CN103727904B - 一种基于非量测数码相机像素的不规则地域面积近景测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非量测数码相机像素的不规则地域面积近景测量方法，属于测绘技术领域。本发明以相机拍摄高程的估计值为初始值计算拍摄初始角和每像素元对应的投影角，运用高程、拍摄初夹角和各像素的摄影夹角计算结果的制约条件方程，由迭代修正计算出相机拍摄高程的精确值，再求出相片待测区域内各像素对应的实际长度及实际宽度，求和得到待测对象总面积。本发明能够运用普通数码相机采用摄影方式测量非规则任意形状土地或水域面积，解决了现有人工测量劳动强度大、精度低的缺点或者使用专业器材产生的设备昂贵、技术要求高的局限。

Description

一种基于非量测数码相机像素的不规则地域面积近景测量方法

技术领域

本发明属于测绘技术领域，更准确地说，本发明涉及一种非量测数码相机近景测量方法。

背景技术

众所周知，在现有的非规则任意形状土地或水域面积的测量中，一般有人工测量和使用专业器材两种测量方式。然而，人工测量仍多依靠标杆和卷尺，致使测量工作劳动强度大、测量结果精度低；而使用专业器材进行测量，虽然可以提升测量结果的精度，但是其设备昂贵、技术要求高，在实际推广中存在很多局限。

非量测数码相机近景摄影是测量学的一门新分支，在工业、农业、土木桥梁和建筑学的机器视觉、几何测量、动态监测、结构变形观测得到广泛运用。其依据基础是测量几何理论、运用图像处理、计算机视觉方法，测量对象的物理信息和一维、二维或三维几何信息。

普通数码相机是最常见的非量测相机。各种类型数码相机型号的机内光传感器（CMOS，CCD）的像素元横排纵列及其数目以及传感器的尺寸均已知，每像素单元面积单一像素元的物理尺寸亦为已知（数量级是μm），光传感器中的每个像素元对应的测量对象的面积成射影几何关系。数码相机测量操作简便、价格便宜，现场工作量少，作业速度快，成本低，技术要求低，具有相当高的精度和可靠性。因此，如采用普通数码相机测量任意不规则地域和水域面积较之人工测量，将具有方便快捷，精度高等优点。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术人工测量或使用专业器材测量的不足，提供一种基于非量测数码相机像素的不规则地域面积近景测量方法，实现运用普通数码相机采用摄影方式测量非规则任意形状土地或水域面积的测量方式。

具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的，包括以下步骤：

1）根据拍摄地域对象和场地情况，选择拍摄地点和标定基线长度，调整相机焦距使待测对象全部在镜头视角范围内，摄影对焦位置在待测对象中心，端正相机平行于基线，在基线左右端点以正则方式拍摄相片两张，形成左右立体像对；

2）确定相片待测区域，标出相片待测区域最近和最远距离特征点以及最左和最右特征点，完成左右像对中面积对象特征点的匹配；

3）在相片中计算出左右像对中最远最近距离特征点以及最左最右特征点对应的像素的坐标，得到相片待测区域内横排像素的总排数N和各横排像素的像素数目；

4）根据公式（2）计算拍摄初始角β₀和相片待测区域内各横排像素的摄影夹角β：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_d=h\tan \left({\mathrm{\β}}_0\right)\\ y_u=h\tan ({\mathrm{\β}}_0+\mathrm{N\β})\end{array}---\left(2\right)\right.$

其中，y_d是相片待测区域的最近距离，y_u是相片待测区域的最远距离，y_d和y_u通过一维近景测量计算方式获得；h是相机拍摄高程，在首次计算时以相机拍摄高程的估计值为h的初始值；

再根据公式（1）计算相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度：

Δy(i)＝y(i+1)-y(i)

＝htan[β₀+(1+i)β]-htan(β₀+iβ) （1）

其中，Δy(i)为第i排像素中每像素纵向对应的实际长度；

最后，计算与y_u-y_d之间的差值，如果为正误差则减小h，如果为负误差则增加h，然后代入公式（2）和公式（1）重新求解，不断迭代修正，直至与y_u-y_d之间的差值满足测量精度的要求，此时可获得满足测量精度要求的相机拍摄高程h的精确值，并根据h的精确值，根据公式（2）和公式（1）求解出拍摄初始角β₀的精确值、相片待测区域内各横排像素的摄影夹角β的精确值以及相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度的精确值；

5）根据公式（4）计算相片待测区域内各横排像素中每像素横向对应的实际宽度：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\left(i\right)=\frac{y(i+1)p}{f}\\ =\frac{h\tan [{\mathrm{\β}}_0+(1+i)\mathrm{\β}]p}{f}\end{array}---\left(4\right)$

其中，Δx(i)为第i排像素中每像素横向对应的实际宽度，f为相片拍摄焦距，p为相机传感器横排像素物理宽度；

6）根据相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度以及相片待测区域内各横排像素中每像素横向对应的实际宽度求解相片待测区域内各横排像素中每像素对应的面积，然后累加得到相片待测区域内所有像素对应面积之和，该结果就是在不考虑待测对象的不规则边缘对其面积大小的影响的条件下待测对象的总面积。

本发明的进一步特征在于：所述y_u和y_d通过经典近景摄影测量基本公式求出。

本发明的进一步特征在于：所述步骤4）中的测量精度为厘米数量级。

本发明的有益效果如下：本发明能够运用普通数码相机采用摄影方式测量非规则任意形状土地或水域面积，解决了现有人工测量劳动强度大、精度低的缺点或者使用专业器材产生的设备昂贵、技术要求高的局限。

附图说明

图1为数码相机像素元和面积的射影几何关系图。

图2为各横排像素中每像素纵向对应的实际长度的计算关系图。

图3为y_u和y_d的几何关系图。

图4为各横排像素中每像素横向对应的实际宽度的计算关系图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，数码相机像素和测量对象的面积之间成立射影几何关系。具体而言，图1中O为摄影中心，f为相片拍摄焦距，图中阴影部分为相片待测区域即待测对象，y(i)为第i排像素到摄影中心的距离，Δx(i)为第i排像素中每像素横向对应的实际宽度，Δy(i)为第i排像素中每像素纵向对应的实际长度，y_d是待测对象的最近距离，y_u是待测对象的最远距离。y_u和y_d可以通过经典、成熟的近景摄影一维测量基本公式求出。

其中，相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度的计算关系如图2所示。图2中h是相机拍摄高程，β₀是拍摄初始角，β₁、β₂、β₃分别为相片待测区域内第1排、第2排、第3排像素对应的摄影夹角，y(1)、y(2)、y(3)分别为第1排、第2排、第3排像素到摄影中心的距离，以此类推。y(0)即等于y_d。由于各横排的像素长度均相等，同时摄影中心到光传感器的焦距距离相对到待测对象的距离可以忽略不计，因此可以认为相片待测区域内各横排像素的摄影夹角均相等，即β₁=β₂=…=β。

因此，相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度可以按公式（1）求出：

Δy(i)＝y(i+1)-y(i)

＝htan[β₀+(1+i)β]-htan(β₀+iβ) （1）

其中，h是相机拍摄高程。同时，Δy(i)应满足公式（3）的要求：

$y_u-y_d=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δy}\left(i\right)---\left(3\right)$

其中，N为相片待测区域内横排像素的总排数。但是公式（1）中的h、β₀、β均为未知数，因此Δy(i)暂时无法求解。

如图3所示，y_u、y_d与β₀、β_Σ之间具有几何关系，其中β_Σ是相片待测区域内所有横排像素对应的摄影夹角之和，即β_Σ=Nβ。因此，y_u、y_d与β₀、β_Σ之间如公式（2）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_d=h\tan \left({\mathrm{\β}}_0\right)\\ y_u=h\tan ({\mathrm{\β}}_0+\mathrm{N\β})\end{array}\right.---\left(2\right)$

考虑到h的几何含义是相机拍摄高程，因此其估计近似值可以做为方程（2）中h的初始值，并以此求出β和β₀的初始值，此初解的β和β₀会具有很大误差。

得到h、β₀、β的初始值后，可以以公式（3）为制约条件，计算与y_u-y_d之间的差值，如果为正误差则减小h，如果为负误差则增加h，然后代入公式（2）和公式（1）重新求解，不断迭代修正，直至与y_u-y_d之间的差值满足测量精度的要求，此时可获得满足测量精度要求的h的精确值，并根据h的精确值，根据公式（2）和公式（1）求解出β₀、β、Δy(i)的精确值。这一迭代修正的过程，其测量精度一般控制在厘米数量级。因为h的初始值已经是近似估计，计算可以很快收敛。

各横排像素中每像素横向对应的实际宽度的计算关系则如图4所示。在相片中，各横排像素中每像素对应的实际宽度可以认为近似相等，但不同横排像素中每像素对应的实际宽度则不相等。按图1的射影几何关系，Δx(i)是y(i+1)的距离函数，可以按公式（4）进行计算：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\left(i\right)=\frac{y(i+1)p}{f}\\ =\frac{h\tan [{\mathrm{\β}}_0+(1+i)\mathrm{\β}]p}{f}\end{array}---\left(4\right)$

其中，p为相机传感器横排像素物理宽度。

按以上方式得到相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度以及每像素横向对应的实际宽度后，便可得到相片待测区域内各横排像素中每像素对应的面积，然后以纵列距离为序由近及远进行累加。所得的相片待测区域内所有像素对应面积之和，即为在不考虑待测对象的不规则边缘对其面积大小的影响的条件下待测对象的总面积。

本发明放的具体实施过程如下：

首先，根据拍摄地域对象和场地情况，选择拍摄地点和标定基线长度，调整相机焦距使待测对象全部在镜头视角范围内，摄影对焦位置在待测对象中心，端正相机平行于基线，在基线左右端点以正则方式拍摄相片两张，形成左右立体像对。

然后，确定相片待测区域，标出相片待测区域最近最远距离特征点以及最左最右特征点，进行滤波、去噪、图像增强等常规图像预处理，完成左右像对中面积对象特征点的匹配。

接着，在相片中计数计算出左右像对中最远最近距离特征点以及最左最右特征点对应的像素元的坐标，得到相片待测区域内横排像素的总排数和各横排像素的像素数目。

最后，按照前述过程，以相机拍摄高程的估计值为初始值计算拍摄初始角和每像素元对应的投影角，运用高程、拍摄初夹角和各像素的摄影夹角计算结果的制约条件方程，由迭代修正计算出相机拍摄高程的精确值，再求出相片待测区域内各像素对应的实际长度及实际宽度，求和得到待测对象总面积。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (3)

1.一种基于非量测数码相机像素的不规则地域面积近景测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据拍摄地域对象和场地情况，选择拍摄地点和标定基线长度，调整相机焦距使待测对象全部在镜头视角范围内，摄影对焦位置在待测对象中心，端正相机平行于基线，在基线左右端点以正则方式拍摄相片两张，形成左右立体像对；

2)确定相片待测区域，标出相片待测区域最近和最远距离特征点以及最左和最右特征点，完成左右像对中面积对象特征点的匹配；

3)在相片中计算出左右像对中最远和最近距离特征点以及最左和最右特征点对应的像素的坐标，得到相片待测区域内横排像素的总排数N和各横排像素的像素数目；

4)根据公式(2)计算拍摄初始角β₀和相片待测区域内各横排像素的摄影夹角β：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_d=htan\left({\mathrm{\β}}_0\right)\\ y_u=htan({\mathrm{\β}}_0+N\mathrm{\β})\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，y_d是相片待测区域的最近距离，y_u是相片待测区域的最远距离；h是相机拍摄高程，在首次计算时以相机拍摄高程的估计值为h的初始值；

再根据公式(1)计算相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}y\left(i\right)=y(i+1)-y\left(i\right)\\ =h\tan \[{\mathrm{\β}}_0+\left(1+i\right)\mathrm{\β}\]-h\tan \left({\mathrm{\β}}_0+i\mathrm{\β}\right)\end{array}---\left(1\right)$

其中，Δy(i)为第i排像素中每像素纵向对应的实际长度；

最后，计算与y_u-y_d之间的差值，如果为正误差则减小h，如果为负误差则增加h，然后代入公式(2)和公式(1)重新求解，不断迭代修正，直至与y_u–y_d之间的差值满足测量精度的要求，此时可获得满足测量精度要求的相机拍摄高程h的精确值，并根据h的精确值，根据公式(2)和公式(1)求解出拍摄初始角β₀的精确值、相片待测区域内各横排像素的摄影夹角β的精确值以及相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度的精确值；

5)根据公式(4)计算相片待测区域内各横排像素中每像素横向对应的实际宽度：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\left(i\right)=\frac{y(i+1)p}{f}\\ =\frac{h\tan \[{\mathrm{\β}}_0+\left(1+i\right)\mathrm{\β}\]p}{f}\end{array}---\left(4\right)$

其中，Δx(i)为第i排像素中每像素横向对应的实际宽度，f为相片拍摄焦距，p为相机传感器横排像素物理宽度；

6)根据相片待测区域内各横排像素中每像素纵向对应的实际长度以及相片待测区域内各横排像素中每像素横向对应的实际宽度求解相片待测区域内各横排像素中每像素对应的面积，然后累加得到相片待测区域内所有像素对应面积之和，该累加结果就是在不考虑待测对象的不规则边缘对其面积大小的影响的条件下待测对象的总面积。

2.根据权利要求1所述的基于非量测数码相机像素的不规则地域面积近景测量方法，其特征在于：所述y_u和y_d通过经典近景摄影一维测量基本公式求出。

3.根据权利要求1所述的基于非量测数码相机像素的不规则地域面积近景测量方法，其特征在于：所述步骤4)中的测量精度为厘米数量级。