CN102947672A - 验证测量仪器的外部取向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在测量处理期间验证测量仪器的外部取向的方法。所述方法包括以下初始化步骤：将测量仪器的成像装置指向参考物体(2)上并检测成像装置的第一拍摄方向；按照第一拍摄方向拍摄参考物体(2)的第一图像；存储第一图像和第一拍摄方向作为测量仪器的外部取向的指示。根据本发明，在测量处理的进行状态下，执行以下验证步骤(尤其按照自动的和预编程的方式)：将成像装置重新指向参考物体(2)上并检测成像装置的第二拍摄方向；按照第二拍摄方向拍摄参考物体(2)的第二图像；通过图像处理比较第一图像和第二图像中的参考物体(2)的第一成像位置与第二成像位置以及第一拍摄方向与第二拍摄方向，并基于第一成像位置和第二成像位置之间的差异和/或第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的差异验证测量仪器的外部取向。

Description

验证测量仪器的外部取向的方法

本发明涉及测量方法，尤其是涉及根据权利要求1的前序部分所述的验证测量仪器的外部取向的方法以及被设计为执行本发明的方法的根据权利要求14的前序部分所述的测量仪器。

当设置诸如全站仪(total station)的测量仪器时，有必要确定测量仪器的取向。通常，测量仪器的取向对应于测量仪器的对准(角度测量装置的方向零)相对于北方向(头向)（即，根据通用大地测量惯例，相对于水平坐标系的x轴）的偏差。为了确定测量仪器的取向，测量从测量仪器到至少一个相对远距离的参考物体(具有已知坐标数据)的角度。通常，这样的参考物体的距离必须为至少1km。

这样的参考物体的例子有教堂塔十字架、山顶上的十字架(山顶十字架)、高烟囱或者长距离外也可看见的其它明显物体。这些参考物体的坐标数据通常由政府当局提供，如瑞士的“Bundesamt für Landestopographie swisstopo”。

基于图1和图2描述用于确定测量仪器的取向的现有技术的方法。为了确定测量仪器的取向，确定测量仪器的方向零与坐标系的x轴(通常对应于北方向)之间的角度O。即，测量仪器的取向通常被定义为x轴(北方向)与测量仪器的方向零之间的角度。

如果测量仪器A和参考物体B的设置点的坐标数据已知，则从该坐标数据可计算取向方向角r₀。取向方向角是x轴与连接测量仪器和参考物体B的位置的线S之间的角度。在设置测量仪器之后，测量至参考物体的方向角r，即，测量仪器的方向零与连接测量仪器和参考物体B的位置的线之间的角度，取向角O被确定为：

O=r₀-r

在实地使用测量仪器时，可能发生测量仪器的外部取向由于多个原因而略微改变，例如，由于三脚架的一足陷入地面中，由于无意中推或撞到测量仪器上等。因此，可在开始测量任务一段时间之后在测量处理期间(即，在测量处理进行的状态或随后的状态下)验证测量仪器的外部取向。这种取向验证可确保测量仪器没有改变，仍精确地处于初始确定的取向上，或者在取向改变的情况下，可指示必须重新确定测量仪器的外部取向。

为了验证测量仪器的取向，一段时间之后，再次确定从测量仪器到参考物体B的方向角r₂，然后将新的参考角与原来确定的方向角r₁进行比较。

ΔO=O₂–O₁

=(r₀-r₂)-(r₀–r₁)

=r₁-r₂

如果取向改变ΔO超过预定值，则需要重新确定测量仪器的取向。这里，需要注意的是，可在不知道绝对外部取向值O₂和O₁的情况下确定取向改变ΔO。然而，根据现有技术的方法，这种验证方法必须完全手动进行，因此非常麻烦。另外，其可靠性取决于操作人员的技术。

举例来说，WO 2009/106144 Al粗略描述了一种在实地测量活动期间检查测量仪器的原来确定的取向是否改变的验证程序，参见WO 2009/106144 Al的第25页第25-33行：

“当在绝对坐标系中测量位置数据时，可能需要仪器相对于已知方向的取向。在该过程中，参考目标用来在测量活动开始时获得全站仪的角度取向(例如在校准过程之后所获得的角度取向)并且在结束测量活动之前检查该参考目标。检查参考目标相对于全站仪的角度取向的位置确保了全站仪在测量活动期间没有移动。”

然而，WO 2009/106144 Al的上述段落中描述的验证方法也必须完全手动进行，因此也非常麻烦。同样，此类验证的可靠性也取决于操作人员的技术。

WO 2009/106144 Al中根本没有给出有关在实地用户测量活动期间验证测量仪器的取向的更多信息，实际上WO 2009/106144的主要技术教导涉及完全不同的主题，类似校准测量仪器的方法(参见，除了许多其它段落之外，WO 2009/106144 Al的第12页第7-12行)或(作为次要主题)搜索参考目标的方法(参见例如WO 2009/106144 Al的第23页第20-27行)，其与在实地测量活动期间验证测量仪器的外部取向的方法相比均形成完全不同的主题。

因此，需要一种改进的方法来在测量活动期间确定并验证测量仪器的外部取向，尤其其中所述方法可较容易进行，并且具有高可靠性(与操作员的技术无关)。

本发明的在测量处理期间验证测量仪器的外部取向的方法适用于至少具有成像装置以及用于检测所述成像装置相对于测量仪器的基座的内部拍摄方向的角度测量装置的测量仪器。

这里，所述方法包括以下初始化步骤：

-将成像装置指向参考物体上并检测成像装置的第一拍摄方向，

-按照第一拍摄方向拍摄参考物体的第一图像，

-存储第一图像和第一拍摄方向作为测量仪器的外部取向的指示(举例来说，所检测的第一拍摄方向可用作链接测量仪器的外部取向的测标(peg)以用于后续测量)。

根据本发明，在测量处理的进行状态下(例如，在特定时间段之后并在测量任务的一部分已经执行之后，或者例如，在操作员无意中撞到测量仪器之后)，还执行以下验证步骤以验证测量仪器的外部取向(即，验证测量仪器是否仍按照关于其设置的相同方式取向)：

-将成像装置重新指向参考物体上并检测成像装置的第二拍摄方向，

-按照第二拍摄方向拍摄参考物体的第二图像，

-通过图像处理比较第一图像和第二图像中的参考物体的第一成像位置与第二成像位置以及第一拍摄方向与第二拍摄方向，并基于第一成像位置和第二成像位置之间的差异和/或第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的差异验证测量仪器的外部取向。

这里，具体地，所述验证可按照以下方式/实施方式执行：

根据方法的第一实施方式，可以执行所述重新指向步骤，使得第二拍摄方向与第一拍摄方向精确一致。这意味着，在开始验证处理之后，首先，将成像装置(尤其是集成有成像装置的瞄准装置/望远镜)驱动至第一拍摄方向的内部角度(即，将成像装置精确地重新指向第一拍摄方向)。在按照第二拍摄方向拍摄参考物体的第二图像之后，然后可基于第一成像位置和第二成像位置之间的差异验证测量仪器的外部取向。

根据另选的第二实施方式，可以执行所述重新指向步骤，使得第二拍摄方向不同于第一拍摄方向。然后，可基于第一成像位置和第二成像位置之间的位置差异以及第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的方向差异验证测量仪器的外部取向。这里，必须使位置差异和方向差异彼此相关。

因此，根据本发明方法的另选的第二实施方式，在开始初始化步骤之后没有必要再次精确地接近第一拍摄方向，但是可以将成像装置重新指向，使得第二拍摄方向与第一拍摄方向大致一致。这与第一实施方式相比是有利的，因为测量仪器的动力化通常难以再次以足够的精度真正地精确接近望远镜的先前测量的角度(即，通常望远镜对准的动力化改变的精度会低于读出的角度)。

然而，仅按照这样的方式将成像装置重新指向，使得在按照第二成像方向拍摄第二图像时参考物体仍处于其视野(覆盖范围)内也可能足够了。通过考虑第一图像和第二图像中的第一成像位置与第二成像位置之间的差以及第一拍摄方向与第二拍摄方向之间的差，可验证外部取向是否改变。因此，使第一成像位置和第二成像位置之间的差与第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的差相关。例如，可从位置差异直接得到指向角度差，可将该指向角度差与第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的差异直接进行比较。在从位置差异得到的指向角度差偏离于第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的差异的情况下，表明测量仪器的外部取向改变。

根据进一步的第三实施方式，可以执行所述重新指向步骤，使得第二图像(按照第二拍摄方向拍摄)中的参考物体的第二成像位置与第一图像中的参考物体的第一成像位置精确一致。然后，可以(尤其是仅)基于第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的差异验证测量仪器的外部取向，

针对第三实施方式举例，可通过连续改变拍摄方向以及连续拍摄并处理图像，直到参考物体的成像位置与第一成像位置精确一致为止，来反复执行所述重新指向步骤。

当然，本发明的方法还可根据仍落入本发明范围内的其它未明确描述的实施方式(例如，上述实施方式的组合)来实现。

因此，根据本发明，提供了用于核准、监测和检查初始设置和给定测量仪器的取向的验证方法，其可以按照半自动(例如，有操作员的指导)或者甚至全自动方式执行。

测量仪器具体地可构建为经纬仪或全站仪(特别是具有动力化)，并且还包括作为人机接口的操作装置以及诸如数据处理单元的控制器，该控制器存储有程序代码以便能够执行上述本发明方法的初始化和验证步骤。

具体地，成像装置可集成到具有(例如，30倍变焦的)变焦镜头的瞄准望远镜。这里，瞄准望远镜的镜头可限定瞄准轴，其中，拍摄方向可与瞄准轴共轴或至少基本上共轴。例如，成像装置可为同轴相机，其在望远镜的光路上设置在镜头之后。具体地，成像装置应该针对瞄准望远镜的光学器件和瞄准轴校准。

根据测量仪器是否设置有用于改变成像装置(可以例如集成到瞄准望远镜)的对准和观察方向的动力化装置，将成像装置精确地重新指向第一拍摄方向的步骤可全自动地执行，或者可通过指导操作员以帮助将成像装置例如精确地重新指向第一拍摄方向来执行(参见描述的本发明方法的第一实施方式)。

关于本发明方法的另选的第二实施方式，将成像装置重新指向参考物体上并检测成像装置的第二拍摄方向的验证步骤也可全自动地执行，或者可通过指导操作员以帮助将成像装置重新指向参考物体上并等待用于触发检测成像装置的第二拍摄方向的用户命令来执行。本发明方法的第三具体实施方式可优选地(如所述)以反复的方式全自动地执行。

通常，测量仪器的角度测量装置可被设计为用于检测水平角度，并且尤其另外检测垂直角度，作为成像装置的内部拍摄方向。如果是这样，比较第一成像位置与第二成像位置的步骤可更详细地通过分别确定第一图像和第二图像中的第一成像位置与第二成像位置之间的水平像素偏移(尤其另外确定垂直像素偏移)来执行，并且可基于水平像素偏移(尤其还基于垂直像素偏移)验证测量仪器的水平外部取向(尤其另外验证其倾斜(垂直对准))。

另外，根据执行本发明方法的方式，还可计算并确定取向偏离(disorientation)量，所述取向偏离量具体地是水平和/或垂直位移角度。例如，关于验证方法的第一实施方式，可从第一图像和第二图像中的第一成像位置与第二成像位置之间的像素偏移直接得到取向偏离量(例如，在测量期间(即，初始化处理和验证处理之间)测量仪器的外部取向改变的水平偏移角度)(如稍后更详细描述的，参见图6)。关于第二实施方式，必须使像素偏移与第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的偏移相关。例如，可首先将像素偏移变换为角度偏移。然后，可直接得出取向改变量作为该角度偏移与第一拍摄方向和第二拍摄方向之间的偏移之差。至少关于本发明方法的第一实施方式和第二实施方式，相机应该被很好地校准(即，相机常数应该已知)，以便将第一图像和第二图像中的成像位置之间的像素偏移直接变换/转换为角度偏移。

关于第三实施方式，结合验证，成像装置被重新指向，使得(验证图像中的)第二成像位置精确等于(初始化图像中的)第一成像位置。因此，可直接得出(初始化处理和验证处理之间实时发生的)取向改变量作为第一拍摄方向与第二拍摄方向之间的角度差。

通常，所得到的取向偏离量可用于校正当前测量仪器的外部取向的值。例如，作为取向偏离量，确定的水平位移角度可用于通过将所述水平位移角度与初始设定的取向相加来校正测量仪器的当前取向。在这种情况下，对于到来的测量结果，可以自动考虑改变的取向，用户没有必要进行其它测量来清除测量仪器的改变的取向。

可选地，如果取向偏离量超过预设值，则还可发出警告信号。在这种情况下，用户获得取向改变超过容许范围的信息。因此，根据情况，用户可以执行针对测量仪器的新的取向，或者他可以考虑其它测量来校正错误的取向。发出的信号可为光学信号、听觉信号、振动信号或适于引起用户注意的任何其它信号。

重新参照比较第一成像位置与第二成像位置的步骤，更详细地举例来说，所述步骤可通过边缘提取方法来进行。这里，分别在两个图像中精确确定（尤其是）垂直边缘，例如山顶十字架或教堂塔十字架的竖条，然后将两个图像中的所述边缘之间的距离用作计算位移的基础。

另选地，所述比较第一图像和第二图像中的参考物体的第一成像位置与第二成像位置的步骤还可通过模板匹配来进行。因此，第一图像中的参考物体周围的预定区域可以例如被定义为模板。然后，可在第二图像中匹配所述模板以与第二图像内的参考物体对应，并且可确定模板在第一图像和第二图像中的位置之间的位移，所述位移指示测量仪器的取向偏离量。

通常，所述测量仪器包括望远镜，其定义有瞄准轴并集成有所述成像装置，其中，十字准线叠加在图像中以指示所述瞄准轴。在这种情况下，作为针对模板匹配程序的详细例子，第一图像中的十字准线周围的预定区域可被定义为模板，表示第一图像中的瞄准轴的十字准线的中心可被设定为模板的参考点。然后，可使模板在第二图像内匹配，并可确定第二图像中的十字准线的中心的位置与第二图像中的匹配的模板的参考点的位置之间的像素偏移，以指示测量仪器的取向偏离。

这里，通常，十字准线并非必需显示在图像中(即，重叠/叠加在图像上)，图像中描绘的瞄准轴的位置可通过任何方式知道。在这种情况下，例如，可通过带有十字线的目镜来进行瞄准，并且可独立于相机来利用描绘了瞄准点的已知位置来进行(根据本发明的)取向验证。因此，可确定第二图像中的描绘瞄准点的位置与参考物体成像的位置之间的像素偏移，并从其得到角度偏移。

根据本发明的另一方面，代替结合初始化和验证处理进行拍摄并存储仅一个图像，可收集一系列图像(即，在短时间内连续采集若干图像)，各系列图像的概要分别取代第一图像和第二图像。

换言之，拍摄第一图像和第二图像的步骤可包括：在较短的预定时间段内，分别按照第一拍摄方向连续采集多个图像作为参考物体的第一系列图像，按照第二拍摄方向连续采集多个图像作为第二系列图像(例如，直接连续大约5-20个图像)，并对可从第一系列图像和第二系列图像得到的信息取平均，以取代可从第一图像和第二图像得到的信息。

具体地，对在第一系列图像中的各个图像中的参考物体的位置取平均，并对在第二系列图像中的各个图像中的参考物体的位置取平均，将平均位置作为第一成像位置和第二成像位置。

因此，例如，尤其在空气轻拂的情况下，与仅处理单个采集图像的情况相比，可提供从连续采集的各系列图像中的参考物体的成像位置的平均得到的取向方向作为参考物体的“真实”取向方向的更精确的指示。

因此，以上述方式应用根据本发明的方法使得能够清除差的能见度条件，例如热天中发生的雾霾或空气轻拂。

具体地结合初始化步骤，可通过经由多个已知参考物体参考测量仪器来在绝对坐标系中确定测量仪器的取向(可选地，还有其位置)，预先知道绝对坐标系中的参考物体的位置并测量至参考物体的相对方向和/或距离。另选地，例如，如果基于已知地理参考点进行设置，还可从地图获得测量仪器的位置。

具体地，如果本发明方法的各个上述步骤以至少两个更多的参考物体进行重复，则除了取向之外，可在特定时间段之后通过前方交会(intersection)步骤或通过后方交会(resection)步骤验证测量仪器的位置。因此，除了取向之外，可类似地验证测量仪器的位置，并且可确定测量仪器的位置改变或者通知该位置保持不变。

根据本发明的另一方面，可在自测量仪器的外部取向的初始确定起或自已经执行最后的取向验证起过去预定时间段之后，发出提醒信号，并且可基于来自用户的手动命令或在又一预定时间段过去之后自动执行验证步骤。

另外，可在测量处理期间按照预定时间间隔重复验证步骤，具体地其中，按照所述预定时间间隔以重复方式自动执行验证步骤。

在这种情况下，结合各验证步骤的完成，可确定取向偏离量，并且尤其通过回归分析，特别是通过线性回归，从所述取向偏离量得到时间的取向函数，其中，针对时间绘出测量仪器的外部取向。因此，可根据该取向函数，即，根据测量结果各自的收集时间点和所述得到的取向函数校正结合测量处理收集的测量结果。

本发明的方法有利地使得用户能够在利用测量仪器进行工作的同时了解测量仪器的取向是否改变。可自动地(即，在预定周期过去之后)执行验证，或者另选地，可基于手动命令来执行。后者可在用户意识到取向可能改变（例如，如果测量仪器经受碰撞）的情况下给出。

具体地，本发明的方法使得能够验证测量仪器的取向而无需预先确定测量仪器的位置。这后一种情况可在使用本地坐标系(未嵌入全球坐标系中)的情况下执行。这里，任何显著点可用作参考物体。因此，必须注意的是，执行并利用根据本发明的验证方法没有必要必须初始确定取向值。相反，本发明的基本点在于提供一种方法，利用该方法，测量站的设置中的取向改变(在测量期间有可能发生)可至少被记录(尤其还确定其位移值)。

总而言之，根据本发明，可基于两个图像中的预定参考点的水平图像坐标数据差来计算水平位移角。这里，根据第一实施方式，结合验证步骤没有必要再次测量从测量仪器至参考物体的水平角度，而仅精确地接近存储的第一瞄准方向并拍摄第二图像就足够了。

另外，还可基于两个图像中的预定参考点的位置的垂直图像坐标数据差来计算垂直位移角。从计算垂直位移角，除了水平和/或垂直位移之外，可确定测量仪器的倾斜的改变。

如上所述，为了验证水平和/或垂直位移，第一图像中的十字准线周围的限定区域(例如，第一图像的图像部分)可被定义为模板。然后，可在模板中定义参考点，并且可在第二图像中确定水平和/或垂直位移作为从第一图像中定义的参考点至第二图像中的十字准线位置的距离。在这种情况下，可在第二图像中确定参考点的图像坐标数据，并从该图像坐标数据确定水平和/或垂直位移。

还如上所述，所述方法可按照预定间隔以重复方式自动执行。这确保测量仪器取向的经常性验证，降低用户忘记手动验证取向的风险。另选地或另外地，用户可在任何时间手动激活验证。

另外，可在自取向的初始确定起或自最后的取向验证起过去预定时间段之后发出提醒信号。然后，用于验证测量仪器的取向的方法可基于用户的手动命令来执行或在又一预定时间段过去之后自动执行。因此，不会中断用户当前的测量任务，而使用户了解到应该执行取向验证。然而，如果用户忘记手动开始取向验证，则可自动开始取向验证。自动开始的取向验证可直接在发出指示开始的另一警告信号之后(或略微有延迟)开始。

总而言之，根据本发明的测量仪器包括成像装置(也称为图像采集装置，例如相机)、用于使图像采集装置移动的旋转装置、水平角度测量装置、垂直角度测量装置、控制器以及用于手动操作测量仪器的操作装置。控制器被设置为从参考物体在两个图像(在不同的时间拍摄，其中至少一个存储在存储器中)之间的位移计算水平位移角和/或垂直位移角，由此验证第二时间的测量仪器的取向是否对应于第一时间的取向。

从目前技术水平可知，例如，还可通过无线链接至测量仪器主体的手持式数据记录器以远程方式控制测量仪器(数据记录器因此用作遥控器，例如，提供与由直接附接至仪器主体的控制单元提供的功能相同的显示(和控制)功能)。然而，另选地，例如，还可通过具有适当数据链接装置(例如，还经由互联网)的膝上型计算机、PC、PDA或智能电话来远程控制测量仪器。

另外，本发明还涉及一种在机器可读介质上存储有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被配置为自动执行并运行如上所述的用于验证测量仪器的外部取向的本发明的方法，尤其在所述程序在测量仪器的控制单元上执行时。

将基于附图描述本发明的示例性实施方式。

图1和图2是用于总体说明测量仪器的取向的确定的图示，

图3a是在执行本发明的实施方式时采集的第一图像的图示，

图3b是在执行本发明的实施方式时采集的对应第二图像的图示，

图4a是在执行本发明的优选实施方式时采集的第一图像的图示，

图4b是图4a的细节，

图5是在执行本发明的优选实施方式时采集的对应第二图像的图示，以及

图6在原理上示出图像中的像素偏移可如何变换为方向/角度偏移。

将基于图3至图5描述本发明的示例性实施方式。

图3a是当全站仪(根据本发明的测量仪器)指向预定角度（例如100.000Gon(1Gon对应于整圆的1/400。因此，100.000Gon对应于直角)）时，通过安装在全站仪上的相机采集的第一图像的示意图。

采集的图像示出山顶十字架2，它是根据本发明的参考物体。图像与测量的方向角一起存储在提供在全站仪处的存储器中。为此，全站仪的相机的十字准线1瞄准在山顶十字架2上，即，十字准线1精确瞄准在山顶十字架2的竖条的基点处。

另外，根据本发明方法的还预先确定测量仪器的全球定位的特定实施方式，同时确定全站仪的取向，即，利用山顶十字架2的已知坐标以及预先确定的全站仪坐标来确定全球坐标系的北方向(x轴)与测量仪器的方向零之间的角度。

为了确定全站仪的坐标，已知有多种可能的方法。例如，可通过将全站仪设置于预先测量的已知坐标的点上，通过利用诸如后方交会或前方交会的测量方法确定坐标，从地图等获得坐标，来确定位置。然而，需要指出的是，根据本发明的验证方法并非必须初始确定取向值。相反，本发明的基本点在于提供一种方法，利用该方法在测量期间发生测量站的设置中的取向的改变。

在初始确定测量仪器的取向或仅根据实地或街道上的仪器的设置给出测量仪器的取向之后，用户开始执行测量任务。然后，在预定时间段过去之后，设置有全站仪的控制器自动使得全站仪指向预先测量的水平角度(例如100.000Gon)并拍摄图3b示意性示出的第二图像，以验证全站仪的取向。

另选地，可基于用户的手动命令开始相同的处理。这对于避免中断当前测量任务尤其有用。尤其优选的是，控制器在预定时间段过去之后给出信号，基于该信号，用户可完成当前测量任务，然后手动开始取向的自动验证。如果用户忘记开始取向的自动验证，则控制器可发出另一提醒信号，或者甚至可在另一适当时间段过去之后开始自动验证取向。

从图3b可看出，十字准线1不再瞄准于山顶十字架2上，而是略微移位。因此，全站仪的取向明显改变。可基于图像中的参考点的位移来计算取向的改变，即水平位移或垂直位移以及倾斜的改变。

根据目前优选的实施方式，为了精确验证全站仪的位移，进而验证取向的改变，应用了模板匹配方法。将基于图4a、图4b和图5来描述这种模板匹配方法。

在图4a中，十字准线1瞄准山顶十字架的基点6。基点6对应于参考点。从图4a可看出，与图4a中的十字准线周围的区域对应的图像部分5被定义为模板5。在首次确定全站仪的取向时定义该模板5。另外，模板5被存储在提供在全站仪处的存储器中。

图4b示出模板5的精确细节。标号6对应于参考点，它是第一图像中的十字准线1的位置并且也存储在所述存储器中。

取向将在预定时间之后自动验证，或者另选地，在执行取向验证的提醒信号已发出之后基于来自用户的命令手动验证。然后，由电机(对应于根据本发明的旋转装置)驱动，全站仪自身指向确定取向和定义模板5时所采用的方向。即，全站仪采用与以前确定取向时相同的角度。在参照图3a和图3b提及的例子中，所述角度为100.000Gon。然后，拍摄图5所示的第二图像，并且在图5中确定与模板5对应的图像部分以及参考点6。另外，在图5的图像中，确定参考点6的图像坐标数据。

然后，基于参考点6的图像坐标数据，可确定全站仪与初始取向相比的水平位移、垂直位移以及可能发生的倾斜。另外，如果位移超过预定值(可由用户设定)，则发出报警信号，并且用户可采取对策。

作为一种可能的对策，例如，可将所述位移角与原始取向角相加。然后，后续测量任务可使用对应的经更新的取向角。另一种可能的对策是重新确定取向，并利用新的取向继续测量工作，或者使测量仪器返回初始取向。

尽管在该实施方式中描述了模板匹配作为用于确定位移的方法，但是需要指出的是，可应用任何其它合适的图像分析方法。例如，可提取图3a和图3b的山顶十字架2的垂直边缘并基于该边缘提取确定位移。这尤其适用于仅确定水平取向位移就足够的情况。

另外，尽管针对全站仪的坐标数据已知的情况描述了该实施方式，但是需要指出的是，实现本发明并非必须知道全站仪的位置的坐标数据。即，当在由用户选择的本地坐标系中工作时，任何任意选择的物体可用作参考物体，执行本发明没有必要知道其坐标数据。同样，本发明的基本点在于提供一种方法，利用该方法在测量期间发生测量站设置中的取向的改变。因此，对于根据本发明的验证方法而言，并非必须初始确定外部取向的值(零方向)。

图6在原理上示出图像(利用相机传感器IP拍摄)中的像素偏移(T'相对于H)可如何变换为方向/角度偏移α(不知道至目标的距离或测量仪器的精确的绝对位置)。这里，测量仪器的瞄准装置(例如望远镜)的镜头可位于位置P，并可限定瞄准轴PA(在图示情况下，瞄准轴PA与同轴相机传感器IP的成像方向一致)。瞄准轴可投影到传感器IP上的位置H处。如果相机被校准(即，如果其相机常数已知)，则图像中的(目标点投影在传感器IP上的)位置T'相对于位置H的偏移可利用三角测量法直接变换(或转换)为瞄准轴PA与从镜头P至目标点P给出的方向之间的方向偏移，那么所述方向偏移对应于位移角α。

尽管基于本发明的当前优选的实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明可以按照许多不同的方式执行。因此，将容易理解的是，所描述的实施方式不应理解为对本发明范围的限制，本发明的范围由所附权利要求的范围限定。例如，可基于水平像素偏移执行水平取向的验证，基于垂直像素偏移执行纵向倾斜(垂直对准)的验证。然而，根据本发明，另外还可基于模板在第二图像中相对于第一图像的旋转角度来验证测量仪器的横向倾斜。因此，根据本发明还可记录测量仪器的设置的滚转角度(横向倾斜)的改变并进行补偿。因此，不仅可比较参考物体在第一图像和第二图像中的成像位置，而且还可比较第一图像和第二图像中的成像的参考物体(或与成像的参考物体匹配的模板)的旋转角度。

Claims (15)

1.一种用于在测量处理期间验证测量仪器的外部取向的方法，其中，所述测量仪器至少设置有成像装置以及用于检测所述成像装置相对于所述测量仪器的基座的内部拍摄方向的角度测量装置，所述方法包括以下初始化步骤：

-将所述成像装置指向参考物体(2)上并检测所述成像装置的第一拍摄方向，

-按照所述第一拍摄方向拍摄所述参考物体(2)的第一图像，

-存储所述第一图像和所述第一拍摄方向作为所述测量仪器的外部取向的指示，

并且，在所述测量处理的进行状态下，所述方法还包括以下验证步骤：

-将所述成像装置重新指向所述参考物体(2)上并检测所述成像装置的第二拍摄方向，

-按照所述第二拍摄方向拍摄所述参考物体(2)的第二图像，

-通过图像处理比较所述第一图像和所述第二图像中的所述参考物体(2)的第一成像位置与第二成像位置以及所述第一拍摄方向与所述第二拍摄方向，并基于所述第一成像位置与所述第二成像位置之间的差异和/或所述第一拍摄方向与所述第二拍摄方向之间的差异验证所述测量仪器的外部取向。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法的特征在于，

-执行所述重新指向步骤，使得所述第二拍摄方向与所述第一拍摄方向精确一致，以及

-基于所述第一成像位置与所述第二成像位置之间的差异验证所述测量仪器的外部取向。

3.根据权利要求1所述的方法，该方法的特征在于，

-执行所述重新指向步骤，使得所述第二拍摄方向不同于所述第一拍摄方向，以及

-基于所述第一成像位置与所述第二成像位置之间的差异并且基于所述第一拍摄方向与所述第二拍摄方向之间的差异验证所述测量仪器的外部取向。

4.根据权利要求1所述的方法，该方法的特征在于，

-执行所述重新指向步骤，使得按照所述第二拍摄方向拍摄的所述第二图像中的所述参考物体(2)的所述第二成像位置与所述第一图像中的所述参考物体(2)的所述第一成像位置精确一致，以及

-基于所述第一拍摄方向与所述第二拍摄方向之间的差异验证所述测量仪器的外部取向，

-尤其其中，通过连续改变拍摄方向以及连续拍摄并处理图像，直到所述参考物体(2)的成像位置与所述第一成像位置精确一致为止，来反复执行所述重新指向步骤。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，该方法的特征在于，

-所述角度测量装置被设计用于检测水平角度，尤其另外地检测垂直角度，作为所述成像装置的内部拍摄方向，

-比较所述第一成像位置与所述第二成像位置的步骤包括确定所述第一成像位置与所述第二成像位置之间的水平像素偏移，尤其另外地确定垂直像素偏移，以及

-基于所述水平像素偏移，尤其还基于所述垂直像素偏移，验证所述测量仪器的水平外部取向，尤其另外地验证所述测量仪器的垂直外部取向。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，该方法的特征在于，

-验证所述测量仪器的外部取向的步骤还包括分别基于所述第一成像位置与所述第二成像位置之间的差异和/或所述第一拍摄方向与所述第二拍摄方向之间的差异确定所述测量仪器的取向偏离量，所述取向偏离量尤其是水平和/或垂直位移角度，

-尤其其中，所述取向偏离量用于校正当前测量仪器的外部取向的值和/或如果所述取向偏离量超过预设值，则发出警告信号。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，该方法的特征在于，

-拍摄所述第一图像和所述第二图像的步骤包括按照所述第一拍摄方向采集所述参考物体(2)的第一系列图像以及按照所述第二拍摄方向采集所述参考物体(2)的第二系列图像，以及对能够从所述第一系列图像和所述第二系列图像得到的信息取平均，以取代能够从所述第一图像和所述第二图像得到的信息，

-尤其其中，对所述第一系列图像中的各个图像中的所述参考物体(2)的位置取平均，并对所述第二系列图像中的各个图像中的所述参考物体(2)的位置取平均，将平均位置作为所述第一成像位置和所述第二成像位置。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，该方法的特征在于，

比较所述第一图像和所述第二图像中的所述参考物体(2)的所述第一成像位置与所述第二成像位置的步骤是通过模板匹配进行的。

9.根据权利要求8所述的方法，该方法的特征在于，

-所述第一图像中的所述参考物体(2)周围的预定区域被定义为模板(5)，

-使所述模板(5)与所述第二图像内的所述参考物体(2)匹配，

-确定所述模板(5)在所述第一图像和所述第二图像中的位置之间的位移，尤其其中，从所述模板(5)的所述位移得到所述测量仪器的取向偏离量。

10.根据权利要求9所述的方法，该方法的特征在于，

-所述测量仪器包括望远镜，其定义有瞄准轴并集成有所述成像装置，其中，十字准线(1)能够叠加在图像中以指示所述瞄准轴，

-所述第一图像中的所述十字准线(1)周围的所述预定区域被定义为所述模板(5)，表示所述第一图像中的所述瞄准轴的所述十字准线(1)的中心被设定为所述模板(5)的参考点(6)，

-使所述模板(5)在所述第二图像内匹配，以及

-确定所述第二图像中的所述十字准线(1)的所述中心的位置与所述第二图像中的所匹配的模板(5)的所述参考点(6)的位置之间的像素偏移，以指示所述测量仪器的取向偏离。

11.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，该方法的特征在于，

比较所述第一图像和所述第二图像中的所述参考物体(2)的所述第一成像位置与所述第二成像位置的步骤是通过边缘提取方法来进行的。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，该方法的特征在于，

在自所述测量仪器的外部取向的初始确定起或者自已经执行最后的取向验证起过去预定时间段之后，发出提醒信号，并且基于来自用户的手动命令或在过去又一预定时间段之后自动执行所述验证步骤。

13.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，该方法的特征在于，

在所述测量处理期间按照预定时间间隔重复所述验证步骤，尤其其中，按照所述预定时间间隔以重复方式自动执行所述验证步骤，

尤其其中，

-针对所述测量仪器的外部取向的各个验证，确定取向偏离量，并且具体地通过回归分析，特别是通过线性回归，从所述取向偏离量得到时间的取向函数，其中，针对时间绘出所述测量仪器的外部取向，并且

-根据测量结果各自的收集时间点和所得到的取向函数来校正结合所述测量处理收集的所述测量结果。

14.一种测量仪器，尤其是经纬仪或全站仪，该测量仪器包括：

-成像装置，

-角度测量装置，其用于检测所述成像装置相对于所述测量仪器的基座的内部拍摄方向，

-操作装置，

-控制单元，

该测量仪器的特征在于，

所述测量仪器设置有半自动或全自动功能以用于在测量处理期间验证所述测量仪器的外部取向，因此所述控制单元被设置为执行以下初始化步骤：

-将所述成像装置指向参考物体(2)上并检测所述成像装置的第一拍摄方向，

-按照所述第一拍摄方向拍摄所述参考物体(2)的第一图像，

-存储所述第一图像和所述第一拍摄方向作为所述测量仪器的外部取向的指示，

并且在所述测量处理的进行状态下，所述控制单元还被设置为执行以下验证步骤：

-将所述成像装置重新指向所述参考物体(2)上并检测所述成像装置的第二拍摄方向，

-按照所述第二拍摄方向拍摄所述参考物体(2)的第二图像，以及

-通过图像处理比较所述第一图像和所述第二图像中的所述参考物体(2)的第一成像位置与第二成像位置以及所述第一拍摄方向与所述第二拍摄方向，并基于所述第一成像位置与所述第二成像位置之间的差异和/或所述第一拍摄方向与所述第二拍摄方向之间的差异验证所述测量仪器的外部取向，

尤其其中，所述控制单元被设置为执行根据权利要求1至13中的任一项所述的用于验证所述测量仪器的外部取向的方法。

15.一种在机器可读介质上存储有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被配置为自动执行并运行根据权利要求1至13中的任一项所述的用于验证测量仪器的外部取向的方法，尤其在所述程序在所述测量仪器的控制单元上执行时。

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