CN103411588B - 陆地全数字摄影测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陆地全数字摄影测量系统，包括摄影系统和量测系统；所述摄影系统包括微机、立体相对空间成像仪及圆盘形阵列式数码相机；所述圆盘形阵列式数码相机和立体相对空间成像仪均与所述微机相连，所述圆盘形阵列式数码相机通过活页安装于立体相对空间成像仪顶部；所述量测系统包括工作台及与所述微机相连的三维坐标测量仪和与三维坐标测量仪配套使用的绘图桌；所述工作台内部中空，且固定安装有所述三维坐标测量仪，所述微机放置于所述工作台下方，所述立体相对空间成像仪设置于所述工作台的台面上。本发明结构紧凑，使用方便，拍摄效果好，成像成图效果好。

Description

陆地全数字摄影测量系统

技术领域

本发明涉及一种陆地全数字摄影测量系统。

背景技术

随着社会的进步，视觉科学已从立体眼镜重现立体影像转向计算机视觉技术进行影像匹配与影像识别，完成影像几何与物理信息的自动提取，虽然计算机视觉科学能代替立体眼镜观察立体测量与识别，但是这种影像匹配与影像识别无法实现影像空间立体视觉。

现有陆地全数字三维坐标测量仪行业经历了从照相机干板拍摄到数码照相机与全站仪拍摄的进程，人们外出操作时，不能实地实时地观察所拍摄的立体相对空间成像，只能回到室内依靠光和仪器的帮助重现立体影像，直接影响所拍摄的三维地形无缝连接成图的要求，另外，该系统功能单一，只能适应陆地摄影测量，更谈不上直接裸眼观察景物或地形的空间立体成像，不能实现人机虚拟实境的空间影像互动效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种陆地全数字摄影测量系统，该陆地全数字摄影测量系统能拍摄并观察三维地形立体图像，技术创新巧妙。

本发明参考了现有的数字摄影测量系统（仪器），依据电脑三维地球观察仪技术（曾获国家专利），根据光学反射折射定律和非对称视场光路像差反射成像观察法设计完成。

一种陆地全数字摄影测量系统，包括摄影系统和量测系统；

所述摄影系统包括微机2、立体相对空间成像仪4及圆盘形阵列式数码相机5；

所述圆盘形阵列式数码相机和立体相对空间成像仪均与所述微机相连，所述圆盘形阵列式数码相机通过活页安装于立体相对空间成像仪顶部；

所述量测系统包括工作台1及与所述微机相连的三维坐标测量仪3和与三维坐标测量仪配套使用的绘图桌21；

所述工作台内部中空，且固定安装有所述三维坐标测量仪，所述微机放置于所述工作台下方，所述立体相对空间成像仪设置于所述工作台的台面上；

所述工作台上设有键盘6，所述三维坐标测量仪的X手轮7和Y手轮8均设置于工作台前面板上，所述三维坐标测量仪的Z脚盘设置于工作台的下方，所述键盘、X手轮、Y手轮及Z脚盘均与微机相连；

所述微机上设有两个立体相对的第一光盘仓12和第二光盘仓13。

所述立体相对空间成像仪包括箱体、放大透镜15、光学玻璃球24、半球形内弧形显示屏25及两侧的第一立体音箱16和第二立体音箱17；

所述箱体除一个非密封侧面外，其余的五个面均为密封面；

所述放大透镜、光学玻璃球及半球形内弧形显示屏均设置于所述箱体内，光学玻璃球设置于放大透镜和半球形内弧形显示屏之间，放大透镜的外立面为平面，放大透镜的内立面为弧形曲面；放大透镜设置于箱体的非密封面处；

所述半球形内弧形显示屏与微机相连。

所述光学玻璃球与放大透镜内立面之间的最短间距为2cm～8cm；光学玻璃球与放大透镜的直径相同，光学玻璃球与半球形内弧形显示屏之间的最短间距为2cm～8cm。

所述X手轮、Y手轮及Z脚盘内均设有金属陶瓷角度传感器。

所述圆盘形阵列式数码相机的目镜侧设有平板电脑28，圆盘形阵列式数码相机与平板电脑相连，平板电脑与微机相连。

所述平板电脑的显示屏上贴有一张偏振光膜。

所述圆盘形阵列式数码相机安装于全站仪上，圆盘形阵列式数码相机下方横向设有金属圆孔27，全站仪的望远镜筒29横轴上设有螺丝，所述螺丝紧固于所述金属圆孔中。

还包括全站仪26，所述全站仪架设于金属三脚架上30。

还包括测标金属板31及固定于测标三脚架32上的测标杆，所述测标金属板中心设有圆孔33，所述测标金属板长宽尺寸为1m×1m，所述测标金属板中心的圆孔安装在测标杆顶端，测标杆所在的垂线与埋标的标心对准。

所述的键盘为无线键盘6，所述微机上设有无线通信接收器及插口14。

微机中加载有3D图形显示卡和IMAX3D数字影像增加器

本系统微机中采用V-STARS软件。

所述的阵列式数码相机纵向或横向之间的间距排列均在4.5—7.5公分之间。

有益效果

本发明的技术创新了影像空间立体视觉测量。专供人用肉眼直接观察三维地形影像空间立体视觉成像。其原理：采用光学玻璃球立体成像法，依靠光和仪器的帮助，建筑起人双眼与实像双眼空间非对称视场光路，从而使人产生影像空间立体视觉，裸眼观测立体相对影像在空间立体成像，是一项未来技术创新与产业革命，它对丰富人们空间立体想象力十分有益。

本发明的陆地全数字摄影测量系统，设计了独立的测量系统和摄影系统；可实现拍摄、观察和测量三维图的功能；

拍摄时，通过阵列式数码相机拍摄图像，将拍摄的三维地形图像在半球形内弧形显示屏显示，然后操作人员从放大透镜外侧即可观察三维地形在空间立体成像；

测量三维图是基于测量系统实现的，测量系统设计了x手轮、y手轮及z脚盘并结合电脑数字三位地球观察摄影仪技术，能便捷的查看三维图像并基于三维图像进行三维地形测量。

本发明的陆地全数字摄影测量系统，技术创新巧妙，功能完备，易于实施，是一种结构简单、使用方便、摄影测量效果好，具有裸眼立体成像功能的陆地全数字摄影测量系统（仪器）。本发明结构紧凑，使用方便，拍摄效果好，成像成图效果好。后期制作简单，适用范围广。

附图说明

图1为陆地全数字摄影测量系统的总体结构示意图；

图2为陆地全数字摄影测量系统的总体结构示意图（打开顶盖时的结构图）；

图3为立体相对空间成像仪的放大透镜、光学玻璃球和半球形内弧形显示屏的位置关系示意图及光路示意图；

图4为放大透镜、光学玻璃球和半球形内弧形显示屏的俯视图；

图5为圆盘形阵列式数码相机与全站仪组合示意图；

图6为测量金属板示意图；

图7为光学玻璃球安装示意图；

图8为粘贴于平板电脑前的偏振光膜示意图；

图9为光学玻璃球光路示意图；

标号说明：1-工作台，2-微机，3-三维坐标测量仪，4-立体相对空间立体成像仪，5-圆盘形阵列式数码相机，6-键盘，7-x手轮、8-y手轮、9-数据线，10-z脚盘上盘，11-z脚盘下盘，12-第一立体相对光盘仓，13-第二立体相对光盘仓，14-无线通信接收器及插口，15-放大透镜，16-第一立体音箱，17-第二立体音箱17，18-立体相对奇数帧镜头，19-立体相对偶数帧镜头，20-圆盘形阵列式数码相机与立体相对空间成像仪连接件，21-绘图桌，22-放大透镜水平面层，23-放大透镜内测凸面层，24-光学玻璃球，25-半球形内弧形液晶或等离子显示屏，26-全站仪，27-圆盘形阵列式数码相机下方横向设有金属圆孔条，28-圆盘形阵列式数码相机背面的平板电脑，29-望远镜筒，30-三脚架，31-测量金属板，32-测标三脚架，33-测标中心孔，40-金属支撑架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的陆地全数字摄影测量系统，如图1、图2、图5及图6所示，包括摄影系统和量测系统；

所述摄影系统包括微机2、立体相对空间成像仪4及圆盘形阵列式数码相机5；

所述圆盘形阵列式数码相机和立体相对空间成像仪均与所述微机相连，所述圆盘形阵列式数码相机通过活页安装于立体相对空间成像仪顶部；

所述量测系统包括工作台1及与所述微机相连的三维坐标测量仪3和与三维坐标测量仪配套使用的绘图桌21；

所述工作台为内部中空，且固定安装有所述三维坐标测量仪，所述微机放置于所述工作台左下方，所述立体相对空间成像仪设置于所述工作台的台面上；

所述工作台上设有键盘6，所述三维坐标测量仪的X手轮7和Y手轮8均设置于工作台前面板上，所述三维坐标测量仪的Z脚盘设置于工作台的下方，所述键盘、X手轮、Y手轮及Z脚盘均与微机相连；

所述微机上设有两个立体相对的第一光盘仓12和第二光盘仓13。

所述立体相对空间成像仪包括箱体、放大透镜15、光学玻璃球24、半球形内弧形显示屏25及两侧的第一立体音箱16和第二立体音箱17；

所述箱体除一个非密封侧面外，其余的五个面均为密封面；

如图3和图4所示，所述放大透镜、光学玻璃球及半球形内弧形显示屏均设置于所述箱体内，光学玻璃球设置于放大透镜和半球形内弧形显示屏之间，放大透镜的外立面为平面，放大透镜的内立面为弧形曲面；放大透镜设置于箱体的非密封面处；

所述半球形内弧形显示屏与微机相连。

所述光学玻璃球与放大透镜内立面之间的最短间距为2cm～8cm；光学玻璃球与放大透镜的直径相同，光学玻璃球与半球形内弧形显示屏之间的最短间距为2cm～8cm。

所述X手轮、Y手轮及Z脚盘内均设有金属陶瓷角度传感器。

所述圆盘形阵列式数码相机的目镜侧设有平板电脑28，圆盘形阵列式数码相机与平板电脑相连，平板电脑与微机相连。

如图8所示，所述平板电脑的显示屏上贴有一张偏振光膜。

所述圆盘形阵列式数码相机安装于全站仪上，圆盘形阵列式数码相机下方横向设有金属圆孔27，全站仪的望远镜筒29横轴上设有螺丝，所述螺丝紧固于所述金属圆孔中。

还包括全站仪26，所述全站仪架设于金属三脚架上30。

还包括测标金属板31及固定于测标三脚架32上的测标杆，所述测标金属板中心设有圆孔33，所述测标金属板长宽尺寸为1m×1m，所述测标金属板中心的圆孔安装在测标杆顶端，测标杆所在的垂线与埋标的标心对准。

所述埋标是指测量前用于进行标识的测量点。

所述的键盘为无线键盘6，所述微机上设有无线通信接收器及插口14。

所述的阵列式数码相机纵向或横向之间的间距排列均在4.5—7.5公分之间。

微机中加载有3D图形显示卡和IMAX3D数字影像增加器，三维坐标测量仪与系统仪外壳固连，三维坐标测量仪中的x手轮、y手轮、z脚盘内部集成块传感编码器分别通过数据线与微机连接，工作台正面地面上的高程量测z脚盘，其z脚盘下盘比重较重，与地面紧固，z脚盘上盘灵活通过脚可轻松地360度旋转；工作台内部为中空，且设有三维坐标测量仪，工作台顶部设置一台立体相对空间成像仪，立体相对空间成像仪的顶部设置一台活动的圆盘形阵列式数码相机，圆盘形阵列式数码相机的背面安置一台平板电脑，圆盘形阵列式数码相机数据线有序地与平板电脑连接，所拍摄的立体相对影响无缝连接成一幅相差影像，人们通过偏振光片可直接观察三维立体影像，苹果电脑数据线与微机连接，同样：立体相对空间成像仪与微机连接，三维坐标测量仪与微机连接。

立体相对空间成像仪的放大透镜的视屏面为水平面，凸面向内侧设置；放大透镜的凸面的内侧设有一个光学玻璃球，光学玻璃球的直径与透镜的直径大小一致，以光学玻璃球心作圆弧，在光学玻璃球的后侧设置一个半球形内圆弧形液晶或等离子显示屏，液晶或等离子显示屏通过数据线与微机连接。如图4所示，为放大透镜、光学玻璃球和半球形内弧形显示屏的俯视图。

如图7为所示，为光学玻璃球安装示意图，光学玻璃球下端设有一个金属支撑架40，金属支撑架包括金属圆盘和底座，金属圆盘的弧度与光学玻璃球的弧度一致。

如图9所示，光学玻璃球光路示意图。A和B两点在光学玻璃球后成像为A’和B’两点，其中，O点位于光学玻璃主光轴上，F为光学玻璃球的焦距点。

所述的立体相对空间立体成像仪的放大透镜，可直接观察阵列式数码相机拍摄的陆地三维地形，人物、景物、广告、科普和动漫的立体相对影像，操作x手轮、y手轮、z脚轮和微机遥控键盘，进行摄影测量全数字处理。

人眼睛是由生理透镜系统组成，只有双眼才能看出立体，并通过视神经迅速传到人大脑后主叶，进行视觉演变的过程。所述放大透镜的视屏面，专供人用肉眼直接观察经微机数字化处理的立体相对影像在空间立体成像，观察时，人双眼视线经透镜、光学玻璃球折射，人的双眼在光学玻璃球的另一侧成倒立缩小的实像双眼，此时，人是通过实像双眼观察半球形内圆弧形液晶或等离子显示屏上的立体相对像差影像，一种视差、像差反射观察法，建筑起人双眼的实像双眼空间非对称视场光路，从而使人产生空间立体成像视觉，专供影像数字化测图，是利用微机对数字影像或数字化影像进行处理，用计算机视觉技术进行影像匹配与影像识别，代替人双眼的立体测量与识别，完成影像几何与物理信息的自动提取。

现有V-STARS数字摄影测量系统的工业数字近景拍摄的大尺寸三维坐标的测量系统，它是通过V-STARS软件处理采集的照片来得到带测点的三维坐标，V-STARS系统分类，可采用脱机和联机二种方式，即单相机和多相机系统。

陆地全数字摄影测量系统是一种解析测图仪，它由三维坐标测量仪、微机、立体相对空间成像仪和绘图桌以联机方式组成一种陆地全数字摄影测量系统。x手轮、y手轮、z脚轮，通过集成块传感编码器将机械移动量转变为电脉冲信号，经过模/数转换，将物体空间坐标输入微机，“实时”地将像点坐标依据相差进行改正，解算共线方程等。并由微机反馈到立体坐标仪中，整个过程都应在小于1/30秒的时间内完成，这样人在观测中就不会感觉到有任何跳动。本系统采用V-STARS软件。

测图中，微机要“实时”地计算控制像片本架的附加移动，以及计算相应模型点的物方空间坐标，控制绘图桌进行测图。

工作中，人双眼是沿着放大镜透镜视屏的主光轴方向观察；人坐在立体相对空间立体成像仪前，用手操作x手轮、y手轮、通过旋动x手轮使得立体相对奇数帧a和偶数帧b影像沿纵坐标同步上下移动；也可提供过旋动y手轮使得立体相对奇数帧a和偶数帧b影像沿横坐标同步左右移动读数，也可通过旋动z脚轮使得立体相对奇数帧和偶数帧同步相对移动量测平面高程点数据。如：当需要量测附图中立体相对奇数帧a和偶数帧b中高程点时，可用手操作x和y手轮，将立体相对a奇数帧和b偶数帧影像移动到放大透镜视屏的主光轴位置，操作z脚轮的旋动，立体相对a奇数帧与b偶数帧的两张像片会横向相对移动，会导致放大透镜视屏外地黑色测标点前后移动，量测空间三维地形点的高程，若是采用影像数字化测图，利用微机对数字影像进行处理，用计算机视觉科学进行影像匹配与影像识别，代替人双眼的立体测量与识别，完成彩像几何与物理信息的自动化提取。圆形阵列式数码摄像盘中a是代表多组立体相对奇数帧；b是代表多组立体相对偶数帧的纵向排列。

所述的阵列式数码相机纵向或横向之间的间距排列均在4.5—7.5公分之间。

所述放大透镜凸面与光学玻璃球之间有一特定空间间距，光学玻璃球成半球形内圆弧形的液晶或等离子显示屏之间也有一特定的空间间距。

工作原理

摄影测量专业关键只有两点：图像获取和图像处理。微机将影像灰度转换成电信号，再转换成数字信号，由微机来实现陆地全数字摄影测量的自动化过程。圆盘形阵列式数码相机所拍摄的人物、景物、广告、科普和动漫影像经微机处理成一幅无缝连接的像差影像，经光学玻璃球和透镜两个光学器件建筑起空间立体影像视觉，符合立体相对、立体镜、分眼观察的立体成像三原则。

将阵列式数码相机存储卡或立体相对光盘插入微机或放入光盘仓中，在高精度影像扫描仪上进行逐立体相对照片扫描，采用陆地摄影测量加密软件进行定性点加密，加密点经人工采集程序自动完成量测并计算生成，进行图像接边，这项工作有计算机自动匹配影像灰度；打开测图系统，在工程目录下进行上述各项数据文件的导入并进行批处理，建立立体相对模型，设定工作区域，根据需要设定参数，固定工作范围，对立体模型进行向量测图，实施测图工作。

在进行测图前，需要建立相应的数字地面模型，也就是我们常说的平面、高程定向。

测图时，应当在选择好适合三维坐标测量仪的陆地全数字摄影测量软件，在高程运行正常，准确提供外业控制成果和满足精度的陆地摄影的照片数据等所需的资料的前提下进行扫描影像，数码影像数据直接导入微机，真正实现了数字化操作，作业人员又需坐在工作台前观测，通过人机交互便可进行图形采集，数据编辑处理。测绘产品也由原来的纸质地形图变成数字化线化图，数字正摄影像图，数字高程模型，三维景观图，实现了快速存取，一图多用，在经济社会发展各领域具有广泛的应用前景。

阵列式数码相机拍摄的几张照片，每一张照片其左右影像重叠占总面积的60%；每一张照片其上下重叠约30%。

野外陆地摄影测量时，如图5所示，只需将圆盘形阵列式数码相机取下，安置在全站仪上，并将圆形盘下方的横金属条圆孔套在全站仪望远镜筒横轴上方新设置的螺丝上紧固，即可配合全站仪进行陆地摄影测量工作，圆形盘上阵列式数码相机数据线有序地与圆盘背面的平板电脑连接。

陆地摄影测量野外前期工作，首先用全站仪对测区布设的三角网点进行观测与数据采集，室内对三角网点观测的数据进行平差计算，拍摄时，全站仪需架设在测区控制网的平高点上，照准另外一个平高点的测标金属板拍摄，测标金属板实一块1m*1m的金属板，版面采用红底白色粗线条对角交叉，测标板中心开一个圆孔，套在一个三脚架的测标赶上，测标杆的垂线与埋标的标心对准。陆地摄影时测区地形进行无缝拍摄，对河州、海岛远视距拍摄时，可从该站的平高点上使用一套基准尺丈量一条拍摄基线，通过移动全站摄影仪，进行陆地摄影测量工作。阵列式数码相机采用高分辨的CCD芯片获取图像，内置众多单片机可实时对所拍摄的像片进行无损压缩，标志点识别处理工作。

随着数码科技和微机数字化处理的广泛应用，微机进行数字图像处理，模式识别，人工智能，专家系统实现全数字摄影测量系统成图工作，微机中加载的IMAX3D数字影像增加器具有1万亿次浮点运算图形处理能力（相当于100部台式电脑同时工作），可定位像素的数量增加，极大地提高了影像的锐度保真度（保真度是一幅图像被精确重现的程度），由于所有影像都是由数字构成的，高标准再现空间清晰逼真的影像立体视觉。

Claims (8)

1.一种陆地全数字摄影测量系统，其特征在于，包括摄影系统和量测系统；

所述摄影系统包括微机（2）、立体相对空间成像仪（4）及圆盘形阵列式数码相机（5）；

所述圆盘形阵列式数码相机和立体相对空间成像仪均与所述微机相连，所述圆盘形阵列式数码相机通过活页安装于立体相对空间成像仪顶部；

所述量测系统包括工作台（1）及与所述微机相连的三维坐标测量仪（3）和与三维坐标测量仪配套使用的绘图桌（21）；

所述工作台内部中空，且固定安装有所述三维坐标测量仪，所述微机放置于所述工作台下方，所述立体相对空间成像仪设置于所述工作台的台面上；

所述工作台上设有键盘（6），所述三维坐标测量仪的X手轮（7）和Y手轮（8）均设置于工作台前面板上，所述三维坐标测量仪的Z脚盘设置于工作台的下方，所述键盘、X手轮、Y手轮及Z脚盘均与微机相连；

所述微机上设有两个立体相对的第一光盘仓（12）和第二光盘仓（13）；

所述立体相对成像仪包括箱体、放大透镜（15）、光学玻璃球（24）、半球形内弧形显示屏（25）及两侧的第一立体音箱（16）和第二立体音箱（17）；

所述箱体除一个非密封侧面外，其余的五个面均为密封面；

所述放大透镜、光学玻璃球及半球形内弧形显示屏均设置于所述箱体内，光学玻璃球设置于放大透镜和半球形内弧形显示屏之间，放大透镜的外立面为平面，放大透镜的内立面为弧形曲面；放大透镜设置于箱体的非密封面处；

所述半球形内弧形显示屏与微机相连；

所述光学玻璃球与放大透镜内立面之间的最短间距为2cm～8cm；光学玻璃球与半球形内弧形显示屏之间的最短间距为2cm～8cm；

其特征在于，光学玻璃球与放大透镜的直径相同。

2.根据权利要求1所述的陆地全数字摄影测量系统，其特征在于，所述X手轮、Y手轮及Z脚盘内均设有金属陶瓷角度传感器。

3.根据权利要求1所述的陆地全数字摄影测量系统，其特征在于，所述圆盘形阵列式数码相机的目镜侧设有平板电脑（28），圆盘形阵列式数码相机与平板电脑相连，平板电脑与微机相连。

4.根据权利要求3所述的地全数字摄影测量系统，其特征在于，所述平板电脑的显示屏上贴有一张偏振光膜。

5.根据权利要求4所述的地全数字摄影测量系统，其特征在于，所述圆盘形阵列式数码相机安装于全站仪上，圆盘形阵列式数码相机下方横向设有金属圆孔（27），全站仪的望远镜筒（29）横轴上设有螺丝，所述螺丝紧固于所述金属圆孔中。

6.根据权利要求5所述的地全数字摄影测量系统，其特征在于，还包括全站仪（26），所述全站仪架设于金属三脚架上（30）。

7.根据权利要求6所述的地全数字摄影测量系统，其特征在于，还包括测标金属板（31）及固定于测标三脚架（32）上的测标杆，所述测标金属板中心设有圆孔（33），所述测标金属板长宽尺寸为1m×1m，所述测标金属板中心的圆孔安装在测标杆顶端，测标杆所在的垂线与埋标的标心对准。

8.根据权利要求7所述的地全数字摄影测量系统，其特征在于，所述的键盘为无线键盘（6），所述微机上设有无线通信接收器及插口（14）。