CN103644895B - 一种数码相机配合量测工具的古建筑测绘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数码相机配合量测工具的古建筑测绘方法，以数码相机、量测工具为工具，在内方位元素未知和外方位元素已知或可测的情况下，单像测量建筑物的立面尺寸，具体包括以下步骤：使用量测工具量测摄影点到建筑物外立面的垂直距离；在建筑物外立面上固定水平和竖向标准尺；数码相机保持水平状态拍摄，获取待测区域的相片，通过相片获取标准尺的像方尺寸；根据标准尺的像方尺寸，利用相似三角形比例关系，确定水平方向和垂直方向像方尺寸和物方尺寸比例值；根据水平方向和垂直方向的像方尺寸和物方尺寸的比例值，分别获取建筑物的外立面水平方向和垂直方向各部分尺寸。本发明方法能够简单快速地测量建筑物的立面尺寸，提高了测绘精度和工作效率。

Description

一种数码相机配合量测工具的古建筑测绘方法

技术领域

本发明涉及一种数字近景摄影建筑物测绘方法，特别是一种数码相机配合量测工具古建筑的测绘方法。

背景技术

古建筑测绘是保护、发掘、整理和有效开发古代优秀建筑遗产的基础环节。在单体建筑的正立面、侧立面、背立面的测绘中，因为没有搭架，无法上到建筑物上用皮卷尺测量高度，或者人为的测量行为会对该建筑造成一定的破坏，所以这一类立面图都必须借助辅助工具进行测量，一般采用皮尺加电子经纬仪或全站仪等单点采集方式。

近期，近景摄影测量技术被引入到测绘工作当中，包括利用量测型相机测绘和非量测型相机拍摄多张相片测绘等方法，通过这些方法，可以获得较高的测绘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绘，其内方位已知，需要控制点较少，理论比较严密，求解的精度高，但是量测相机价格昂贵。

因此，在测绘工作中单点采集方式或量测相机测绘都存在较大的局限性。

发明内容

本发明的目的为了克服现有的测量技术在古建筑测绘中不可避免地带来的破坏性行为和技术缺点，提高测绘建筑物立面尺寸的精度、测量准确性，提高工作效率，提供一种数码相机配合量测工具的古建筑测绘方法。

本发明是以数码相机为工具，利用量测工具，实现单像测量建筑物立面尺寸的目的。

一种数码相机配合量测工具的古建筑测绘方法，以数码相机、量测工具为工具，在内方位元素未知和外方位元素已知或可测的情况下，单像测量建筑物的立面尺寸，具体包括以下步骤：

(1)、使用量测工具量测摄影点到建筑物外立面的垂直距离；

(2)、在建筑物外立面上固定水平和竖向标准尺；

(3)、数码相机保持水平状态拍摄，获取待测区域的相片，通过相片获取标准尺的像方尺寸；

(4)、根据标准尺的像方尺寸，利用相似三角形的比例关系，确定水平方向和垂直方向像方尺寸和物方尺寸比例值；

(5)、根据水平方向和垂直方向的像方尺寸和物方尺寸的比例值，分别获取建筑物的外立面水平方向和垂直方向各部分尺寸。

所述数码相机为具备手动调焦功能的数码相机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、本发明方法采用数码相机替代量测型相机单像测绘建筑物，降低了费用，携带方便，工具轻便，只需带上数码相机和一些简单的量测工具进行测绘工作。

(2)、操作简单，数码相机单像测绘建筑物即可简单快速地完成建筑物立面尺寸的测绘工作。

(3)、测绘精度高，本发明采用相似三角形比例关系方法，确定数码相机内方位元素，纠正了相机的畸变元素，获得物方尺寸精度高，而且需要的标准点少。

附图说明

图1为内方位元素示意图。

图2为物方空间坐标系示意图。

图3为测绘原理图。

具体实施方式

1、内方位元素

用摄影测量方法研究被摄物体的空间位置和形状，必须知道该物体与摄影相片之间的相互关系，描述摄影中心和像片在地面设定的空间坐标中位置和姿态的参数称为像片的方位元素。这些方位元素又可以分为内方位元素和外方位元素。

内方位元素是表示摄影中心与像片之间相关位置的参数，包括三个参数，即摄影中心S到像片的垂距f（主距）及像主点o在图像平面坐标系中的坐标x₀、y₀。x₀、y₀又叫内定向元素，用来恢复中心摄影时的光束形状。

如图1所示，当像主点o不与图像平面坐标系原点S’重合时，则像主点o在图像平面坐标系上的坐标值为(x₀,y₀)，从图像平面坐标系上量测出的像点a坐标为x、y，换算到以像主点o为坐标原点的坐标值为(x-x₀,y-y₀)。一般x₀、y₀值很小，精度要求不高的情况下，可以忽略此值。

目前市场上出售的数码相机都属于非量测相机，相机主距f已知，像主点o在像片中心坐标系里的坐标(x₀,y₀)都是未知的，根据影像无法直接量测以像主点o为原点的坐标，必须进行内定向。绝大多数的数码相机，均具有自动调焦功能，调焦将引起主点o(x₀,y₀)位置发生变化，选择具备锁定主距功能(手动调焦功能)的数码相机，锁定主距f，广义上是锁定内方位元素值，包括锁定畸变，同一景物拍摄多张影像时，保持每张影像有相同的主距f。

2、共线条件方程

共线条件方程是描述像方点a、摄影中心S及物方点A应位于同一直线的一种条件方程式。共线条件方程是摄影测量最重要的解析式，绝大多数的解算方法均基于此方程。

通过建立中心投影的构像方程来描述像点与地面相应点的数学关系。

如图2，O-XYZ为选定的一个地面直角坐标系，在该坐标系中，地面点A(X_A,Y_A,Z_A)、摄影中心S(X_S,Y_S,Z_S)和A在像片上的像点a(x,y,-f)。由相似三角形关系可得：

$\frac{x}{X_A-X_S}=\frac{y}{Y_A-Y_S}=\frac{-f}{Z_A-Z_S}---\left(2.1\right)$

考虑内方位修正因素，则

$\frac{x-x_0}{X_A-X_S}=\frac{y-y_0}{Y_A-Y_S}=\frac{-f}{Z_A-Z_S}---\left(2.2\right)$

因为建筑物外立面尺寸大多数是水平线和垂直线，因此考虑不用求得像方点和物方点的坐标绝对值，而是采用相对值，同时依据水平标准尺和垂直标准尺分别进行水平和垂直测绘，既可不必求出内方位因素值，又可对X方向与Y方向的单位长度不一致引起的误差进行自动改正。测绘原理如图3，取建筑立面上平行Y方向的点A、B，其在照片上相应的点为a、b；再取建筑立面上平行X方向的点C、D，其在照片上相应的点为c、d；L_AB、L_CD为建筑物立面上分别平行于Y、X方向的任意线段；l_ab、l_cd为照片上相应的线段。同时，外方位元素已知或可测。

可以将式（2.2）改写成（2.3）。

$\frac{l_{\mathrm{ab}}}{L_{\mathrm{AB}}}=\frac{l_{\mathrm{cd}}}{L_{\mathrm{CD}}}=\frac{-f}{L_{\mathrm{Aa}}-f}---\left(2.3\right)$

3、操作方法

一种数码相机配合量测工具的古建筑测绘方法，包括以下步骤：

(1)、使用量测工具量测摄影点到建筑物外立面的垂直距离L_Aa；

(2)、在建筑物外立面上固定水平和竖向标准尺，并作明显标识A、B、C、D点；

(3)、数码相机保持水平状态拍摄，获取待测区域的相片，通过相片获取标准尺的像方尺寸l_ab、l_cd；

(4)、根据标准尺的像方尺寸，利用相似三角形的比例关系式（2.3），确定水平方向和垂直方向像方尺寸和物方尺寸比例值

(5)、根据步骤(4)获得的水平方向和垂直方向的像方尺寸和物方尺寸的比例值，分别获取建筑物的外立面水平方向的尺寸和垂直方向的尺寸

Claims (1)

1.一种数码相机配合量测工具古建筑的测绘方法，其特征是：以数码相机、量测工具为工具，在内方位元素未知和外方位元素已知或可测的情况下，单像测量建筑物的立面尺寸；

该方法具体包括以下步骤：

(1)、使用量测工具量测摄影点到建筑物外立面的垂直距离；

(2)、在建筑物外立面上固定水平和竖向标准尺；

(3)、数码相机保持水平状态拍摄，获取待测区域的相片，通过相片获取标准尺的像方尺寸；所述数码相机为具备手动调焦功能的数码相机；

(4)、根据标准尺的像方尺寸，利用相似三角形的比例关系，确定水平方向和垂直方向像方尺寸和物方尺寸比例值；

(5)、根据水平方向和垂直方向的像方尺寸和物方尺寸的比例值，分别获取建筑物的外立面水平方向和垂直方向各部分尺寸。