CN109945831B - 一种简易的建筑物高度测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简易的建筑物高度测量方法及装置，方法包括：将设有垂直杆的标定板放置在建筑物所在地面上；拍摄得到一张标定板和建筑物在高度方向的一条完整高度线图片；在图片上标出垂直杆的高点e和低点b、建筑物高度线的高点f和低点a，根据延长标定板两对平行线得到两个消失点并连接得到地平线；连点b和a并延长交地平线于交点c，连点c和高点e并延长高度线于交点d；延长e b和高度线fa交于点g；利用射影变换方法，构建射影图片与世界坐标系的直线交比不变关系式，计算出图片上各线段的像素值，代入关系式中计算得到建筑物高度线的实际长度。本发明可快速精准的计算出建筑物实际高度，具有成本低、操作简单、便于使用等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种简易的建筑物高度测量方法及装置，属于测量设备的技术领域。
背景技术
在工程实践中，人们经常需要得到建筑物的高度，以判断建筑物的沉降是否符合规定。目前建筑物高度测量的设备大都采用激光测量的方法，这种方法价格昂贵，操作复杂且对人员的技术水平有一定的要求。
摄影测量是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系。它包括的内容有：获取被摄物体的影像，研究单张像片或多张像片影像的处理方法，包括理论、设备和技术，以及将所测得的结果以图解的形式或数字形式输出的方法和设备。其主要任务是测制各种比例尺的地形图、建立地形数据库，建筑物摄影测量等。为了解决这些问题，有必要设计一种低成本、使用方便的建筑物高度摄影测量设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，现有方法在对建筑物测量时无法将摄影测量融合，不能快速精准地通过拍摄计算出建筑物的实际高度，降低测量效率的问题，本发明提供一种简易的建筑物高度测量方法及装置，利用摄影测量技术结合标定板，能够简单快速测量建筑物高度。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种简易的建筑物高度测量方法，包括以下步骤：
将设有已知实际高度的垂直杆的标定板放置在建筑物相对位置的地面上；
拍摄得到一张包含带有垂直杆的标定板和建筑物在高度方向的一条完整高度线图片；
在拍摄得到的图片上标出标定板上垂直杆的高点e和低点b、建筑物高度线的高点f和低点a，并根据延长的图片中标定板四条边对应形成的两对平行线得到两个消失点，及连接两个消失点得到地平线；
连接图片上标定板上垂直杆的低点b和建筑物高度线的低点a并延长交地平线于交点c，及连接交点c和标定板上垂直杆的高点e并延长交建筑物的高度线于交点d；延长标定板上垂直杆的高点e和低点b所在直线和建筑物高度线的高点f和低点a所在直线交于一个交点g；
利用射影变换方法，构建射影图片与世界坐标系的直线交比不变关系式：
其中，A、F点表示世界坐标系下建筑物高度线的低点和高点；D点表示世界坐标系下建筑物高度线上的某一点，G点表示世界坐标系下距离建筑物无穷远处的点；FA表示世界坐标系下建筑物高度线的高点F到低点A的长度；AD表示世界坐标系下建筑物高度线上低点A到点D的长度；fd、fa分别表示图片上建筑物高度线的高点f到交点d、低点a的像素距离；ag、dg表示图片上建筑物高度线的低点a、交点d分别到交点g的像素距离；
根据世界坐标系下建筑物高度线的低点A、点D分别到点G的实际长度，推导得到
并代入关系式中分解得到
计算出图片上线段fd、fa、ag、dg的像素距离，根据射影几何特性由垂直杆的已知实际高度得到世界坐标系下线段AD的实际长度并同计算出的图片上各线段的像素距离代入关系式
中，计算得到世界坐标系下建筑物高度线FA的实际长度。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法中根据图片上两点的像素坐标计算出各线段的像素距离。
本发明还提出一种简易的建筑物高度测量装置，包括：
设有已知实际高度的垂直杆的标定板，用于放置在建筑物相对位置的地面上；
拍摄设备，用于拍摄得到一张包含带有垂直杆的标定板和建筑物在高度方向的一条完整高度线图片，在拍摄得到的图片上标出标定板上垂直杆的高点e和低点b、建筑物高度线的高点f和低点a，并根据延长的图片中标定板四条边对应形成的两对平行线得到两个消失点，及连接两个消失点得到地平线；连接图片上标定板上垂直杆的低点b和建筑物高度线的低点a并延长交地平线于交点c，及连接交点c和标定板上垂直杆的高点e并延长交建筑物的高度线于交点d；延长标定板上垂直杆的高点e和低点b所在直线和建筑物高度线的高点f和低点a所在直线交于一个交点g；并且，利用射影变换方法，构建射影图片与世界坐标系的直线交比不变关系式，计算出图片上各线段的像素距离，根据射影几何特性由垂直杆的已知实际高度得到世界坐标系下对应线段的实际长度，并同计算出的图片上各线段的像素距离代入关系式中，计算得到世界坐标系下建筑物高度线的实际长度。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述拍摄设备构建射影图片与世界坐标系的直线交比不变关系式为：
其中，FA表示世界坐标系下建筑物高度线的高点F到低点A的长度；AD表示世界坐标系下建筑物高度线上低点A到某一点D的长度；fd、fa分别表示图片上建筑物高度线的高点f到交点d、低点a的像素距离；ag、dg表示图片上建筑物高度线的低点a、交点d分别到交点g的像素距离。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述智能拍摄设备采用智能手机。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述智能手机装有用于拍摄图片的APP。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明提出的一种简易的建筑物高度测量方法和装置，利用射影变换后的直线交比不变原理，使用一个带垂直杆的标定板和一部智能拍摄设备即可得到建筑物的高度，测量耗时段，且计算过程方便快捷，通过简单运算即可快速精准的计算出建筑物实际高度。具有成本低、操作简单、便于使用、精度较高等优势。
附图说明
图1为本发明建筑物高度测量方法中标定板的示意图。
图2为本发明建筑物高度测量方法中拍摄得到的图片示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
本发明设计一种简易的建筑物高度测量装置，包括：设有已知实际高度的垂直杆的标定板和拍摄设备，其中标定板的结构如图1所示，垂直杆垂直在标定板上方，主要用于放置在建筑物相对位置的地面上进行参照，并提供于拍摄设备拍摄；拍摄设备，则用于拍摄得到一张包含带有垂直杆的标定板和建筑物在高度方向的一条完整高度线图片，并根据图片处理和计算得到建筑物实际高度。
具体地，本实施例中，拍摄设备采用智能手机，且智能手机装有用于拍摄图片的APP，利用该APP进行拍摄图片，APP可以采用现有技术中已有的图片处理软件，本发明不对其进行限定。其他设备，如平板电脑，笔记本电脑等同样适用。
本发明设计的简易的建筑物高度测量方法，可采用智能手机进行标定板和建筑物拍摄和图片处理，其测量过程具体如下：
首先，将标定板放置在建筑物相对位置的地面上，如放置在建筑物的正前方某一位置处，对于标定板与建筑物的位置关系没有特征要求；
然后，利用智能手机带的拍摄APP拍摄，对标定板和建筑物之间的拍摄角度没有要求，站某一角度拍摄得到一张包含带有垂直杆的标定板和建筑物在高度方向的一条完整高度线图片，形成的图片如图2所示；
其次，利用智能手机带的拍摄APP得到的图片，确定其中的标定板的垂直杆所在端点和建筑物的一条完整的高度线，即在拍摄得到的图片上标出标定板上垂直杆的高点e和低点b、建筑物高度线的高点f和低点a；
智能手机开始计算阶段：
步骤1、首先延长的图片中标定板四条边对应形成的两对平行线，得到两个消失点，及连接两个消失点得到地平线；
步骤2、在图片中，连接图片上标定板上垂直杆的低点b和建筑物高度线的低点a，并延长交地平线于交点c；
步骤3、在图片中，连接交点c和标定板上垂直杆的高点e，并延长交建筑物的高度线于交点d；
步骤4、在图片中，延长标定板上垂直杆的高点e和低点b所在直线be和建筑物高度线的高点f和低点a所在直线fa交于一个交点g；
步骤5、利用射影变换方法的射影变换前后的直线交比不变原理，构建出射影图片与世界坐标系的直线交比不变关系式：
其中，A、F点表示世界坐标系下建筑物高度线的低点和高点；D点表示世界坐标系下建筑物高度线上的某一点，且其位置和图片上交点d在线段fa上的位置和比例相同。G点表示世界坐标系下距离建筑物无穷远处的点；故FD是真实世界中建筑物高度线的高点F到D点的长度，AG是真实世界中建筑物低点A到无穷远点G的长度，FA是真实世界中建筑物的高点F到低点A的长度，即FA为建筑物的实际长度。DG是真实世界中建筑物高度线上点D到无穷远点G的长度。fd、fa分别表示图片上建筑物高度线的高点f到交点d、低点a的像素距离；ag、dg分别表示图片上建筑物高度线的低点a、交点d分别到交点g的像素距离。
由于点G代表无穷远处的点，根据世界坐标系下建筑物高度线的低点A、点D分别到点G的距离都可以认为是无穷大，故推到得到
并将其代入关系式(1)中分解得到：
由于射影几何的性质，AD与BE的长度相等，BE是标定板上垂直杆的实际长度；然后根据图片上两点的像素坐标计算出各线段的像素距离，即根据线段两端的点的像素坐标，通过计算即可得到线段的像素距离，因此可计算出图片上线段fd、fa、ag、dg的像素距离，单位为像素，再根据射影几何特性由垂直杆的已知实际高度得到世界坐标系下线段AD的实际长度并同计算出的图片上各线段fd、fa、ag、dg的像素距离代入关系式(2)中，计算得到世界坐标系下建筑物高度线FA的实际长度。
为了验证本发明方法能够快速准确进行建筑物高度测量，下述列举一个验证例进行说明。
验证例1、
本验证例的方法中，首先将将标定板水平地放置在地面上，用智能手机安装的APP，例如简易测量APP进行拍摄，图2为拍摄得到的建筑物的单张图片示意图，拍摄的照片需要包含该标定板和建筑物的一条高度线，对于标定板与建筑物的位置关系和拍摄角度没有特征要求。其中标定板上的垂直杆的高度是已知的，为1米；
把世界坐标系下垂直杆的低点、高点和建筑物的低点、高点分别记为点B、点E、点A和点F，其对应在图片上的位置分别记为点b、点e、点a和点f。其中图片上点d所在像素点坐标为(340，479)、点a所在像素点坐标为(418，463)、点f所在像素点坐标为(34，538)通过标定板的两对平行线得到两个消失点，连接之后即为地平线；
图片上连接标定板的低点b和建筑物的低点a，并延长交地平线于交点c；连接点c和标定板的高点e，并延长交建筑物的高度线于交点d；延长点b和e所在的直线be和建筑物的高度线fa交于一个交点g，交点g所在像素点的坐标为(895，346)；
然后，通过建筑物高度线上面的低点a、高点f、点d以及点g，利用射影变换前后的直线交比不变，得到
其中A、D、F、G、对应实际世界中建筑物上的各点和无穷远处点，由于点G代表无穷远处的点，所以推导出
则有
由于射影几何的性质，AD与BE长度相等，BE是标定板上垂直杆的长度，即AD的长度为1米；等式后边都是图片上的点，计算可得图片上线段fd＝311像素，线段ag＝491像素，线段fa＝391像素，线段dg＝570像素。分别代入等式
中，得到建筑物高度线FA的实际高度FA＝3.1米。
综上，本发明的方法和装置，利用射影变换后的直线交比不变原理，使用一个带垂直杆的标定板和一部智能拍摄设备即可得到建筑物的高度，测量耗时段，且计算过程方便快捷，通过简单运算即可快速精准的计算出建筑物实际高度。具有成本低、操作简单、便于使用、精度较高等优势。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种简易的建筑物高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将设有已知实际高度的垂直杆的标定板放置在建筑物相对位置的地面上；
拍摄得到一张包含带有垂直杆的标定板和建筑物在高度方向的一条完整高度线图片；
在拍摄得到的图片上标出标定板上垂直杆的高点e和低点b、建筑物高度线的高点f和低点a，并根据延长的图片中标定板四条边对应形成的两对平行线得到两个消失点，及连接两个消失点得到地平线；
连接图片上标定板上垂直杆的低点b和建筑物高度线的低点a并延长交地平线于交点c，及连接交点c和标定板上垂直杆的高点e并延长交建筑物的高度线于交点d；延长标定板上垂直杆的高点e和低点b所在直线和建筑物高度线的高点f和低点a所在直线交于一个交点g；
利用射影变换方法，构建射影图片与世界坐标系的直线交比不变关系式：
其中，FA表示世界坐标系下建筑物高度线的高点F到低点A的长度；FD是世界坐标系下建筑物高度线的高点F到D点的长度；AG是世界坐标系下建筑物低点A到无穷远点G的长度；DG是世界坐标系下建筑物高度线上点D到无穷远点G的长度；fd、fa分别表示图片上建筑物高度线的高点f到交点d、低点a的像素距离；ag、dg表示图片上建筑物高度线的低点a、交点d分别到交点g的像素距离；
根据世界坐标系下建筑物高度线的低点A、点D分别到无穷远点G的实际长度，推导得到
并代入关系式中分解得到关系式
其中，AD表示世界坐标系下建筑物高度线上低点A到点D的长度；
计算出图片上线段fd、fa、ag、dg的像素距离，根据射影几何特性由垂直杆的已知实际高度得到世界坐标系下线段AD的实际长度并同计算出的图片上各线段的像素距离代入关系式
中，计算得到世界坐标系下建筑物高度线FA的实际长度。
2.根据权利要求1所述简易的建筑物高度测量方法，其特征在于，所述方法中根据图片上两点的像素坐标计算出各线段的像素距离。
3.一种简易的建筑物高度测量装置，其特征在于，包括：
设有已知实际高度的垂直杆的标定板，用于放置在建筑物相对位置的地面上；
拍摄设备，用于拍摄得到一张包含带有垂直杆的标定板和建筑物在高度方向的一条完整高度线图片，在拍摄得到的图片上标出标定板上垂直杆的高点e和低点b、建筑物高度线的高点f和低点a，并根据延长的图片中标定板四条边对应形成的两对平行线得到两个消失点，及连接两个消失点得到地平线；连接图片上标定板上垂直杆的低点b和建筑物高度线的低点a并延长交地平线于交点c，及连接交点c和标定板上垂直杆的高点e并延长交建筑物的高度线于交点d；延长标定板上垂直杆的高点e和低点b所在直线和建筑物高度线的高点f和低点a所在直线交于一个交点g；并且，利用射影变换方法，构建射影图片与世界坐标系的直线交比不变关系式
计算出图片上线段fd、fa、ag、dg的像素距离，其中，FA表示世界坐标系下建筑物高度线的高点F到低点A的长度；AD表示世界坐标系下建筑物高度线上低点A到某一点D的长度；fd、fa分别表示图片上建筑物高度线的高点f到交点d、低点a的像素距离；ag、dg表示图片上建筑物高度线的低点a、交点d分别到交点g的像素距离；再根据射影几何特性由垂直杆的已知实际高度得到世界坐标系下对应线段的实际长度并同计算出的图片上各线段的像素距离代入关系式中，计算得到世界坐标系下建筑物高度线的实际长度。
4.根据权利要求3所述简易的建筑物高度测量装置，其特征在于，所述拍摄设备采用智能手机。
5.根据权利要求4所述简易的建筑物高度测量装置，其特征在于，所述智能手机装有用于拍摄图片的APP。
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