CN104655106A - 基于gps rtk和全景影像的自主定位定向测图方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，本发明利用全景相机获取的全景影像和GPS RTK测得的设站点坐标，采用基于全景影像球体模型中量测交会角的三维立体前交计算方法，实现两组全景影像公共区域中地物的直接量测，从而快速获取全景影像公共区域地物的三维坐标信息。本发明可实现在全景影像上直接对地物进行量测，可快速获取地物数据及测点测距，从而获得三维建模、场景重建、数字城市建设等所需的地物信息。

Description

基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，尤其涉及一种基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法。

背景技术

RTK(Real Time Kinematic)实时动态控制系统是一种新的常用的GPS测量方法。传统的静态测量、快速静态测量、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK定位技术基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度，是GPS应用的重大里程碑，极大的提高了外业作业的效率，也为本发明中实时量测设站点坐标提供了支持。

传统胶片和CCD面阵相机往往由于其平面成像的方式、视场狭窄，易受遮挡影响，有时无法满足特定的应用需求。而球面全景影像，即水平角度360°、垂直角度180°的全景影像，具有大视场、旋转不变性等优点，在诸多领域得到了越来越广泛的应用。而相较于传统的空间交会测量方法，在全景影像上进行交会测量具有更大的重叠区域，减少了地物遮挡对可量测地物范围的限制，提高了地物量测的效率。

同时，传统的空间前方交会测量方法需要外方位元素及内方位元素等多个参数，以模拟相机成像模型及校正相机拍摄姿态。而全景影像的成像模型可以简单模拟为成像中心在球心的球体模型，具有旋转不变性，因而有效减少了相机旋转角度等相关参数的输入。另外，对于一个单位球上的任意一个点，它的位置均可以用两个角度来标识，这两个角度也就是在测量过程中所需的水平角和天顶距，所以大大简化了交会角的计算过程。

根据前方交会原理，在已知两个地物点的坐标的情况下，对空间某点进行观测得到两个水平角和两个天顶距，那么根据点之间的空间三维关系，就可以解算出该空间点的三维坐标。因此，在GPS RTK量测和全景相机拍摄的基础上，就可以实现在全景影像上直接对地物进行量测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，在全景影像上即可直接对可见地物进行测量。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，包括步骤：

步骤1，待测区域选择两地面点A和B作为设站点；

步骤2，固定GPS与全景相机的相对位置不变，进行数据实时采集，本步骤具体为：

2.1在设站点A架设GPS和全景相机，在设站点B架设靶标，靶标正面朝向全景相机；采用全景相机获得全景影像，并获得GPS RTK量测中心坐标；

2.2在设站点B架设GPS和全景相机，在设站点A架设靶标，靶标正面朝向全景相机；采用全景相机获得全景影像，并获得GPS RTK量测中心坐标；

所述的GPS RTK量测中心坐标为GPS RTK所采用坐标系下的坐标；

步骤3，以靶标中心点为定向点，分别以步骤2.1和步骤2.2获得的全景影像为影像量测中的左片和右片，获得左片和右片中定向点在影像坐标系下的影像坐标；

步骤4，结合左片和右片中待测地物点和定向点的影像坐标，基于全景影像球体模型获得待测地物点的水平角和天顶距，即待测地物点与设站点连线的交会角；结合交会角和全景相机中心坐标，基于前方交会测量原理，获得待测地物点在GPS RTK所采用坐标系下坐标；其中，全景相机中心坐标为GPS RTK所采用坐标系下的坐标，根据GPS RTK量测中心坐标获得。

步骤1中，选择设站点时应保证全景影像上待测地物点与设站点的交会角在30°～150°范围内。

子步骤2.1和2.2中，架设于设站点的GPS和全景相机，GPS RTK量测中心和全景相机中心位于同一竖直线。

上述GPS RTK所采用坐标系下的坐标为大地坐标系或自定义三维空间坐标系。

步骤4具体为：

4.1获得左片和右片中同一待测地物点的影像坐标；

4.2基于影像坐标系和角度坐标系的对应关系，根据定向点和待测地物点的影像坐标，分别获得同一待测地物点在左片和右片上的角度坐标；

4.3根据待测地物点在左片和右片上的角度坐标获得待测地物点与设站点连线的交会角；根据GPS RTK量测中心坐标获得全景相机中心坐标；根据交会角和全景相机中心坐标，采用前方交会测量原理计算待测地物点在GPS RTK所采用坐标系下的坐标；

所述的影像坐标系定义为：以全景影像左上角为原点、水平向右为x轴正方向、垂直向 下为y轴正方向的二维坐标系；影像坐标即影像坐标系下坐标；

所述的角度坐标系定义为：左片中以影像坐标点(x_l,D/2)为原点，右片中以影像坐标点(x_r,D/2))为原点，水平向右为θ轴正方向，垂直向上为轴正方向，x_l、x_r分别为左片和右片中定向点在影像坐标系下的横坐标；角度坐标即角度坐标系下坐标。

子步骤4.2获得的待测地物点在左片和右片上的角度坐标和为：

${\mathrm{\θ}}_1=[x_1-x_l]*\frac{\mathrm{\π}}{D}$

${\mathrm{\θ}}_2=[x_2-x_r]*\frac{\mathrm{\π}}{D}$

其中，和分别表示同一待测地物点在左片和右片上的角度坐标，(x₁,y₁)和(x₂,y₂)分别表示同一待测地物点在左片和右片上的影像坐标，(x_l,y_l)和(x_r,y_r)分别表示定向点在左片和右片上的影像坐标，D表示全景影像的垂直分辨率，INT(·)表示对括号内的数值下取整。

本发明基本原理如下：

利用全景相机获取的全景影像和GPS RTK测得的设站点坐标，采用基于全景影像球体模型中量测交会角的三维立体前交计算方法，实现两组全景影像公共区域中地物的直接量测，从而快速获取全景影像公共区域地物的三维坐标信息。

和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

可实现在全景影像上直接对地物进行量测，可快速获取地物数据及测点测距，从而获得三维建模、场景重建、数字城市建设等所需的地物信息。

附图说明

图1是本发明方法的具体流程图；

图2是具体实施中数据采集的设站分布图；

图3是具体实施中全景影像上影像坐标系和角度坐标系的对应关系图；

图4是本发明地物点测量坐标计算原理示意图；

图5是本发明地物点立体量测水平面投影示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和附图进一步说明本发明技术方案。

本发明的具体流程图见图1，包括如下具体步骤：

步骤S1：数据采集准备。

在已知两地物点的三维坐标及这两地物点与第三个未知空间点交会角的情况下，可以利用前方交会原理求出该未知空间点的三维坐标。前方交会是指在已知控制点A和B上设站观测水平角和天顶距，根据已知控制点坐标和观测值，计算待定点P的坐标的过程。在前方交会图形中，由未知点至相邻两已知点连线的夹角称为交会角，当交会角过小或过大时，待定点的精度交叉。因此在测量过程中，为了避免待定点的精度交叉，应保证交会角大于30°并小于150°，即待测点应避开图2中阴影部分。

本步骤进一步包括如下子步骤：

1.1固定GPS与全景相机的相对位置，保证GPS RTK量测中心与全景相机中心位于同一竖直线，即当GPS与全景相机放置为水平状态时，GPS RTK量测中心与全景相机中心仅存在高程上的偏移；同时，记录下GPS RTK量测中心与全景相机中心的高度差H_RC。

当GPS与全景相机放置为水平状态时，假设GPS RTK量测中心坐标为(X,Y,Z)，那么全景相机中心坐标为(X,Y,Z+H_RC)，其中，GPS RTK量测中心坐标和全景相机中心坐标的坐标系是在利用GPS采用RTK技术测量过程中、设置仪器参数时所采用的坐标系，一般为WGS-84坐标系，也可以是自定义的三维空间坐标系。

1.2在待测区域选择两个地面点A、B作为设站点，测量过程中保持设站点位置不变，在其中一设站点架设全景相机，另一设站点架设靶标，并在获得的全景影像上可看到靶标中心；另外应保证全景影像上待测地物点与设站点A、B的交会角在30°～150°范围内。

步骤S2：实时采集数据，即采集全景影像、获取GPS RTK测量中心坐标。

本步骤进一步包括子步骤：

2.1在设站点A架设GPS与全景相机，设站点B架设靶标，靶标正面朝向设站点A，即在全景影像上可看到靶标正面，采用全景相机拍摄获得全景影像数据，并记录此时GPS RTK量测中心坐标(X_A,Y_A,Z_A)。

2.2保持设站点位置不变，在设站点B上架设GPS与全景相机，设站点A上架设靶标， 靶标正面朝向设站点B方向，即在全景影像上可看到靶标正面，采用全景相机拍摄全景影像数据，并记录此时GPS RTK量测中心坐标(X_B,Y_B,Z_B)。

步骤S3：结合靶标中心点进行相对定向。

全景相机拍摄的全景影像数据为360°球面全景影像，由于计算机存储方式为线性方式，因此计算机中图像以矩形形状存储。由于球面本身无法展开为矩形，因此存储球面全景影像必须采用特殊的坐标系。

本步骤进一步包括子步骤：

3.1将在设站点A拍摄的全景影像作为影像量测中的左片，以全景影像上靶标中心点作为定向点，记录左片中定向点的影像坐标(x_l,y_l)，影像坐标即在影像坐标系下坐标，影像坐标系为二维坐标系，定义为：以全景影像左上角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，坐标单位：像素；

3.2将在设站点B拍摄的全景影像作为影像量测中的右片，以全景影像上靶标中心点作为定向点，记录右片中定向点的影像坐标(x_r,y_r)。

步骤S4：在全景影像上对待测地物点进行量测。

对于单位球上任意一点P，其位置均可用两个角度标识，在GPS RTK坐标系下，θ为GPS RTK坐标系原点到P点的连线在XY平面上的投影线与X轴正向间的夹角，在测量实践中又称为水平角；为GPS RTK坐标系原点到P点的连线与Z轴正向间的夹角，在测量实践中又称为天顶距。θ取值范围为[-π,π]，取值范围为[-π/2,π/2]。因此，对于主距为f(单位：像素)的全景影像，其在计算机中的存储格式为2πf×πf的影像。由于在计算机中可以对数字图像随意缩放，因此球面全景影像的存储形式通常是2D×D的图片。对于任意一张全景影像，其对应关系可以理解为球面全景存储影像中的每一行像素对应球面某纬度的圆周。因此，可以建立以全景影像中心为原点、水平向右为θ轴正方向、垂直向上为轴正方向的角度坐标系，坐标单位为弧度，该角度坐标系代表了全景影像中像素点与其所对应的水平角和天顶距之间的关系。

将以全景影像中心为原点的角度坐标系，平移成以点(x,D/2)为原点的角度坐标系，得到图3所示的影像坐标系和角度坐标系的对应关系，x为全景影像上定向点在影像坐标系下的横坐标，D为全景影像垂直分辨率。此时根据影像坐标系和角度坐标系对应关系得到定向点 在新角度坐标系下的角度坐标就对应为经纬仪前方交会测量原理中的水平角和天顶距，见图4，即建立了将原点平移到A点的与GPS RTK坐标系统一的坐标系。

结合待测地物点的影像坐标和步骤S3中测得的定向点影像坐标，获得地物点量测所需的交会角。全景相机中心与待测地物点在水平面上投影的位置关系见图5，圆环为全景影像球体模型在水平面上的投影，当已知全景相机中心坐标及待测地物点所对应的水平角(即全景相机中心与待测地物点连线的交会角)时，就可以进一步计算待测地物点在GPS RTK坐标系下的X、Y坐标值，基于此结合天顶角，就可计算出待测地物点高程值(即GPS RTK坐标系下的Z坐标值)，从而达到地物点量测的目的。

本步骤进一步包括以下子步骤：

4.1在左片和右片上人眼目视判别，分别选择全景影像上同一地物所对应的像点P(该点应分布在交会角为30°～150°区域内)，即待测地物点，记录其在左片上的影像坐标(x₁,y₁)和右片上的影像坐标(x₂,y₂)。

4.2根据定向点影像坐标和待测地物点影像坐标，分别计算待测地物点在左片和右片上对应的角度坐标，角度坐标系定义为：左片中以影像坐标点(x_l,D/2)为原点，右片中以影像坐标点(x_r,D/2)为原点，水平向右为θ轴正方向，垂直向上为轴正方向，具体计算如下式：

${\mathrm{\θ}}_1=[x_1-x_l]*\frac{\mathrm{\π}}{D}---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=[x_2-x_r]*\frac{\mathrm{\π}}{D}---\left(3\right)$

式(1)～(4)中，表示待测地物点P在左片上的角度坐标，θ₁即水平角，即天顶距；表示待测地物点P在右片上的角度坐标，D表示全景影像的垂直分辨率，INT(·)表示对括号内的数值下取整。

4.3根据交会角和全景相机中心坐标，计算待测地物点在GPS RTK坐标系下坐标(X_P,Y_P,Z_P)：

$X_P=\frac{X_A*\cot {\mathrm{\θ}}_2+X_B*\cot {\mathrm{\θ}}_1-(Y_B-Y_A)}{\cot {\mathrm{\θ}}_1+\cot {\mathrm{\θ}}_2}---\left(5\right)$

$Y_P=\frac{Y_A*\cot {\mathrm{\θ}}_2+Y_B*\cot {\mathrm{\θ}}_1-(X_B-X_A)}{\cot {\mathrm{\θ}}_1+\cot {\mathrm{\θ}}_2}---\left(6\right)$

式(5)～(7)中，(X_A,Y_A,Z_A)为GPS RTK量测中心坐标；和分别表示待测地物点在左片和右片上的角度坐标；H_RC为GPS RTK量测中心与全景相机中心的高度差；S_AP、S_BP分别为两个设站点与待测地物点在水平面上投影点间的距离，  $S_{\mathrm{AP}}=\sqrt{{(X_P-X_A)}^2+{(Y_P-Y_A)}^2},S_{\mathrm{BP}}=\sqrt{{(X_P-X_B)}^2+{(Y_P-Y_B)}^2},$ 其中ABP三点在水平面上的投影应按照逆时针排列，若ABP按照顺时针排列，则在相应公式中将X、Y互换位置；

4.4重复步骤4.1～4.3即获得待测区域所有地物点坐标。

本发明量测过程仅涉及GPS RTK采用的三维空间坐标系(简称为“GPS RTK坐标系”)、影像坐标系和角度坐标系，GPS RTK坐标系可以为大地坐标系或自定义坐标系。

Claims (6)

1.基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征是，包括步骤：

步骤1，待测区域选择两地面点A和B作为设站点；

步骤2，固定GPS与全景相机的相对位置不变，进行数据实时采集，本步骤具体为：

2.1在设站点A架设GPS和全景相机，在设站点B架设靶标，靶标正面朝向全景相机；采用全景相机获得全景影像，并获得GPS RTK量测中心坐标；

2.2在设站点B架设GPS和全景相机，在设站点A架设靶标，靶标正面朝向全景相机；采用全景相机获得全景影像，并获得GPS RTK量测中心坐标；

所述的GPS RTK量测中心坐标为GPS RTK所采用坐标系下的坐标；

步骤3，以靶标中心点为定向点，分别以步骤2.1和步骤2.2获得的全景影像为影像量测中的左片和右片，获得左片和右片中定向点在影像坐标系下的影像坐标；

步骤4，结合左片和右片中待测地物点和定向点的影像坐标，基于全景影像球体模型获得待测地物点的水平角和天顶距，即待测地物点与设站点连线的交会角；结合交会角和全景相机中心坐标，基于前方交会测量原理，获得待测地物点在GPS RTK所采用坐标系下坐标；其中，全景相机中心坐标为GPS RTK所采用坐标系下的坐标，根据GPSRTK量测中心坐标获得。

2.如权利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征是：

步骤1中，选择设站点时应保证全景影像上待测地物点与设站点的交会角在30°～150°范围内。

3.如权利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征是：

子步骤2.1和2.2中，架设于设站点的GPS和全景相机，GPS RTK量测中心和全景相机中心位于同一竖直线。

4.如权利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征是：

所述的GPS RTK所采用坐标系下的坐标为大地坐标系或自定义三维空间坐标系。

5.如权利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征是：

步骤4具体为：

4.1获得左片和右边中同一待测地物点的影像坐标；

4.2基于影像坐标系和角度坐标系的对应关系，根据定向点和待测地物点的影像坐标，分别获得同一待测地物点在左片和右片上的角度坐标；

4.3根据待测地物点在左片和右片上的角度坐标获得待测地物点与设站点连线的交会角；根据GPS RTK量测中心坐标获得全景相机中心坐标；根据交会角和全景相机中心坐标，采用前方交会测量原理计算待测地物点在GPS RTK所采用坐标系下的坐标；

所述的影像坐标系定义为：以全景影像左上角为原点、水平向右为x轴正方向、垂直向下为y轴正方向的二维坐标系；影像坐标即影像坐标系下坐标；

所述的角度坐标系定义为：左片中以影像坐标点(x_l,D/2)为原点，右片中以影像坐标点(x_r,D/2))为原点，水平向右为θ轴正方向，垂直向上为轴正方向，x_l、x_r分别为左片和右片中定向点在影像坐标系下的横坐标；角度坐标即角度坐标系下坐标。

6.如权利要求4所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征是：

子步骤4.2获得的待测地物点在左片和右片上的角度坐标和为：

${\mathrm{\θ}}_1=[x_1-x_l]*\frac{\mathrm{\π}}{D}$

${\mathrm{\θ}}_2=[x_2-x_r]*\frac{\mathrm{\π}}{D}$

其中，和分别表示同一待测地物点在左片和右片上的角度坐标，(x₁,y₁)和(x₂,y₂)分别表示同一待测地物点在左片和右片上的影像坐标，(x_l,y_l)和(x_r,y_r)分别表示定向点在左片和右片上的影像坐标，D表示全景影像的垂直分辨率，INT(·)表示对括号内的数值下取整。