CN101946156B - 确定觇标相对于具有摄影机的勘测仪器的坐标 - Google Patents

Abstract

公开了用于确定觇标相对于勘测仪器的坐标的方法，其中，使用摄影机在第一摄影机位置和取向拍摄第一图像，通过在该第一图像中识别目标点来选择觇标，并测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标。然后，使该勘测仪器绕旋转中心旋转，以使得该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至第二摄影机位置和取向，而保持该勘测仪器的旋转中心处于固定的位置。使用该摄影机在该第二摄影机位置和取向拍摄第二图像，在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点，并测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标。然后，基于该第一摄影机位置和取向、该第一摄影机坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二摄影机坐标以及摄影机标定数据，来确定相对于该勘测仪器的旋转中心的觇标坐标。此外，公开了用于执行该方法的勘测仪器。

Description

确定觇标相对于具有摄影机的勘测仪器的坐标

技术领域

本发明涉及勘测仪器(surveying instrument)，诸如全站仪。更具体地，本发明涉及用于确定觇标(target)相对于具有摄影机的勘测仪器的坐标的方法，该摄影机用于拍摄视场和该视场内被识别的觇标点。

背景技术

在勘测中，摄影机在测地仪器中的使用可以提供改进的使用者便利性和新的功能。特别地，该摄影机提供的并显示在该仪器的显示器上的视野——诸如图像或视频馈给——可以用于辅助觇标选择，以及用于向使用者提供潜在关注点的纵览。

传统目镜和显示在显示器上的视频图像的一个明显差异是，显示器图像可以具有信息的主动覆盖。各种信息可以与所拍摄的图像一起给出，以促进对仪器的使用。

关于全站仪——其包括用于对该全站仪所瞄准的视野拍摄图像或视频馈给的摄影机——的一般背景信息，参见WO2005/059473。

这种勘测仪器，即包含摄影机的勘测仪器，有时被称为视频经纬仪。

发明内容

在视频经纬仪领域，或者更一般地对于设有摄影机的测地仪器，当摄影机中心和仪器旋转中心不重合时会出现问题。基于摄影机图像确定的从摄影机中心到觇标的方向一般不直接用作从仪器旋转中心到觇标的方向。

本发明提供了用于相对于勘测仪器来确定关注点的觇标坐标或觇标的方法，该觇标在由该勘测仪器中的摄影机拍摄的两个图像中被识别。

当摄影机中心或透视中心与勘测仪器的旋转中心不重合(偏心)时，通常不可能直接确定从该旋转中心到在由该摄影机拍摄的图像中识别或指示的任意点的正确方向。换言之，如果从摄影机到觇标的方向是从由该摄影机拍摄的图像确定的，那么从与该摄影机中心不重合的旋转中心到该觇标的方向通常将不能通过用从该摄影机到该觇标的方向充分近似地确定。仅当到关注点的距离已知时，才有可能从该图像得出从该旋转中心到该觇标的正确方向。因而期望确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标。

本发明提供了用于确定觇标相对于勘测仪器的坐标的方法，其中，使用摄影机在第一摄影机位置和取向拍摄第一图像，通过在该第一图像中识别目标点来选择觇标，并测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标。使该勘测仪器绕旋转中心旋转，以使得该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至第二摄影机位置和取向。使用该摄影机在该第二摄影机位置和取向拍摄第二图像，也在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点，并测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标。尽管在拍摄该第二图像之前经历了旋转，但该勘测仪器的旋转中心当拍摄该第二图像时保持在固定的位置，即在与拍摄该第一图像时相同的位置。最后，基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标。

具体地，本发明提供一种用于确定觇标相对于包括摄影机的勘测仪器的坐标的方法，包括：

使用该摄影机在第一摄影机位置和取向拍摄第一图像，所述第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的旋转中心；

通过在该第一图像中识别目标点来选择觇标；

测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标；

使该勘测仪器绕该旋转中心旋转，以使得该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至第二摄影机位置和取向，而使该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置，所述第二摄影机位置偏心于该勘测仪器的旋转中心；

使用该摄影机在该第二摄影机位置和取向拍摄第二图像；

在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点；

测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标；以及

基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的觇标坐标。

在本发明的一个优选实施方案中，其中在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点包括：

基于该第一摄影机位置和取向、该第二摄影机位置和取向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，在该第二图像中确定该目标点所位于的核线；以及

在该第二图像中沿着该核线，识别在该第一图像中被识别的目标点。

在本发明的一个优选实施方案中，其中在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点还包括：

沿着该觇标在该第一图像中的成像光线来选择距该第一摄影机位置的最小距离和最大距离，该觇标位于该最小距离和该最大距离之间；

基于该最大距离和该最小距离，在该第二图像中确定目标点所位于的该核线的一段；以及

在该第二图像中沿着该核线的这一段，识别在该第一图像中被识别的目标点。

在本发明的一个优选实施方案中，其中该最大距离被选为无穷远。

在本发明的一个优选实施方案中，其中该最小距离被选为该勘测仪器的最小距离。

在本发明的一个优选实施方案中，如果被识别的目标点距该第一图像的最近角落不接近于阈值距离，则执行以下步骤：

基于该目标点在该第一图像中的位置，确定该勘测仪器绕该旋转中心的经修正的旋转，导致在该经修正的旋转后该目标点距用该摄影机拍摄的图像的最近角落接近于阈值距离；

使该勘测仪器绕该旋转中心转过该经修正的旋转，以使得该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至经修正的第一摄影机位置和取向；

使用该摄影机在该经修正的第一摄影机位置和取向拍摄经修正的第一图像；

在该经修正的第一图像中识别在该第一图像中被识别的目标点；

将该第一图像坐标修正为该目标点在该经修正的第一图像中测得的图像坐标。

在本发明的一个优选实施方案中，其中在该经修正的第一图像中识别在该第一图像中被识别的目标点包括：

基于该第一摄影机位置和取向、该经修正的摄影机位置和取向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，在该经修正的第一图像中确定该目标点所位于的核线；以及

在该经修正的第一图像中沿着该核线，识别在该第一图像中被识别的目标点。

在本发明的一个优选实施方案中，其中在该经修正的第一图像中识别在该第一图像中被识别的目标点包括：

沿着该觇标在该第一图像中的成像光线来选择距该第一摄影机位置的最小距离和最大距离，该觇标位于该最小距离和该最大距离之间；

基于该最大距离和该最小距离，在该经修正的第一图像中确定该目标点所位于的该核线的一段；以及

在该经修正的第一图像中沿着该核线的这一段，识别在该第一图像中被识别的目标点。

在本发明的一个优选实施方案中，其中在该第一图像中借助于操作员选择来识别该目标点。

在本发明的一个优选实施方案中，其中在该第一图像中借助于自动图像分析来识别该目标点。

在本发明的一个优选实施方案中，其中在该第二图像中借助于自动图像分析来识别在该第一图像中被识别的目标点。

在本发明的一个优选实施方案中，其中在该第二图像中借助于使用者选择来识别在该第一图像中被识别的目标点。

在本发明的一个优选实施方案中，还包括：

基于所确定的该觇标的坐标，确定从该勘测仪器的旋转中心到该觇标的方向。

在本发明的一个优选实施方案中，还包括：

旋转该勘测仪器，以使得该勘测仪器的视线指向该觇标的方向。

在本发明的一个优选实施方案中，还包括：

使用该勘测仪器中的测距能力，测量到该觇标的距离。

在本发明的一个优选实施方案中，还包括：

基于所确定的觇标坐标，确定从该勘测仪器的旋转中心到该觇标的距离。

在本发明的一个优选实施方案中，其中使该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至第二摄影机位置和取向的该勘测仪器绕该旋转中心的所述旋转包括：

使该勘测仪器绕该旋转中心的两个旋转轴线中的一个第一旋转轴线旋转180度；以及

使该勘测仪器绕该旋转中心的两个旋转轴线中的一个第二旋转轴线旋转180度。

本发明还提供一种计算机程序产品，其包括计算机程序代码部分，该计算机程序代码部分当被加载到计算机中并运行时，适于执行本发明的上述方法。

在本发明的计算机程序产品的一个优选实施方案中，其被存储在计算机可读介质上。

本发明还提供一种勘测仪器，包括：

摄影机，其可操作地从偏心于该勘测仪器的旋转中心的两个不同位置和取向拍摄图像，同时使该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置；

用于显示由所述摄影机从该不同位置和取向拍摄的图像的装置；

用于在所显示的图像中识别与所选择的觇标对应的目标点的装置；

用于测量该目标点在该所显示的图像中的图像坐标的装置；

用于使该勘测仪器绕该勘测仪器的旋转中心旋转的装置；以及

用于基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标的装置。

在本发明的仪器的一个优选实施方案中，其中用于识别目标点的装置被实施为在所显示的图像上可移动的光标。

在本发明的仪器的一个优选实施方案中，其中用于识别目标点的装置是使用触摸显示器——其中，能通过在该显示器上点击或轻敲来识别该目标点——来实施的。

在本发明的仪器的一个优选实施方案中，其中用于识别目标点的装置还是使用图像处理软件来实施的。

本发明利用了以下理解：使用该勘测仪器中的摄影机——该摄影机用于通过该勘测仪器的居间旋转从两个已知摄影机位置和取向进行拍摄——的偏心度，以及在这两个图像中对目标点及其坐标的识别连同摄影机标定数据，可以确定该关注点相对于该勘测仪器的坐标。在确定了相对于该仪器的旋转中心的觇标坐标之后，就可以确定从该旋转中心到该觇标的距离。然而，觇标坐标可以用于确定距离以外的其它目的。例如，它可以用于非常精确地测量地面标志的坐标，以对勘测仪器进行设站。

本发明也提供了一种全站仪，其包括用于执行上述方法的各种装置。

另外，本发明可以以这样的计算机程序来实施，该计算机程序在运行时在勘测仪器中执行本发明的方法。该计算机程序可以，例如，作为升级被下载到勘测仪器中。应理解，可以使用软件、硬件或固件或其组合来针对勘测仪器实施本发明方法，视具体情况而定。

附图说明

在下文的详细描述中参考了附图，其中：

图1是从侧面示出了勘测仪器在具有偏心于该仪器旋转中心的摄影机的情况的示意图；

图2在仪器视线和摄影机视线同轴的情况下从上方示意性地示出了该摄影机和该仪器中心两者间的偏心度如何导致相对于目标点的角度差异；

图3示意性地示出了可以被该摄影机拍摄并呈现在该仪器的屏幕上的图像或视频帧。

图4是本发明方法的大体概括。

图5A和5B是从侧面示出了根据本发明的勘测仪器——其具有偏心于该仪器旋转中心的摄影机——的第一实施方式的示意图。通过该勘测仪器的旋转，该摄影机在两个不同位置拍摄图像。

图6是本发明方法的一个实施方式的概括。

图7a和7b示出了用于确定所得出的觇标距离和/或方向的精确度是否被认为足够好的一个方法。

图8示出了用于确定所得出的觇标距离和/或方向的精确度是否被认为足够好的另一个方法。

图9示意性地示出了，通过使勘测仪器在第一图像的拍摄和第二图像的拍摄之间旋转，从摄影机拍摄两个图像，以及在该第二图像中沿着核线的一段识别目标点。

图10示意性地示出了根据本发明的一种测地仪器。

具体实施方式

图1示意性地示出了这样的情况：在由勘测仪器中的摄影机所拍摄的图像中识别与觇标P关联的目标点。在该图中，示出了用于拍摄围绕摄影机轴线102的图像的摄影机传感器101，诸如CMOS摄影机或CCD。借助于光学系统103，图像形成在摄影机传感器101上。该勘测仪器可以通过绕该仪器的旋转中心104转过水平和竖直角度来瞄准期望觇标。如该图所示，用于该摄影机的光学系统103偏心于该仪器的旋转中心(分别偏离该仪器的旋转中心e_q和e_l)。因而，摄影机轴线102(该摄影机视野的中心线)与该仪器的光学轴线(即光学视线)105不共线，如该图所示。摄影机光学轴线102理想地应垂直于摄影机传感器101的平面，且光学系统103应没有畸变或像差，但这不是实践中的情况。

图3示意性地示出了由该摄影机拍摄的图像。这种图像可以被呈现给使用该勘测仪器的操作员，以使得该操作员可以通过点击该图像或者指示期望目标点来选择觇标P的图像目标点，该仪器的光学轴线(即光学视线)粗略地指向该图像中心——其由图3中的十字准线指示。

为了确定从该勘测仪器到所选择的觇标P的方向，在该仪器中执行了数个函数。例如，如果从该摄影机到觇标的方向被表达为相对于该摄影机轴线的水平角和竖直角(θ^x，θ^y)，在该仪器中(或在相关的控制单元中)提供了这样的函数：在由该摄影机拍摄的图像或视频馈给中，通过基于像素坐标来计算该水平角和竖直角(θ^x，θ^y)，确定从该摄影机到觇标的方向。因此，基于图像像素来计算该水平角和竖直角(θ^x，θ^y)的函数f可以被描述为

(θ^x，θ^y)＝f(x，y，C)

其中x、y是期望目标在该摄影机的坐标系中的像素的序号(或更一般地，像素坐标)，C是待为每个系统确定的标定因子。标定因子C包含该摄影机的细节，诸如但不限于，它的偏心度e_q和e_l以及它的焦距f_cam(图1)。关于如何基于由该仪器中的摄影机拍摄的图像来计算水平角和竖直角的一般描述，请参见上述WO 2005/059473。

为了使用独个图像得出从仪器到用偏心的摄影机拍摄的觇标的距离，例如为了将该仪器瞄准期望觇标P，有必要知道到该觇标的距离。就此而言，研究图2所示的示意图可以是有用的。图2是从上方观察到的平面视图，且示出了对于摄影机和仪器这两个的中心，二者的当前视线(光学的以及EDM的)与期望觇标(P)之间的角度。该摄影机标定数据用于确定到目标点P的摄影机角度θ_c，但到目标点P的仪器角度稍有不同，如图2所示。因此，为了使用独个图像得出从仪器到觇标的方向——例如为了将仪器瞄准期望的目标点P，有必要知道到该觇标的距离。应理解，图2只是示意图。

然而，如果从勘测仪器中的摄影机拍摄两个图像，其中第一图像是使用该摄影机在第一摄影机位置和取向拍摄的，所述第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的旋转中心，第二图像是使用该摄影机在第二摄影机位置和取向拍摄的，所述第二位置偏心于该勘测仪器的旋转中心，其中，通过使该勘测仪器绕其旋转中心旋转使得该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至该第二摄影机位置和取向，在该第一图像和该第二图像中识别对应于觇标的目标点，并测量该目标点在该第一图像和该第二图像中的图像坐标，使用摄影机标定数据来确定该目标点相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标。

确定从该勘测仪器的旋转中心到该觇标的方向有用于，例如，使该勘测仪器瞄准该觇标，以用于后续的距离测量。确定离开该勘测仪器的旋转中心的觇标距离有用于，例如，确定使用飞行时间测量的测距仪器的采样间隔、有用于EDM的聚焦能力、以及有用于其它摄影机或使用者的自动对焦。

图4中概括了根据本发明的方法的一般步骤。该方法在包括摄影机的勘测仪器中执行，并开始自：在步骤S401，使用所述摄影机在第一摄影机位置和取向拍摄第一图像，该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的旋转中心；之后在步骤S402执行觇标选择。在该第一图像中识别与该觇标关联的目标点，该第一图像可以是由该摄影机拍摄的快照或视频馈给的一帧。可以通过操作员在显示由该摄影机拍摄的图像的屏幕上点击选择来识别该觇标或以其他任何合适的、指示所拍摄图像的所选觇标的方式来识别该觇标。也设想可以以其它方式进行觇标识别，诸如使用位于该觇标处的棱镜、边缘检测、觇标特征识别(例如箭头)等等。为了便于觇标选择，优选地在屏幕图像中指示仪器视线当前瞄准的点——例如使用十字准线、圆点或类似物。

一旦在步骤S402中通过在该第一图像中识别目标点而选择了觇标，就在步骤S403测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标。

在步骤S404，使该勘测仪器绕该旋转中心旋转，以使得该摄影机从该第一摄影机位置和取向旋转至第二摄影机位置和取向。该第二摄影机位置偏心于该勘测仪器的旋转中心。该第一摄影机位置和取向是由摄影机标定数据以及该摄影机中心到该仪器旋转中心的水平和竖直方向给出的。因而，该第一摄影机位置和取向是这样确定的：将该摄影机中心到该仪器旋转中心的水平和竖直方向——即以偏心度参数为形式的摄影机标定数据e_q和e_l——纳入考量，以使得摄影机坐标关联于勘测仪器坐标。进一步，如下文将讨论的，也可以考虑其它标定数据，例如摄影机位置独立参数，诸如所谓的代表该摄影机中心与图像平面之间的距离的摄影机常数以及/或者畸变参数——其依赖于图像位置。该第二摄影机位置和取向可以从该旋转连同摄影机标定数据得出。

然后该方法继续进行：在步骤S405，使用该摄影机在该第二摄影机位置和取向拍摄第二图像；之后在步骤S406，在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点。例如，可以通过操作员在显示由该摄影机拍摄的图像的屏幕上点击，或者优选地借助于数字图像处理，来选择该目标点。

一旦在步骤S406中在该第二图像中识别了该目标点，就在步骤S407测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标。

最后，在步骤S408，基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标。

图5A和5B示意性地示出了勘测仪器的第一实施方式。为了简单起见，该勘测仪器以二维示出。图5A和5B可以被视为俯视图或侧视图。然而，本领域技术人员明了本发明的教导应如何扩展到三维情形。

勘测仪器500包括摄影机，该摄影机包括摄影机传感器501和光学系统502。该摄影机具有摄影机中心或投射中心(在图5A中以O′指示，在图5B中以O″指示)，其偏心于仪器500的旋转中心所在地点O。通过使勘测仪器500绕其旋转中心旋转，该摄影机可以进一步移动到不同位置。应注意，该勘测仪器被示为具有单个摄影机，因为只需要独个摄影机。然而，该勘测仪器可以包括多于一个的摄影机，例如用于获取一个独立的特征的第二摄影机。应注意，在图5A和5B的实施例中，该摄影机位于该仪器的视线上方。当然，该摄影机可以相对于该仪器旋转中心具有任意的偏心地点。

在图5A中，当该摄影机中心位于第一摄影机位置O′——该第一摄影机位置O′偏心于勘测仪器500的旋转中心所在地点O——并具有第一摄影机取向时，由摄影机传感器501拍摄第一图像。通过在该第一图像中在位置P′识别目标点来选择处于位置P的觇标。

一旦通过在该第一图像中识别该目标点来选择了该觇标，就测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标。

在图5B中，通过使仪器500绕该旋转中心转过旋转角δ，该摄影机中心已经从第一位置O′和第一摄影机取向移动至第二摄影机位置O″和第二摄影机取向。当该摄影机中心位于第二摄影机位置O″——该第二摄影机位置O″偏心于勘测仪器500的旋转中心所在地点O——并具有第二摄影机位置时，摄影机传感器501拍摄第二图像。在该第一图像中被识别的目标点也在该第二图像中在位置P″被识别。

一旦该目标点在第二图像中被识别，就测量该目标点在该第二图像中的位置P″的第二图像坐标。

最后，基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定觇标P相对于该勘测仪器的旋转中心O的坐标。

图6是在包括摄影机的勘测仪器——诸如在图5A-B示意性地公开的勘测仪器——中执行的本发明方法的一个实施方式的概括。输入到该方法中的是包括摄影机和勘测仪器参数的摄影机标定数据。该方法开始自：在步骤S601，使用该摄影机在第一摄影机位置和取向拍摄第一图像，所述第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的旋转中心；之后，在步骤S602，通过在该第一图像中识别对应于觇标的目标点来选择该觇标。例如，可以由操作员在显示由该摄影机拍摄的图像的屏幕上点击选择来识别该觇标。此外，测量该目标点在该第一图像中的图像坐标。

在识别了该目标点之后，就在步骤S603确定是否能使用图像处理和识别软件来识别该目标点。如果不能，则确定邻近于该点的图案是否是可检测的。如果情况并非如此，那么在步骤S605显示该不确定性，并在步骤S606使用合适的替代方法。

如果能检测到图案或者能通过软件识别该点，则在步骤607确定该目标点是否足够接近该图像的最近角落，例如，距该第一图像的最近角落小于阈值距离。这是为了确保该方法产生足够精确的输出。或者，可以确定该目标点距该图像中的与该摄影机检测器的中心对应的点是否足够远，例如，距该图像中的与该摄影机检测器的中心对应的点大于阈值距离。

如果该点不足够接近该第一图像的最近角落，则在步骤S608假定最短距离(对应于从偏心放置的摄影机到觇标与到该勘测仪器的旋转中心的方向之间的最大差异)并计算旋转角，从而导致该目标点在经修正的第一图像中到最近角落的距离比阈更近，但仍处于该经修正的第一图像内。然后根据该旋转角旋转该勘测仪器，从而拍摄该经修正的第一图像。

使用该第一摄影机位置和取向、该第二摄影机位置和取向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，可以在该经修正的第一图像中识别所谓的核线，在该经修正的第一图像中，该目标点应位于该核线上。在步骤S609，通过在该经修正的第一图像中沿着该核线搜索来识别该目标点，并且将该第一图像坐标修正为测得的该目标点在该经修正的第一图像中的图像坐标。

在步骤S610，基于摄影机标定数据、该第一摄影机位置和取向以及该第一图像坐标来计算旋转角，该旋转角将导致该目标点到第二图像的角落的距离比阈更近但仍处于该第二图像内，所述第二图像的角落不同于该第一图像的角落(该目标点在该第一图像中到该第一图像的角落的距离比阈更近)，并且优选地与该第一图像的角落径向相对。

然后，在步骤S611，根据该旋转角来旋转该勘测仪器，从而使用该摄影机在由该旋转导致的第二摄影机位置和取向拍摄该第二图像。

在步骤S612，在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点。使用该第一摄影机位置和取向(或经修正的摄影机位置和取向)、该第二摄影机位置和取向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，可以在该第二图像中识别所谓的核线，在该第二图像中该目标点位于该核线上。通过在该第二图像中沿着该核线搜索来识别该目标点。例如，可以通过操作员在显示该第二图像的屏幕上点击选择，或者优选地借助于数字图像处理，来识别该目标点。

一旦在该第二图像中识别了该目标点，就在步骤S612测量该目标点在第二图像中的第二坐标。基于该第一摄影机位置和取向(或经修正的第一摄影机位置和取向)、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标。基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标。基于所确定的相对于该勘测仪器的旋转中心的觇标坐标，来确定相对于该勘测仪器的旋转中心的觇标方向。即，该觇标的坐标是相对于该勘测仪器的坐标系来表达的。因此，该觇标坐标通常关联于原点在该勘测仪器的旋转中心的坐标系。

在步骤S613，基于相对于该勘测仪器的旋转中心的觇标坐标，来确定从该仪器旋转中心到该觇标的距离。

在步骤S614，确定该距离和/或该方向的精确度是否足够。如果否，则在步骤S615确定用于额外测量的合适的旋转角，根据该合适的旋转角旋转该勘测仪器，从而在步骤S616拍摄经修正的第二图像，且该方法继续进行到步骤S612。

如果该准确度足够，则旋转该勘测仪器，以使得该仪器旋转中心的视线瞄准在步骤S617中确定的该觇标方向。

图7A和7B示出了两个不同的图像，在每个图像中指示了图像角落701、目标点702以及四个区域703，其中，所确定的觇标距离和/或方向被认为足够良好。再一次参照图6，在步骤S607确定目标点702是否足够接近该图像的最近角落701，例如，距该第一图像的最近角落小于阈值距离，以确保产生足够精确的结果。在图7A中，目标点702被认为足够接近角落701(即处于区域703内)。相反，图7B示出了目标点702不位于四个区域703之一中的情况，其中该精确度被认为不足够良好。

图8示出了图7A和7B的阈方法的替代。在图8的方法中，可以确定目标点802距该图像中的与该摄影机检测器的中心对应的点是否足够远，例如距该图像中的与该摄影机检测器的中心对应的点大于阈值距离。在图8种，阴影区域803指示距该中心足够远的距离。如果是如此，则该精确度被认为足够良好。

图9示意性地示出了，通过使勘测仪器在第一图像的拍摄和第二图像的拍摄之间旋转，从摄影机拍摄两个图像，以及在该第二图像中沿着核线的一段识别目标点。

该摄影机具有摄影机中心或投射中心，其偏心于该仪器的旋转中心所在位置O。通过使该勘测仪器绕其旋转中心旋转，该摄影机还可以移动到不同的摄影机位置和取向。对于每次旋转，该摄影机中心都将位于一个球面上。

当该摄影机中心位于第一位置O′——其偏心于该勘测仪器的旋转中心所在地点O——并且该摄影机具有第一摄影机取向时，该摄影机拍摄第一图像。通过在该第一图像中在位置P′(x′，y′)识别目标点来选择处于位置P的觇标。

然后，通过使该仪器绕该旋转中心旋转，该摄影机中心从该第一摄影机位置O′和取向移动至第二摄影机位置O″和取向。该第一摄影机位置和该第二摄影机位置之间的距离被标示为d_c。当该摄影机中心位于第二位置O″——其偏心于该勘测仪器的旋转中心所在地点O——并且该摄影机具有第二摄影机取向时，该摄影机拍摄第二图像。在第一图像中被识别的目标点在第二图像中在位置P″(x″，y″)被识别。

所谓的共线性(collinearity)方程被用来估计P的坐标。关于该共线性方程的推导以及该摄影机的标定的背景资料，请参考WO2005/059473。

测得的该第一图像中的坐标P′可以由下列方程限定：

$x^{\′}=x_0-c_K\frac{r_{{11}^{\′}}(X-X_{0^{\′}})+r_{{21}^{\′}}(Y-Y_{0^{\′}})+r_{{31}^{\′}}(Z-Z_{0^{\′}})}{r_{{13}^{\′}}(X-X_{0^{\′}})+r_{{23}^{\′}}(Y-Y_{0^{\′}})+r_{{33}^{\′}}(Z-Z_{0^{\′}})}+\mathrm{\Δx}$

$y^{\′}=y_0-c_K\frac{r_{{12}^{\′}}(X-X_{0^{\′}})+r_{{22}^{\′}}(Y-Y_{0^{\′}})+r_{{32}^{\′}}(Z-Z_{0^{\′}})}{r_{{13}^{\′}}(X-X_{0^{\′}})+r_{{23}^{\′}}(Y-Y_{0^{\′}})+r_{{33}^{\′}}(Z-Z_{0^{\′}})}+\mathrm{\Δx}$

测得的该第二图像中的坐标P″可以由下列方程定义：

$x^{\′\′}=x_0-c_K\frac{r_{{11}^{\′\′}}(X-X_{0^{\′\′}})+r_{{21}^{\′\′}}(Y-Y_{0^{\′\′}})+r_{{31}^{\′\′}}(Z-Z_{0^{\′\′}})}{r_{{13}^{\′\′}}(X-X_{0^{\′\′}})+r_{{23}^{\′\′}}(Y-Y_{0^{\′\′}})+r_{{33}^{\′\′}}(Z-Z_{0^{\′\′}})}+\mathrm{\Δx}$

$y^{\′\′}=y_0-c_K\frac{r_{{12}^{\′\′}}(X-X_{0^{\′\′}})+r_{{22}^{\′\′}}(Y-Y_{0^{\′\′}})+r_{{32}^{\′\′}}(Z-Z_{0^{\′\′}})}{r_{{13}^{\′\′}}(X-X_{0^{\′\′}})+r_{{23}^{\′\′}}(Y-Y_{0^{\′\′}})+r_{{33}^{\′\′}}(Z-Z_{0^{\′\′}})}+\mathrm{\Δy}$

下列参数从标定得知：

X₀；Y₀；Z₀：来自摄影机位置的坐标，“′”表示第一图像；“″”表示第二图像。

r_ij：来自旋转矩阵(i＝1...3；j＝1...3)的元素，“′”表示第一图像；“″”表示第二图像。

x₀；y₀：来自原点的坐标(常数，独立于摄影机位置)

c_K：摄影机常数(常数，独立于摄影机位置)

Δx，Δy：畸变参数。该畸变已知为高阶多项式。该畸变依赖于图像位置，且独立于摄影机位置。

所有参数都被测得或从摄影机标定得知，除了P的坐标X、Y、Z。因此，有三个未知量和四个方程。可以用最小二乘法确定X、Y、Z。应注意，对点P所在地点的估计不限于两个图像，但至少两个图像是必要的。因此，可以使用两个或更多图像。

应注意，一旦通过在该第一图像中识别该目标点而选择了该觇标，就可以确定从该摄影机中心的第一位置O′到该觇标的第一方向r′。

使用这个第一方向r′，连同沿着该方向r′的最大距离D_max(其可以被选为无穷远)以及最小距离D_min(其可以被选为该勘测仪器的最小距离)，则r′的一段可以被变换成该第二图像中的所谓的核线e1″的一段，在该第二图像中该目标点应位于该核线e1″的一段上。因此，如果在该第一图像中在该目标点的位置P′周围辨识出了图案，则，通过在该第二图像中沿着该核线的这一段搜索，或者在这一段周围的区域中搜索，就可以在该第二图像中辨识出这个图案，例如借助于自动图像处理。如果，替代地，操作员想要在该第二图像中识别该觇标，则在该第二图像中的该核线的这一段的图形指示可以简化该识别。

在另外一个实施方案中，当该摄影机中心位于第一位置O′——其偏心于该勘测仪器的旋转中心所在地点O——并且该摄影机具有第一摄影机取向时，该摄影机拍摄第一图像。通过在该第一图像中在位置P′(x′，y′)识别目标点，来选择处于位置P的觇标。

然后，通过绕该旋转中心的一个旋转轴线(例如水平轴线)旋转180度，随后再绕该旋转中心的另一个旋转轴线(即竖直轴线)旋转180度，该摄影机中心从第一摄影机位置O′和取向移动至第二摄影机位置O″和取向。

可以理论性地示出，这些180度旋转导致该第一和第二摄影机位置之间有最大基(base)，即最大距离d_c。当该摄影机中心位于第二位置O″——其偏心于该勘测仪器的旋转中心所在地点O——并且该摄影机具有第二摄影机取向时，该摄影机拍摄第二图像。在该第二图像中在位置P″(x″，y″)识别在该第一图像中被识别的目标点。随后遵循上面的描述来确定该觇标坐标。

在图10中，示出了根据本发明的全站仪的一个实施例。在许多方面，该全站仪包括从先前的仪器中得知的特征。例如，图10中示出的全站仪1000包括安装在基座1002上的照准仪(alidade)1001，并具有三脚架1003形式的安装支撑结构。照准仪1001可以绕竖直向旋转轴线V旋转，以使该仪器瞄准任何期望水平方向。在该照准仪中，布置有中央单元1004，该中央单元可以绕水平向旋转轴线H旋转，以使该仪器瞄准任何期望竖直方向。使用全站仪1000进行的测量通常关联于竖直向旋转轴线V和水平向旋转轴线H之交点处的坐标原点。

为了使该照准仪绕该竖直向旋转轴线旋转以使该仪器瞄准任何期望水平方向，提供了驱动装置1005。借助于刻度盘1006和相应的角度编码器或传感器1007，对该照准仪1001的旋转位置进行跟踪。为了使中央单元1004绕该水平向旋转轴线旋转，提供了类似的驱动装置1008、刻度盘1009以及传感器1010。此外，该仪器具有光学对中器(optical plummet)1012，其给出了沿着该竖直向旋转轴线的向下视野。该光学对中器被操作员用来将该仪器对中或放置在地面上的任何期望点。

如上所述，该仪器视线以该竖直旋转轴线和该水平旋转轴线之交点为中心，并且在图中可以看到，这些轴线在中央单元1004的望远镜1013的中心相交。

在该望远镜上方，在该中心单元中，提供了用于大致在该仪器视线的方向拍摄图像或视频馈给的摄影机1014。然而，如所示，摄影机1014偏心于望远镜1013的中心；在这个情况下，该摄影机被安装在该望远镜的竖直上方。该仪器也包括用于显示该摄影机所拍摄的图像的显示器装置。该显示器可以是该仪器的一体式部分，但更优选地，该显示器被包含在可移动控制面板中，该可移动控制面板可以用于经由近程无线电来对该仪器进行遥控。甚至可设想，该仪器是完全遥控的，其中该显示器可以是远离于该全站仪的计算机屏幕的形式，并且其中去往及来自该仪器的信息是通过无线计算机或无线电电话网络来传输的。

该仪器也可以被手动地操作，以使用竖直运动伺服钮1015和水平运动伺服钮1016朝期望觇标瞄准。

该仪器的摄影机可操作地从偏心于该勘测仪器的旋转中心的不同位置和取向拍摄图像。

根据本发明，该仪器还包括：用于在所显示的图像中识别对应于所选觇标的目标点的装置；用于基于该目标点在该所显示的图像中的位置，来确定从处于该不同位置的该摄影机到该觇标的方向的装置；用于测量该目标点在该所显示的图像中的图像坐标的装置；以及用于基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的觇标坐标。

用于在所拍摄的图像中识别该目标点的装置可以采用光标形式，该光标可以在该显示器上移动。或者，该显示器可以是触摸显示器——其中通过在该显示器上简单地点击或轻敲来识别该目标点。这优选地用于在该第一图像中识别该目标点。

用于识别该目标点的装置可以包含以图像处理软件形式实施的另外的功能。在这种情况下，该另外的功能是，可以基于所拍摄的图像中的特定特征——例如位于期望觇标处的标记或图案——来识别目标点。例如，在第一图像中被识别的目标点可以，基于在该第一图像中被识别的图案，在第二图像中被自动地识别。在该目标点被该仪器自动识别的情况下，在瞄准和测量程序之前或期间，可以给予使用者选择权以确认该被识别的目标点是正确的。这优选地用于在该第二图像中识别该目标点。

用于测量该目标点在所显示的图像中的图像坐标的装置，以及用于确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的觇标坐标的装置，优选地以在处理器中运行的计算机程序代码的形式来实施。然而，也可以在专用硬件中——诸如在专用微处理器或者数字信号处理器(DSP)、固件或类似物中——实施。

用于旋转该仪器的装置优选地与用于该仪器的伺服控制系统联合实施，以进行驱动电机1005和1008的受控启动(见图10)。

尽管已经描述了具体的实施方案，但是本领域技术人员应理解，在所附权利要求书中限定的范围内，各种改型和替代方案都是可设想的。

Claims (18)

1.一种用于确定觇标相对于包括摄影机的勘测仪器的坐标的方法，包括：

使用该摄影机在第一摄影机位置和取向拍摄第一图像，所述第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的旋转中心；

通过在该第一图像中识别目标点来选择觇标；

测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标；

使该勘测仪器绕该旋转中心旋转，以使得该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至第二摄影机位置和取向，而使该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置，所述第二摄影机位置偏心于该勘测仪器的旋转中心；

使用该摄影机在该第二摄影机位置和取向拍摄第二图像；

在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点，包括：

基于该第一摄影机位置和取向、该第二摄影机位置和取向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，在该第二图像中确定该目标点所位于的核线；以及，在该第二图像中沿着该核线，识别在该第一图像中被识别的目标点；

在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点还包括：

沿着该觇标在该第一图像中的成像光线来选择距该第一摄影机位置的最小距离和最大距离，该觇标位于该最小距离和该最大距离之间；

基于该最大距离和该最小距离，在该第二图像中确定目标点所位于的该核线的一段；以及，在该第二图像中沿着该核线的这一段，识别在该第一图像中被识别的目标点；

测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标；以及

基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的觇标坐标。

2.权利要求1的方法，其中该最小距离被选为该勘测仪器的最小距离。

3.权利要求1或2中任一项的方法，其中，如果被识别的目标点距该第一图像的最近角落不接近于阈值距离，则执行以下步骤：

基于该目标点在该第一图像中的位置，确定该勘测仪器绕该旋转中心的经修正的旋转，导致在经修正的旋转后该目标点距用该摄影机拍摄的图像的最近角落接近于阈值距离；

使该勘测仪器绕该旋转中心转过该经修正的旋转，以使得该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至经修正的第一摄影机位置和取向；

使用该摄影机在该经修正的第一摄影机位置和取向拍摄经修正的第一图像；

在该经修正的第一图像中识别在该第一图像中被识别的目标点；

将该第一图像坐标修正为该目标点在该经修正的第一图像中测得的图像坐标。

4.权利要求3的方法，其中在该经修正的第一图像中识别在该第一图像中被识别的目标点包括：

基于该第一摄影机位置和取向、该经修正的摄影机位置和取向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，在该经修正的第一图像中确定该目标点所位于的核线；以及

在该经修正的第一图像中沿着该核线，识别在该第一图像中被识别的目标点。

5.权利要求4的方法，其中在该经修正的第一图像中识别在该第一图像中被识别的目标点包括：

沿着该觇标在该第一图像中的成像光线来选择距该第一摄影机位置的最小距离和最大距离，该觇标位于该最小距离和该最大距离之间；

基于该最大距离和该最小距离，在该经修正的第一图像中确定该目标点所位于的该核线的一段；以及

在该经修正的第一图像中沿着该核线的这一段，识别在该第一图像中被识别的目标点。

6.权利要求1或2的方法，其中在该第一图像中借助于操作员选择来识别该目标点。

7.权利要求1或2的方法，其中在该第一图像中借助于自动图像分析来识别该目标点。

8.权利要求1或2的方法，其中在该第二图像中借助于自动图像分析来识别在该第一图像中被识别的目标点。

9.权利要求1或2的方法，其中在该第二图像中借助于使用者选择来识别在该第一图像中被识别的目标点。

10.权利要求1或2的方法，还包括：

基于所确定的该觇标的坐标，确定从该勘测仪器的旋转中心到该觇标的方向。

11.权利要求10的方法，还包括：

旋转该勘测仪器，以使得该勘测仪器的视线指向该觇标的方向。

12.权利要求11的方法，还包括：

使用该勘测仪器中的测距能力，测量到该觇标的距离。

13.权利要求1或2的方法，还包括：

基于所确定的觇标坐标，确定从该勘测仪器的旋转中心到该觇标的距离。

14.权利要求1或2的方法，其中使该摄影机从该第一摄影机位置和取向移动至第二摄影机位置和取向的该勘测仪器绕该旋转中心的所述旋转包括：

使该勘测仪器绕该旋转中心的两个旋转轴线中的一个第一旋转轴线旋转180度；以及

使该勘测仪器绕该旋转中心的两个旋转轴线中的一个第二旋转轴线旋转180度。

15.一种勘测仪器，包括：

摄影机，其可操作地从偏心于该勘测仪器的旋转中心的不同位置和取向拍摄图像，同时使该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置；

用于显示由所述摄影机从该不同位置和取向拍摄的图像的装置；

用于在所显示的图像中识别与所选择的觇标对应的目标点的装置，该用于识别的装置适于：

基于第一摄影机位置和取向、第二摄影机位置和取向、第一图像坐标以及摄影机标定数据，在第二图像中确定该目标点所位于的核线；以及，在第二图像中沿着该核线，识别在第一图像中被识别的目标点；以及

沿着该觇标在该第一图像中的成像光线来选择距该第一摄影机位置的最小距离和最大距离，该觇标位于该最小距离和该最大距离之间；

基于该最大距离和该最小距离，在该第二图像中确定目标点所位于的该核线的一段；以及，在该第二图像中沿着该核线的这一段，识别在该第一图像中被识别的目标点；

用于测量该目标点在该所显示的图像中的图像坐标的装置；

用于使该勘测仪器绕该勘测仪器的旋转中心旋转的装置；以及

用于基于该第一摄影机位置和取向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和取向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据来确定该觇标相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标的装置。

16.权利要求15的仪器，其中用于识别目标点的装置被实施为在所显示的图像上可移动的光标。

17.权利要求15或16的仪器，其中用于识别目标点的装置是使用触摸显示器来实施的，其中，通过在该显示器上点击或轻敲能够识别该目标点。

18.权利要求15或16的仪器，其中用于识别目标点的装置进一步是使用图像处理软件来实施的。

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