CN106123863B - 一种基于双全景的摄影测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双全景的摄影测量方法，所述摄影测量方法包括：步骤一：使用两个全景相机获取固定基线的全景图像立体像对；步骤二：通过GPS、IMU获得全景图像的拍摄位置、姿态角；步骤三：获取全景图像中同名像点的像点坐标；步骤四：根据所述共线方程获得物点的坐标改正值；步骤五：根据所述物点的初值坐标与坐标改正值确定所述物点的坐标。本发明基于双全景的摄影测量方法通过两个全景相机获取全景图及全景图中一对同名像点坐标就能准确确定全景图像中物点的像素坐标，操作方便、快捷，准确度高，可有效提高测量的工作效率，降低成本。

Description

一种基于双全景的摄影测量方法

技术领域

本发明涉及摄影测量的技术领域，特别是涉及一种基于双全景的摄影测量方法。

背景技术

目前，在地里国情普查、地质灾害监测、交通管理等方面，一般使用传统测绘作业。但是传统测绘大部分为户外作业，人工成本高、作业周期长，工作效率低，无法满足大部分的测量需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双全景的摄影测量方法，可提高测量的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于双全景的摄影测量方法，所述摄影测量方法包括：

步骤一：使用两个全景相机获取固定基线的全景图像立体像对；

步骤二：通过GPS、IMU获得全景图像的拍摄位置、姿态角；

步骤三：获取全景图像中同名像点的像素坐标；

步骤四：根据共线方程确定物点的坐标改正值；

步骤五：根据所述物点的初值坐标与坐标改正值确定所述物点的坐标。

可选的，在步骤二中，所述姿态角包括：航向角k、翻转角ω及俯仰角

可选的，在步骤四中，所述物点的坐标改正值的确定方法包括：

设定所述物点的坐标为(x,y,z)，根据以下公式确定所述物点的全景共线方程：

其中，α表示物点与z轴的夹角，θ表示物点在xoy平面上的投影点与y轴的夹角，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃是旋转矩阵元素，(x_s,y_s,z_s)表示拍摄位置坐标。

将所述全景共线方程进行泰勒公式展开，提取一次项值，得到残差矩阵V，其中：

其中(α₀,θ₀)为所述物点初值对应的像素坐标，以角度表示；

将所述全景共线方程对(x,y,z)分别求一阶导数，得到系数矩阵A，其中：

其中，r、u及t均为过程参量，

根据以下公式确定物点的坐标改正值X＝[dx,dy,dz]：

X＝(A^TA)^-1A^TL；

判断所述物点的坐标改正值是否小于设定值，如果大于，则再次计算物点的坐标改正值，直至当前物点的坐标改正值小于设定值。

可选的，在步骤五中，所述物点的坐标的确定方法包括：

将步骤四中重复计算的坐标改正值叠加到物点的初值坐标中。

可选的，根据以下公式确定所述物点的初值坐标：

其中，(x₀,y₀,z₀)为所述物点的初值坐标，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃是旋转矩阵元素；

可选的，所述物点的初值坐标的确定方法包括：

设相邻两幅图像外方位元素分别为(

ω₁,

k₁)、(

ω₂,

k₂)，同名像点的像空间坐标表示分别为(u₁,v₁,w₁)、(u₂,v₂,w₂)；

则物点坐标的初值的解为：

其中，(x₀,y₀,z₀)为所述物点的初值坐标，

r₁＝a₁₁*u₁+a₁₂*v₁+a₁₃*w₁

r₂＝b₁₁*u₁+b₁₂*v₁+b₁₃*w₁

r₃＝c₁₁*u₁+c₁₂*v₁+c₁₃*w₁，

r₄＝a₂₁*u₂+a₂₂*v₂+a₂₃*w₂

r₅＝b₂₁*u₂+b₂₂*v₂+b₂₃*w₂

其中，a11,a12,a13,b11,b12,b13,c11,c12,c13是第一幅全景图像姿态角的旋转矩阵，a21,a22,a23,b21,b22,b23,c21,c22,c23是第二幅全景图像姿态角的旋转矩阵。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明基于双全景的摄影测量方法通过至少两个全景相机获取全景图及全景图中至少一对同名像点坐标就能准确确定全景图中物点的角度坐标，操作方便、快捷，准确度高，可有效提高测量的工作效率，降低成本。

本发明的另一目的是提供一种基于双全景的摄影测量方法，可提高测量的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于双全景的摄影测量方法，所述摄影测量方法包括：

在两个全景图S1和S2中，任意选取P、Q点，并在全景图S1中确定中对应的像点p_l,q_l，并确定在全景图S2中对应的同名像点p_r,q_r，其中，全景图S1的中心点为O_l、全景图S2的中心点为O_r，p_l的坐标为(u_p,v_p,w_p)，q_l的坐标为(u_q,v_q,w_q)；

根据以下公式及基线O_lO_r长度l确定O_lP及O_lQ的长度：

其中，α为∠PO_lO_r，β为∠PO_rO_l，ψ为∠QO_rO_l，ω为∠QO_lO_r；

根据以下公式计算∠QO_lP的角度θ：

根据O_lP及Q_lQ的长度计算PQ的长度：

可选的，所述摄影测量方法还包括：根据各边长的长度，确定各点组成的多边形的面积。

针对现有技术，本发明基于双全景的摄影测量方法与上述基于双全景的摄影测量方法的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于双全景的摄影测量方法的流程图；

图2为双全景图像的同名点对应图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于双全景的摄影测量方法，通过至少两个全景相机获取全景图及全景图中至少一对同名像点坐标就能准确确定全景图中物点的角度坐标，操作方便、快捷，准确度高，可有效提高测量的工作效率，降低成本。

同名点：地面上同一个点在不同影像上成的像点。

前方交会：已知一个立体像对的内方位、外方位参数，通过一对同名点，解算出地面点的坐标。

基线：一个立体像对中，两个图像拍摄点的连线。

IMU(Inertial measurement unit，惯性导航装置)：用来获取载体坐标系与地理坐标系之间的姿态角。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明基于双全景的摄影测量方法包括：

步骤100：使用两个全景相机获取固定基线的全景图像立体像对；

步骤200：通过GPS、IMU获得全景图像的拍摄位置、姿态角；

步骤300：获取全景图像中同名像点的像素坐标；

步骤400：根据共线方程确定物点的坐标改正值；

步骤500：根据所述物点的初值坐标与坐标改正值确定所述物点的坐标。

在步骤400中，所述物点的坐标改正值的确定方法包括：

步骤410：将所述全景共线方程进行泰勒公式展开，提取一次项值，得到残差矩阵V，其中：

其中(α₀,θ₀)为所述物点初值对应的像素坐标，以角度表示。

步骤420：将所述全景共线方程对(x,y,z)分别求一阶导数，得到系数矩阵A，其中：

其中，r、u及t均为过程参量，

其中，(x_s,y_s,z_s)表示拍摄位置坐标。

步骤430：根据以下公式确定物点的坐标改正值X＝[dx,dy,dz]：

X＝(A^TA)^-1A^TL。

步骤440：判断所述物点的坐标改正值是否小于设定值，如果大于，则再次计算物点的坐标改正值，直至当前物点的坐标改正值小于设定值。

具体地，根据V＝AX-L，系数矩阵V＝[v_θ v_α]^T、

及L＝[(θ-θ₀)α-α₀]^T、法方程A^TPAX＝A^TPL计算矩阵X。

其中，P为像点观测值权阵，由于所有像点可认为是等精度观测，所以P为单位阵。通过最小二乘则可解算出已知初值(x₀,y₀,z₀)的坐标改正值(dx,dy,dz)，得到X＝(A^TA)^{- 1}A^TL

由此可得物点坐标为：

[x y z]＝[x₀ y₀ z₀]+[dx dy dz]

法方程的解是一个迭代计算过程，通过对坐标改正值(dx,dy,dz)与设定值进行比较，如果小于设定值时，可认为计算达到精度要求，终止循环迭代，一般迭代次数3到5次。

在步骤500中，所述物点的坐标的确定方法包括：

将步骤400中重复计算的坐标改正值叠加到物点的初值坐标中。

进一步地，在初值坐标位置时，本发明基于双全景的摄影测量方法还提供以下方法确定初值坐标(x₀,y₀,z₀)。

可根据以下公式确定所述物点的初值坐标：

其中，(x₀,y₀,z₀)为所述物点的初值坐标，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃是旋转矩阵元素。

或者，所述物点的初值坐标的确定方法包括：

设相邻两幅图像外方位元素分别为(

ω₁,

k₁)、(

ω₂,

k₂)，同名像点的像空间坐标表示分别为(u₁,v₁,w₁)、(u₂,v₂,w₂)；

则物点坐标的初值的解为：

其中，(x₀,y₀,z₀)为所述物点的初值坐标，

r₁＝a₁₁*u₁+a₁₂*v₁+a₁₃*w₁

r₂＝b₁₁*u₁+b₁₂*v₁+b₁₃*w₁

r₃＝c₁₁*u₁+c₁₂*v₁+c₁₃*w₁

r₄＝a₂₁*u₂+a₂₂*v₂+a₂₃*w₂

r₅＝b₂₁*u₂+b₂₂*v₂+b₂₃*w₂

其中，a₁₁,a₁₂,a₁₃,b₁₁,b₁₂,b₁₃,c₁₁,c₁₂,c₁₃是第一幅全景图像姿态角的旋转矩阵，a₂₁,a₂₂,a₂₃,b₂₁,b₂₂,b₂₃,c₂₁,c₂₂,c₂₃是第二幅全景图像姿态角的旋转矩阵。

在没有GPS、IMU提供位置姿态的情况下，由于已知基线的实际长度，可通过空间几何关系解算，以实现测线和测面的功能。

如图2所示，本发明基于双全景的摄影测量方法包括：

在两个全景图S1和S2中，任意选取P、Q点，并在全景图S1确定对应的像点p_l,q_l，并确定在全景图S2中对应的同名像点p_r,q_r，其中，全景图S1的中心点为O_l、全景图S2的中心点为O_r，p_l的坐标为(u_p,v_p,w_p)，q_l的坐标为(u_q,v_q,w_q)。

根据以下公式及基线Q_lQ_r长度l确定Q_lP及Q_lQ的长度：

其中，α为∠PO_lO_r，β为∠PO_rO_l，ψ为∠QO_rO_l，ω为∠QO_lO_r。

根据以下公式计算∠QO_lP的角度θ：

根据O_lP及O_lQ的长度计算PQ的长度：

进一步地，本发明基于双全景的摄影测量方法还包括根据各边长的长度，确定各点组成的多边形的面积。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于双全景的摄影测量方法，其特征在于，所述摄影测量方法包括：

步骤一：使用两个全景相机获取固定基线的全景图像立体像对；

步骤二：通过GPS和IMU获得全景图像的拍摄位置和姿态角；

步骤三：获取全景图像中同名像点的像素坐标；

步骤四：根据共线方程获得物点的坐标改正值；

步骤五：根据所述物点的初值坐标与坐标改正值确定所述物点的坐标；

所述姿态角包括：航向角k、翻转角ω及俯仰角

在步骤四中，所述物点的坐标改正值的确定方法包括：

设定所述物点的坐标为(x,y,z)，根据以下公式确定所述物点的全景共线方程：

其中，α表示物点与z轴的夹角，θ表示物点在xoy平面上的投影点与y轴的夹角，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃是旋转矩阵元素，(x_s,y_s,z_s)表示拍摄位置坐标；

将所述全景共线方程进行泰勒公式展开，提取一次项值，得到残差矩阵V，其中：

V＝[v_θ v_α]^T

其中(α₀,θ₀)为所述物点初值对应的像素坐标，以角度表示；

将所述全景共线方程对(x,y,z)分别求一阶导数，得到系数矩阵A，其中：

其中，r、u及t均为过程参量，

根据以下公式确定物点的坐标改正值X＝[dx,dy,dz]：

X＝(A^TA)^-1A^TL；

其中，L＝[(θ-θ₀)α-α₀]^T；

判断所述物点的坐标改正值是否小于设定值，如果大于，则再次计算物点的坐标改正值，直至当前物点的坐标改正值小于设定值；

所述物点的坐标的确定方法包括：

将步骤四中重复计算的坐标改正值叠加到物点的初值坐标中；

根据以下公式确定所述物点的初值坐标：

其中，(x₀,y₀,z₀)为所述物点的初值坐标，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃是旋转矩阵元素；

所述物点的初值坐标的确定方法还包括：

设相邻两幅图像外方位元素分别为

同名像点的像空间坐标表示分别为(u₁,v₁,w₁)、(u₂,v₂,w₂)；

则物点坐标的初值的解为：

其中，(x₀,y₀,z₀)为所述物点的初值坐标，

其中，a₁₁,a₁₂,a₁₃,b_11,b₁₂,b₁₃,c₁₁,c_12,c₁₃是第一幅全景图像姿态角的旋转矩阵，a₂₁,a₂₂,a₂₃,b₂₁,b₂₂,b₂₃,c₂₁,c₂₂,c₂₃是第二幅全景图像姿态角的旋转矩阵。

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