CN103256920A - 利用图像处理测定倾斜角和倾斜方向 - Google Patents

利用图像处理测定倾斜角和倾斜方向 Download PDF

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Abstract

一种勘测仪器包括被构造来进行勘测测量的勘测装置和被耦接到所述勘测装置且与所述勘测装置具有已知空间关系的成像装置。所述成像装置可被构造来获得图像信息。所述勘测仪器还包括与所述成像装置电通信的处理器。所述处理器可被构造来从所述成像装置接收图像信息、处理所述图像信息以测定所述成像装置的姿态，和测定所述勘测仪器的倾斜角和所述勘测仪器在参考系中的倾斜方向。所述勘测仪器的倾斜角和倾斜方向可利用所述成像装置的姿态来测定。

Description

利用图像处理测定倾斜角和倾斜方向
相关申请的交叉参考
本申请要求2012年2月15日申请的美国专利申请第13/397,445号的优先权，针对全部目的将所述专利申请的公开内容以引用其全文的方式并入本文。
技术领域
本发明的实施方案大体上涉及利用图像处理技术测定倾斜角和倾斜方向的方法和仪器。所述方法和仪器可用于勘测应用，诸如测定点的位置。
背景技术
控制勘测仪器的倾斜是勘测员的一项主要工作。需花费大量时间和劳力以确保勘测仪器水平。使勘测仪器水平化的惯用方法包括利用气泡水平仪使勘测仪器与局部重力矢量对齐。常见勘测程序包括在进行测量前使勘测仪器水平化，以使数据几乎不存在倾斜误差。
当今的勘测仪器通常包括光学系统和全球导航卫星系统（GNSS）（或称为全球定位系统（GPS））。惯用GNSS勘测仪器一般包括耦接到标杆末端的位置测量装置，而惯用光学勘测仪器（例如，光学全站仪）一般使用三脚架支撑系统。由于携带简便，所以当需要许多数据点时，GNSS型勘测仪器被用于测定一般位于地面上的受关注点的位置。将标杆的底或尖端放置在受关注点处，通过气泡水平仪指示维持垂直位置，并获得位置测量。水平化确保位置测量装置的测量中心（例如，天线相位中心）尽可能接近正好位于受关注点上方的位置。这十分重要，因为如果测量中心并非正好位于受关注点上方，那么将会引入误差。例如，两米长且离垂直线倾斜两度的标杆可导致多达两厘米的测量误差。即是说，位置测量装置的测量中心可能向受关注点的一侧偏离多达两厘米。
如果可以缩短或消除使勘测仪器水平化所需的时间，那么勘测员便可以更高效，从而在指定时间内实现更多测量。因此，需不断改进方法和仪器以减少使勘测仪器水平化所需的时间和劳力。这适用于GNSS勘测仪器、光学勘测仪器、手持式勘测仪器和使用水平化方法的任何其它类型的勘测仪器。
发明内容
本发明的实施方案提供利用图像处理技术测定测量仪器的倾斜角和倾斜方向的改进方法和仪器。所述倾斜角和倾斜方向可用于勘测应用中以测定点的位置。例如，在一些实施方案中，利用跟踪图像处理技术测定耦接到勘测仪器的成像装置的姿态。如本文中所使用，跟踪在广义上指的是可以用于从一个或多个图像提取信息（诸如照相机姿态）的软件应用程序。可以使用成像装置的姿态来测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向。此外，所述勘测仪器可包括位置测量装置，且可将倾斜角和倾斜方向用于被测量的位置以测定受关注点（例如标杆尖端处的点、利用手持式勘测仪器的激光指示器测定的点或类似点）的位置。下文详细描述这些和其它实施方案。
根据本发明的一个实施方案，勘测仪器包括具有第一末端和第二末端的支撑杆和耦接到所述支撑杆的第一末端且与所述支撑杆的第二末端具有已知空间关系的GNSS接收器。所述GNSS接收器可被构造来测定所述GNSS接收器的天线相位中心在参考系中的位置。所述勘测仪器还包括耦接到所述支撑杆的成像装置。所述成像装置可被构造来获得图像信息。所述勘测仪器还包括与所述GNSS接收器和所述成像装置电通信的处理器。所述处理器可被构造来从所述GNSS接收器接收天线相位中心的位置，从所述成像装置接收图像信息，利用所述图像信息测定成像装置的姿态，和测定支撑杆的倾斜角及支撑杆在参考系中的倾斜方向。可利用成像装置的姿态测定支撑杆的倾斜角和倾斜方向。所述处理器还可被构造来测定支撑杆的第二末端在参考系中的位置。可利用GNSS接收器的天线相位中心的位置和支撑杆的倾斜角及倾斜方向测定所述位置。
在一个实施方案中，图像信息包括当支撑杆实质上平行于局部重力矢量时在第一位置处拍摄的第一图像和在第二位置处拍摄的第二图像。可基于第一图像中的特征与第二图像中的特征的比较来测定成像装置的姿态。
在另一个实施方案中，参考局部重力矢量测定支撑杆的倾斜角。
在另一个实施方案中，图像信息包括多个图像，这些图像各自拍摄与这些多个图像中的另一图像共有的特征。这些多个图像中的至少一个图像可在支撑杆实质上平行于局部重力矢量时拍摄。处理器可被构造来利用这些多个图像之间的对应来处理图像信息。
在另一个实施方案中，处理器被构造来利用特征识别过程处理图像信息。所述图像信息可包括拍摄在参考系中具有已知位置的特征的至少一个图像。
在另一个实施方案中，成像装置与GNSS接收器的天线相位中心是以已知空间关系被布置。
在又一个实施方案中，成像装置的入射光瞳与GNSS接收器的天线相位中心和支撑杆的第二末端实质上同轴。
根据本发明的另一个实施方案，勘测仪器包括被构造来进行勘测测量的勘测装置和耦接到所述勘测装置且与所述勘测装置具有已知空间关系的成像装置。所述成像装置可被构造来获得图像信息。所述勘测仪器还包括与所述成像装置电通信的处理器。所述处理器可被构造来从成像装置接收图像信息、处理所述图像信息以测定成像装置的姿态，和测定勘测仪器的倾斜角及勘测仪器在参考系中的倾斜方向。可利用成像装置的姿态测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向。
在一个实施方案中，图像信息包括至少一个图像且成像装置的姿态是基于在参考系中具有已知位置的图像中的特征测定。
在另一个实施方案中，将处理器布置在与勘测装置和成像装置分离的手持式装置内。可以利用无线通信链路从成像装置接收图像信息。
在另一个实施方案中，勘测装置包括GNSS接收器且由所述勘测装置进行的勘测测量包括位置测量。
在另一个实施方案中，勘测仪器还包括支撑杆。可将支撑杆的第一末端耦接到勘测装置且将支撑杆的第二末端构造成放置在受关注点处。在一些实施方案中，成像装置可耦接到支撑杆且与支撑杆的第二末端具有已知空间关系。处理器可被进一步构造以处理图像信息，从而测定成像装置在参考系中的位置，和被构造来利用成像装置的位置、勘测仪器的倾斜角和倾斜方向，及成像装置与支撑杆第二末端之间的已知空间关系测定支撑杆的第二末端的位置。在其它实施方案中，所述勘测装置可被耦接到支撑杆的第一末端且包括被构造来测定位置信息的GNSS接收器。所述GNSS接收器可与支撑杆的第二末端具有已知空间关系。处理器可进一步被构造来利用来自GNSS接收器的位置信息、勘测仪器的倾斜角和倾斜方向，及GNSS接收器与支撑杆第二末端之间的已知空间关系测定支撑杆第二末端的位置。
在另一个实施方案中，成像装置与勘测装置是以已知空间关系被布置。
在另一个实施方案中，由勘测装置进行的勘测测量包括对应勘测装置测量中心的位置测量。成像装置的入射光瞳可与成像装置的测量中心及支撑杆的第一和第二末端实质上同轴。
在另一个实施方案中，勘测装置包括被构造来进行光学勘测测量的光学勘测仪器和被构造来测定到受关注点的距离的距离测量装置。勘测仪器还可包括耦接到所述勘测装置和成像装置的三脚架支撑件。所述勘测装置可包括被构造来测定位置信息的GNSS接收器，和处理器可被进一步构造以利用所述位置信息、光学勘测测量、距离及勘测仪器的倾斜角和倾斜方向测定受关注点的位置。
在又一个实施方案中，勘测装置和成像装置被集成在手持式装置内。所述手持式装置可包括用于使手持式装置与受关注点对齐的激光指示器和用于测定到受关注点的距离的距离测量装置。由勘测装置进行的勘测测量可包括位置信息。处理器可被进一步构造以利用所述位置信息、勘测仪器的倾斜角和倾斜方向，及到受关注点的距离测定受关注点的位置。在一些实施方案中，所述距离测量装置利用声学测量测定到受关注点的距离。在其它实施方案中，所述距离测量装置是电子距离测量（EDM）装置。在其它实施方案中，距离测量装置使用激光器测定到受关注点的距离。
根据本发明的另一个实施方案，利用勘测仪器测定受关注点的位置的方法包括从GNSS接收器接收天线相位中心的位置、从成像装置接收图像信息、利用图像信息测定成像装置的姿态，和测定勘测仪器的倾斜角和勘测仪器在参考系中之倾斜方向。可利用成像装置的姿态测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向。所述方法还包括利用天线相位中心的位置和勘测仪器的倾斜角及倾斜方向测定受关注点的位置。
在一个实施方案中，所述方法还包括提供用户指示以获得额外图像信息。所述用户指示可基于以下项目中的至少一个而被激活：（1）离参照测量站的距离，（2）相较于临界值的图像间对应数目，或（3）相较于临界值的成像装置姿态误差。
根据本发明的又一个实施方案，测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向的方法包括使勘测仪器与第一站处的局部重力矢量对齐和利用成像装置获取在第一站处的第一图像。第一图像可拍摄多个特征。所述方法还包括将勘测仪器定位在与第一站不同的第二站处和利用成像装置获取在第二站处的第二图像。所述第二图像可拍摄在第一图像中所拍摄的多个特征中的至少一部分特征。所述方法还包括处理第一图像和第二图像以测定在第二站处的成像装置的姿态并测定在第二站处的勘测仪器的倾斜角和倾斜方向。可利用成像装置的姿态测定所述倾斜角和倾斜方向。
在一个实施方案中，所述方法还包括，测定勘测仪器在第二站的参考系中的位置和利用在第二站处的勘测仪器的倾斜角和倾斜方向及在第二站处的勘测仪器的位置测定受关注点的位置。
在另一个实施方案中，所述方法还包括提供用户指示，其指示在第二站处的倾斜角大于临界倾斜角。
利用本发明的实施方案将实现许多超越惯用技术的优点。例如，一些实施方案提供利用成像装置的姿态测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向的方法。由于可测定姿态，所以可利用非水平勘测仪器进行勘测测量。使用非水平勘测仪器进行测量可提高测量效率，减少正常情况下使勘测仪器水平化所需的时间和劳力。提高的效率可减少测量时间和降低测量成本。基于实施方案，可获得这些优点中的一种或多种。这些和其它优点将在说明书全文描述且在下文更具体地描述。
附图说明
图1A至图1C是图示测定成像装置的姿态的方法的简化图，所述成像装置的姿态可根据本发明的一个实施方案用于测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向；
图2是可根据本发明的一个实施方案用于测定成像装置的姿态的物体的简化图；
图3A至图3B是图示测定成像装置的姿态的方法的简化图，所述成像装置的姿态可根据本发明的另一个实施方案用于测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向；
图4A至图4B是图示第一图像与第二图像之间的成像装置姿态变化的简化图；
图5是与惯用笛卡尔坐标系重叠的球面坐标系的简化图；
图6是成像装置和CAHV参考系的简化图；
图7是成像装置和X’,Y’,Z’照相机坐标系的简化图；
图8是图示随勘测仪器一起倾斜的X’,Y’,Z’照相机参考系，而X,Y,Z现实坐标系保持与局部重力矢量对齐的简化图；
图9A至图9B是示出根据本发明的一个实施方案在球面坐标系中的勘测仪器的简化图；
图10A至图10C是可根据本发明的一些实施例用于测定倾斜角和倾斜方向的勘测仪器的简化图；
图11A至图11B是可根据本发明的其它实施方案用于测定倾斜角和倾斜方向的勘测仪器的简化图；
图12是提供根据本发明的一个实施方案测定受关注点的位置的方法的流程图；和
图13是提供根据本发明的一个实施方案测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施方案提供利用图像处理技术测定倾斜角和倾斜方向的改进方法和仪器。如本文中所使用，倾斜角指的是现实垂直轴（例如，局部重力矢量）与成像装置的垂直轴之间的角。倾斜方向指的是相对某一参照物（诸如真北、磁北或任何其它参照物）的定向（或围绕垂直轴的旋转）。图像处理技术可牵涉使用一种或多种跟踪技术来测定成像装置的姿态。所述姿态可包括成像装置相对参照物的位置和旋转。在一些实施方案中，所述参照物是由图像中的特征提供，其中所述特征是在参考系的已知位置。在其它实施方案中，所述参照物是由图像中的特征之间的对应提供，其中所述图像中的至少一个是利用处于已知（例如，水平化）位置的成像装置获得。成像装置的姿态可用于测定耦接到所述成像装置的勘测仪器的倾斜角和倾斜方向。倾斜角和倾斜方向可用于被测量的勘测仪器位置以测定受关注点的位置。例如，在一些实施方案中，勘测仪器可包括支撑杆（例如，标杆），且倾斜角和倾斜方向可用于测定支撑杆尖端点的位置。
如本文中所使用，姿态指的是成像装置的外部（或外在）定向。这是成像装置相对于视野中的周围物体的定向。所述定向大体上是由将成像装置的坐标系与现实坐标系关联的旋转矩阵R和平移矢量V定义。测定姿态的过程可称为外在标定。其与内在标定不同，内在标定可用于测定内部参数，如焦距、图像宽高比、有效像素数目、主点和类似参数。
利用在已知位置的特征测定姿态
图1A至图1C是图示测定成像装置的姿态的方法的简化图。所述姿态可根据本发明的一个实施方案用于测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向。在这个实例中，利用图像中的特征测定姿态，其中所述特征（即在立方体112上的参照点114）是在参考系（诸如现实坐标系）的已知位置处。
图1A示出定位在受关注点110处的勘测仪器102。所述勘测仪器102包括位置测量装置（诸如全球导航卫星系统（GNSS）接收器）106和成像装置（如照相机）104（例如，数码相机、数码摄影机或类似装置）。应当明白，根据本发明的实施方案事实上可使用任何类型的位置测量装置或成像装置。例如，成像装置可包括被构造来获得可包括周围场景的全景视图的图像的多目照相机、被构造来获得可包括差别或重叠视图的图像的照相机，或单目照相机。
图1A还示出立方体112，其具有在立方体112的边上的参照点114。参照点114是在参考系的已知位置且提供用于测定照相机104的姿态的特征。参照点114可称为控制点。应当明白，任何点、线、区域或类似物皆可用作参照点且参照点114不一定位于同一物体上。例如，参照点114可位于照相机104的视野可见的一个或多个已有结构上。此外，可使用任何特殊物体，诸如水平棒或杆。立方体112和参照点114只作为实例使用。此外，虽然本发明的实施方案可使用任何参考系，但在这个实例中的参考系是现实坐标系，其包括南北延伸的Y轴（+为北和-为南），东西延伸的X轴（+为东和-为西），和与局部重力矢量同轴的Z轴。
图1B至图1C示出在这个实例中的勘测仪器102相对参考系不水平。图1B是示出勘测仪器102沿偏东方向倾斜远离立方体112的侧视图，和图1C是示出勘测仪器102沿东北方向倾斜远离立方体112的俯视图。
可利用通过使用照相机104所获得的图像信息和参照点114在参考系中的位置来测定在这个实例中的照相机104的姿态。图像信息是通过拍摄包括参照点114的立方体112的一张或多张图像而获得。可利用勘测仪器102和惯用勘测测量（例如通过测量参照点114的位置）测定参照点114的位置。或者，可提供（例如事先测定）参照点114的位置。所述位置包括参照点114中的一个或多个在所述参考系（或在具有已知关系的任何其它参考系，以使坐标可变换到共用参考系中）中的坐标。
不提供全部参照点114的位置的情况下，也可通过参照点114之间的空间关系知晓关于立方体112在所述参考系中的对齐的信息。例如，可使立方体112与局部重力矢量‘垂直且规则’对齐并提供参照点114之间的距离（例如，以x,y,z坐标）。在这种情况中，只需要参照点114中的一个点的位置便可测定其它参照点114的位置。
图2提供立方体的一个实例，所述立方体与图1A至1C中所使用的同一参考系对齐且在所述参考系具有已知位置的在顶面上的参照点。如果假定所述参照点具有坐标（0,0,0），那么以下表1提供所述参照点与其它各点之间的空间关系（和在这个实例中的坐标）。在这个实例中以米为单位且立方体边长为一米以便于说明。应当明白，本发明的实施方案可使用具有任何尺寸或形状的物体。
参照点编号 空间关系（坐标）
1 （0,0,0）
2 （0.5,-0.25,-0.25）
3 （0.5,0,-0.5）
4 （0.5,-0.25,-0.75）
5 （0.5,+0.25,-0.25）
6 （0,+0.5,-0.5）
7 （0.5,+0.25,-0.75）
表1
利用图像信息和参照点114的位置，便可通过使用已知跟踪技术测定照相机104的姿态。在这个实施方案中，跟踪技术利用特征-识别过程来识别在使用照相机104所获得的一张或多张图像中的参照点114。立方体112可包括勘测反射镜，其目的是改进所述特征识别过程。基于在一张或多张图像中的参照点114的位置和参照点114在所述参考系中的已知位置测定照相机104相对于所述参照点114的姿态。大部分跟踪技术能够从包括参照点114中的至少四个点的单张图像测定照相机104的姿态。
可供一些实施方案使用的跟踪软件应用程序的实例包括Digilab的Voodoo Camera Tracker、Science.D.Visions的3D-Equalizer、2d3的Boujou、Autodesk的MatchMover、The Pixel Farm的PFTrack、AnderssonTechnologies的SynthEyes，和Scenespector Systems VooCAT。
以下是一系列提供关于各种跟踪技术的其它细节的参考文献。这些参考文献中的各个参考文献是以引用其全文的方式并入本文。
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以上引述的跟踪技术中的一些能够实时测定照相机104的姿态，而其它技术则后期处理存储在存储器中的数据。虽然准确度会因具体技术而变化，但是许多技术呈报亚像素级准确度。
利用图像之间的对应测定姿态
图3A至图3B是图示测定成像装置的姿态的方法的简化图。根据本发明的另一个实施方案，所述姿态可用于测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向。在这个实例中，利用图像之间的对应测定姿态，其中所述图像中的至少一张是利用处于已知（例如，水平化）位置的成像装置获取。将利用处于已知位置的成像装置所获取的图像作为参照，从而能够测定在其它图像中的姿态的变化。
图3A示出被定位在初始点316处的勘测仪器302。类似于图1中所示出的勘测仪器102，勘测仪器302包括位置测量装置（诸如GNSS接收器306）和成像装置（诸如照相机304）。图3A还示出在照相机304视野中的在勘测仪器302周围的几个特征318a、318b、318c、318d。应当明白，所述特征318a、318b、318c、318d可包括点、线、区域、轮廓、表面、纹理面和能够利用已知特征识别过程在图像中检测的类似特征。虽然只识别四个这种特征，但是图可能包括数百个可以利用特征识别过程识别的特征。
在这个实例中，不要求特征318a、318b、318c、318d在参考系的已知位置处来测定照相机304的姿态。不同的是，在这个实例中，勘测仪器302处于水平位置。可根据已知方法使勘测仪器302水平化，这些方法牵涉使用气泡水平仪，指示勘测仪器何时达到在气泡水平仪的准确度内的水平程度。在水平位置时，利用照相机304拍摄图像。所述图像包括在勘测仪器302周围的特征318a、318b、318c、318d中的一些特征。这些特征将用作参照，可将其它图像中的至少一部分相同特征与其比较并测定姿态变化。
在这个实例中的水平化是指与某一参照对齐（例如，与局部重力矢量垂直对齐）。虽然本发明的实施方案可使用任何参考系，但是在这个实例中的参考系是现实坐标系，类似于包括南北延伸的Y轴（+为北和-为南）、东西延伸的X轴（+为东和-为西），和与局部重力矢量同轴的Z轴的图1坐标系。
图3B示出在不同于图3A所示出的位置处的勘测仪器302。所述勘测仪器302在受关注点310处。本图还示出勘测仪器302相对参考系不水平。勘测仪器302具有显示为偏北方向的未知倾斜角。类似于图3A，拍摄包括在勘测仪器302周围的相同特征318a、318b、318c、318d中的至少一些特征在内的图像。
利用当勘测仪器302在初始位置316时所获得的图像和当勘测仪器302在受关注点310处时所获得的图像，便能够通过利用已知跟踪技术测定在受关注点310处的照相机的姿态。在这个实施方案中，跟踪技术利用图像之间的对应。参照在初始位置316处在水平位置的姿态测定所述姿态。
大部分相同跟踪软件应用程序和上述参考文献也可以通过利用图像之间的对应用于测定姿态。2011年6月24日申请的美国专利申请第13/167,733号提供关于使用图像之间的对应的跟踪技术的其它细节。照相机的姿态是基于在当勘测仪器302处于已知位置（水平化）时所获取的图像中的特征318a、318b、318c、318d的位置和在当勘测仪器302处于未知位置（不水平）时所获取的图像中的特征318a、318b、318c、318d的位置测定。
在两个图像中，特征318a、318b、318c、318d的位置将不同。这是从图4A至图4B中的照相机视点得知。图4A示出当照相机处于初始姿态（假定为水平）时的建筑物图像。图4B示出当照相机处于稍不相同的姿态（假定为不水平）时的建筑物图像。十字线大致地识别同一图像位置并辅助说明图像之间的照相机旋转。在这两个图像之间，照相机已围绕X轴和Z轴被逆时针旋转。当照相机如图4A至图4B中所示出般旋转时，或当照相机如图3A至图3B中所示出般移动到新位置（和旋转）时，可测定图像之间的姿态变化。
大部分跟踪技术是被构造来识别和追踪图像中的特征。这些特征通常包括位于任意位置处的任意点。通常，可以在图像之间识别和追踪数百个这种特征。许多跟踪技术可使用平面结构（例如，地面或建筑物外立面）、表面、边缘、物体转角和类似结构，以基于这些特征中的仅一个或两个之间的对应来测定姿态。一些跟踪技术自动检测图像中的特征，分析对应，消除异常值，和递增地估计和改进照相机参数。跟踪软件应用程序通常采用菜单模式且可利用菜单（诸如‘视图->照相机参数’）或类似方式提供位置和定向信息。
应当明白，虽然在图3A至图3B和图4A至图4B所示出的实例中只使用两个图像，但是可测定任意数量图像之间的姿态变化，只要可识别充足数量的图像间对应。此外，不要求同一系列中的每一图像之间具有共用对应，只要各个图像与另一图像具有充足数量的对应，便可将姿态变化反关联到参照图像。
任意两个图像之间所需的对应数量取决于特定跟踪技术。在一个实施方案中，所需的对应数量可用于执行警告信号（例如，可视和/或可听提示），告知对应数量达到或低于所需临界值。例如，如果在从初始受关注点移动到新受关注点后损失多于一半初始参照点，那么可通过在数据收集器或控制器上发出可听或可视信号将指示提供给用户。在接收到这个警告时，可调整勘测仪器的定向以拍摄与其它图像具有更多共有特征的图像。或者，可使勘测仪器再水平化和建立新参照。在其它实施方案中，可将损失整体准确度的其它指示用于触发警告信号，诸如通过内部跟踪照相机度量或离参照测量站的距离测定的照相机姿态准确度下降。
利用在已知位置的特征和图像之间的对应测定姿态
在一些实施方案中，可将以上方法组合用于测定照相机的姿态。例如，可从具有在上述已知位置的特征的图像测定姿态。将这个姿态作为参照，可拍摄一张或多张额外图像并利用如上所述的图像之间的对应测定姿态变化。在这些实施方案中，不要求使勘测仪器水平化来获得参照图像。不同的是，可将具有在已知位置的特征的图像用作参照图像。
利用姿态测定倾斜角和倾斜方向
以下是可根据本发明的一个实施方案利用照相机的姿态用于测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向的一些步骤和计算的实例。应当明白，描述在本文中的步骤和计算是示例性给出且本领域的一般技术者可以通过本公开内容认识许多变化、修改和替换。
跟踪软件应用程序一般以CAHV模式（常用于机器视觉中的协议）输出姿态数据，而勘测应用所关注的参考（或坐标）系是球面参考系。球面坐标提供相对于垂直轴（如重力矢量）的倾斜角（基本上称为θ）和相对于某些参照（如真北或磁北）的倾斜方向（基本上称为
Figure BDA00002834576900141
）。所述倾斜角和倾斜方向测定从零参照点射出并延伸到球面上的虚构点的矢量r。这显示在图5中，其中球面坐标系与用于参照的惯用笛卡尔坐标系重叠。可将利用已知技术的一种或多种坐标变换法用于将数据从CAHV模式变换成球面坐标。
在CAHV模式中，C提供从视野中的特征到成像装置的透视中心（或入射光瞳）的距离。透视中心基本上在穿过成像装置的透镜的轴上。如图6中示出，轴A、轴H和轴V是正交坐标轴，其中+V向下延伸和+A沿透镜轴向内延伸。
可使用坐标变换以将数据从CAHV模式转换到中间X’,Y’,Z’照相机参考系（诸如图7中所图示的那种参考系）。在这个中间参考系中，X’和Y’位于靠近照相机尾部的图像平面内，而Z’沿着透镜轴向外延伸。在Di,K.和Li,R.的“CAHVOR camera model and its photogrammetric conversionfor planetary applications”，J.Geophys.Res.,2004中详细描述坐标变换，所述文献是以引用其全文的方式并入本文。
可将使用已知技术的第二种坐标变换用于将数据从X’,Y’,Z’照相机参考系转换到现实（例如，GNSS或GPS）坐标系。在现实坐标系中，Z沿平行于重力矢量的垂直方向延伸，且X和Y沿水平面延伸。这显示在图8中，其中当勘测仪器从左侧的水平位置倾斜成右侧的不水平位置时，X’,Y’,Z’照相机参考系随着成像装置倾斜。现实坐标系不随成像装置倾斜。这显示在图8顶部，其中当照相机参考系的X’轴、Y’轴、Z’轴围绕Z’轴倾斜时，现实坐标系的X轴、Y轴、Z轴保持与局部重力矢量对齐。
可利用已知技术将数据从现实坐标系转换成球面坐标。可利用以下等式测定矢量r：
r=[X2+Y2+Z2]1/2    等式(1)
如图9A至图9B所示，矢量r可表示从GNSS接收器的天线相位中心到位于现实坐标（X1,Y1,Z1）处的受关注点的距离。在勘测仪器包括支撑杆的实施方案中，这个距离则是从天线相位中心到支撑杆尖端的距离（一般约为2米）。图9A是示出沿西北倾斜方向
Figure BDA00002834576900151
与垂直轴Z成倾斜角（θ）的勘测仪器的透视图。在图9B中所示出的俯视图更轻易看出（沿Z轴向下观察）倾斜方向
Figure BDA00002834576900152
利用现实坐标X,Y,Z，便可通过使用以下等式测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向：
倾斜角（θ）=arcos(Z/)    等式（2）
倾斜方向
Figure BDA00002834576900153
等式（3）
测定受关注点的位置
可利用勘测仪器的位置和勘测仪器的倾斜角及倾斜方向测定受关注点的位置。参照图1的实例，勘测仪器102可包括位置测量装置，诸如GNSS（或GPS）接收器106。当如图8左侧所示出般使勘测仪器水平化时，沿垂直轴从天线相位中心到受关注点的距离已知。然而，使用如图8右侧所示出的非水平勘测仪器会引入高度误差和地面误差。由于高度误差的存在，处于地面以上的天线相位中心的垂直高度未知，且由于地面误差的存在，从天线相位中心到受关注点的水平距离未知。地面误差可包括在现实坐标系中的X分量和Y分量。
以下等式可用于测定地面误差的X分量和Y分量及高度误差的Z分量：
Figure BDA00002834576900154
等式(4)
Figure BDA00002834576900161
等式(5)
Z1=r*cos(θ)    等式(6)
其中r为当使用图8实例中所示出的勘测仪器时从天线相位中心到支撑杆尖端的距离。
虽然已描述利用非水平勘测仪器进行勘测测量的方法，但应当明白误差将随着倾斜角增大而增大。因此，在一些实施方案中，勘测仪器可被构造来提供关于倾斜角超过指定角度的警告（例如，可听或可视提示）。在这种情况中，勘测员可利用更垂直位置的勘测仪器重复测量。
受关注点的位置的示例性计算
以下是图1中所示出的受关注点110的位置的示例性计算，假定将倾斜角定为偏离垂直方向10°且将倾斜方向定为偏离北30°。可利用上述跟踪技术和坐标变换测定这些值。将GNSS接收器106的天线相位中心相对于立方体112顶表面的参照点114（任意地指定为坐标（0,0,0））的坐标定为（10m、3m、0.97m），且矢量r具有2米的长度。利用这些值和等式（4）至等式（6），得知受关注点110相对天线相位中心的位置为（-0.174m、-0.301m、-1.970m）。因此，受关注点110沿X轴和Y轴位于天线相位中心以西0.174米和以南0.301米，及沿Z轴位于天线相位中心以下1.970米处。
勘测仪器构造
图10A至图10C是根据本发明的一些实施方案可用于测定倾斜角和倾斜方向的勘测仪器的简化图。应当明白，本文中所示出的勘测仪器只作为实例提供且本发明的实施方案可供包括不同特征和/或构造的其它勘测仪器使用。
图10A示出勘测仪器1002，其包括位置测量装置（诸如GNSS（或GPS）接收器1006）和成像装置（诸如照相机1004）。GNSS接收器1006是被构造来测定天线相位中心1028的位置和照相机1004是被构造来获得图像信息。GNSS接收器1006和照相机1004被耦接到支撑杆1024。在这个实例中，照相机1004被耦接到勘测仪器1002，靠近支撑杆1024的把手1022而非如图1实例所示位于GNSS接收器下方。
GNSS接收器1006和支撑杆1024被布置以使GNSS接收器1006的天线相位中心1028和支撑杆1024的尖端1026具有已知空间关系（例如，皆与垂直轴对齐且两者之间具有已知长度d）。照相机1004也被布置以使同一垂直轴通过照相机1004的入射光瞳。在一些实施方案中，还可已知GNSS接收器1006的天线相位中心1028与照相机1004的入射光瞳之间的距离。
图10A还示出与GNSS接收器1006和照相机1004电通信的控制器1020。在这个实例中，电通信采取无线方式，但可将其它通信模式用于其它实施方案。控制器1020可包括一个或多个输入和一个或多个输出，诸如在本图中示出的按钮和显示屏。控制器1020也被构造来发送和从其它装置接收数据。控制器1020可包括被构造来从GNSS接收器1006接收位置信息和从照相机1004接收图像信息的处理器。所述处理器也被构造来利用跟踪技术测定照相机1004的姿态和测定如上所述的勘测仪器1002的倾斜角和倾斜方向。在一些实施方案中，处理器还被构造来测定支撑杆1024的尖端1026的位置（或受关注点的位置）。
控制器1020可包括用于存储从GNSS接收器1006和照相机1004接收的信息的存储器。还可将计算机代码存储在所述存储器中，利用可由处理器执行的指令测定照相机1004的姿态、勘测仪器1002的倾斜角和倾斜方向，及支撑杆1024的尖端1026的位置。
应当明白，不限制于所述处理器和存储器。处理器可包括一个或多个通用微处理器或专用集成电路（ASIC）且可将至少一部分指令嵌入软件、固件和/或硬件中。存储器可包括根据本发明的实施方案用于测定上述任务的操作系统和一个或多个软件应用程序。所述存储器可包括任何类型的非瞬时性介质，包括磁性存储介质、光学存储介质、闪存和类似介质。
图10B示出类似于图10A的勘测仪器1002，不同的是，在这个实例中，控制器1030被耦接到支撑杆1024。控制器1030可按照类似于图10A中所示的控制器1020的方式被构造。控制器1030可被构造成利用有线或无线通信与GNSS接收器1006和照相机1004电通信。控制器1030还可被构造来发送和从其它装置接收数据。
图10C示出类似于图10A至图10B的勘测仪器1002，不同的是，在这个实例中，照相机1004的入射光瞳与穿过天线相位中心1028和支撑杆1024尖端的垂直轴不对齐。不同的是，在这个实例中，照相机2004的入射光瞳稍稍中心偏离垂直轴且位于天线相位中心1028以下距离d1处。可按照类似于图10A至图10B所示的构造的方式将这种构造用于测定照相机1004的姿态和勘测仪器1002的倾斜角及倾斜方向。如果也将这种构造用于测定照相机1004的入射光瞳的坐标，那么必须测定天线相位中心1028与入射光瞳之间的空间关系（例如，距离d1和与垂直轴的偏离）。
图11A是可根据本发明的一个实施方案用于测定倾斜角和倾斜方向的手持式装置1140的简化图。手持式装置1140可包括位置测量装置（诸如GNSS（或GPS）接收器）1106和成像装置（诸如照相机）1104。在图11A中所示出的实例中，GNSS接收器1106和照相机1104被集成在手持式装置1140内。手持式装置1140还包括用于测定手持式装置1140与受关注点1110之间的距离r的距离测量装置1142。距离测量装置1142可以是惯用电子距离测量（EDM）装置或可利用已知声学测量技术测定距离。手持式装置1140还可包括指示装置1144，诸如用于使手持式装置1140与受关注点1110对齐的激光指示器。
可利用如上所述的已知跟踪技术测定手持式装置1140（或成像装置）的姿态。例如，可利用图像中的特征测定姿态，其中所述特征在参考系的已知位置。还可以利用图像之间的对应测定姿态，其中所述图像中的至少一张是利用处于已知（例如，水平）位置的成像装置获取。随后可利用已知变换法和如上所述的等式（1）至等式（3）测定倾斜角（θ）和倾斜方向
Figure BDA00002834576900181
可将等式（4）至等式（6）用于测定地面误差的X分量和Y分量及高度误差的Z分量。
图11B是可根据本发明的一个实施方案用于测定倾斜角和倾斜方向的耦接到三脚架1152的光学勘测仪器1150（诸如光学全站仪）。光学勘测仪器1150可包括位置测量装置（诸如GNSS（或GPS）接收器1106）和成像装置（诸如照相机1104）。光学勘测仪器1150还包括用于测定光学勘测仪器1150与受关注点（未显示）之间的距离r的距离测量装置1142。所述距离测量装置1142可以是惯用电子距离测量（EDM）装置或可利用已知声学测量技术测定距离。光学勘测仪器1150还可包括对齐单元1154，诸如用于使光学勘测仪器1150与受关注点对齐并测定相对于参照（诸如真北、磁北或任何其它参照）围绕垂直轴的方位角或旋转角度的经纬仪。
可利用如上所述的已知跟踪技术测定照相机1104的姿态。例如，可利用图像中的特征测定姿态，其中所述特征在参考系的已知位置。还可利用图像之间的对应测定姿态，其中所述图像中的至少一张是利用处于已知（例如，水平）位置的成像装置获取。随后可利用已知变换法和如上所述的等式（1）至等式（3）测定倾斜角（θ）和倾斜方向
Figure BDA00002834576900191
可按照类似于图11A所示的方式将等式（4）至等式（6）用于测定地面误差的X分量和Y分量及高度误差的Z分量。
利用图像处理测定倾斜角和倾斜方向
图12是提供根据本发明的一个实施方案测定受关注点的位置的方法的流程图。所述方法包括从GNSS接收器接收天线相位中心的位置（1202）和从成像装置接收图像信息（1204）。成像装置可以是数码照相机，且图像信息可包括一张或多张图像，这些图像包括来自成像装置周围的场景的特征。在一个实施方案中，所述特征在参考系（诸如现实坐标系）的已知位置。在另一个实施方案中，所述特征可包括任意点、线、区域、轮廓、表面、纹理面和可利用已知特征识别过程在图像中检测的类似特征。
所述方法还包括利用图像信息测定成像装置的姿态（1206）。利用已知跟踪技术测定姿态。所述方法还包括测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向，其中所述倾斜角和倾斜方向是利用成像装置的姿态测定（1208）。可利用坐标变换从所述姿态测定倾斜角和倾斜方向。所述方法还包括利用天线相位中心的位置和勘测仪器的倾斜角和倾斜方向测定受关注点的位置（1210）。
图13是提供根据本发明的一个实施方案测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向的方法的流程图。所述方法包括使勘测仪器与第一站处的局部重力矢量对齐（1302）。第一站可以是获得参照图像的测量位置（或参照测量站）。可利用气泡水平仪、倾斜传感器或其它水平化技术使勘测仪器与局部重力矢量对齐。应当明白，应将对齐测定到一定程度的准确度内（取决于特定水平化技术）。所述方法还包括利用成像装置获取在第一站处的第一图像，其中所述第一图像拍摄多个特征（1304）。所述特征可包括任意点、线、区域、轮廓、表面、纹理面和可利用已知特征识别过程在图像中检测的类似特征。所述方法还包括将勘测仪器定位在不同于第一站的第二站处（1306）和利用成像装置获取在第二站处的第二图像，其中所述第二图像拍摄第一图像所拍摄的多个特征中的至少一部分特征（1308）。勘测装置不必与第二站处的局部重力矢量对齐。所述方法还包括处理第一图像和第二图像以测定在第二站处的成像装置的姿态（1310）。利用已知跟踪技术，利用图像之间的对应处理所述图像。所述方法还包括测定在第二站处的勘测仪器的倾斜角和倾斜方向，其中所述倾斜角和倾斜方向是利用成像装置的姿态测定（1312）。可利用坐标变换从所述姿态测定所述倾斜角和倾斜方向。
应当明白，图12至图13中所示的具体步骤提供根据本发明的实施方案的特定方法。还可以根据其它实施方案执行其它步骤顺序。例如，其它实施方案可按照不同顺序执行上述步骤。此外，在图12至图13中所示的各个步骤包括可按照各种顺序执行的许多个子步骤。此外，可根据特定应用增加或删减步骤。
应当明白，本发明的一些实施方案可通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语句，或它们的任何组合实现。当在软件、硬件、中间件或微代码中实现时，可将执行必要任务的程序代码或代码区段存储在计算机可读介质中，诸如存储介质。处理器可被调适以执行必要任务。术语“计算机可读介质”包括（但不限制于）便携式或固定存储装置、光学存储装置、无线频道、用户身份识别卡、其它智能卡，和能够存储、包含或携带指令或数据的各种其它非瞬时性介质。
虽然已在具体实施方案中描述本发明，但是本领域熟练技术者应当明白，本发明的范围不限制于本文中所描述的实施方案。例如，可在不脱离本发明范围下将本发明的一个或多个实施方案的特征与其它实施方案的一个或多个特征组合。因此，应以说明性理念而非限制性理念理解说明和附图。因此，本发明的范围不应参考以上叙述确定，而应参考随附权利要求以及它们的全范围等效内容来确定。

Claims (24)

1.一种勘测仪器，其包括：
被构造来进行勘测测量的勘测装置；
耦接到所述勘测装置且与所述勘测装置具有已知空间关系的成像装置，所述成像装置被构造来获得图像信息；
与所述成像装置电通信的处理器，所述处理器被构造来：
从所述成像装置接收所述图像信息；
处理所述图像信息以测定所述成像装置的姿态；和
测定所述勘测仪器的倾斜角和所述勘测仪器在参考系中的倾斜方向，所述勘测仪器的所述倾斜角和所述倾斜方向是利用所述成像装置的所述姿态来测定。
2.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述图像信息包括当所述成像装置的垂直轴实质上平行于局部重力矢量时在第一位置处拍摄的第一图像，和在第二位置处拍摄的第二图像，且其中所述成像装置的姿态是基于在所述第一图像中的特征与在所述第二图像中的所述特征的比较来测定。
3.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述图像信息包括至少一张图像，且所述成像装置的姿态是基于在所述参考系中具有已知位置的在所述图像中的特征来测定。
4.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述图像信息包括多个图像，各个图像拍摄与所述多个图像中的另一张图像共有的特征且所述多个图像中的至少一张是在所述成像装置实质上平行于局部重力矢量时拍摄，且所述处理器被构造来利用所述多个图像之间的对应来处理所述图像信息。
5.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述处理器被构造来利用特征识别过程处理所述图像信息，且所述图像信息包括拍摄在所述参考系中具有已知位置的特征的至少一张图像。
6.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述处理器被布置在与所述勘测装置和所述成像装置分离的手持式装置内，且利用无线通信链路从所述成像装置接收所述图像信息。
7.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述勘测装置包括GNSS接收器且由所述勘测装置进行的所述勘测测量包括位置测量。
8.根据权利要求1所述的勘测仪器，其还包括支撑杆，所述支撑杆的第一末端被耦接到所述勘测装置且所述支撑杆的第二末端被构造来放置在受关注点处。
9.根据权利要求1所述的勘测仪器，其还包括支撑杆，所述成像装置被耦接到所述支撑杆且与被构造来放置在受关注点处的所述支撑杆的尖端具有已知空间关系，其中所述处理器被进一步构造以处理所述图像信息，从而测定所述成像装置在所述参考系中的位置，且被构造来利用所述成像装置的所述位置、所述勘测仪器的所述倾斜角和所述倾斜方向，及所述成像装置与所述支撑杆的所述尖端之间的已知空间关系来测定所述支撑杆的所述尖端在所述参考系中的位置。
10.根据权利要求1所述的勘测仪器，其还包括支撑杆，所述勘测装置被耦接到所述支撑杆的第一末端且包括被构造来测定位置信息的GNSS接收器，所述GNSS接收器与所述支撑杆的第二末端具有已知空间关系，其中所述处理器被进一步构造以利用来自所述GNSS接收器的所述位置信息、所述勘测仪器的所述倾斜角和所述倾斜方向，及所述GNSS接收器与所述支撑杆的所述第二末端之间的已知空间关系来测定所述支撑杆的所述第二末端的位置。
11.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述成像装置和所述勘测装置是以已知空间关系被布置。
12.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中由所述勘测装置进行的所述勘测测量包括对应所述勘测装置的测量中心的位置测量，且所述成像装置的入射光瞳与所述勘测装置的所述测量中心和所述支撑杆的第一及第二末端实质上同轴。
13.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述勘测装置包括被构造来进行光学勘测测量的光学勘测仪器和被构造来测定到受关注点的距离的距离测量装置，所述勘测仪器还包括被耦接到所述勘测装置和所述成像装置的三脚架支撑件。
14.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述勘测装置包括被构造来测定位置信息的GNSS接收器，且所述处理器被进一步构造以利用所述位置信息、所述光学勘测测量、所述距离和所述勘测仪器的所述倾斜角及所述倾斜方向测定所述受关注点的位置。
15.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述勘测装置和所述成像装置被集成在手持式装置内。
16.根据权利要求1所述的勘测仪器，其中所述勘测装置和所述成像装置被集成在手持式装置内，所述手持式装置包括用于使所述手持式装置与受关注点对齐的激光指示器和用于测定到所述受关注点的距离的距离测量装置，其中由所述勘测装置进行的所述勘测测量包括位置信息，且所述处理器被进一步构造以利用所述位置信息、所述勘测仪器的所述倾斜角和所述倾斜方向，及到所述受关注点的所述距离来测定所述受关注点的位置。
17.根据权利要求16所述的勘测仪器，其中所述距离测量装置利用声学测量来测定到所述受关注点的所述距离。
18.根据权利要求16所述的勘测仪器，其中所述距离测量装置是电子距离测量（EDM）装置。
19.根据权利要求16所述的勘测仪器，其中所述距离测量装置使用激光器来测定到所述受关注点的所述距离。
20.一种测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向的方法，所述方法包括：
使所述勘测仪器与第一站处的局部重力矢量对齐；
利用成像装置获取在所述第一站处的第一图像，所述第一图像拍摄多个特征；
将所述勘测仪器定位在不同于所述第一站的第二站处；
利用所述成像装置获取在所述第二站处的第二图像，所述第二图像拍摄在所述第一图像中所拍摄的所述多个特征中的至少一部分特征；
处理所述第一图像和所述第二图像以测定在所述第二站处的所述成像装置的姿态；和
测定在所述第二站处的所述勘测仪器的所述倾斜角和所述倾斜方向，所述倾斜角和所述倾斜方向是利用所述成像装置的姿态测定。
21.根据权利要求20所述的方法，其还包括：
在所述第二站处，测定所述勘测仪器在所述参考系中的位置；和
利用所述第二站处的所述勘测仪器的所述倾斜角和所述倾斜方向及在所述第二站处的所述勘测仪器的所述位置来测定受关注点的位置。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述勘测仪器包括支撑杆和GNSS接收器，且所述GNSS接收器被耦接到所述支撑杆的第一末端且所述成像装置被定位成与所述GNSS接收器的天线相位中心和所述支撑杆的第二末端实质上同轴。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述勘测仪器是手持式装置，其包括所述成像装置和被构造来进行位置测量的勘测装置。
24.根据权利要求20所述的方法，其还包括：
提供用户指示，其指示在所述第二站处的所述倾斜角大于临界倾斜角。
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