CN101298979A - 一种量测相机配合经纬仪测树技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量测相机配合经纬仪双像测树的技术。此技术以量测型相机、电子经纬仪为工具，内方位元素未知和外方位元素已知，实现以量测相机配合经纬仪双像测量立木树高，首先，利用空间前方交会的方法获得控制点的坐标，然后，采用量测相机获取待测区域的两幅图像，利用两张相片的同名像点列出误差方程，从而解算出两张相片的外方位元素，最后，再利用光束法进行平差，该测量方法能够简单快速地测量立木的树高，克服了现有技术存在的缺点。

Description

一种量测相机配合经纬仪测树技术

一、技术领域

本发明涉及一种数字近景摄影测树的技术，特别是一种量测相机配合经纬仪测树技术。

二、背景技术

从国内外应用情况来看，在森林资源调查中，立木的测量一般采用皮尺加电子经纬仪或全站仪等单点采集方式；近景摄影测量技术也被引入到测树工作当中，一般有利用量测型相机测树和非量测型相机拍摄多张相片测树等技术，通过这些技术，可以获得较高的测树效率和更多部位的量测值。

但以上各种方法均存在着其缺点：

①利用皮尺加电子经纬仪或全站仪等单点采集方式速度慢、效率低，仪器携带不方便，并且架设仪器、搬站、调平仪器等步骤繁琐费时。

②用量测型相机采用光束法严密平差测树，其内方位已知，需要控制点较少，理论比较严密，求解得精度高。

③利用非量测型相机测树，其解算方程中的内外方位元素不可知，虽然也可通过共线方程经过DLT变换后绕过此问题，但需要拍摄多张相片找同名点，步骤较繁琐。

因此，在测树工作中单点采集方式或非量测相机测树都具有局限性，为提高测树精度，减少求解难度，采用量测型相机配合经纬仪是一种合适的方法。

三、发明内容

为了提高测量立木树高的精度和克服现有的测树技术在森林资源调查中不可避免地带来的很多麻烦，提高工作效率，本发明的目的是提供一种量测相机双像测树的技术，克服了现有技术存在的缺点。

本发明的目的是这样实现的：以量测相机为工具，利用电子经纬仪空间前方交会的方法，获取摄影点中心三维坐标J(X_sj，Y_sj，Z_sj)(j＝1，2，3)，在外方位元素未知和内方位元素已知的情况下，实现双像测量立木的树高。

通过相片获取3个摄影点中心像方坐标(x，y)，利用相机投影中心地面坐标(X_s，Y_s，Z_s)和内方位元素(x₀，y₀，f)，根据数学模型

① $\begin{array}{c}x-x_0=f\·\frac{a_{11}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{21}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{31}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}{a_{12}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{22}(Y_{\mathrm{sj}}-Y)+a_{32}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}\\ y-y_0=f\·\frac{a_{13}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{23}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{33}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}{a_{12}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{22}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{32}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}\end{array}$ (j＝1，2，3)和左、右相片的6个同名像点建立12个摄影点中心的像方坐标(x，y)和物方坐标J(X_sj，Y_sj，Z_sj)(j＝1，2，3)之间的关系，采用光束法严密平差，通过误差方程数学模型

           

②

           

得出树顶物方坐标P₁(X₁，Y₁，Z₁)和树底物方坐标P₂(X₂，Y₂，Z₂)，利用数学模型③ $P_1{P}_2=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2+{(Z_1-Z_2)}^2}$ 解算出树高H＝P₁P₂。

本项发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)携带方便

量测相机双像测树利用的工具轻便，只需带上相机、电子经纬仪和一些简单的工具即可进行测树工作；

(2)操作简单

量测相机双像测树不需每木检尺、通过不接触立木即可完成测树工作。

(3)测树精度高

本发明采用光束法严密平差，，此模型无需经过相对定向和绝对定向两个步骤，先分别求出两幅影像的外方位元素在作前方交会，将参数与物方空间点坐标在一个整体内进行，理论较为严密，求解的结果精度高，而且需要的控制点少。

四、附图说明

图1为量测相机配合经纬仪测树原理图。

图2量测相机配合经纬仪测树软件一体化流程图。

图3电子经纬仪绝对定向示意图。

图4前方交会测量物方坐标示意图

五、具体实施方式

1.实用量测相机配合电子经纬仪测树的实施方法

(1)建立坐标系：以A点经纬仪三轴的交点为原点(0，0，0)，以过原点的铅直方向为Z轴，以两仪器三轴交点A、B连线在水平面上的投影为X轴，垂直于xz平面的方向为Y轴，xyz构成右手测量坐标系。在测量坐标系中，设AB的水平投影b为基线长，AB的高差为Δh。

(2)精确确定基线长b和AB的高差为Δh，如图3，在基线两侧便于观测的位置水平放置长度为已知的尺子作为标准长度d，通常用横基尺或因瓦杆尺等作为标准尺，通过观测a₁、a₂、β₁、β₂和天顶距Z_A1、Z_A2、Z_B1、Z_B2确定基线长度。首先假定一近似基线长度b₀，解算出1、2点的近似坐标x₁ ⁰、y₁ ⁰、h₁ ⁰计算出1、2两点间的近似距离

$d^0=\sqrt{{(x_1^0-x_2^0)}^2+{(y_1^0-y_2^0)}^2+{(h_1^0-h_2^0)}^2}$

按相似原理便可求出假定基线与实际基线的比例值K，即

$K=\frac{d}{d_0}=\frac{b}{b_0}$

由此可得基线的实际长度为

$b=\frac{d\·b_0}{d_0}=K\·b_0$

根据对1、2点的观测求得两台一仪器中心的高差Δh，各计算一值，即

□h’＝□h_A1-□h_B1＝S_A1cotz_A1-S_B1cotz_B1

□h”＝□h_A2-□h_B2＝S_A2cotz_A2-S_B2cotz_B2

取其平均值为

$\mathrm{\Δh}=\frac{b}{2}(\frac{\sin {\mathrm{\β}}_1\cot z_{A1}-\sin {\mathrm{\α}}_1\cot z_{B1}}{\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_{1)}}+\frac{\sin {\mathrm{\β}}_2\cot z_{A2}-\sin {\mathrm{\α}}_2\cot z_{B2}}{\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_2)})$

在A、B站上的电子经纬仪互相对瞄十字丝，以获得基线作为水平角观测的零方向这样根据P点的水平角α、β和天顶距Z_AP、Z_BP和第(2)步测得的基线长b和AB的高差为Δh，如图4确定所选摄像点和标志点的坐标

$x_p=b\frac{\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}}{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

$y_p=b\frac{\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}}{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

$z_p=\frac{1}{2}({\mathrm{\Δh}}_{\mathrm{AP}}+{\mathrm{\Δh}}_{\mathrm{BP}}+{\mathrm{\Δh}}_{\mathrm{AB}})=\frac{1}{2}(b\frac{\sin \mathrm{\β}\cot z_{\mathrm{AP}}+\sin \mathrm{\α}\cot z_{\mathrm{BP}}}{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}+{\mathrm{\Δh}}_{\mathrm{AB}})$

(3)按照规范对树进行摄影，利用摄像点中心像方坐标(x，y)利其物方坐标J(X_sj，Y_sj，Z_sj)(j＝1，2，3)以及模型①

$\begin{array}{c}x-x_0=f\·\frac{a_{11}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{21}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{31}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}{a_{12}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{22}(Y_{\mathrm{sj}}-Y)+a_{32}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}\\ y-y_0=f\·\frac{a_{13}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{23}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{33}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}{a_{12}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{22}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{32}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}\end{array}$ (j＝1，2，3)和左、右相片的6个同名像点建立12个摄影点中心的像方坐标(x，y)和物方坐标J(X_sj，Y_sj，Z_sj)(j＝1，2，3)之间的关系，采用光束法严密平差，通过误差方程数学模型

               

②

               

得出树顶物方坐标P₁(X₁，Y₁，Z₁)和树底物方坐标P₂(X₂，Y₂，Z₂)，利用数学模型③ $P_1{P}_2=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2+{(Z_1-Z_2)}^2}$ 解算出树高H＝P₁P₂。

数学模型①中a为旋转矩阵R的元素，他们是外方位元素的函数，写成③

式中x₀，y₀，f称之为内方位元素；X_S，Y_S，Z_S及α，κ，

称之为外方位元素。

Claims (3)

1.一种量测相机配合经纬仪测树技术，其特征是：以量测相机为工具，利用电子经纬仪空间前方交会的方法，获取摄影点中心三维坐标，在外方位元素未知和内方位元素已知的情况下，实现双像测量立木的树高。

2.根据权利要求1所述的量测相机配合经纬仪测树技术，其特征是：其中获取摄影点中心三维坐标的方法如下：通过绝对定向确定两电子经纬仪之间基线长b和两经纬仪中心之高差Δh，然后在量测相机视场内选择3个摄影点，利用空间前方交会的方法用电子经纬仪测量3个摄影点中心三维坐标J(X_sj，Y_sj，Z_sj)(j＝1，2，3)。

3.根据权利要求1所述的量测相机配合经纬仪测树技术，其特征是：其中实现双像测量立木的树高的方法如下：首先，通过相片获取3个摄影点中心像方坐标(x，y)，利用相机投影中心地面坐标(X_s，Y_s，Z_s)和内方位元素(x₀，y₀，f)，根据数学模型① $\begin{array}{c}x-x_0=f\·\frac{a_{11}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{21}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{31}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}{a_{12}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{22}(Y_{\mathrm{sj}}-Y)+a_{32}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}\\ y-y_0=f\·\frac{a_{13}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{23}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{33}(Z_{\mathrm{sj}}-Z_S)}{a_{12}(X_{\mathrm{sj}}-X_S)+a_{22}(Y_{\mathrm{sj}}-Y_S)+a_{32}(Z_{\mathrm{sj}}-X_S)}\end{array}(j=\mathrm{1,2,3})$ 和左、右相片的6个同名像点建立12个摄影点中心的像方坐标(x，y)和物方坐标J(X_sj，Y_sj，Z_sj)(j＝1，2，3)之间的关系，采用光束法严密平差，通过误差方程数学模型②

得出树顶物方坐标P1(X₁，Y₁，Z₁)和树底物方坐标P₂(X₂，Y₂，Z₂)，利用数学模型③ $P_1{P}_2=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2+{(Z_1-Z_2)}^2}$ 解算出树高H＝P₁P₂。

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