CN105358937A - 用于测绘仪器的定位方法和所述测绘仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过以下步骤确定大地测绘仪器(50)的位置数据(2)的方法：将从测绘仪器位置(P)的环境图像(4)的数据提取的参照数据集(22b,35)与由对应类型的数据构成的位置参照数据集(4,13,14,15,22c)进行比较；以及利用与参照数据集(22b,35)具有相对重要水平的匹配的所选择的位置参照数据集(4,13,14,15,22c)的位置参照(5)来确定位置数据(2)。

Description

用于测绘仪器的定位方法和所述测绘仪器

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的大地测绘仪器的位置找寻方法、一种根据权利要求14的前序部分的这样的大地测绘仪器以及这样的计算机程序产品。

为了记录测量环境中的限定点的性质，特别是具有空间参照的数据，自古时起就已知有各种各样的测量方法。在这种情况下，测绘仪器的位置和取向以及与测量点有关的方向、距离和角度被记录作为空间标准数据。这些测绘仪器或大地测量仪的通常已知的示例是经纬仪或全站仪。这些仪器具有允许确定与所选择的目标有关的方向和距离的角度和距离测量功能。在这种情况下，在仪器的内部参照系内确定角度和距离变量对于绝对位置找寻还需要与外部参照系组合，为此测绘仪器在外部参照系中的位置通常用作基准。

在原理上，测量仪器的站坐标可作为自由部署从属于部署环境中已经绝对地参照的点的测量来计算。这些可以是存在于地形中的固定的区别点(例如，教堂尖顶)或者专门为大地测量安装的对象(例如，建筑工地上的目标标记)。为了正确的位置找寻，在这种情况下测量数据均需要明确地与相关参照点关联。用于每一单个点测量的这种参照通常需要至少部分地手动实现，这耗时而且易于发生错误。

因此，EP2142884.B1公开了一种位置找寻方法，其脱离了为测量需要观测的测量数据的点标识和记录的必要组合。为此，在部署测量之后或者在部署测量期间逐步地利用点相对于彼此的相对位置实现所测量的点与其在一个参照点集合中的对应元素的必要关联。该过程可由带自动目标识别功能的测绘仪器以自动化方式执行。此方法的缺点在于周围需要有多个绝对参照的点，并且这些点必须另外能够测量。另外，为了自动化，它们需要设置有测绘仪器可瞄准的标记，例如回射棱镜。另一缺点在于位置找寻相应地需要执行多次大地测量，这通常需要专业知识，并且增加了耗费时间。另外，EP2142884.B1中所公开的位置找寻方法的执行需要预先选择适当的一组参照点，即，在这方面需要地点的某些先验知识。

另选地，测绘仪器的位置可通过安装在测绘仪器上的GNSS接收器利用各个卫星作为参照点来确定。然而，缺点是与通过大地测量的参照相比，分辨率较低，特别是在高度确定方面。另外，该处理被束缚于GNSS信号的接收，而这并不是处处可用的。

因此，本发明的目的是提供一种用于大地测绘仪器的另选的简化的位置找寻方法。

本发明的另一目的是允许可快速执行的完全自动化的位置找寻。

本发明的另一目的是允许在没有针对单独的位置参照(例如，可作为目标的环境标记或GNSS卫星)的特定测量的情况下的位置找寻。

本发明的另一目的是允许在不使用另外的大地测量仪的情况下和/或在没有大地测量并且不使用位置指示信号的情况下的位置找寻。

本发明的另一目的是与大地测量相关的环境点或区段的简化的视觉提供。

本发明的另一目的是提供一种用于这种方法的大地测绘仪器。

本发明通过独立权利要求的特征或者通过从属权利要求的特征来实现这些目的，开发这些方案。

本发明寻求一种新颖方法以便确定大地测绘仪器的位置。根据本发明，对参照位置信息的参照没有使用单独的位置参照环境点(其位置通过接收诸如GNSS信号的位置信号或大地测量来确定)，而是使用允许测绘仪器地点的明确标识的部署环境的特性来建立。为此，在至少一个邻接区域上记录所选择的部署场地的环境的图像，在该处理中具体记录的环境元素(旨在被理解为环境表面的点或区域)以指定的最小密度覆盖所述区域以便获得关于地点环境的对于另外的方法步骤而言程度足够高的信息。图像或者从其提取的数据体(volumeofdata)然后被与存储在例如数据库中的各种各样的环境的图像的数据体进行校勘。寻找内容与所记录图像相同的该图像。所存储的图像或者数据体被位置参照，即，从其获得环境的相应存储图像的相应地点的绝对位置是已知的或者可确定的。位置值也被存储或者是可检索的。如果发现所记录图像和数据库图像之间匹配，则可假设二者基于相同的地点。因此，所存储的图像的地点的位置数据还与所记录图像的还未参照记录地点关联。

根据本发明，因此，通过基于环境的图像从各种各样的地理参照地点标识对应地理参照地点并且采用由于环境视野的一致而被标识为与当前场所相同的对应已知定位场所的位置数据，来至少粗略地确定当前定位场所的坐标。在本发明的上下文内，从场所意义上讲“(记录)地点”表示边界可能流畅的小比例区域，其具有可用于明确地标识它的特征。在本发明的上下文内，“部署”(或“部署场所”和“位置”(或“定位场所”)表示具有明确限定的位置的地点或者小比例区域内的点。换言之，“地点”包括多个或许多部署或定位，即，同一区域内的多个点，其表示这些部署(以及从其记录的图像)具有相同的环境视野。由于对于本领域技术人员而言分别意指的含义在上下文中是清楚的，这些和相似指定在一定程度上按照同义词使用。根据本发明，“一致”或“相同”表示再现环境视野的图像的数据体具有显著程度的匹配，即，特定容限内的匹配。用于确定匹配程度的基准是间隔和相似度度量，例如Minkowski距离、Bhattacharyya距离、Kullback-Leibler距离或者通常包括各种距离度量的距离矩阵等。

根据本发明，因此，记录环境的图像的大地测绘仪器的当前部署场所没有必要与位置参照数据库图像所基于的已知定位场所精确匹配。相反，在本发明的上下文内，在这方面，如果在环境的图像中它们具有显著的匹配程度，则部署场所或定位场所是相同的，即，它们被视为“相同”。当前地点的“标识”因此旨在从地点的“识别”意义上来理解，这不要求大地测绘仪器的当前部署场所和地理参照定位场所精确匹配。相反，地点标识可容许当前部署与地理参照定位场所之间的偏移，只要确保相应环境视野之间的足够程度的匹配即可。因此，根据所确定的容限以及所使用的数据体和数据记录的精度或细度或分辨率，所关联的位置数据或多或少粗略地匹配大地测绘仪器的当前部署的实际(但未知)的位置数据，这意味着根据本发明确定的位置数据通常不精确，而是粗略的位置信息。换言之，根据本发明确定的测绘仪器位置明确地确定大地测绘仪器的地点，但是还未将部署确定为精确位置。

因此，根据本发明的方法用于当前部署的粗略位置找寻。在这种情况下，位置找寻以足够的粗略程度来实现，以便于根据本发明提供的测绘仪器位置能够用于使用另外的方法凭借当前部署的位置数据或者根据本发明确定的标识地点确定实际或精确位置数据(从当前位置的精细确定意义上讲)，其能够被当作用于从数据库检索位置参照信息的基础，所述位置参照信息用于随后的精确位置找寻，即，位置数据的精确确定或者部署的确定。

例如，根据现有技术，当前部署的位置数据可凭借随后执行的环境中的多个(具体地讲，至少三个)绝对参照的目标的大地测量来精确地/精细地确定作为位置参照信息。由于基于根据本发明的方法，标识测绘仪器的地点，可从与该地点关联的数据库检索位于该地点的地理参照大地测量目标，这可以自动化的方式来实现。使用测绘仪器的距离和角度测量功能针对可作为目标的(例如，由于配备有回射器)各种类型的目标的大地测量然后通过已知的大地测量原理(例如，基于EP2142884.B1中所公开的方法)得到更精确的位置找寻。为此，用户的选择可涉及叠加在环境图像上的点。具体地讲，另选地，这种测量可由测绘仪器利用自动瞄准功能按照完全自动化的方式来执行，例如EP10168771.3中所公开的。换言之，根据本发明的方法标识大地测绘仪器的当前地点，这提供粗略位置信息项，它是用于确定在所有情况下满足大地测量精度要求的精细位置的后续方法的基础或前提。

可按照各种方式来生成环境图像。根据本发明，单独的环境元素按照非特定的方式来记录。作为替代，从“全面地”捕获环境的意义上讲记录范围被完整映射，使得覆盖质量达到指定的下限。根据本发明，在这种情况下从选择标准不具体依赖于环境的意义上任意地随机选择环境元素。在这方面，在没有先验知识的情况下生成环境数据。例如，环境元素被目标化以仅达到指定各个测量之间的角度间隔，其生成点图案，而非具体地记录区别环境点(例如教堂尖顶或者方石的拐角)或者设置有特殊标记的环境元素。图像的最大分辨率受到记录手段的技术能力的限制。因此，需要选择记录手段使得环境元素的可实现的覆盖密度以及因此关于环境的信息的密度足以能够凭借本发明的与位置参照图像的校勘足够可靠地标识匹配。具体地讲，通过数字相机的摄影记录或者三维记录(例如，通过激光扫描生成)适合于根据本发明的方法。摄影可以是黑白记录、色深为例如24位的彩色摄影或者仅特定光谱范围上的记录。当使用数字相机时，所记录的环境元素覆盖记录范围的最小密度由图像传感器的像素数来指定，例如对于通常5.76mm×4.29mm的图像传感器区域，其例如介于0.5兆像素和16兆像素之间，特别是介于2兆像素和8兆像素之间。当使用激光扫描仪时，最小密度(例如，对于点间隔)在距地点10m的距离处介于500mm和0.5mm之间，特别是在距地点10m的距离处介于100mm和2mm之间，特别是在距地点10m的距离处介于50mm和5mm之间。因此，需要确定其位置的根据本发明的大地测绘仪器具有至少一个数字相机或者用于生成具有深度信息的环境图像的单元，例如激光扫描仪或RIM相机。例如，在同一申请人在2012年1月30日提交的EP12153163中描述了具有距离和角度测量单元(其具有扫描模块和扫描功能)的大地测绘仪器。还可例如通过半球匹配从具有略微偏移的记录取向的二维相机图像生成3D图像。在这种情况下，图像未必由纹理或表面的记录组成，而是还可专门由相互相关的(具体地讲，几何排列的)距离测量组成。例如，这种距离成像因此提供距离测量的二维排列，因此提供所捕获的视野的一种三维图像。然而，测量还可与纹理捕获图像关联。例如，可针对各个图像点记录亮度和距离，以使得恰好这些亮度值和距离可用于各个图像信息项(其由例如图像点的位置组成)。然而，距离测量还可相对于其它距离测量排列，这意味着还可无需知道记录场所的各个图像点的位置。结果，可无需例如所捕获的视觉范围的完整评价，以使得可利用例如子窗口化或子帧化实现更高的处理速度。

图像可再现环境的不同区域。根据本发明，与使用市售相机的技术能力的单帧记录对应的捕获范围足够了，即，通常大约47°的图像角度。在原理上，根据本发明的方法本身可利用小许多的环境区域来执行。例如，当使用图像角度为12°的数字摄影时在仅在一个至少大致水平的平面上一维全方位(360°)激光扫描的情况下，或者在图像角度为1.5°的记录(例如可通过大地测绘仪器的ATR(自动目标识别)相机生成的)的情况下，可获得这样相对小的环境细节。根据环境、图像类型和图像细节程度，这种小环境细节可足以从其生成允许充分可靠的匹配检测的可校勘数据体。理想情况下，为了增加匹配的鲁棒性，捕获较大的环境区域，例如以限定的垂直张角在至少大致水平的取向上的至少70°，特别是介于90°和270°之间，特别是至少130°的角范围，其绝对值例如在10°至270°的值范围内，特别是介于20°和120°之间，特别是介于40°和90°之间。具体地讲，本发明允许记录部署场所的整个周边，即，如果需要多步，例如针对60°的垂直张角在360°的角范围上记录图像，这生成全景图像。图像还可由多个图像的组合构成，各个图像允许不同的环境区段。例如，在水平方向上偏移90°并且各自具有远小于90°(例如，1.5°)的记录范围的四个记录可被视为一个图像。

存储以合适的方式再现环境并且其相应记录场所同样以足够的精度可用的图像，这可能涉及例如与所记录图像一致的照片或三维记录。流行的图像管理程序和文件格式提供例如将拍摄图像和记录场所(“地理标签”)组合的选项。另选地或另外地，本发明提供诉诸于地理参照数据的可能性，从所述地理参照数据可以某种形式为所记录图像生成环境或数据体的合适的位置参照图像(如果需要，通过分配所计算的靠近地面的虚拟绝对参照记录场所)。例如，除了关于地形水平的地理数据以外，所使用的基准可以是通过测量辐射(例如，激光辐射)远离于地面记录的数字城镇模型或环境图像，例如空中图像，特别是包含关于地形升高或者对象高度的信息的那些。在较小比例测量的情况下，例如，本发明允许数字施工图用作位置参照数据体的基准。因此，从施工图生成并且包括所设置的建筑轮廓的环境图像是合适的，因此对于所记录的单维水平全方位激光扫描是可校勘的。该环境的不同数据源(例如，数字野外原图和空中图像)的组合也可形成图像或公共数据记录。

利用场所参照图像校勘所记录图像根据本发明通过它们所基于的或者从其形成的数据体来实现。为了允许校勘，记录的参照数据体和相应的位置参照数据体必须本质上具有对应类型的数据，例如像素的相应颜色值或者相对亮度值及其在图像中的坐标。此方法步骤可利用整个图像内容的数据体来执行。然而，优选地，按照与基于内容的图像检索(CBIR)方法相似的方式，本发明涉及先利用图像处理执行特征提取以用于先从图像得到特定数据体，然后检查其匹配。这样提取的数据体可以是各个对象或者着重的点或子区域的数据，例如，优势线、全景图像中的地平线、建筑物的拐角或者几何形状(例如弧段或直线)，其通过例如边缘提取或霍夫变换等而确定。如果图像是三维的，则对象或点同样分布于空间中。另选地，它们可被投影到平面上，例如水平面上。该处理涉及使用图像中的位置和/或尺寸、相对于彼此的相对位置、由这些点、线、面或体形成的二维或三维图案等。另外，例如，然后可取所检测的几何图元的邻近关系作为构造图像的拓扑图的基础，其数据体用于校勘。根据本发明，另选地或者另外地，以下特征是合适的：至少在一定程度上具有统计性质的特征，例如颜色或灰度值直方图或者表面法线直方图、亮度梯度、纹理、颜色或小波签名，或者通过诸如颜色边缘共生图或者颜色相关图等的空间颜色概率函数描述的特征。这些可描述整个图像或者仅其子区域。在这种情况下，可通过在整个图像上逐步(例如，逐行)滑动或光栅化的限定大小的窗口(滑动窗口)来选择图像细节。另选地，子区域还可由通过例如算子、Harris-Laplace检测器和/或Harris拐角和边缘检测器提取的独特结构或点的环境来限定。这些子区域(即，基础的局部数据记录)然后可继而用作待生成的数据体的基础。然后可根据本发明通过评价例如相关函数来实现数据体的校勘和匹配的标识。因此，可计算并评价从所记录图像生成的参照数据体与相应的所存储的位置参照数据体的互相关函数。根据本发明，特别是描述符，即，具有描述图像内容或其子区域的各方面(例如，特定结构、纹理或颜色分布的出现)或者基于例如梯度直方图(取向梯度的直方图)或色差的特定数量的数值的向量适合于校勘。描述符可由明确地描述图像内容的不同几何和统计数据的组合构成。然后可针对参照图像之一查找描述符，所述描述符考虑所设定的阈值等同于所记录图像的这种特征向量，并且指示匹配。为了校勘，图像特征、描述符或图像可整体分类，特别是使用特定特征向量。分类可利用例如支持向量机(SVM)来实现。然后可基于类关联来适当地确定匹配。具体地讲，可利用各种方法的组合来实现校勘。

对于所存储的位置参照数据体，即，(在所约定的容差内)与从所记录图像获得的参照数据体相同的图像认为存在匹配。例如，如果利用描述符来实现校勘，则环境的两个图像在其两个特征向量之间的差值低于约定量的情况下被假设为匹配。如果多个图像满足此标准，则可选择具有最高匹配质量的一个图像，或者可仅在该组内利用附加特征进行校勘。

为了增加可靠性，本发明允许为计算结果生成质量指示符。例如，这种质量指示符可表示所记录图像与来自数据库的图像之间的匹配程度或者围绕匹配的不确定性，其结果是可由用户或者如果需要以自动化的方式发起校正措施。因此，在实际校勘之前，所得到的数据体(例如，所计算的点)的不确定性的质量特征可被生成并且如果需要被显示和存储，或者可指示其它信息中的错误。

一旦选择与所记录的环境图像匹配的存储图像，来自其记录场所的位置数据也与当前地点关联，因为先前方法步骤意味着可假设测绘仪器在该地理参照地点处。例如，如果所存储的图像基于数字城镇模型，则代替在实际校勘之前为各个存储图像计算虚构的记录场所，可仅针对所选择的图像计算一个记录场所，这可能节省处理时间。

在根据本发明的位置找寻方法的发展中，可利用与大地测绘仪器的粗略位置相关的先前信息项以另一方式来加速位置找寻，以(特别是以自动化的方式)先从环境的各种各样的地理参照图像进行选择，仅使用参照先验信息项的这些图像来校勘。例如，通过大地测绘仪器的移动无线电接收器来获得粗略位置先验信息项，其用于将其位置缩小至移动无线电接收器所分类于的移动无线电小区的区域。属于与该移动无线电小区或者与该区域关联的数据库的那些环境图像然后用于校勘。

根据本发明的位置找寻方法的优点在其简单的执行。所需准备工作仅仅是设置，以及可能大地测绘仪器的水平取向。除了根据本发明的测绘仪器的以外，即，全站仪、经纬仪或者具有距离和角度测量功能的类似大地测绘仪器，不需要另外的设备。与基于大地测量的方法相比，例如，根据本发明的方法不需要特定技术知识。还可针对各个步骤通过自动程序辅助用户。

具体地讲，根据本发明的方法提供可使用适当的硬件和软件以自动化的方式自动地执行所有步骤的优点，因此提供全自动化的方法。为此，根据本发明的大地测绘仪器配备有例如相机，其具有用于绕水平轴旋转的电机(以自动化的方式控制)以便使用所述相机以及图像记录和图像处理算法来自动地拍摄环境的多个图像并且从其生成环境的360°图像。利用来自数据库的图像校勘记录以及找寻匹配可在没有用户干预的情况下，通过如早前所述的现有技术的适当图像和数据处理算法来执行。具体地讲，根据本发明的方法提供现有技术的大地测绘仪器不需要任何附加硬件的优点，因为相机和控制电机二者均已经存在。因此，在这方面，不产生附加生产成本。相比之下，通过GNSS进行位置找寻的大地测绘仪器需要GNSS接收器，除了在建筑物中或者附近GNSS接收常常不可用以外，这还产生附加生产成本。

在根据本发明的方法的发展中，从位于确定地点的大地测量目标的数据库检索，特别是自动化的检索可用于不仅确定位置，而且确定大地测绘仪器的至少粗略取向，即，确定至少粗略的测绘仪器的内部参照系与绝对参照系的全面组合。从一个或更多个目标的已知绝对位置以及大地测绘仪器相对于至少一个目标的已知取向，可利用本领域技术人员已知的方法确定测绘仪器的绝对取向。

如果其匹配用于确定测绘仪器的位置的位置参照图像的绝对位置参照另外允许确定关于实际或虚拟记录方向的绝对取向数据，则另选地，可基于所存储的环境图像的该实际或虚拟记录方向与所记录的环境图像的已知记录方向的比较来确定大地测绘仪器的绝对取向。为此，例如，位置参照图像的“地理标签”可不仅包含记录场所，而且包含记录方向。另选地，例如，如果基于数字城镇模型来生成位置参照图像，则可向数字城镇模型指派不仅所计算的虚拟记录场所，而且还有所计算的虚拟记录方向。

根据本发明的方法因此可整体上通过带有电动的图像记录装置和适当的控制和评价算法的大地测绘仪器完全自动地进行，这允许简单和快速的执行。因此，根据本发明的方法有利地允许自动且快速地提供至少粗略位置以及可能取向信息项，特别是通过当前地点的标识，其可用作后续精确位置找寻方法的基础。

除了直接记录环境图像(即，例如拍摄或扫描)以外，根据本发明的方法另外提供了方法步骤没有束缚于一个特定装置的优点。就像其余方法步骤一样，例如推导数据体以及利用参照图像(即，从其得到的参照数据体)校勘，从所记录的测量数据生成图像可通过大地测绘仪器以及向其发送测量数据的外部装置(例如，云服务器)来实现。类似地，位置参照数据可被存储在测绘仪器中或者可在另一装置(例如，移动场控制器)中得到。例如，测绘仪器可基于当前地点从测量数据生成数据体，例如可提取几何结构，并且将这些数据发送至另一手持装置(例如，智能电话)，在那里使用存储在其上的算法来基于所存储的或者可在线检索的数据库执行校勘并且标识地点。然后将站坐标传送至测绘仪器。

超出了实际位置找寻，此基于图像的方法的优点在于后续的大地测量处理可由此简化。例如，根据本发明，在确定地点之后，可在环境图像中标记从数据库提供的特殊环境点。例如，这些可以是已经测量的目标。环境图像可以是记录的图像或者来自数据库的匹配图像，或者如果大地测量仪具有适当相机的话，是实时环境图像。然后可将环境图像与目标的组合呈现在例如电子显示器上，这允许用户标识环境中哪些目标已经测量并且具体地测量还未确定的目标。另外，特定对象(例如，建筑物)可被显示在环境图像上，其图像是从数字城镇模型生成的。因此，可确立真正存在的对象在模型中是否还未以数字化形式可用，或者对已经存在的对象的更改是否可用，因此这些与测量相关。

根据本发明的方法特别有利于需要在相当长的时段内测量并且持续改变(其结果是经常增加新的目标)的环境。例如，在新的建筑物出现的建筑工地上就是这种情况。然后使用另一方法一次性约定测绘仪器地点以确定其绝对位置(如果还未得到的话)并且存储该地点环境相应的图像就足够了。对于以后的在相同地点进行的测量，根据本发明的方法提供相应地点以及由于施工活动而最近增加的还未测量的目标的简单标识，这耗费的时间很少。

基于附图中示意性地示出的示例性实施方式仅作为示例来更详细地描述根据本发明的位置找寻方法和根据本发明的大地测绘仪器。具体地，

图1示出根据本发明的大地测绘仪器的示例，

图2a-b示出根据本发明的所记录图像与参照图像之间的校勘和位置的关联的基本标识，

图3a-c示出根据本发明的环境的图像的示例，

图4a-c示出根据本发明的位置参照数据体的示例，

图5a-c示出根据本发明的可校勘的对应数据类型的示例，

图6a-b示出根据本发明的校勘的示例，

图7a-c示出根据本发明的校勘的另一示例，

图8示出根据本发明的用于后续大地测量处理的环境图像的重用的示例，

图9示出根据本发明的使用根据本发明的大地测绘仪器的环境图像的记录的示例。

图1示出根据本发明的全站仪形式的大地测绘仪器50，其具有用于生成环境图像的单元51，用于测量水平角度和垂直角度以及到一定距离处并瞄准的目标对象的距离。

如图1所示，全站仪50可被布置在三角架上，全站仪的基座41直接永久地连接到该三角架。全站仪的主体(称为上部结构42)可相对于基座41绕垂直轴V旋转。在示例中大地测绘仪器的位置P由垂直轴V与地面之间的交点限定。

在这种情况下，上部结构42具有支撑件44(例如，由两根柱形成)、安装在所述柱之间以能够绕水平倾斜轴H旋转的瞄准单元45、以及由控制和评价单元43和显示器形成的电子数据处理和显示模块。另外，上部结构42具有用于生成环境图像的单元51，例如数字相机、扫描模块或RIM相机。控制和评价单元43按照已知方式配置，以控制大地测绘仪器50并且处理、显示和存储测量数据。另外，控制和评价单元43的形式使得它可用于执行根据本发明的位置找寻方法，即，控制和评价单元43被配置为执行根据本发明的位置找寻方法。

瞄准单元45被布置在支撑件44上以能够绕水平倾斜轴H旋转，并且因此可相对于基座41水平地和垂直地转动或倾斜，以朝着目标对象取向。在这种情况下，瞄准单元45被具体实现为具有发射激光束的发射单元46的公共瞄准装置单元，其中，通常至少一个透镜、聚焦光学系统、同轴相机传感器、光学瞄准分划板和目镜被布置在瞄准单元的公共壳体中或公共壳体上。

瞄准单元45可用于瞄准目标对象并且利用由发射单元46发射并被目标对象反射的激光束通过电子传感器来感测从全站仪50到目标对象的距离。另外，提供用于通过电子传感器来感测上部结构42相对于基座41以及瞄准单元45相对于支撑件44的角取向的装置。由电子传感器捕获的这些测量数据被提供给控制和评价单元43并由其处理，以使得该数据处理和显示模块可确定、图形显示并存储目标相对于全站仪50的位置。

图2a-b示出根据本发明的图像校勘的原理和结果位置找寻。在大地测绘仪器的地点P处记录了图2a中的环境图像1，以使得还没有位置数据2与环境图像1组合。现在执行校勘，即，在数据库中在该图像1与多个存储图像或者其具有对应类型的数据的对应数据体4之间寻找匹配3。在该示例中，通过图像1和4全部是拍摄记录的二维全景图像来确保对应。所存储的图像4具有位置确定，因为相应记录地点(例如，P6)的位置数据5也是已知的并被存储。根据本发明，还可凭借作为整体的图像，即，表示图像的整个数据体来提供位置参照，其没有关联的绝对位置，而是如下的数据记录的至少一个元素，即，在该至少一个元素上的所存储的图像是基于从具有明确关联的绝对位置的所述数据记录生成的数据体。该至少一个数据体或数据记录元素可以是与环境图像对应的地点。另选地，它可以是任何其它至少一个元素，只要可从其计算绝对地点坐标。例如，因此，没有通过接近地面的扫描处理生成并且因此不具有与所记录图像1对应的记录地点的3D点云的数据记录可直接具有作为数据体的元素的单点的绝对参照，可凭借点的已知相对排列从所述单点提取接近地面的虚拟记录地点的绝对位置。在该示例中，各个参照图像与当前记录的图像1顺序地比较(由箭头6表示)。然而，根据本发明，校勘没有束缚于数据库图像的排列。

图2b示出凭借发现并选择的与在当前地点7处记录的环境图像1显著匹配的地理参照图像4来标识大地测绘仪器的当前地点。因此，其位置信息项5(在该示例中，P8)被采用作为记录场所位置，因此作为测绘仪器位置8。当对于所记录图像1和参照图像4，用于校勘的标准(例如，各个对象在图像中的相对尺寸和位置)在特定容差值内相同时，获得显著匹配。如果对于多个数据库图像4是这样，则它们当中差异最小的一个被选为匹配，或者根据附加标准在此预选内执行新的校勘。因此，根据本发明，由于仅需要显著程度的匹配，所以在本发明的上下文内，环境的当前图像1与所选择的环境的地理参照图像4(因此，当前部署和环境的地理参照图像4的记录定位)不需要完全没有区别，以便于它们“相同”。在图2a、b所示的示例中，当前部署与地理参照记录点之间存在例如几米或几十米的偏移，当前部署在一定程度上比图2b所示的地理参照记录点更靠近所描绘的对象，因为距图像49或49’的相应下边缘的距离48和48’在环境的相应匹配图像4和5中彼此不同。由于差异微小(即，在容差值内)，所以在这些情况下也利用地理参照记录地点来标识当前地点，并且绝对位置数据P8与当前测绘仪器位置关联。因此，所采用的位置数据P8没有与当前部署的实际位置精确匹配。因此根据本发明粗略地确定当前测绘仪器位置的位置数据。

这种粗略位置找寻并非在每一种应用情况下均足够满足大地测量精度要求(例如，关于后续的大地测量)。然而，根据本发明的粗略位置找寻是一种简单并且可全自动的方式，其为继根据本发明的方法之后利用本领域技术人员已知的方法进行精确位置找寻提供了先决条件。例如，根据本发明标识的地点允许例如道口、建筑工地、地块或者一段延长的道路工程、环境中的地理参照点的容易且明确的地点，例如通过在与标识(识别)的地点(例如，道口)关联的数据库中查找它们。概括而言，所确定的位置数据被当作调用2个位置参照信息项(在该示例中，地理参照环境点)的基础，其可用于精确位置找寻或者测绘仪器位置P的指定，作为部署确定。在该示例中，精确位置找寻然后涉及针对利用大地测绘仪器从当前部署测量的自由部署寻找地理参照点，这可选地自动地和/或以自动化的方式执行。根据本发明的方法因此最终允许从大地测量视点精确地确定当前测绘仪器位置的位置，而无需当前地点或当前部署的任何先验知识。

图3a示出根据本发明的所记录的环境图像的示例。这是全景图像9，其覆盖360°的视觉范围。这种图像可通过将通过大地测绘仪器所具有的数字相机在视野的不同水平方向上记录的多个单照片组合来生成。适当的机动化(特别是用于使相机水平地旋转)以及适当的控制和图像处理程序允许这以自动化的方式进行。在该示例中，示意性地示出了单环境对象10(特别是建筑物)。来自环境图像9的数据(例如，对象10的相对位置和尺寸)是参照数据体的基础，其用于执行后续的图像校勘。例如，所需的参照数据体还可由描述整个图像9或其子区域的数据(例如，颜色直方图)构成。

图3b示出作为根据本发明的环境图像的示例的距离全景图像11。这可通过激光扫描来生成。另选地，可使用RIM相机来记录，或者可从以略微偏移垂直记录的两个全景图像生成三维图像。视觉范围和记录地点对应于图3a的那些。测绘仪器与环境中的对象10之间的不同距离通过不同的亮度值来视觉化。在该示例中，亮度越大表示距离越大。

图3c示出与图3b的示例对应的距离全景图像12，与图3b相比垂直环境细节较小，从而仅表示了对象10的部分。水平方向上的记录范围继续为360°，在垂直方向上现在仅为例如20°。根据环境结构化和校勘方法，这可能足够了。较小的捕获角度意味着与图3b的图像的记录时间相比记录时间较短，并且产生的较小数据体导致较短的处理时间。

图4a示出根据本发明的所存储的地理参照数据体的示例。这是形成全景图像13的数据体，其按照与图2a相同的方式生成并且同样在确定的垂直视觉范围内覆盖完整环境周边。与图4a的所记录图像相比，图像中的对象10的排列不同。由于图像数据至少大体相同，然而，基于对象的校勘将两个图像数据体标识为相同，即，具有高度匹配，并且将所存储的图像13的位置数据与所记录图像关联。不同的排列不指示不同的记录场所，而仅仅指示在相同地点的相应记录的不同的方位角零取向，这对于基于全景图像的位置找寻不重要。可选地，除了位置以外，从地理参照记录场所的已知绝对零取向确定大地测绘仪器的取向。

作为根据本发明的参照图像的另一示例，图4b示出从在数字城镇模型中捕获的信息计算的虚拟全景图像14。对象10是建筑物，其尺寸、形状和排列从所确定的虚拟记录地点的模型数据计算。例如按照在各个情况下彼此相距100米的规则排列，可针对所关注的环境(例如，街道)区域中的许多位置计算这种类型的人工图像14，以使得可校勘的图像可用于可能的适当地点的网络。具有最佳匹配的虚拟图像所基于的位置然后与所记录图像关联，即，被采用作为测绘仪器的地点。如果发现与多个位置参照数据体的特定匹配或者如果在首次粗略位置找寻之后期望更精确的地点确定，则可利用确定的位置区域周围的更精细的虚拟记录场所的网络(例如，在十米的距离处)来重复先前步骤。另选地或者另外地，当对应详细的数字城镇模型可用时，还可通过还包括例如建筑物的正面特征(例如，窗户或门)来增加各个人工图像14(因此，数据体)的细节水平。

图4c示出根据本发明的位置参照数据体的另一示例。这被表示为再现建筑物的轮廓16的位置参照图像15。这种图像可从卫星或空中图像、数字城镇模型、野外原图、施工图等获得或生成。根据本发明，基础还可以是通过激光雷达、光雷达或雷达(光或激光或无线电检测和测距)生成的三维图像。与先前示例相比，从平面图而非从侧视图来示出环境。为了利用从其获得的位置参照数据体来校勘，利用距离信息(例如，以水平面上的基于激光的测量为基础)从环境图像生成的参照数据体因此是合适的。

图5a是可校勘数据类型的第一示例。从所记录图像17生成的参照数据体以及位置参照数据体的对应数据在这种情况下是基于全景图像的优势垂直线的描述符D1a和D1b。为此，首先，通过对其应用Sobel、Prewitt、Laplace算子等来从全景图像生成边缘图像。检查该边缘图像的优势垂直线，如果线具有或超过约定的最小长度，则它被视为优势的。作为第一示例，图5a示意性地示出基于具有小的下限(例如，50像素)的垂直线的描述符D1a。为了例示，示出至少具有该长度的垂直线19a，其结果是它是描述符D1a中的部分19b。这可从前景中房门的左手边缘看出。第二示例是针对更长最小长度(例如，200像素)的相关垂直线的描述符D1b的示意表示。然后假设在特定容差内具有相同的优势线分布的这两个描述符匹配。然后例如，如果利用基于相对长的最小长度的描述符的校勘得到多个可能匹配的数据体，则使用基于更精细的分类的描述符有意义。

图5b示出对应类型的数据的另一示例。在这种情况下，这些数据不涉及整个图像，而是涉及子区域(子窗口)20。这些局部图像20包含确定的特征。在该示例中，这些是表示各个建筑物和风景特征(例如，教堂建筑21)的特殊结构。这些结构可利用例如特征识别算法(关注点检测)来算出。然后针对每一个单结构(例如，教堂建筑21)生成相应描述符D2a-D2d。然后，所有描述符的总和形成用于校勘的数据体，作为描述符记录22a。

图5c是用于执行校勘的对应类型的数据的第三示例。在该示例中，涉及灰度值直方图40。依据相应灰度值绘出具有特定灰度值G的像素数量C。从灰度值深度为4位(这也是为什么仅有16个强度级别)的黑白照片提取直方图40。为了实现关于地点环境的足够高级别的信息，本发明优选更大的灰度值深度，例如在8位至64位的范围，特别是至少16位。基于环境图像和位置参照图像的直方图的相应数据通过总体比较各个灰度值的频率或者灰度值分布来实现校勘。

图6a和图6b示出根据本发明的可校勘数据的示例及其根据本发明的校勘。在图6a中，在第一步骤中从环境图像过滤出独特结构。这些是特定建筑物拐角和边缘，例如教堂尖顶30。因此可在图像中定位独特结构。在该示例中，所述结构的环境再次限定相应确定的图像细节31a、31b，其被当作用于计算相应描述符的基础。对于所记录的环境图像9，所获得的参照数据体是包括描述符D3a-D3e的第一描述符记录22b。对于可作为位置参照图像32呈现的所存储的位置参照数据体，在该示例中获得包括描述符D4a-D4e的第二描述符记录22c。

图6b示出通过参照数据体与所存储的各个数据体的比较的后续校勘。代替总体地校勘数据体，另选地，本发明允许数据体被视为子数据体的收集，各个子数据体由各个描述符的数据构成，子数据体要彼此比较。例如，因此将数据记录22b的描述符D3a与地理参照图像的数据记录22c的所有描述符比较，即，寻找3所记录的图像的各个局部结构的等同物。代替“直接”数据比较，还可凭借数据体的分类来实现校勘。为此，例如，各个描述符可被归为类(例如，类“教堂尖塔尖顶”)，或者所描绘的各个对象(“教堂尖塔”)或者多个对象或整个图像(“房屋”)例如基于多个描述符来分类。这种方法可基于例如“特征包”方法凭借分类来实现。

在该示例中，描述符例如通过SURF或SIFT算法凭借计算被设计为在尺寸方面不变，这也是为什么尽管缩放比例不同，也寻找匹配。因此，在所记录的图像9中，教堂尖塔尖顶30比在所存储的图像32中看起来更大。然而，对应比例不变描述符D3a和D4e被标识为相同7。

图7a至图7c示出根据本发明的可校勘数据的另一示例及其根据本发明的校勘。所使用的基础是环境的三维图像，例如距离图像。

在图7a中，通过图像处理从对应3D点云过滤出与建筑物轮廓面向测绘仪器的部分对应的那些点33。如果需要，还可从凭借向地面上的点投影而呈现的数据生成相关点。

图7b示出在下一步骤中一起形成根据本发明的参照数据体35的几何结构(在该示例中，区段或线34)如何拟合关联的点。在其它点集的情况下，可生成区别点或几何形状(例如，圆弧或其它曲线或其组合)。根据本发明的这种参照数据体35优选适合于利用位置参照数据体15校勘，其将建筑物轮廓16表示成对应类型的数据。根据本发明，这种数据体15可从基于地理地形布局或模型(例如，数字城镇模型、施工图、野外原图)的环境图像生成，或者从生成自远离地面记录的数据(例如，数字或数字化空中或卫星图像)的环境图像生成，其可在互联网等上得到(也参见图4c)。

现在利用包括过滤的点33的参照数据体或者如图7c所示从其所拟合的几何形状34来校勘3包括属于建筑物轮廓的数据的地理参照数据体。例如，校勘3是迭代优化，其中如果可实现最小所需强度质量，则存在显著程度的匹配。对于根据本发明的方法，在这种情况下例如ICP(迭代最近点)算法是合适的。

图8示出根据本发明的环境图像进一步用于后续选择需要经历大地测量的环境点的示例。在标识出测绘仪器的地点(即，其绝对位置已知)之后，从数据库过滤出绝对位置已经知道的环境点。例如，该数据库可从相同环境下的先前大地测量创建。根据本发明，在环境图像中标记这些点。在该示例中，点38被叠加在环境图像1上，这还可能是匹配的存储图像。如果根据本发明的大地测绘仪器具有相机，则所述点还可被叠加在环境的实时图像上。凭借电子显示器上的显示，用户现在可标识与大地测量相关的哪些地形点还未确定位置。在该示例中，这些是前景中的房屋上的独特点39。这提供了一种简单的方式来快速地标识哪些目标可用于当前测量任务。例如，如果在地点处先前没有完成测量任务，则该方法是有利的。然后可根据本发明简单且快速地继续该任务。

图9示出根据本发明的利用根据本发明的具有距离和角度测量功能的大地测绘仪器(例如，全站仪或经纬仪)获取环境图像的方法步骤的示例。为此，具有用于生成环境图像的单元51的大地测绘仪器50以合适的方式定位。另外，可执行水平取向。这不是根据本发明的方法的必要先决条件，然而，在原理上，通常通过简单的架设获得的粗略水平取向就足够了，尽管更精确的水平取向对于一些可能的校勘方法而言有用。这可通过测绘仪器50的倾斜传感器和电动调节装置或者图像生成单元51来实现，而无需用户干预。接下来，根据本发明记录环境图像。在该示例中，图像生成单元51被具体实现为激光扫描仪，其利用机动化以自动化的方式执行水平方向53上的360°扫描，并且限定例如40°的垂直捕获角范围54。在这种情况下，感测环境元素55(在该示例中，在环境区域(例如，屋墙或地面区域)中的对象表面上的点)相对于测绘仪器50的距离和方向。从测量数据，仪器内的评价单元生成可作为距离全景图像(即，作为具有深度信息的全景图像)呈现的3D点云，所述图像可在根据本发明的测绘仪器50的显示器上被显示给用户。另选地，测量数据处理和显示也可在测绘仪器50与其有通信链路的外部装置(例如，膝上型计算机)上进行。

Claims (17)

1.一种用于通过以下步骤确定大地测绘仪器(50)的位置数据(2)的方法：

·记录待确定的测绘仪器位置(P)的环境的至少一个邻接区域的环境图像(1,9,11,12)，

·从位置参照数据记录提供各种各样存储的位置参照数据体(4,13,14,15,22c)，

·通过图像处理提取由一个环境图像(1,9,11,12)的读取或推导数据构成的参照数据体(22b,35)，其中，各个位置参照数据体(4,13,14,15,22c)和所述参照数据体(22b,35)具有对应类型的数据(D1a,D1b,D2a-D2d,D3a-D3e,D4a-D4e,40)，

·在标识参照数据体(22b,35)与相应的各个位置参照数据体(4,13,14,15,22c)之间的匹配的情况下，利用所提供的位置参照数据体(4,13,14,15,22c)校勘(3)所述参照数据体(22b,35)，

·选择(7)与所述参照数据体(22b,35)具有相对显著的匹配程度的位置参照数据体(4,13,14,15,22c)，

·基于所选择的位置参照数据体(4,13,14,15,22c)的位置参照(5)来确定(8)所述测绘仪器位置(P)的位置数据(2)。

2.根据权利要求1所述的位置找寻方法，

其特征在于

·所确定的位置数据(2)表示作为所标识的记录地点的粗略位置信息项，

·所确定的粗略位置数据(2)被当作用于针对环境中的记录地点检索存储在数据库中的位置参照信息的基础，所述位置参照信息用于位置数据(2)的细化确定，特别是其中，在确定位置数据(2)之后从与所确定的位置数据(2)或所标识的记录地点关联的数据库自动地检索基于环境中的多个，特别是至少三个，大地测量参照点(作为位置参照信息)的细化确定，并且

·所述位置数据(2)的所述细化确定基于所述位置参照信息，特别是以自动化方式来实现，特别是其中，所述位置参照信息是通过所述大地测绘仪器大地测量的在环境中的大地测量参照点，并且从该大地测量参照点确定部署。

3.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

环境图像的记录通过拍摄或者激光扫描来实现，特别是其中，在该处理中记录的环境元素(55)以指定的最小密度覆盖环境的所述至少一个邻接区域。

4.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

通过利用以下项的数字位置参照数据记录的整体或一部分或者从以下项的数字位置参照数据记录的所生成的数据的整体或一部分来提供位置参照数据体(4,13,14,15,22c)：

·接近地面记录的，特别是通过拍摄或激光扫描生成的环境图像，

·地理地形图或模型的，特别是野外原图、施工图或数字城镇模型，或者

·从远离地面记录的数据生成的环境图像，特别是专门通过光、激光或无线电检测和测距生成的特别是三维、空中或卫星图像，

特别是其中，数字数据记录用于针对从数据记录生成的环境图像生成多个位置参照数据体(4,13,14,15,22c)，所述多个位置参照数据体(4,13,14,15,22c)中的每一个均是针对接近地面的不同虚拟记录地点获得的，

特别是其中，接近地面，特别是彼此相隔规则的距离的所述虚拟记录地点位于特定地形区域内。

5.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

位置参照数据体(4,13,14,15,22c)基于基础位置参照数据记录的至少一个位置参照凭借具有明确关联的绝对位置或者能够被明确地指派绝对位置的至少一个，特别是所有的数据体元素或者整个数据体元素来位置参照。

6.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

对应类型的数据(D1a,D1b,D2a-D2d,D3a-D3e,D4a-D4e,40)是描述整个环境图像(1,9,11,12)或者数字数据记录或者至少一个子区域(20,31a,31b)和/或相应整个环境图像(1,9,11,12)或者相应整个数字记录的方面或性质的数据，特别是

·所捕获或计算的点或结构，特别是几何图元的数据，特别是相对位置数据，

·统计型数据，特别是签名、直方图、专门的颜色或灰度值直方图或者来自表面法线的直方图、梯度或函数、亮度梯度或概率函数，

·描述符，特别是平移不变、旋转不变、照明不变和/或比例不变、几何、基于颜色和/或基于强度和/或统计描述符，例如梯度方向直方图(HoG)、局部二值模式(LBP)直方图和结构张量，

特别是其中，子区域(20,31a,31b)被定义为独特结构或点的周围，或者通过图像分辨率，特别是通过滑动窗口处理来确定。

7.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

校勘(3)通过分类，特别是利用支持向量机(SVM)，至少一个距离测量的形成或者相关函数来进行。

8.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

所述测绘仪器位置(P)的确定(8)采用与所选择的位置参照数据体(4,13,14,15,22c)关联的实际或计算的记录地点的绝对位置数据。

9.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

至少粗略的测绘仪器取向的确定基于所选择的位置参照数据体的参照取向数据，特别是通过所记录的环境图像与所选择的位置参照数据体的记录方向的比较来实现。

10.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

所述记录参照特别是绝对水平的记录方向，利用至少1.5°，特别是至少45°，特别是至少大约360°的角度来实现，特别是，所述大约360°的角度意味着所生成的环境图像(1,9,11,12)是全景图像、360°3D扫描或者距离全景图像。

11.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

针对至少一个计算结果，特别是针对匹配程度生成至少一个质量指示符，所述质量指示符被显示给用户，特别是在电子显示器上。

12.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

特别是通过确定包含所述大地测绘仪器的移动无线电小区来确定测绘仪器位置提前信息项，并且基于所述测绘仪器位置提前信息项而选择位置参照数据记录。

13.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

在记录之后传送环境图像(1,9,11,12)的数据，并且在测绘仪器外部执行另外的方法步骤，特别是在智能电话上或者通过云服务。

14.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

在环境图像中针对测绘仪器位置标记从与所确定的位置关联的数据库自动地确定的区别点(38,39)和/或对象，特别是环境中已经测绘的目标和/或目标对象，特别是将所述点(38,39)和/或对象和环境图像在电子显示器上的视觉化。

15.根据前述任一权利要求所述的位置找寻方法，

其特征在于

各个，特别是所有方法步骤的自动化的，特别是还自动的执行。

16.一种大地测绘仪器(50)，该大地测绘仪器具有：

·上部结构(42)，该上部结构被布置在基座(41)上并且能够绕旋转轴旋转，

·瞄准单元(45)，其中，所述瞄准单元(45)具有限定光学瞄准轴的用于发射激光束的至少一个发射单元(46)以及用于测量距对象的距离的距离测量功能，

·角测量功能，用于由所述上部结构(42)关于所述基座(41)的相对旋转位置限定的至少一个旋转角的高精度捕获，以及

·控制和评价单元(43),

·用于生成环境图像(51)的单元，特别是数字相机、RIM相机或扫描模块，

其特征在于

·所述控制和评价单元(43)被设计为使得它能够用于执行根据权利要求1至15中的任一项所述的方法。

17.一种存储在机器可读存储介质上的计算机程序产品或者通过电磁波具体实现的计算机数据信号，该计算机程序产品或该计算机数据信号具有程序代码，所述程序代码适合于取得大地测绘仪器(50)所记录的环境图像并且使用根据权利要求1至15中的一项所述的方法来确定所述测绘仪器(50)的绝对位置数据(2)。