.

Konzentrisch zur Achse KA der Videokamera 6, die von dem vorderen Knotenpunkt K und dem Hauptpunkt H im Zentrum der CCD-Matrix 9 gebildet wird, liegt die Achse des Streckenmessers 41. Diese Achse liegt im Zentrum des Strahlenbündels des Streckenmessers 41, wobei das Strahlenbündel in bekannter Weise aus den zwei Halbbündeln, einem Sender- und einem Empfängerbündel, besteht.

Diese Achse läuft vom Knotenpunkt K des Objektivs 7, das in der Objektivfassung 42 angeordnet ist, zu einem Selektivspiegel 43. Das Empfängerbündel durchläuft das Objektiv, wird am Selektivspiegel 43 reflektiert und über Umlenkprismen 44 und 45 und über eine Zwischenbildeben 46 in den Streckenmesser 41 geleitet.

Über die innere Reflektionsfläche des Prismas 44, das zentrisch zum Objektiv 7 angeordnet ist, wird ein über ein Prisma 47 von einem Laser 48 ausgesandte, sichtbare Senderbündel über das Objektiv 7 in den Raum projiziert. Es dient als zur Kameraachse KA zentrisch liegendes Strahlenbündel u.a. zur Markierung von körperlichen Objekten oder zur Anstrahlung von Reflektoren in Gelände, welche z.B. zu vermessende Objektpunkte darstellen können. Diese so markierten Objektpunkte P werden auf der CCD-Matrix 9 als Messpunkte pointiert.

Am Videotachymeter 11 befindet sich ferner eine Handhabe 49 zur Kippung der Videokamera 6 um die Achse KA und zur Drehung des gesamten Tachymeters 11 von Hand um die Achse StA. Gleichfalls mit der Handhabe 49 kann eine Grobfokussierung der Videokamera 6 und damit eine Fokussierung des Bildes auf dem Display 20 vorgenommen werden. Wie bei jedem Tachymeter schneiden sich auch hier die Kippachse KA und die Stehachse StA der Videokamera 6, welche auch die optische Achse der Kamera ist, in einem Schnittpunkt. Nicht dargestellt sind die Baugruppen und mechanischen sowie elektronischen Funktioneinheiten, über die ein jedes elektronisches oder Videotachymeter verfügt, wie Winkelmesseinrichtungen und Neigungssensoren, Stellelemente für die Anzielung, Stromversorgung und Ge-rätesteuerung und Datenspeicherung. Sie gehören zum Stand der Technik.

Bei dem Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten mindestens eines Objektpunktes P i aus den Koordinaten x, y und z mindestens zweier als Bezugspunkte dienender, nicht in einer Ebene liegender Basispunkte B i mit Hilfe eines in einem Aufnahmestandpunkt angeordneten, um die vertikale Stehachse StA schwenkbaren, eine als Streckenmesser 41 ausgebildete Streckenmessanordnung, eine Videokamera 6 mit CCD-Matrix 9, eine Zieleinrichtung und Winkelmesseinrichtungen umfassenden Video-tachymeters 11, wobei die Videokamera 6 um eine horizontale Achse, eine Kippachse KA kippbar ist, werden von durch jeweils einem Reflektor, Laserfleck oder sonstwie markierten und gemessenen Basispunkten B i im Gelände die Koordinaten x; y und z von beliebigen Objektpunkten P i abgeleitet.

Es wird zusätzlich ein Zielbild aufgenommen und gespeichert, in welchem die markierten Basispunkte B i und die Objektpunkte P i enthalten sind. Es werden dann die Koordinaten beliebiger Objektpunkte P i aus den Positionsdaten (Koordinaten) in den Zielbildern ermittelt, die in den Zielbildern der markierten und tachymetrisch bestimmten Basispunkte B i enthalten sind. Dabei erfolgt die Markierung der tachymetrisch bestimmten Basispunkte P i in den aufgenommenen Zielbildern beispielsweise durch einen Mausklick oder in einer anderen geeigneten Weise.

Die Auswahl von zu vermessenden Objektpunkten P i kann auch am Zielpunkt in einem, auf einen dort vorgesehenen Bildschirm oder Videodisplay 27 (Fig. 5) übertragenen Zielbild erfolgen, oder später bei der häuslichen Bearbeitung vorgenommen werden.

In Fig. 7 ist als Beispiel das Schema der Bestimmung der Koordinaten x und y eines Objektpunktes P mit Hilfe zweier Basispunkte B 1 und B 2 dargestellt, wobei alle diese Punkte in der horizontalen X-Y-Ebene liegen. Das Videotachymeter 11, dessen Objektiv O in zwei nacheinander eingestellte Lagen O 1 und O 2 in der Fig. 7 dargestellt ist, steht in einem Aufnahmestandpunkt, der in der Fig. 7 als Durchstosspunkt der Stehachse des Videotachymeters durch die X-Y-Ebene mit StA bezeichnet ist und gleichzeitig den Nullpunkt OP des Koordinatensystems mit den Koordinatenachsen X und Y darstellt.

Mit dem nicht dargestellten Streckenmesser des Videotachymeters, dessen Messachse in einer ersten Stellung koaxial zur Achse O 1 B' 1 der Videokamera verläuft, wird die Horizontaldistanz e 11 zu dem -einen angezielten Basispunkt B 1 gemessen, dessen Bild B' 1 im Hauptpunkt H' 1 auf der Ebene M 1 der CCD-Matrix der Videokamera liegt.

Danach wird der Basispunkt B 2 in analoger Weise, wie es zum Basispunkt B 1 beschrieben wurde, angezielt durch Schwenken der CCD-Kamera um die Achse StA derart, dass die Kameraachse O 1 B' 2 auf der Basispunkt B 2 gerichtet ist und die Zielbildebene entsprechend fokussiert ist, dass ein scharfes Bild gegeben ist. In der Ebene M' 2 der CCD-Matrix entsteht das Bild B' 2 des Basispunktes B 2 . Gleichzeitig werden der Horizontalwinkel gamma mit dem Horizontalkreis des Videotachymeters gemessen und die Horizontaldistanz e 22 zum Basispunkt B 2 mit dem Streckenmesser des Videotachymeters gemessen. Die auf diese Weise gewonnenen Zielbilder M' 1 und M' 2 zu den beiden Basispunkten B 1 und B 2 werden gespeichert.

Beim Anzielen der Basispunkte B 1 und B 2 muss natürlich darauf geachtet werden, dass auch der Objektpunkt P oder, wenn es mehrere sind, die Objektpunkte P i auf diesen Zielbildern M' 1 und M' 2 abgebildet sind.

Die Koordinatenbestimmung eines Objektpunktes P i in der X-Y-Ebene mit den beiden Basispunkten B 1 und B 2 wird wie folgt vorgenommen (Fig. 7):

Man kann entweder während der Aufnahme im bereitstehenden Videobild den gesuchten Objektpunkt P auf den Bildschirm markieren, und dann erfolgt sofort die Ausmessung der Bildkoordinaten p' 11 und p' 12 der Bildpunkte P' 11 und P' 1 2 in der Ebene M' 1 bzw. M' 2 der CCD-Matrix 9, denn der in dem einen Bild markierte und erkannte Objektpunkt P wird aufgrund seiner Strukturierung auch in dem vorhergehenden Bild durch den Bilderkennungsalgorithmus markiert und angemessen, oder man arbeitet später mit den Bildern auf dem Bildschirm und markiert durch einen Mausklick in den überdeckten Videos den gesuchten Objektpunkt P und berechnet die Koordinaten durch den Rechner, wobei die Koordinaten-berechnung nach den folgenden Formeln mit Hilfe des Rechners vorgenommen wird, wobei die in den weiter unten dargelegten Formeln angegebenen Grössen in der Fig.

7 eingezeichnet sind.

So werden aus den gemessenen Horizontaldistanzen e 11 und e 22 , dem gemessenen Horizontalwinkel gamma , der Konstanten DELTA e 1 = DELTA e 2 = DELTA e und den Bildkoordinaten p' 11 und p' 1 2 der Bildpunkte P' 11 und P' 12 in der Ebene M' 1 bzw. M' 2 der CCD-Matrix 9 die Pfeilhöhen p 11 , p 12 , p 21 und p 22 im Objektraum nach den Ähnlichkeitssätzen berechnet, wobei die Konstante DELTA E der Abstand der Stehachse StA von dem Hauptpunkt O = O 1 = O 2 des Objektivs und O 1 und O 2 die unterschiedlichen Stellungen des Objektivs der Videokamera sind. Dazu werden Hilfsstrecken e 12 = e 11 +/- cos gamma und e 2 1 = e 22 +/- cos gamma aus den für die Horizontaldistanzen e 11 und e 22 und dem Horizontalwinkel gamma ermittelten Messwerten abgeleitet.

Im Zusammenhang mit den Erläuterungen weiter unten zu Fig. 8 wird für die Grössen e 11 und e 22 zur Unterscheidung die Bezeichnung "Schrägdistanz" verwendet, weil hier eine Anzielung im Raume liegender Punkte erfolgt.

Aus den Horizontaldistanzen e 11 und e 22 , den besagten Hilfsstrecken e 12 und e 2 1 , dem gemessenen Horizontalwinkel gamma und den berechneten Pfeilhöhen p 11 , p 12 , P 21 und p 22 werden dann die rechtwink-ligen Koordinaten von vier Stützpunkten S 11 , S 12 , S 21 und S 22 im auf den ersten Basispunkt OP bezogenen Koordinatensystem des Videotachymeters 11 bestimmt. Die Stützpunkte S 11 und S 1 2 definieren eine Gerade g 1 und die Stützpunkte S 21 und S 22 eine Gerade g 2 . Die Berechnung dieser Geraden g 1 und g 2 erfolgt nach den in der Mathematik bekannten Formeln. Der Schnittpunkt dieser beiden Geraden g 1 und g 2 ist der gesuchte Objektpunkt P mit seinen Koordinaten x und y im Koordinatensystem des Videotachymeters 11, dessen Ursprung in der Stehachse StA im Punkt OP liegt.

Die Pfeilhöhen p 11 , p 1 2 , p 2 1 und p 22 und die Koordinaten der Stützpunkte S 11 , S 1 2 , S 21 und S 22 berechnen sich nach den folgenden Formeln, wobei f die Brennweite des Objektivs ist:

<tb><TABLE> Columns = 7 <tb><SEP> Pfeilhöhen:<SEP> p 11 = p' 11 / f (e 11 - DELTA epsilon )<ROW><SEP> p 12 = p' 11 / f (e 2 2 cos gamma - De)<ROW><SEP> p 22 = p' 1 2 / f (e 22 - DELTA epsilon )<ROW><SEP> p 21 = p' 1 2 / f (e 11 cos gamma - De). <tb></TABLE>

<tb><TABLE> Columns = 8 <tb><SEP> Koordinaten der Stützpunkte:<SEP> S 11 : x = p 11 ,<SEP> y = e 11 <ROW><SEP> S 12 : x = p 12 ,<SEP> y = e 22 cos gamma <ROW><SEP> S 22 : x = e 22 sin gamma - p 12 cos y,<SEP> y = e 22 cos gamma + p 22 sin y<ROW><SEP> S 21 : x = e 11 sin gamma cos gamma - p 21 cos y<SEP> y = e 11 cos<2> gamma + p 21 sin y. <tb></TABLE>

Vorteilhaft für eine hohe Genauigkeit der Bestimmung der Koordinaten des gesuchten Objektpunktes P ist, wenn die Basispunkte B 1 und B 2 soweit als möglich auseinander liegen. Die Objektpunkte P bzw. die Objektpunkte P i sollten nicht so nahe an oder hinter den Basispunkten B 1 und B 2 liegen. Die Objektpunkte können aber ohne Besorgnis im Zwischenraum vor oder hinter den Basispunkten B 1 und B 2 liegen.

Anhand der Fig. 8 werden die geometrischen Zusammenhänge bei der Anzielung zweier Basispunkte B 1 und B 2 und die Bestimmung der Koordinaten x und y mindestens eines Objektpunktes P in der X-Y-Ebene bei kurzen Zielentfernungen beschrieben. Es ist hierbei an solche Zielweiten gedacht, welche bis etwa 100 m reichen.

Liegen die Basispunkte B 1 und B 2 und der mindestens eine Objektpunkt P bei kurzen Zielentfernungen oder Zielweiten in unterschiedlichen Abständen von der Stehachse des Videotachymeters, so muss auf die einzelnen Punkte für jede Entfernung fokussiert werden, was sowohl für die Basispunkte B 1 und B 2 als auch für den oder die Objektpunkte gilt, von dem oder von denen die Koordinaten bestimmt werden sollen.

Dabei werden zuerst die beiden Basispunkte B 1 und B 2 angemessen und die Distanzen e 11 und e 22 sowie die Winkel alpha B 1 und alpha B2 , die in der Horizontalebene liegen, ermittelt. Soll nun der Objektpunkt P (Fig. 8) vermessen werden, wird zunächst der Basispunkt B 1 angezielt und scharf gestellt, d.h. fokussiert, und bei dieser Anzielung wird auf P in der Zielebene M P1 umfokussiert und das Bild P' des Objektpunktes P im Bild markiert, damit die Bildkoordinate p' 1 im Bild in der Ebene M' P1 gemessen werden kann.

Daraufhin wird der zweite Basispunkt B 2 angezielt und scharf in der Bildebene eingestellt. Danach wird auf die Zielebene M P2 von P aus umfokussiert. Der Objektpunkt P ist in dieser Ebene noch markiert und besitzt die gleiche Bildweite b P2 = b P 1 , wie bei der im vorherigen Absatz angegebenen Verfahrensschritt, welche mit der automatischen Fokussiereinrichtung gleichzeitig gemessen wird. Ausserdem wird in der Zielebene M P2 die Bildkoordinate p' 2 gemessen.

Aus diesen Bildkoordinaten p' 1 und p' 2 sowie der Bildweite b P1 werden dann die Pfeilhöhen p 11 ; p 12 ; p 21 und p 2 2 nach den weiter oben, im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 7 angegebenen Beziehungen berechnet, wobei die Brennweite f in den Beziehungen durch die Bildweite b P2 = b P1 zu ersetzen ist, weil die Bildweiten nicht mehr in der Brennebene, wie bei grossen Zielentfernungen, sondern in der Bildweite b P1 liegen. S 11 ; S 12 ; S 21 und S 22 sind auch hier wieder Stützpunkte, die Geraden g 1 und g 2 festlegen, deren Schnittpunktkoordinaten die Koordinaten des Objektpunktes P sind. Für die Bestimmung der Koordinaten des Objektpunktes P wird also der gleiche Algorithmus angewendet wie bei der Bestimmung der Koordinaten von Objektpunkten, die in grossen Zielentfernungen (optisch gesehen im Unendlichen) liegen.

Anhand der Fig. 9 und unter Beachtung der in Fig. 6 für die einzelnen Baugruppen und -elemente angegebenen Bezugszeichen wird das in den Patentansprüchen 4 und 5 dargelegte Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten X; Y und Z eines Objektpunktes P mit Hilfe mindestens zweier als Bezugspunkte dienender Basispunkte B 1 und B 2 , bezogen auf den Tachymeterstandpunkt (Steh-achse StA), näher erläutert und beschrieben.

Dabei werden zunächst die Koordinaten der in den Objektpunktebenen M 1 und M 2 liegenden Basispunkte B 1 und B 2 mit Hilfe eines in einem Aufnahmestandpunkt OP angeordneten, um eine vertikale Stehachse StA schwenkbaren, mit einer um eine horizontale Kippachse KA kippbaren Aufnahme für einen Streckenmesser 41, mit einer Videokamera 6 mit CCD-Matrix 9, mit einer Zieleinrichtung und mit Winkelmesseinrichtungen (nicht dargestellt) versehenen Videotachymeters 11 (Fig. 6) bestimmt.

In zeitlicher Reihenfolge werden nun zur Ermittlung der Koordinaten des zu vermessenden Objektpunktes P folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

In einem ersten Schritt erfolgt nacheinander die Anzielung zweier im Objektraum liegender Basispunkte B 1 und B 2 durch das im Aufnahmestandort OP angeordnete und um die Stehachse StA um -einen Horizontalwinkel gamma drehbare Videotachymeter 11 (Fig. 6) mit einer um die horizontale Kippachse KA um Höhenwinkel zeta 1 und zeta 2 kippbaren Videokamera 6 und die Bestimmung der Schrägdistanzen e 11 und e 2 2 zu den mindestens zwei Basispunkten B 1 und B 2 mit Hilfe des Streckenmessers 41 des Videotachymeters 11 und die Herstellung von zwei, jeweils die mindestens zwei Basispunkte B 1 und B 2 enthaltenden Videobildern und Speicherung derselben, wobei die Kamera 6 jeweils so ausgerichtet wird, dass die Bilder B' 1 bzw. B' 2 der jeweils angezielten Basispunkte B 1 bzw. B 2 auf der optischen Achse im jeweiligen Hauptpunkt H' 1 bzw.

H' 2 auf der CCD-Matrix 9 liegen. Mit O 1 und O 2 sind die beiden Stellungen des Objektivs der Videokamera bei der Anzielung der beiden Basispunkte B 1 und B 2 gekennzeichnet.

Es erfolgt dann die Bestimmung der Koordinaten x, y und z mindestens eines im durch die Videobilder bzw. auf der CCD-Matrix 9 erfassten Raum liegenden, gesuchten, während der Aufnahme oder auf den aufgenommenen Videobildern ausgewählten und markierten Objektpunktes P i (P) mit Hilfe der in den Zielbildern M' 1 und M' 2 ausgemessenen Zielbildkoordinaten q' i1 ; q' i2 ; h' i 1 ;

h' i2 des auf der CCD-Matrix 9 abgebildeten, ausgewählten, im Objektraum gelegenen Objektpunktes P (P i ) aus den Schrägdistanzen e 11 und e 22 , dem gemessenen Horizontalwinkel gamma in der Horizontalebene zwischen den Basispunkten B 1 und B 2 , den Höhenwinkeln zeta B1 und zeta B2 von der Horizontalebene zu den Basispunkten B 1 und B 2 , der Gerätekonstanten DELTA e und der Brennweite f des Objektivs der Videokamera 6, wobei diese Koordinaten x, y und z Koordinaten eines Koordinatensystems mit den Achsen X; Y; Z mit ihrem, im Schnittpunkt von Kippachse KA und Stehachse StA des Videotachymeters 11 liegenden Koordinatenursprung OP sind, und die Stehachse StA senkrecht auf der X-Y-Ebene steht und die Richtung der Z-Achse festlegt, wobei i = 1; 2; ....; n eine natürliche Zahl ist, die auf den jeweils zugeordneten Objektpunkt Bezug nimmt.

Im Detail handelt es sich um die Verfahrensschritte, welche nun ausführlicher erläutert werden sollen:

Zuerst erfolgten die Anzielung des ersten Basispunktes B 1 in der im Zusammenhang mit Fig. 7 erläuterten Weise und die Aufnahme und Speicherung eines ersten Zielbildes M' 1 und die Messung der Schrägdistanz e 11 zu diesem ersten Basispunkt B 1 mit dem koaxial zur Achse der Videokamera 6 angeordneten Streckenmesser 41 des Videotachymeters 11, wobei die Videokamera 6 so ausgerichtet wird, dass das Bild B' 21 des Basispunktes B 1 auf der optischen Achse (Zielachse ZA 1 ) im Hauptpunkt H' 1 der Videokamera liegt und ausserdem das Bild B' 2 des zweiten Basispunktes B 2 enthält. Die Schrägdistanz e 11 ist die Entfernung zwischen dem Koordinatenursprung OP und dem Basispunktes B 1 .

Es erfolgt gleichfalls mit dem Einstellen der Achse ZA 1 der Videokamera die Messung des Höhenwinkels zeta B1 zum ersten Basispunkt B 1 bezüglich der X-Y-Ebene, wobei der Scheitel dieses Winkels in der Kippachse KA im Punkt OP liegt.

Danach erfolgt ein Schwenken des Videotachymeters 11 um einen durch die beiden Basispunkte B 1 und B 2 und die Stehachse StA gebildeten Horizontalwinkel gamma und Messung dieses Winkels, wobei der Scheitel dieses Winkels am Ort der Stehachse StA im Koordinatenursprung OP liegt.

Bei der nun folgenden Anzielung eines zweiten Basispunktes B 2 und der Aufnahme und Speicherung eines zweiten Zielbildes M' 2 und der Messung der Schrägdistanz e 22 zu diesem zweiten Basispunkt B 2 mit dem Streckenmesser 41 des Videotachymeters, wobei die Videokamera 6 so ausgerichtet wird, dass das Bild B' 2 des Basispunktes B 2 auf der optischen Achse im Hauptpunkt H' 2 der Videokamera liegt, wird gewährleistet, dass ausserdem das Bild B' 12 des ersten Basispunktes B 1 im Zielbild M' 2 enthalten ist. Die Schrägdistanz e 22 ist die Entfernung zwischen dem Koordinatenursprung OP und dem Basispunkt B 2 . Zusammen mit dem Einstellen des Achse ZA 2 der Videokamera erfolgt die Messung des Höhenwinkels zeta B2 zum zweiten Basispunkt B 2 bezüglich der X-Y-Ebene, wobei der Scheitel dieses Winkels in der Kippachse KA im Koordinatenursprung OP liegt.

Nachdem die beiden Zielbilder M' 1 und M' 2 aufgenommen und gespeichert sind, erfolgt die Bestimmung der Koordinaten beliebiger, in den aufgenommenen Zielbildern abgebildeter, im Raum liegender Objektpunkte P i mit Hilfe der Koordinaten der beiden Basispunkte B 1 und B 2 , wobei zur Erläuterung anhand der Fig. 8 ein Objektpunkt P ausgewählt wird. Die Markierung des gesuchten Objektpunktes P kann entweder während der Aufnahme im jeweiligen anstehenden Videobild oder in den aufgenommenen und gespeicherten Zielbildern durch Mausklick vorgenommen werden. Anhand dieser aufgenommenen Videobilder bzw. Zielbilder M' 1 und M' 2 wird die Bestimmung der Zielbildkoordinaten q' i1 ; q' i2 ; h' i1 ; h' i2 des Objektpunktes P in jeden der Zielbilder M' 1 und M' 2 vorgenommen.

Eine Umrechnung der in der Ebene der CCD-Matrix 9 der Videokamera liegenden Zielbildkoordinaten q' i1 ; q' i2 ; h' i1 ; h' i2 des Objektpunktes P in im Objektraum liegende analoge Koordinaten q i1 ; q i2 und h i1 ; h i2 erfolgt mit Hilfe der gemessenen Schrägdistanzen e 11 und e 22 , korrigiert mit der Gerätekonstanten We, der ausgemessenen Zielbildkoordinaten q' i1 ; q' i2 und h' i1 ; h' i2 und der Brennweite f des Objektivs der Videokamera, wobei die Indizes 1 und 2 verwendet sind, wenn zwei Basispunkte B 1 und B 2 vorhanden sind.

Mit Hilfe der Bildkoordinaten q' i1 ; q' i2 ; h' i1 ; h' i2 , der gemessenen Schrägdistanzen e 11 und e 22 , des mit den Winkelmesssystemen des Videotachymeters gemessenen Horizontalwinkels gamma und der ebenfalls mit Winkelmesssystemen des Videotachymeters gemessenen Höhenwinkel zeta B1 und zeta B2 , sowie aus dem Horizontalwinkel gamma , von den Schrägdistanzen e 11 und e 22 und den Höhenwinkeln zeta B1 und zeta B2 abgeleiteten Strecken e 12 und e 21 (Fig. 8), werden dann die im Objektraum liegenden Parameter q 11 ; q 1 2 ; h 11 ; h 12 ; h 2 1 ; q 2 1 ; h 22 ; q 22 der Stützpunkte S 11 ; S 12 ; S 21 ; S 22 und aus diesen die Koordinaten dieser Stützpunkte nach den untenstehenden Beziehungen berechnet:

x S11 = e 11 cos zeta B1 cos alpha B1 - q 11 cos alpha B1 + h 11 sin zeta B1 sin alpha B1

y S11 = e 11 cos zeta B1 sin alpha B1 + q 11 sin alpha B1 + h 11 sin zeta B1 cos alpha B1

z S11 = e 11 sin zeta B1 + h 11 cos zeta B1

x S12 = e 22 cos zeta B1 cos gamma cos alpha B1 - q 12 cos alpha B1 + h 12 sin zeta B1 sin alpha B1

y S12 = e 22 cos zeta B2 cos gamma sin alpha B1 + q 12 sin alpha B1 - h 12 sin zeta B1 cos alpha B1

z S12 = e 22 cos zeta B2 cos gamma sin zeta B1 + h 12 cos zeta B1

x S21 = e 11 cos zeta B1 cos gamma cos zeta B2 + q 22 cos alpha B1 - h 22 sin zeta B2 sin alpha B2

y S21 = e 11 cos zeta B1 cos gamma sin zeta B2 + q 22 sin alpha B2 + h 22 sin zeta B2 cos alpha B2

z S21 = e 11 cos zeta B1 cos gamma sin zeta B1 - h 22 cos zeta B2

x S22 = e 22 cos zeta B2 cos alpha B2 + q 22 cos alpha B2 - h 22 sin zeta B2 sin alpha B2

y S22 = e 22 cos zeta B2 sin zeta B2 + q 22 sin alpha B2 + h 22 sin zeta B2 cos alpha B2

z S22 = e 22 cos zeta B1 - h 22 cos zeta B2

In diesen Formeln sind die Winkel alpha B 1 und alpha B 2 in der Horizontalebene liegende Winkel, die von der X-Achse und den in die Horizontalebene projizierten Schrägdistanzen e 11 und e 22 eingeschlossen werden, wobei gamma = alpha B 2 - alpha B 1 ist, und die mit den Winkelmesssystemen des Videotachymeters gemessen werden.

Diese Koordinaten sind Koordinaten der vier Stützpunkte S 11 ; S 12 ; S 2 1 ; S 22 des Koordinatensystems mit dem Koordinatenursprung OP im Schnittpunkt von Stehachse StA und Kippachse KA. Nach bekannten mathematischen Gesetzen können aus den Koordinaten für die Stützpunkte S 11 und S 22 die Gleichung einer Geraden g 1 und aus den Koordinaten für die Stützpunkte S 12 und S 2 1 die Gleichung einer Geraden g 2 berechnet werden. Der Schnittpunkt dieser beiden Geraden g 1 und g 2 ist der Objektpunkt P, dessen Koordinaten zu bestimmen waren.

In gleicher Weise können die Koordinaten weiterer auf den Zielbildern M 1 und M 2 abgebildeter und/oder markierter Objektpunkte ermittelt werden.

Fig. 10 zeigt ein aus Zielbildern A i (i = 1 bis 6) zusammengesetztes Videobildpolygon mit einem aufgenommenen Polygonzug von Basispunkten B i (i = 1 bis 6), welche durch die Kamera des Videotachymeters von zwei verschiedenen Tachymeterstandpunkten StP 1 und StP 2 aus aufgenommen wurden. In diesen koordinatenmässig bekannten Tachymeterstandpunkten ist jeweils ein Videotachymeter angeordnet bzw. ein Videotachymeter wird nacheinander in diesen Tachymeterstandpunkten positioniert. So werden von dem einen, im ersten Tachymeterstandpunkt StP 1 stationierten Videotachymeter aus beginnend, Zielbilder mit mindestens zwei Basispunkten durch die Videokamera aufgenommen und im Rechner gespeichert, wobei jeweils einer der mindestens zwei Basispunkte (z.B. die Punkte B 2 oder B 3 in Fig. 9) auf zwei benachbarten Zielbildern liegt.

Wie aus der Fig. 9 zu entnehmen, liegen B 1 und B 2 auf den Zielbildern A 1 und A 2 ; B 2 auf den Zielbildern A 1 , A 2 und A 3 ; B 3 auf den Zielbildern A 2 , A 3 und A 4 ; B 4 auf den Zielbildern A 3 , A 4 und A 6 ; B 5 auf den Zielbildern A 4 , A 5 und A 6 und B 6 auf den Zielbildern A 5 und A 6 , wobei die Zielbilder A 4 , A 5 und A 6 vom Tachymeterstandpunkt StP 2 aus erstellt sind.

Wie Fig. 9 ferner zu entnehmen ist, der Basispunkt B 4 sowohl auf dem Zielbild A 4 , welches von Tachymeterstandpunkt StP 1 aus aufgenommen ist, als auch auf dem Zielbild A 4 , welches vom Tachy-meterstandpunkt StP 2 aus aufgenommen ist, vorhanden, so dass eine kontinuierliche Weiterführung des aus den Basispunkten B i (i = 1 bis 6) bestehenden Polygonzuges gewährleistet ist.

Zur Weiterführung des Polygonzuges von Zielbildern (nicht dargestellt) werden von weiteren Tachymeterstandpunkten StP 3 bis StP n aus ebenfalls Zielbilder mit mindestens zwei Basispunkten hergestellt, auf denen jeweils mindestens ein gemeinsamer Basispunkt auf zwei benachbarten Zielbildern vorhanden ist. Auf diese Weise wird ein im Tachymeterstandpunkt StP 1 begonnener Polygonzug von Videobildern vom zweiten Tachymeterstandpunkt StP 2 aus weitergeführt.

Bei der Aufnahme der Zielbilder A i werden die entsprechenden Koordinaten oder Grössen, Distanz e i von den entsprechenden Tachymeterstandpunkt StP i zu den einzelnen Basispunkten B i , die Horizontalwinkel gamma i und die Vertikalwinkel zeta i zu den Basispunkten B i mit den im Videotachymeter vorhandenen Strecken- und Winkelmessern ermittelt. Aus diesen ermittelten Parametern und weiteren aus den Zielbildern abgeleiteten und gewonnenen Grössen können dann die Koordinaten von Objektpunkten P i , in der Weise, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 8 erläutert wurde, bestimmt werden.

Claims

1. Anordnung zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten mindestens eines Objektpunktes, umfassend - im Messstandpunkt ein elektronisches Tachymeter mit einer automatischen Zieleinrichtung und einen Sender, wobei das elektronische Tachymeter um eine vertikale Achse (StA) schwenkbar ist, eine um eine Kippachse KA kippbare Streckenmessanordnung, eine Videokamera mit CCD-Matrix, eine Zieleinrichtung und Winkelmesseinrichtungen zur Messung von Horizontal- und Höhenwinkeln umfasst, - und im Zielpunkt einen Zielstab mit Reflektor, ein Funkgerät, einen Empfänger und das graphische Feldbuch mit Speicherbauelementen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, - dass zur optischen Achse der Videokamera mindestens ein Teil des Strahlenganges der Streckenmessanordnung koaxial angeordnet ist,

- dass ein in Abhängigkeit von der durch die Streckenmessanordnung gemessenen Entfernung steuerbarer, oder manuell nach der Schärfe oder dem Kontrast des Videobildes in Richtung der optischen Achse einstellbarer, die CCD-Matrix umfassender Tubus zur Fokussierung der CCD-Matrix der Video-kamera vorgesehen ist, - und dass ein Bildverarbeitungssystem zur Erkennung von Objektpunkten und deren Spezifizierung als Objektpunkte mit einer bestimmten Position vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Tubus mit der CCD-Matrix in Richtung der optischen Achse durch einen, nach einem Algorithmus computergesteuerten Antrieb realisierbar ist.

3.

Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Verschiebeweg des Tubus mit der CCD-Matrix entsprechend den von der Streckenmessanordnung ermittelten Entfernungen zum jeweils angezielten Basispunkt B durch den Computer berechenbar ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebeweg bei der Fokussierung der CCD-Matrix aus dem durch eine Bildtransformation nach maximalem Kontrast oder maximaler Schärfe auf eine zwischen den Zielbildebenen der Basispunkte B 1 und B 2 gelegene Objektpunktebene P' i ableitbar ist.

5.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielstab im Zielpunkt einen Empfänger, ein Funkgerät und einen Computer mit einem zusätzlichen Zielbildschirm umfasst, und dass zwischen dem Messstandpunkt und dem Zielpunkt eine Übertragung des im Messpunkt aufgenommenen Zielbildes vorgesehen ist.

6.

Verfahren zum Betrieb der Anordnung nach Anspruch 1, wobei aus den Koordinaten mindestens zweier als Bezugspunkte dienender Basispunkte mit Hilfe eines in einem Aufnahmestandpunkt angeordneten, um eine vertikale Achse StA schwenkbaren, eine Streckenmessanordnung, eine Videokamera mit CCD-Matrix, die um eine horizontale Achse kippbar ist, eine Zieleinrichtung und Winkelmesseinrichtungen umfassenden Tachymeters die räumlichen Koordinaten mindestens eines Objektpunktes P i ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, - dass die Basispunkte B 1 , B 2 im Gelände markiert, mit der Zieleinrichtung angezielt und ihre Koordinaten mit Hilfe der Streckenmessanordnung und den Winkelmesseinrichtungen gemessen werden, - dass zusätzlich von der Videokamera jeweils ein Zielbild M' 1 , M' 2 aufgenommen und gespeichert wird, in welchem die markierten Basispunkte B 1 ,

B 2 und die Objektpunkte P i enthalten sind, und - dass dann die Koordinaten der Objektpunkte P i aus ihren Bildpunktkoordinaten in den Zielbildern M' 1 , M' 2 und aus den markierten und tachymetrisch bestimmten Basispunkten B 1 , B 2 ermittelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung der Bilder der tachy-metrisch bestimmten Basispunkte mittels eines Cursors in den aufgenommenen Zielbildern erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl von zu vermessenden Objektpunkten P i am Zielpunkt auf einem, auf einen dort vorgesehenen Bildschirm übertragenen Zielbild erfolgt oder später bei einer häuslichen Bearbeitung anhand von aufgenommenen und gespeicherten Zielbildern vorgenommen wird.

9.

Verfahren nach Anspruch 6, umfassend folgende Verfahrensschritte - Anzielung der mindestens zwei im Objektraum liegenden Basispunkte B 1 und B 2 durch das in einem Aufnahmestandort angeordnete und um die Stehachse StA um einen Horizontalwinkel GAMMA drehbare Video-tachymeter mit einer um die horizontale Kippachse KA um Höhenwinkel zeta kippbaren Videokamera und Bestimmung der Schrägdistanzen e 11 und e 22 zu den mindestens zwei Basispunkten B 1 und B 2 mit Hilfe der Streckenmessanordnung des Videotachymeters, - Herstellung von zwei jeweils die mindestens zwei Basispunkte B 1 und B 2 enthaltenden Zielbildern und Speicherung derselben, wobei die Videokamera jeweils so ausgerichtet wird, dass das Bild B' 1 bzw. B' 2 des jeweils angezielten Basispunktes B 1 bzw. B 2 im jeweiligen Hauptpunkt H' 1 bzw.

H' 2 ihres Objek-tives liegt, - Bestimmung der Koordinaten x, y und z zumindestens eines im durch die Zielbilder erfassten Raum liegenden, während der Aufnahme oder auf den aufgenommenen Zielbildern markierten Objektpunktes P i mit Hilfe der in den Zielbildern ausgemessenen Zielbildkoordinaten q' i1 ; q' i2 , h' i1 , h' i2 des auf der CCD-Matrix abgebildeten, ausgewählten Objektpunktes P im Objektraum, aus den Schrägdistanzen e 11 und e 22 dem gemessenen Horizontalwinkel gamma , den Höhenwinkeln zeta 1 und zeta 2 , einer Gerätekonstante DELTA e und der Brennweite f des Objektivs der Videokamera, wobei diese Koordinaten x, y und z Koordinaten eines Koordinatensystems mit den Achsen X; Y;

Z mit ihrem im Schnittpunkt von Kipp- und Stehachse StA des Videotachymeters liegenden Koordinatenursprung sind, und die Stehachse StA senkrecht auf der X-Y-Ebene steht und die Richtung der Z-Achse festlegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte, a.

Anzielung eines ersten Basispunktes B 1 durch Einstellen der Achse der Videokamera unter einem ersten Horizontalwinkel gamma 1 und unter einen ersten Höhenwinkel zeta 1 gegenüber der X-Y-Ebene in Richtung des ersten Basispunktes B 1 und Messen des ersten Höhenwinkels zeta 1 und des ersten Horizontalwinkels GAMMA 1 , wobei der Scheitel dieses Höhenwinkels zeta 1 und des Horizontalwinkels gamma 1 der Kippachse KA des Videotachymeters liegt, Aufnahme und Speicherung eines ersten Zielbildes und Messung der Schrägdistanz e

11 zu diesem ersten Basispunkt B 1 mit einem koaxial zur Achse der Videokamera des Videotachymeters angeordneten Streckenmessanordnung, wobei die Videokamera so ausgerichtet wird, dass das Bild B' 1 des ersten Basispunktes B 1 im Hauptpunkt H' 1 ,

des Objektivs der Videokamera liegt und ausserdem das Bild B' 2 des zweiten Basispunktes B 2 enthält; b. Schwenken des Videotachymeters um einen durch die beiden Basispunkte B 1 und B 2 und die Stehachse StA des Videotachymeters gebildeten Horizontalwinkels gamma , wobei der Scheitel dieses Winkels am Ort der Stehachse StA liegt; c.

Anzielung eines zweiten Basispunktes B 2 durch Einstellen der Achse der Videokamera unter einem zweiten Horizontalwinkels gamma 2 und unter einem zweiten Höhenwinkel zeta 2 gegenüber der X-Y-Ebene in Richtung des zweiten Basispunktes B 2 und Messen des zweiten Höhenwinkels zeta 2 und des zweiten Horizontalwinkels gamma 2 , wobei der Scheitel des zweiten Höhenwinkels zeta 2 in der Kippachse KA des Tachy-meters liegt, Aufnahme und Speicherung eines zweiten Zielbildes und Messung der Schrägdistanz e 22 zu diesem zweiten Basispunkt B 2 mit der Streckenmessanordnung des Videotachymeters, wobei die Videokamera so ausgerichtet wird, dass das Bild B' 2 des zweiten Basispunktes B 2 im Hauptpunkt H' 2 des Objektivs der Videokamera liegt und ausserdem das Bild B' 1 des ersten Basispunktes B 1 enthält; d.

Bestimmung der Koordinaten beliebiger in den aufgenommenen Zielbildern enthaltener Objekt-punkte P i im Raum mit Hilfe der Koordinaten der beiden Basispunkte B 1 und B 2 durch da. Markierung des gesuchten Objektpunktes P i während der Aufnahme im jeweiligen anstehenden Videobild oder Markierung des gesuchten Objektpunktes P i in den aufgenommenen Videobildern durch Mausklick, db. Messung der Zielbildkoordinaten q' i1 ; q' i2 ; h' i1 ; h' i2 des Objektpunktes P i in den aufgenommenen Zielbildern (M' 1 , M' 2 ), dc.

Umrechnung der in der Ebene der CCD-Matrix liegenden Zielbildkoordinaten q' i1 ; q' i2 ; h' i1 ; h' i2 des Objektpunktes P in im Objektraum liegende analoge Koordinaten q i1 ; q i2 und h i1 ; h i2 mit Hilfe von - den gemessenen Schrägdistanzen e 11 und e 22 korrigiert mit einer Gerätekonstanten DELTA e, - den ausgemessenen Bildkoordinaten q' i1 ; q' i2 und h' i1 ; h' i2 - der Brennweite f des Objektivs der Videokamera, wobei i = eine Funktion der Anzahl der Objekt-punkte ist, dd.

Berechnung von Parametern q 11 ; q 12 ; h 11 ; h 1 2 ; q 2 1 ; h 2 1 ; q 2 1 ; h 22 ; q 22 von Geraden g 1 und g 2 definierenden Stützpunkten S 1 1 ; S 1 2 ; S 2 1 ; S 22 mit Hilfe von - den in den Objektraum umgerechneten Bildkoordinaten q i1 ; q i2; h i1 ; h i2 - den gemessenen Schrägdistanzen e 11 und e 22 - dem gemessenen Horizontalwinkel gamma - den gemessenen Höhenwinkeln zeta 1 und zeta 2 - und den aus dem Horizontalwinkel gamma , von den Schrägdistanzen e 11 und e 22 und den Höhenwinkeln zeta 1 und zeta 2 abgeleitete Strecken e 1 2 und e 2 1 , de. Transformation dieser Stützpunktparameter in die Koordinaten des Koordinatensystems X; Y; Z mit seinem Ursprung im Schnittpunkt von Stehachse StA und Kippachse KA, e.

Berechnung der Koordinaten x; y und z des Objektpunktes P i mit dem Koordinatenursprung des besagten Koordinatensystems im Schnittpunkt von Kipp- KA und Stehachse StA des Videotachymeters mit Hilfe der Koordinaten der Stützpunkte S 11 ; S 1 2 ; S 2 1 ; S 22 durch Ermittlung des Schnittpunktes der von den Stützpunkten S 11 ; S 12 und S 2 1 ; S 22 bestimmten Geraden g 1 , und g 2 . 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass von einem ersten Standpunkt des Tachymeters aus mit Hilfe von Basispunkten ein aus Objektpunkten P i bestehender Poly-gonzug ermittelt oder festgelegt wird, welcher von einem zweiten Standpunkt des Tachymeters aus weitergeführt wird.

12.Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - dass von einem ersten Tachymeterstandpunkt aus beginnend, Zielbilder M' 1 und M' 2 mit mindestens zwei Basispunkten B i durch die Videokamera aufgenommen und in einem Rechner gespeichert werden, wobei jeweils einer der beiden Basispunkte auf zwei benachbarten Zielbildern abgebildet ist, - dass von folgenden, nebeneinander liegenden, zweiten bis n-ten Tachymeterstandpunkten aus ebenfalls Zielbilder mit mindestens zwei Basispunkten B i aufgenommen werden, bei denen jeweils ein gemeinsamer Basispunkt auf zwei benachbarten Zielbildern abgebildet ist, derart, - dass mindestens ein gleicher Basispunkt auf zwei benachbarten Zielbildern abgebildet ist, welche von zwei benachbarten Tachymeterstandpunkten aus aufgenommen wurden,

- und dass mit Hilfe der Koordinaten der Basispunkte B i die Koordinaten von auf den Zielbildern abgebildeten Objektpunkten P i bestimmt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildauswerteeinrichtung eine Autofokussierautomatik so steuert, dass in einer zu einer Objektebene gehörenden fokussierten Position der CCD-Matrix die Zielbildkoordinaten des gewünschten Objektpunktes P i gemessen werden, wobei die Basispunkte B 1 und B 2 , deren Bilder B' 1 und B' 2 in den Zielbildebenen M' 1 und M' 2 liegen, angezielt werden.