CN109668548A - 一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法。采用地面连续单片摄影的方式，配合已知高度的激光平面选取特征点，利用光束法平差原理，对地面连续单片摄影进行平差计算，通过已知控制点联合解算，求得目标点绝对物方坐标值。发明从仪器设备分类、摄影测量方式、测量注意事项以及整体全套的地面连续单片摄影平差方法进行了详细介绍，凸显了地面摄影测量的测量优势，为地面摄影测量提供了一种新的思路和借鉴。

Description

一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法

一、技术领域

本发明涉及一种地面摄影测量解算的方法，特别是一种地面连续单片摄影配合激光平面 光束法平差方法。

二、技术背景

随着现代化测绘技术的不断发展，非接触式的摄影测量方式越来越被大家认可。而作为 大区域航空遥感(RS)摄影测量和无人机(UAV)摄影测量的有力补充，地面摄影测量以其 灵活性和易操作性逐渐被应用在了各类建筑工程测量、城市区划设计、地质、采矿、冶金、 航空航天技术、工业机械制造、化工、医学、古建筑与古文物摄影测量、考古乃至音乐器材、 艺术作品研究等等社会经济发展和国民经济建设的各个部门、各个领域。

现实测量中，针对那些不便于无人机摄影测量地区、室内测量区域、地下测量区域、矿 井管线位置等等，简便灵活易于操作的地面摄影测量显示出了其独有的测量优越性。除此之 外，地面单片摄影测量的解算也一直是摄影测量的难题。为了改善和提高地面摄影测量的思 路和水平，本研究借助激光扫平仪(LP)发射的特殊平面，提供了一种连续单片摄影配合激 光平面的地面摄影测量方式及其光束法平差方法。

三、发明内容

为了克服传统地面单片摄影测量方式以及解算方法的局限性，本发明的目的是提供一种 地面连续单片摄影配合激光平面的地面摄影测量方式及其光束法平差方法。

主要发明内容：

地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法的主要思路是：采用地面连续单片摄影 的方式，配合已知高度的激光平面选取特征点，利用光束法平差原理，对地面连续单片摄影 进行平差计算，通过已知控制点联合解算，求得目标点绝对物方坐标值。

摄影测量仪器装备分为(1)手机+CCD+激光扫平仪、(2)手机+EDM+激光扫平仪、(3)GNSS RTK+CCD+激光扫平仪三种模式，根据不同测量条件进行选择。

摄影站点单站采用极坐标法定点摄影测量方式，整体测量区域采用仿航空基线法摄影测 量方式，若是摄影前进方向有遮挡，可灵活支站避开遮挡物，然后重新返回原摄影方向继续 前进，直至完成整个摄影区域的连续摄影。

测量需要注意的规定：(1)明确摄影相机的水平视场角α和垂直视场角β，单站摄影像 片数要根据摄影相机的水平视场角α确定，要求相邻摄影像片之间有2～3度重叠，一般摄影 相机单站摄影6～8张为宜；(2)明确摄影相机的焦距f，单站摄影纵深距离不能太近也不能 过远，一般摄影纵深距离取Y＝(3500～7000)f，测图比例尺可满足1:500或1:1000；(3)摄 影测量前，要已知激光扫平仪的距地高度h；(4)摄影时，要保证解算的正确性，要求倾斜 摄影，使纵深远处与地面要有交点，避免水平正直摄影方式；(5)进行区域摄影时，要是有 P₁、P₂、P₃、P₄四个已知控制点，最终测量结果可通过有约束条件的网平差，换算到已知坐标 系中；要是没有已知控制点，则最终测量结果为自由网平差结果；(6)通过地面摄影获取的 区域点云数据，可借助南方CASS成图软件做进一步处理展示，表达为DEM、DOM、DLG、DRG数字产品。

分别进行单站站点平差、相邻站点间平差、区域网整体自由网平差以及绝对坐标换算等， 实现地面连续单片摄影测量的光束法平差。

本项发明与现有方法相比具有以下优点：

(1)改变传统测绘的“点测量”模式，实现测量方式“由点到面”的转换；

(2)设站自由，方便灵活，可满足小区域、大区域以及某些特殊情况下的快速测量；

(3)通过局部与整体光束法平差，实现高精度目标点测量；

(4)外业操作简便，内业数据处理方案完备，保证测量作业的一体化流程。

四、附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1——单站极坐标法测量，其中，S1、S2分别表示相邻两站点，数字表示单站摄影像 片数；

图2——仿航空基线法测量，其中，P₁、P₂、P₃、P₄表示已知控制点。

五、具体实施方式：

地面连续单片摄影配合激光平面测定目标区域的方式是对传统地面摄影测量的改进和创 新，是对航空遥感摄影测量的有力补充，在测量理论和实践上都有了很大的创新，提供了一 种新的调查思路和模式，具体是：

1)如图1所示，在站点S₁按照确定的摄影像片数进行顺时针全景摄影，摄影6张像片， 从起始站S₁的第一张像片开始，以手机直接测定的角量元素作为角量初始值； 线量元素(X,Y,H)若由RTK测得则视为线量真值，若由手机测得(B,L,H)，则需现将(B,L,H)转换为(X,Y,H)，并将之作为初始值；

2)已知激光平面距地高度为h，在相邻像片重叠区域选择激光平面交点的6个同名特征 点，这6个特征点的特性是等高，Z_i＝h，i取值为1,2,3,4,5,6，利用数学模型①其中，(X_i,Y_i,Z_i)表示像点对应的物方坐标，(u_i,v_i)表示像点对应的像方坐标，f表示摄影 相机的焦距，配合6个同名特征点的像方坐标(u_i,v_i)，解算出6个特征点对应的相对物方坐 标值(X_i,Y_i,h)；

3)对第一张像片，有数学模型②对第二张像片，有数学模型 ③其中，(X_S1,Y_S1,Z_S1)表示S₁站点的初始线量元素，RTK测定的视 为真值，等同于前边提到的(X,Y,H)，R₀₁、R₀₂分别表示由两张像片外方位角量元素初值确定的旋转矩阵，由相邻像片分别求得两组对应的物方坐标值(X'_i,Y'_i,Z'_i)、(X”_i,Y”_i,Z”_i)；

4)利用6个同名点，分别根据求得的两组物方坐标值(X'_i,Y'_i,Z'_i)、(X”_i,Y”_i,Z”_i)，经过 坐标旋转、平移，建立数学模型④其中，R_i是由三个角量元素的微小旋转差 值决定的旋转矩阵，

5)利用数学模型④，配合6个同名特征点，可确定三个角量元素的微小差值由此可完成三个角量元素的一次平差过程，角量元素一次平差值分别为：

6)完成站点S₁上相邻两像片平差之后，同理可依次完成站点2、3、4、…、n之间的平差；

7)对站点S₁相邻站点S₂的平差，在站点S₂上仿照站点S₁进行顺时针全景摄影，获取6 张摄影像片，上一站摄影时要记录下一摄影站点的方向角，下一站点的起始摄影方向为上一 摄影站点，站点S₂上摄影第一张像片的初始κ角以站点S₁的第一张像片κ角为基础，转化到 与站点S₁的第一张像片转角系统一致，如图2所示，进行测量区域的仿航空基线法测量，然 后从第一张像片开始，进行两两像片平差，平差方法参照站点S₁的平差方法；

8)两相邻站点之间的平差，站点外方位线量元素值若是由RTK测得，则无需进行站点间 平差，若是由手机测得的初始值，则需要进行相邻站点间的平差，为了平差准确，还需要加 测相邻两设站点之间(S₁～S₂，S₂～S₃，…，S_n-1～S_n)最好要加测距离d_i,i+1，i取值为 1,2,3，…,n；

9)以S₁站点的第一张像片为基础，已知X_S1,Y_S1,Z_S1,ω₁,κ₁，则有各点坐标表示为数学 模型⑤对S₂站点来说，则有数学模型⑥其中，旋转矩阵R′_S1和R′_S2均为平差后角量元素确定；

10)取S₁、S₂之间5个以上同名像点，利用数学模型⑤和⑥，配合5个同名像点联合解算，经旋转平移，求得相邻站点间的差值ΔX,ΔY,ΔZ,Δω，Δκ；若是有测距仪加测的站 点间距离，可增加平差约束条件，即数学模型⑦其中，S₁₂为相 邻站点间加测的距离，S₁₂＝d₁₂；同理，可完成S₁～S_n之间的所有相邻站点间的平差；

11)经过单站平差和相邻站点间平差，完成了整体自由网平差过程，根据提前布设的 P₁、P₂、P₃、P₄四个已知控制点在像片自由网坐标系中解算出的相对物方坐标(X'_pi,Y′_pi,Z'_pi)， i取值为1,2,3,4，以及四个控制点的已知绝对物方坐标(X_pi,Y_pi,Z_pi)，利用数学模型⑧ 其中，R是由三个旋转角量元素确定的旋转矩阵，经联合解算，确定出自由网坐标系坐标与绝对标坐标之间的旋转平移参数，进而确定自由网坐标系与绝对 坐标系之间的转换关系模型，实现坐标之间的转换。

Claims (9)

1.一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：采用地面连续单片摄影的方式，配合已知高度的激光平面选取特征点，利用光束法平差原理，对地面连续单片摄影进行平差计算，通过已知控制点联合解算，求得目标点绝对物方坐标值。

2.根据权利要求1所述的一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：摄影测量仪器装备分为(1)手机+CCD+激光扫平仪、(2)手机+EDM+激光扫平仪、(3)GNSS RTK+CCD+激光扫平仪三种模式，根据不同测量条件进行选择。

3.根据权利要求1所述的一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：摄影站点单站采用极坐标法定点摄影测量方式，整体测量区域采用仿航空基线法摄影测量方式，若是摄影前进方向有遮挡，可灵活支站避开遮挡物，然后重新返回原摄影方向继续前进，直至完成整个摄影区域的连续摄影。

4.根据权利要求1所述的一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：

(1)明确摄影相机的水平视场角α和垂直视场角β，单站摄影像片数要根据摄影相机的水平视场角α确定，要求相邻摄影像片之间有2～3度重叠，一般摄影相机单站摄影6～8张为宜；

(2)明确摄影相机的焦距f，单站摄影纵深距离不能太近也不能过远，一般摄影纵深距离取Y＝(3500～7000)f，测图比例尺可满足1:500或1:1000；

(3)摄影测量前，要已知激光扫平仪的距地高度h；

(4)摄影时，要保证解算的正确性，要求倾斜摄影，使纵深远处与地面要有交点，避免水平正直摄影方式；

(5)进行区域摄影时，要是有P₁、P₂、P₃、P₄四个已知控制点，最终测量结果可通过有约束条件的网平差，换算到已知坐标系中；要是没有已知控制点，则最终测量结果为自由网平差结果；

(6)通过地面摄影获取的区域点云数据，可借助南方CASS成图软件做进一步处理展示，表达为DEM、DOM、DLG、DRG数字产品。

5.根据权利要求1所述的一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：

(1)在站点S₁按照确定的摄影像片数进行顺时针全景摄影，以单站摄影6张像片为例，从起始站S₁的第一张像片开始，以手机直接测定的角量元素作为角量初始值；线量元素(X,Y,H)若由RTK测得则视为线量真值，若由手机测得(B,L,H)，则需现将(B,L,H)转换为(X,Y,H)，并将之作为初始值；

(2)已知激光平面距地高度为h，在相邻像片重叠区域选择激光平面交点的6个同名特征点，这6个特征点的特性是等高，Z_i＝h，i取值为1,2,3,4,5,6，利用数学模型①其中，(X_i,Y_i,Z_i)表示像点对应的物方坐标，(u_i,v_i)表示像点对应的像方坐标，f表示摄影相机的焦距，配合6个同名特征点的像方坐标(u_i,v_i)，解算出6个特征点对应的相对物方坐标值(X_i,Y_i,h)；

(3)对第一张像片，有数学模型②对第二张像片，有数学模型③其中，(X_S1,Y_S1,Z_S1)表示S₁站点的初始线量元素，RTK测定的视为真值，等同于前边提到的(X,Y,H)，R₀₁、R₀₂分别表示由两张像片外方位角量元素初值确定的旋转矩阵，由相邻像片分别求得两组对应的物方坐标值(X′_i,Y_i′,Z′_i)、(X″_i,Y″_i,Z″_i)；

(4)利用6个同名点，分别根据求得的两组物方坐标值(X′_i,Y_i′,Z′_i)、(X″_i,Y_i″,Z″_i)，经过坐标旋转、平移，建立数学模型④其中，R_i是由三个角量元素的微小旋转差值决定的旋转矩阵，

(5)利用数学模型④，配合6个同名特征点，可确定三个角量元素的微小差值由此可完成三个角量元素的一次平差过程，角量元素一次平差值分别为：

(6)完成站点S₁上相邻两像片平差之后，同理可依次完成站点2、3、4、…、n之间的平差。

6.根据权利要求1所述的一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：(1)对站点S₁相邻站点S₂的平差，在站点S₂上仿照站点S₁进行顺时针全景摄影，获取6张摄影像片，上一站摄影时要记录下一摄影站点的方向角，下一站点的起始摄影方向为上一摄影站点；(2)站点S₂上摄影第一张像片的初始κ角以站点S₁的第一张像片κ角为基础，转化到与站点S₁的第一张像片转角系统一致，然后从第一张像片开始，进行两两像片平差，平差方法参照站点S₁的平差方法。

7.根据权利要求1所述的一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：(1)两相邻站点之间的平差，站点外方位线量元素值若是由RTK测得，则无需进行站点间平差，若是由手机测得的初始值，则需要进行相邻站点间的平差，为了平差准确，还需要加测相邻两设站点之间(S₁～S₂，S₂～S₃，…，S_n-1～S_n)最好要加测距离d_i,i+1，i取值为1,2,3，…,n；(2)以S₁站点的第一张像片为基础，已知则有各点坐标表示为数学模型⑤对S₂站点来说，则有数学模型⑥其中，旋转矩阵R'_S1和R'_S2均为平差后角量元素确定；(3)取S₁、S₂之间5个以上同名像点，利用数学模型⑤和⑥，配合5个同名像点联合解算，经旋转平移，求得相邻站点间的差值ΔX,ΔY,ΔZ,Δω，Δκ；(4)若是有测距仪加测的站点间距离，可增加平差约束条件，即数学模型⑦其中，S₁₂为相邻站点间加测的距离，S₁₂＝d₁₂；(5)同理，可完成S₁～S_n之间的所有相邻站点间的平差。

8.根据权利要求1所述的一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：(1)经过单站平差和相邻站点间平差，完成了整体自由网平差过程，根据提前布设的P₁、P₂、P₃、P₄四个已知控制点在像片自由网坐标系中解算出的相对物方坐标(X′_pi,Y′_pi,Z′_pi)，i取值为1,2,3,4，以及四个控制点的已知绝对物方坐标(X_pi,Y_pi,Z_pi)，利用数学模型⑧其中，R是由三个旋转角量元素确定的旋转矩阵，经联合解算，确定出自由网坐标系坐标与绝对标坐标之间的旋转平移参数；(2)确定自由网坐标系与绝对坐标系之间的转换关系模型，实现坐标之间的转换。

9.根据权利要求1和8所述的一种地面连续单片摄影配合激光平面光束法平差方法，其特征是：自由网坐标系与绝对坐标系之间转换关系的确定需要有已知控制点的数量决定，(1)有1个控制点，仅可实现坐标系的平移或旋转变换；(2)有2个控制点，可实现坐标系的平移和旋转变换，但无尺度变换；(3)有3个控制点，不仅可实现坐标系的平移、旋转和尺度变换，还有2个多余条件；(4)有4个控制点，可实现坐标系的平移、旋转和尺度变换，还有5个多余条件；

依据数学模型⑧分别对S₁～S_n站点的坐标进行改正，完成整个地面摄影测量区域的光束法网平差计算。