CN112005077A - 无人航空器的设置台、测量方法、测量装置、测量系统和程序 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空照相测量，在削减与标定用目标的设置有关的成本的同时获得高的测量精度。一种设置飞行开始前的UAV（200）的无人航空器的发射台（220），该UAV（200）的发射台（220）具备：构成使用于航空照相测量的标定点的目标显示（224）；以及在确定了UAV（200）在飞行前的阶段相对于目标显示（224）的位置的状态下决定UAV（200）相对于发射台（220）的位置的位置决定部（221、222）。

Description

无人航空器的设置台、测量方法、测量装置、测量系统和程序
技术领域
本发明涉及航空照相测量的技术。
背景技术
已知有将无人航空器（UAV（Unmanned Aerial Vehicle，无人飞行工具））使用于航空照相测量的技术。在该技术中，利用从UAV对地表等的测量对象进行拍摄得到的照相图像来制作测量对象的三维模型。在该技术中，首先使用拍摄对象重复的多个照相图像进行标定，求出UAV搭载的相机的外部标定要素（位置和姿势），使用该外部标定要素进行与三维模型的制作有关的处理。例如在专利文献1中记载了求出航空照相测量中的相机的外部标定要素的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2014-6148号公报
专利文献2：特愿2017-171289号公报。
发明内容
发明要解决的问题
在以往的技术中，在地表配置多个预先测定了位置的标定用目标，使用拍照在航空照相的图像的标定用目标，通过后方交会法进行与各图像对应的相机的外部标定要素的计算。在该技术中，与标定用目标的设置和测位有关的成本成为问题。另外，还存在标定用目标的设置由于地形而困难的问题。
例如，通过利用TS（全站仪）对UAV进行追迹和侧位，从而即使不利用标定用目标也能够对三维模型给出实际刻度（例如，参照专利文献2）。然而，在要求最终获得的三维模型的精度的情况下，期望在地上配置至少一点的标定用目标、将其位置数据设为约束点进行调整计算。
在这样的背景下，本发明涉及航空照相测量，目的在于提供在削减与标定用目标的设置有关的成本的同时获得高的测量精度的技术。
用于解决问题的方案
权利要求1记载的发明是设置有无人航空器的无人航空器的设置台，该无人航空器的设置台具备：构成使用于航空照相测量的标定点的目标显示功能；在确定了无人航空器在飞行前的阶段相对于所述目标显示功能的位置的状态下决定所述无人航空器相对于该设置台的位置的构造和/或显示。
权利要求2记载的发明特征在于，在权利要求1记载的发明中，所述无人航空器具备用于激光测位的反射目标，在所述无人航空器搭载于该设置台的状态下，确定所述目标显示功能和所述反射目标的位置关系。权利要求3记载的发明特征在于，在权利要求2记载的发明中，通过对所述反射目标的位置进行测位来确定该设置台的位置。
权利要求4记载的发明是使用权利要求1至3中的任何一项记载的无人航空器的设置台的测量方法，该测量方法具有：测定所述无人航空器在被设置于所述设置台的状态下的位置的第一步骤；基于所述第一步骤的结果确定所述设置台的位置的第二步骤；从飞行中的所述无人航空器拍摄所述设置台和航空照相测量的对象的第三步骤；基于在所述第二步骤中获得的所述设置台的位置和在所述第三步骤中获得的拍摄图像来计算测量对象的三维数据的第四步骤。
权利要求5记载的发明特征在于，在权利要求4记载的发明中，在将所述无人航空器设置在所述设置台上的状态下的所述无人航空器的位置和所述设置台的位置间的关系是预先确定的，基于在被设置在所述设置台上的状态下测位的所述无人航空器的位置和所述确定的内容，进行所述设置台的位置的确定。
权利要求6记载的发明特征在于，在权利要求4或5记载的发明的第四步骤中，将所述设置台作为标定点使用。权利要求7记载的发明特征在于，在权利要求4至6中的任何一项的第四步骤中，在所述第四步骤中进行如下的调整计算：将所述设置台的位置设为约束点，对拍摄所述航空照相测量的对象的相机的外部标定要素和内部标定要素进行最优化。
权利要求8记载的发明是如下的测量装置，其具备：位置数据受理部，受理在被设置于权利要求1至3中的任何一项记载的无人航空器的设置台的状态下的所述无人航空器的位置数据；位置确定部，基于所述无人航空器的位置数据确定所述设置台的位置；图像数据受理部，受理从飞行中的所述无人航空器拍摄所述设置台和航空照相测量的对象得到的图像的图像数据；以及计算部，基于所述设置台的所述位置和所述图像数据进行所述航空照相测量的对象的三维数据的计算。
权利要求9记载的发明是使用权利要求1至3中的任何一项记载的无人航空器的设置台的测量系统，该测量系统具有：测定所述无人航空器在被设置于所述设置台的状态下的位置的部件；基于所述无人航空器的位置确定所述设置台的位置的部件；从飞行中的所述无人航空器拍摄所述设置台和航空照相测量的对象的部件；以及基于所述设置台的所述位置和利用所述拍摄获得的拍摄图像来计算所述航空照相测量的对象的三维数据的部件。
权利要求10记载的发明是读取到计算机来执行的程序，该程序使计算机执行如下：受理在被设置于权利要求1至3中的任何一项记载的无人航空器的设置台的状态下的所述无人航空器的位置数据；基于所述无人航空器的位置数据确定所述设置台的位置；受理从飞行中的所述无人航空器拍摄所述设置台和航空照相测量的对象得到的图像的图像数据；基于所述设置台的所述位置和利用所述拍摄获得的拍摄图像来进行所述航空照相测量的对象的三维数据的计算。
发明效果
根据本发明，能够获得如下技术：与航空照相测量有关地在削减与标定用目标的设置有关的成本的同时获得高的测量精度。
附图说明
图1是实施方式的整体概念图。
图2是示出标定的原理的示意图。
图3是示出标定的原理的示意图。
图4是实施方式的框图。
图5是示出处理的过程的一个示例的流程图。
具体实施方式
1. 第一实施方式
（概要）
在图1中示出实施方式的概要的整体图。图1中示出了TS（全站仪）100、UAV 200、UAV200的发射台220、利用PC（个人计算机）构成的测量数据处理装置400。UAV 200一边飞行一边进行利用相机201的对地上的拍摄。UAV 200被由TS（全站仪）100追迹并且其三维位置被逐次测定。由TS 100进行的UAV 200的追迹通过如下来进行：利用追尾光对搭载于UAV 200的反射棱镜202进行追尾。由TS 100进行的UAV 200的测位通过如下来进行：利用以反射棱镜202为对象的激光测距来求出从TS 100看到的UAV 200的方向和距离。反射棱镜202是利用角隅棱镜的光学目标，以使入射光朝向180˚反转的状态进行反射。
TS 100被设置于绝对坐标系上的已知的三维位置，通过计量从TS 100看到的UAV200的方向和距离来确定UAV 200在绝对坐标系中的三维位置。具体地说，从TS 100向UAV200的反射棱镜202照射测距用的激光。在TS 100处对由反射棱镜202反射的该激光进行受射。根据该反射光的受射定时与经设置在TS 100内的基准光路传导的基准光的受射定时的相位差，计算从TS 100到反射棱镜202的距离。另外，根据此时的TS 100的光轴的方向判定从TS 100看到的反射棱镜202的方向。而且根据到反射棱镜202的距离和方向来计算反射棱镜202相对于TS 100的位置。由于TS 100在绝对坐标系上的位置已知，因此判明相对于TS100的反射棱镜202位置，由此确定反射棱镜202在绝对坐标系中的位置。这是以反射棱镜202为对象的激光测距的原理。
所说的绝对坐标系是处理地图信息的固定于地上的坐标系，也可以称为地图坐标系。例如，在GNSS中使用的坐标系是绝对坐标系（地图坐标系）。作为绝对坐标系中的坐标系的标记，可举出纬度、经度、标高（从平均海平面起的高度）。作为绝对坐标系的坐标轴的朝向，可举出将X轴设为东方向、将Y轴设为北方向、将Z轴设为垂直向上的方向的示例。在此也可以使用本地坐标系。
关于TS（全站仪）100，使用可以在市场上获得的全站仪。关于TS 100，例如在特开2009-229192号公报、特开2012-202821号公报中进行了记载。例如在特愿2016-247917号、特愿2017-002419号等中记载了利用TS 100对UAV 200追迹、测位的技术。另外，例如在日本特许第5124319号公报中记载了与利用TS进行的目标（反射棱镜202）的检测和追迹有关的技术。
UAV 200是将相机201和反射棱镜202安装于市售的无人航空器而得到的无人航空器。UAV 200具备飞行控制装置、IUM（惯性计量装置）、存储飞行计划和/或飞行日志等的存储装置、无线通信装置、GNSS位置确定装置。在此，UAV 200中的相机201、反射棱镜202、IMU、GNSS位置确定装置的位置和姿势的关系被预先检查，其数据被预先存储在测量数据处理装置400中。
UAV 200具备存储飞行计划和飞行日志的存储装置。飞行计划是预先决定了通过点的坐标和在该点的速度的数据。飞行日志存储有GNSS装置计量的飞行路径的数据、拍摄数据、IMU计量的拍摄时的UAV 200的姿势的数据。
UAV 200具备腿部203、204、205、206。腿部206是以附加有图案而能够与腿部203、204、205区分开的方式用心准备的。通过识别腿部206，从而确定UAV 200的朝向。
UAV 200按照预先决定的飞行计划飞行，此时通过相机201拍摄航空照相测量的对象（例如地表）。拍摄是以每一秒或每两秒这样的时间间隔进行的，拍摄对象重复，沿着飞行路径拍摄有多个逐个少许地偏离开的图像。相机201拍摄的图像数据被与拍摄时刻、在拍摄时刻由IMU计量的UAV 200的姿势（相机201的姿势）、在拍摄时刻由GNSS位置确定装置计量的UAV 200的位置（相机201的位置）的数据一起保存在飞行日志。飞行日志的数据在飞行结束后被回收并在测量数据处理装置400中处理。
发射台220作为UAV 200的发射台兼标定用目标起作用。发射台200具有用于还作为在航空照相测量中使用的标定点用目标起作用的目标显示功能。在该示例中，使在相机201拍摄的航空照相中的确定容易的目标显示224被设置于发射台。目标显示224作为航空照相测量中的标定点起作用。关于目标显示的形状或色彩，作为图像选择容易识别的形状或色彩。作为目标显示，还能够使用色码目标和/或条形码显示。
发射台220具备位置决定部221和222。位置决定部221具有收容腿部206的凹部，位置决定部222具有收容腿部203的凹部。两个凹部被设定为形状不同，在位置决定部221虽然能够收容腿部206，但是腿部203形状不相符而无法收容。反过来，在位置决定部222虽然能够收容腿部203，但是腿部206形状不相符而无法收容。通过这样做，在将UAV 200设置于发射台220时，使得为唯一地决定UAV 200相对于发射台220的位置和姿势。特别是，在该构造中，在将UAV 200设置于发射台220时唯一地决定反射棱镜202相对于发射台220的位置。
在将UAV 200设置于发射台220的状态下，唯一地决定发射台220的位置（目标显示224的中心位置）、UAV 200的位置（例如搭载的IMU的位置）、相机201的位置、反射棱镜202的位置的关系。该关系是作为预先已知的数据取得的，被存储在测量数据处理装置400内的存储部311（参照图4）。
对于提高航空照相测量的精度，在各图像的拍摄时的相机201的外部标定要素（位置和姿势）的精度变得重要。在本实施方式中，通过以下的过程来提高相机201的外部标定要素的精度。
（处理流程的概述）
（1）飞行开始
首先，将UAV 200设置在发射台220上。此时，使得成为利用位置决定部221和222来预先决定发射台220上的UAV 200的姿势和位置。在上述的设定完了的状态（飞行开始前的状态）下，通过TS 100捕捉UAV 200的反射棱镜202，开始追尾和测位。从该飞行开始前的阶段的反射棱镜202的测位数据算出作为反射台220的标定点的位置（在该情况下，目标显示224的中心的位置），取得其值作为在后面进行的调整计算时的约束点。
之后开始飞行。飞行是按照预先决定的飞行计划进行的，在飞行中进行由相机201对地表的拍摄。此时，以拍摄的航空照相图像之中必定包括拍照有发射台220的图像的方式进行拍摄的定时或飞行进程的设定。
（1）相互标定
进行基于航空照相图像的任意刻度的相对三维模型的制作，确定在多个图像之间确定的特征点和在各图像的拍摄时的相机201的位置和姿势的相对关系。
（2）绝对标定
使用由TS 100测位得到的相机201的位置（利用反射棱镜的位置）对在上述（1）的相互标定中制作的相对三维模型给出刻度（实际的值），求出相机201在绝对坐标系中的外部标定要素的绝对值。
（3）调整计算
同时进行束调整计算和考虑了反射棱镜位置与相机位置的关系的调整计算，进行特征点的位置、外部标定用要素和内部标定要素的最优化。在该调整计算时，使用在开始飞行前的阶段中取得的发射台220的位置作为约束点。
在上述的调整计算时，也可以考虑其它的修正要素。例如，也可以进行考虑了依赖于来自TS 100的测距光和追尾光的入射角的反射棱镜202中的反射点位置的偏差的计算（例如，参照特愿2017-171289）。
（各处理的详情）
（1）相互标定
以下，为了使说明简化，说明使用从不同的位置对重复的对象进行拍摄得到的两张图像（以下，立体图像）的相互标定。UAV 200在飞行的同时利用相机201连续地拍摄地表，获得多个航空照相图像。在此，选择在时间轴上接近、拍摄范围重复的两张航空照相图像作为立体图像。由于UAV 200在飞行的同时时刻地进行拍摄，因此上述的立体图像成为视点的位置不同且拍照有重复的对象的两张图像。
图2是在示出在时刻t1的相机200的相机201a、示出在时刻t2（t1<t2）的相机200的相机201b对地表的重复的区域进行拍摄的情况下的示意图。
在该处理中，首先，进行从由相机201a拍摄的第一图像和由相机201b拍摄的第二图像的每个提取特征点，并进一步地进行第一图像和第二图像中的特征点的对应关系的确定。关于该技术，例如在特开2013-186816号公报、特开2013-178656号公报中进行了记载。此外，特开2013-186816号公报详细记载了特征点的提取、两个图像间的特征点的匹配、交会法、各种标定、特征点的三维位置的计算、束调整等。
在图2中示出从上述第一图像和第二图像提取的共有的特征点Pj。此外，虽然提取多个在两个图像中共有的特征点，但是在此为了使说明简化在图2中仅图示一个点的特征点Pj。
在相互标定中，以消除从相机201a拍摄的第一图像与从相机201b拍摄的第二图像间的特征点的偏离的方式探索（调整）相机201a和201b的朝向和位置，求出相机201a和201b的相对的外部标定要素（位置和姿势）。此时，将根据UAV 200的IMU计量的UAV 200的姿势的数据求出的在各图像的拍摄时的相机201a、201b的姿势的数据作为初始值，进行相机201a和201b的相对的外部标定要素的探索。在该阶段中，不给出实际刻度（绝对坐标系中的坐标值、姿势的值），在该阶段中的外部标定要素成为与相机201a和201b的相对位置关系相对的姿势（朝向）的关系。
在图2的情况下来说，通过相互标定，从而求出相机201a、201b、特征点Pj的相对的位置关系（即以相机201a、201b、特征点Pj为顶点的三角形的形状（两个角的角度））。但是，由于未给出实际刻度，因此上述的三角形的大小未被决定，成为相对的图形。
相互标定以相机201所拍摄的能够利用的所有图像为对象进行，获得在与各图像对应的各视点位置处的相机201的相对的外部标定要素。在上述的说明中，虽然说明了使用两张图像作为立体图像的相互标定的示例，但是实际上使用拍照有重复的对象的三张以上的图像来进行相互标定。
关于与多个图像对应的相机位置，通过求出上述的相对的位置和姿势的关系，从而获得多个特征点与相机的位置和姿势间的相对关系被确定的相对三维模型。在图3中概念性地示出制作确定涉及多个图像的各相机的位置和朝向的相对关系以及由多个图像共有的特征点的位置的相对关系的相对三维模型的原理。该相对三维模型未被给出实际刻度，与绝对坐标系的关系在相互标定的阶段中未被判定而是未知的。
在图3中示出发射台220也被从拍摄画面209提取并被作为标定点进行利用的状态。在此，拍摄画面209中的黑点210是拍摄画面中的特征点或发射台220的画面上的点。对测定对象物的特征点和发射台220、上述的图像上的点210、投影中心（相机201的光学原点）的这三点进行连结的光束（束）必须在同一直线上这一条件是后述的共线条件。
除特征点之外也可以使用发射台220（目标显示224）来进行上述的相互标定。在这种情况下，进行将发射台220（目标显示224）设为标定点的相互标定。在该处理中，首先，从相机201拍照的照相图像像中提取发射台220（目标显示224）的图像。该处理是使用公知的图像识别技术进行的。另外，该处理是以拍照有发射台220的多个照相图像为对象来进行的。而且，将发射台220（目标显示224）的位置设为图2的Pj来进行上述的相互标定。
（2）绝对标定
假定若是判定图3中的多个特征点在绝对坐标系中的位置，则对图3的相对模型给出实际刻度，另外相机201在绝对坐标系中的朝向也被确定。这是自以往进行的使用标定用目标的绝对标定的原理。
在本实施方式中，不使用以往利用的标定用目标而是对通过相互标定获得的相对三维模型给出实际刻度，使得能够在绝对坐标系上记述图3所示的相对三维模型。以下说明本实施方式中的绝对标定。
在该处理中，关注于图3例示的相对三维模型中的相机201的移动轨迹。如图1所示，在本实施方式中，UAV 200的相机201（反射棱镜202）的移动轨迹是由TS 100来追迹并测位的，在绝对坐标系上判明其轨迹。
因此，将反射棱镜202的位置看作为相机201的位置，以相机201在相对三维模型上的移动轨迹匹配于由TS 100测位的相机201在绝对坐标系上的移动轨迹的方式进行相对三维模型的比例尺调整、平行移动、旋转移动。
通过使相机201在相对三维模型中的移动轨迹（追从在各时刻的位置得到的轨迹）匹配于TS 100的测位数据，从而成为能够在绝对坐标系上记述相机201在相对三维模型中的移动轨迹。这样，对相对三维模型中的相机位置给出实际刻度（实际的值）。通过给出相对三维模型中的各相机位置，从而获得相对三维模型中的各相机的姿势的还在绝对坐标系中的值。另外，还给出该相对三维模型中的各特征点的实际位置。这样，给出利用相互标定获得的相对三维模型中的各参数在绝对坐标系上的实际的值（绝对值）。
在本说明书中，在绝对坐标系上的实际的值被作为绝对值处理。例如，纬度、经度、标高成为位置的绝对值。另外，将向量在将北方向设为X轴、将东方向设为Y轴、将垂直向上方向设为Z轴的XYZ坐标系中的朝向设为姿势的绝对值。此外，还可以替代绝对坐标系而采用以TS 100为原点的坐标系（TS坐标系）等的本地坐标系。在这种情况下，特征点或相机201的外部标定要素的绝对值成为在TS坐标系等的本地坐标系中的值。
此外，利用图3的原理获得的相对三维模型包括误差，另外在上述的绝对标定中，还存在起因于将相机201的位置看作为反射棱镜202的位置的误差。因此，上述绝对标定中的相机位置的轨迹的匹配并不完全而包括误差。因此，利用绝对标定获得的特征点和相机201的外部标定要素的值也包括误差。
如以上所述那样，在本实施方式的绝对标定中，以相机201的移动轨迹为线索，对在相互标定中使用的相对三维模型中的相机201的移动轨迹给予在绝对坐标系中的值，对该相对三维模型给出实际刻度。即，将在相互标定中使用的相对三维模型坐标变换为由TS100实际测量的相机位置，在绝对坐标系上确定该相对三维模型的刻度和朝向。
通过上述的绝对标定来求出各图像中的特征点的三维位置、与各图像对应的相机201的外部标定要素（位置和姿势）。
另外，在上述的绝对标定中的对相对三维模型给出实际刻度的处理时也可以使用反射台220的位置作为约束点。在这种情况下，由于在对相对三维模型给出实际刻度的处理中的约束条件增加，因此能够提高该处理中的计算效率和计算精度。
（3）调整计算
通过上述（2）的绝对标定获得的特征点的位置以及外部标定要素包括误差。为了降低该误差，进行以下说明的调整计算。此外，在调整计算时还将内部标定要素（画面距离、主点位置和畸变参数）作为未知参数进行最优化。在该调整计算中，设立数学式1、数学式2、数学式3的观测方程，进行利用最小二乘法的各参数（特征点（Xj，Yj，Zj）和外部标定要素（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i（旋转矩阵））以及内部标定要素（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2））的最优化。此外，虽然数学式1中示出的△xij，△yij是布朗（Brown）的畸变模型的修正式，但是使用的畸变模型也可以是别的模型。
[数学式1]
Figure 958142DEST_PATH_IMAGE001
Figure 897148DEST_PATH_IMAGE002
但是
Figure 719610DEST_PATH_IMAGE003
Figure 986643DEST_PATH_IMAGE004
以所关注的特征点的主点位置坐标为原点的拍摄画面上的坐标。
r ij ：主点位置坐标和
Figure 811642DEST_PATH_IMAGE005
之间的距离。
c：画面距离（焦点距离）
（Xj，Yj，Zj）：所关注的特征点的三维坐标
（xij，yij）：图像i上的点j的图像上的坐标
（X0i，Y0i，Z0i）：照相i的拍摄时的相机201的位置
（a11i~a33i）：示出照相i的拍摄时的相机201的姿势的旋转矩阵
（△xij，△yij）：与内部标定要素有关的修正量
（xp，yp）：主点位置坐标
（k1~k3）：辐照方向的畸变参数
（p1~p2）：切线方向的畸变参数。
[数学式2]
Figure 480521DEST_PATH_IMAGE006
（Xpi，Ypi，Zpi）：拍摄图像i的时刻的反射棱镜202的位置
（Lx，Ly，Lz）：相机位置（投影中心）与反射棱镜反射点的间隔距离。
[数学式3]
Figure 473885DEST_PATH_IMAGE007
（XGj，YGj，ZGj）：发射台220的位置。
在上述的数学式1中，关于（Xj，Yj，Zj）的初始值，使用在上述的绝对标定中获得的三维模型（绝对坐标系上的三维模型）中的特征点的三维坐标。关于（X0i，Y0i，Z0i）的初始值，使用在绝对标定中获得的三维模型中的相机201的位置。关于（a11i~a33i）的初始值，使用在绝对标定中获得的三维模型中的示出相机201的姿势的旋转矩阵的值。关于（Xpi，Ypi，Zpi），使用在飞行开始前的UAV 200被设置在发射台220上的状态下测位的反射棱镜202的位置数据。
在此，作为（Xj，Yj，Zj），不仅是从拍摄图像中提取的特征点，还可以进一步使用发射台220（目标显示224）的三维坐标。在这种情况下，（xij，yij）成为图像i上的发射台220（目标显示224）的图像上的坐标。发射台220（目标显示224）在UAV 200的飞行开始前被由TS100精密地测位。在观测点中虽说为一个，但是通过包括位置精度高的点，能够获得抑制计算误差的效果。
数学式1是用于进行束调整计算的观测方程式。在束调整计算中，基于对测定对象物的特征点、图像上的点、投影中心的这三个点进行连结的光束（束）必须在同一直线上这一共线条件，对于各图像按每图像一条光束来设立数学式1的观测方程，通过最小二乘法来进行特征点的坐标（Xj，Yj，Zj）和相机201的外部标定要素的参数（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）以及内部标定要素的参数（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）的同时调整。
数学式2是用于进行将相机201和反射棱镜202的位置的偏离纳入考虑的调整计算的观测方程式。（Lx，Ly，Lz）是决定固定于UAV 200的坐标系中的相机201和反射棱镜202的位置关系（偏移关系）的已知参数。
数学式3是将发射台220的位置（XGj，YGj，ZGj）设为基准点（标定点）、对特征点的坐标（Xj，Yj，Zj）进行约束的式子。特征点的坐标（Xj，Yj，Zj）是使用相互标定和绝对标定通过计算求出的值，包括有误差。另一方面，发射台220的位置（XGj，YGj，ZGj）是由TS 100精密地测位的。因此，关于各特征点，求出成为如下的（Xj，Yj，Zj）：进行数学式3的计算而其残差充分小或者与前次的计算的残差的变动充分小（计算结果的变动收敛的状态）。由此，降低特征点的位置的误差，将其反映到同时计算的数学式1和数学式2，能够提高相机201的外部标定要素（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）和内部标定要素（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）的精度。
在使用数学式1至数学式3的调整计算中，将特征点（Xj，Yj，Zj）和相机201的外部标定要素（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i（示出姿势的旋转矩阵））以及内部标定要素（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）设为参数，计算数学式1至数学式3的残差。此时，通过最小二乘法探索使上述的残差收敛那样的（Xj，Yj，Zj）、（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）、（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）的组合。具体地，以由数学式1至数学式3示出的残差变小的方式重复进行如下：对各参数（Xj，Yj，Zj）、（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）、（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）添加修正量并同时进行数学式1至数学式3的计算。而且求出使数学式1至数学式3满足收敛条件的未知参数（Xj，Yj，Zj）、（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）、（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）的组合。作为收敛条件，使用如下：残差充分小，与前次的计算的残差的变动充分小（计算结果的变动收敛的状态）。
（优越性/其它）
在上述的方法中，通过将发射台220作为设置于航空照相测量的对象（例如地表）处的标定点使用，从而成为能够不利用以往使用的标定用目标而进行高精度的航空照相测量。在本技术中，发射台220的位置的确定是通过在UAV 200的飞行开始前的阶段进行的利用TS100对反射棱镜202的测位来进行的。此时的测位是与UAV 200的追迹和测位有关的处理的一环，而不是将发射台220设为直接的对象的测位作业。因此，不增添用于确定发射台220的位置的时间耗费。另外，设置发射台220的位置是任意的，不需要用于决定发射台220的位置的多余作业。
本技术并不是排除以往以来进行的标定用目标的利用的技术。因此，在本技术中，在地表配置标定用目标并进一步添加针对从图像提取的特征点的约束条件也是可能的。在这种情况下，作为数学式3中的（XGj，YGj，ZGj）除了发射台220的位置（XG1，YG1，ZG1）之外还使用标定用目标（XGj，YGj，ZGj）（j=2，3，4…）的位置进行调整计算。
（硬件结构）
图4中示出进行上述的（1）相互标定、（2）绝对标定、（3）调整计算的测量数据处理装置400的框图。测量数据处理装置400作为计算机起作用。测量数据处理装置400是使用PC（个人计算机）和/或WS（工作站）构成的。
也可以利用专用电子电路构成测量数据处理装置400。例如，也可以使用FPGA等电子电路来构成测量数据处理装置400的部分或全部。在使用PC和/或WS构成测量数据处理装置400的情况下，用户使用该PC和/或WS的用户接口（GUI（图形用户接口）等）进行测量数据处理装置400的操作。测量数据处理装置400具备测位数据受理部300、图像数据受理部301、相互标定部302、绝对标定部303、调整计算执行部304、约束点取得部305、处理控制部308、三维模型制作部309、通信部310、存储部311、标定点提取部312。
测位数据受理部300受理TS 100测位的UAV 200的位置数据（反射棱镜202的位置数据）。该位置数据是飞行开始前的发射台220上的反射棱镜202的位置以及在拍摄图像i的时刻反射棱镜202在绝对坐标系中的位置（Xpi，Ypi，Zpi）。
图像数据受理部301受理相机201拍摄的图像的图像数据。该图像数据是在与拍摄时刻、在拍摄时刻时搭载于UAV 200的IMU的数据（UAV 200的姿势数据）相关联的状态下由图像数据受理部301受理的。由于UAV 200中的相机201的外部标定要素（相机201相对于UAV200的姿势和位置）是已知的，因此如果知道UAV 200的姿势，则还知道此时的相机201的姿势。
相互标定部302从图像数据受理部301受理的图像数据中提取拍摄有重复的对象的多个图像，以其为对象进行前述的相互标定。在该处理中，制作其中确定了从被连续地拍摄有多张的各图像提取的多个特征点与拍摄各图像的相机201的外部标定要素的相对关系的相对三维模型，计算与各图像对应的相机的相对外部标定要素。此外，在上述的相互标定时，也可以使用发射台220的位置作为约束点。
绝对标定部303使用在相互标定部302中进行的相互标定的结果来进行上述的绝对标定。在该处理中，将在利用相互标定获得的相对三维模型中的相机201的移动路径S与TS 100追尾得到的UAV 200（反射棱镜202）的移动路径S'进行比较，以移动路径S与移动路径S'之差成为最小的方式进行相对三维模型的比例尺调整、平行移动、旋转移动。在上述的差成为最小的阶段中，对相对三维模型给出实际刻度，还决定在绝对坐标系（记述移动路径S的绝对坐标系）中的朝向。此外，在上述的绝对标定时，也可以使用发射台220的位置作为约束点。
调整计算执行部304进行使用数学式1~数学式3的调整计算的处理。在该处理中，同时进行数学式1的束调整计算、数学式2的使起因于相机201的位置和反射棱镜202的位置的差异的误差最小化的调整计算、以及与数学式3的约束条件有关的计算，对从图像中提取的特征点的三维坐标、与各图像对应的相机201的外部标定要素和内部标定要素进行最优化。
约束点取得部305取得反射台220（目标显示224）在拍摄图像中的位置和在绝对坐标系上的位置。反射台220（目标显示224）的位置是如以下那样取得的。首先，在飞行开始前的状态下通过TS 100计量设置在发射台220上的UAV 200的反射棱镜202在绝对坐标系中的位置。由于在UAV 200被设置于发射台220上的状态下反射棱镜202和反射台220（目标显示224）的位置关系是已知的，因此通过判定设置在发射台220上的UAV 200的反射棱镜202的位置来算出反射台220（目标显示224）的位置。由约束点取得部305进行该处理以及其结果的取得。
处理控制部308控制由测量数据处理装置400进行的处理的过程或定时。处理控制部308的功能由构成测量数据处理装置400的硬件（例如，PC或WS）所具备的CPU来承担。三维模型制作部309使用进行调整计算的结果所得到特征点的三维坐标来进行基于相机201拍摄的图像的三维模型的制作。关于基于图像的三维模型的制作，例如在特开WO2011/070927号公报、特开2012-230594号公报、特开2014-35702号公报等中进行了记载。
通信部310进行与外部机器间的通信。在使用PC和/或WS构成测量数据处理装置400的情况下，通信部310是利用所利用的PC和/或WS的接口功能和/或通信功能构成的。存储部311存储测量数据处理装置400的动作所需要的程序和/或数据、测量数据处理装置400的动作的结果所得到的数据等。在使用PC和/或WC构成测量数据处理装置400的情况下，作为存储部311，利用所利用的PC和/或WS的半导体存储器和/或硬盘装置。
标定点提取部312进行如下：从图像中提取作为标定点利用的特征点以及提取发射台220（目标显示224）。使用如下技术来进行特征点的提取：使用索贝尔滤波器或高斯滤波器等的从图像中提取特征点的技术。使用公知的图像识别技术进行发射台220的提取。
（处理的过程的一个示例）
图7是示出在测量数据处理装置400中进行的处理的一个示例的流程图。执行图7的处理的程序被存储在测量数据处理装置400的存储部311中，被处理控制部308执行。该程序也可以被存储于适当的存储介质而作为被从该存储介质提供的形态。
首先，将UAV 200设置在发射台220上（步骤S101）。此时，利用位置决定部221、222，使得成为UAV 200相对于发射台220的姿势和位置被预先决定的关系。此外，在此设为是对位置和姿势是在绝对坐标系上的情况来进行处理。
接着，在开始飞行之前的阶段，利用TS 100进行UAV 200的测位（步骤S102）。此外，使用TS 100被设置在已知的位置、姿势的基准已被确定的状态的情形。例如，TS 100的位置的经度、纬度、自平均海平面起的高度被预先确定，另外关于TS 100的光轴的朝向，预先决定为利用自水平平面起的仰角或俯角、以从竖直上方方向看到的北为基准的顺时针方向的角度来进行计量。在步骤S102的作业中，利用TS 100进行反射棱镜202的测位。由于UAV 200的位置（例如IMU的位置或重心的位置）、反射棱镜202的反射中心的位置、相机201的投影中心（光学原点）的位置的关系是预先已知的信息，因此通过步骤S102的作业来判明UAV 200和相机201的位置。
如果求出UAV 200的位置，则取得发射台220的位置（在该示例中目标显示224的中心的位置）（步骤S103）。在约束点取得部305中进行该处理。
如以下那样求出发射台220的位置。在该阶段中，利用TS 100计量发射台220上的UAV 200的位置。在此，UAV 200的位置与发射台220的姿势和位置的关系在步骤S101中被确定，是已知的信息。因此，基于在步骤S102中获得的UAV 200的位置数据来求出发射台220的位置。
另外，也可以如以下那样考虑。首先，在步骤S101中，确定反射棱镜202的位置。在此，反射棱镜202的位置和发射台220的位置（目标显示224的中心的位置）间的关系被确定，是已知的信息。因此，通过获得置于发射台220上的UAV 200的反射棱镜202的位置信息，从而能够求出发射台220的位置。
接着，开始UAV 200的飞行，进行使用相机201的对航空照相测量的对象（地表或建筑构造物等）的空摄（步骤S104）。此时，利用TS 100继续进行飞行中的UAV 200的追尾和测位。另外，使得为在拍摄的照相图像中包括多张拍照有发射台220的图像。
如果空摄结束，则取得相机201拍摄的图像数据和TS 100的与UAV 200有关的测位数据（步骤S105）。此外，也可以在该阶段中受理UAV 200的飞行开始前的阶段的测位数据（发射台220上的UAV 200的测位数据）。如果取得图像数据和测位数据，则对相机201拍摄的照相图像、其拍摄时刻、在该拍摄时刻TS 100测位的UAV 200的位置的数据进行关联，并将其存储在存储部311。
接着进行如下（步骤S106）：从空摄图像中提取特征点以及提取发射台220（目标显示224）。在标定点提取部312中进行该处理。
接着进行如下（步骤S107）：基于从UAV 200拍摄的图像制作无刻度的三维模型（相对三维模型）。在相互标定部302中进行该处理。在该处理中，利用图2的原理，进行利用标定点Pj的拍摄对象的相对三维模型的制作。在此，作为标定点Pj，虽然可使用从图像中提取的特征点，但是除此之外也可以利用发射台220。在该处理中进行相互标定，求出与各图像对应的相机201的相对外部标定要素。
接着，以在步骤S107中制作的相对三维模型中的相机201的移动路径S匹配于TS100测位的反射棱镜202的移动路径S’的方式进行相对三维模型的比例尺调整、平行移动、旋转移动。通过该处理而针对相对三维模型实施对于反射棱镜202的位置的坐标变换，对相对三维模型给出实际刻度（步骤S108）。在绝对标定部303中进行该处理。
通过步骤S108的处理，在步骤107中制作的相对三维模型成为在绝对坐标系上记述的三维模型，获得各图像的特征点在绝对坐标系中的三维坐标（Xj，Yj，Zj）以及与图像i对应的相机的在绝对坐标系中的外部标定要素（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）。此外，在该处理中，也可以使用发射台220的位置作为约束条件。
接着进行调整计算（步骤S109）。在调整计算执行部304中进行该处理。在该处理中，通过计算数学式1至数学式3的最小二乘解来进行（Xj，Yj，Zj）、（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）、（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）的最优化。在此，进行步骤S110的判定，在满足收敛条件的情况下结束处理，确定特征点的三维坐标（Xj，Yj，Zj）、外部标定要素（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）、以及内部标定要素（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）的值。在不满足收敛条件的情况下，更新未知参数（（Xj，Yj，Zj）、（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）、（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2））（步骤S111），再次进行调整计算。实际上，多次重复进行未知参数的更新，在满足收敛条件的阶段确定（Xj，Yj，Zj）、（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）、（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）的值。
（总结）
通过相互标定来制作对相机201的移动路径S进行记述的相对三维模型。另一方面，由TS 100对UAV 200搭载的反射棱镜202进行测位，将其在绝对坐标系上的移动路径S’确定为实测值。
在相互标定之后进行绝对标定。在绝对标定中，以相对三维模型上的移动路径S匹配于在绝对坐标系上的实测值即移动路径S’的方式进行相对三维模型的比例尺调整、平行移动、旋转。通过在绝对坐标系上移动路径S匹配于移动路径S’，从而给出在相互标定中获得的相对三维模型在绝对坐标系上的朝向和实际刻度。
在绝对标定之后，同时进行数学式1至数学式3的调整计算，进行拍摄对象的特征点的三维坐标（Xj，Yj，Zj）、相机201的外部标定要素（X0i，Y0i，Z0i，a11i~a33i）和内部标定要素（c，xp，yp，k1~k3，p1~p2）的最优化。此时，通过与数学式1的束调整计算同时地同时进行数学式2的调整计算，从而降低起因于相机201和反射棱镜202的位置的偏离的对于各参数的误差的影响。除此之外，通过同时进行与使用发射台220的位置数据的数学式3的约束条件有关的调整计算，从而能够使数学式1至数学式3快速地收敛，另外能够获得高的计算精度。
另外，本技术具有能够不使用预先确定了位置的多个标定点（标定用目标）而制作测量对象的三维模型的优越性。另一方面，由于不使用预先确定了位置的多个标定点，因此存在如下情况：存在测量现场固有的参数的偏差或误差因素。在使用固定的内部标定要素的情况下，上述的偏差或误差因素对调整计算（束调整）给出不良的影响。与此相对，在本技术中，不固定内部标定要素，将内部标定要素也包括在内地进行调整计算，因此能够抑制上述的不良影响。
（其它）
虽然在图1中示出了物理地决定UAV 200相对于发射台220的姿势和位置的部件（位置决定部221、222），但是替代该部件或者除了该部件之外，还可以对发射台220给予决定UAV200相对于发射台220的姿势和位置的显示。在这种情况下，以该显示为大致标准来进行UAV200对于发射台220的设置。
在UAV 200的形状为相对于中心轴对称、反射棱镜被配置在该中心轴上并将UAV200设置于发射台220的状态下，在UAV 200的中心轴与发射台220的中心（目标显示224的中心）一致的情况下，不问及在设置状态下的UAV 200相对于发射台220的姿势。
发射台220只要具有能够从空摄图像中识别出的目标显示功能即可。因此，也可以设为设有容易识别的形状或颜色而未设置目标显示224的构造。
符号的说明
100…TS（全站仪）、200…UAV、201…相机、202…反射棱镜、220…发射台、221…位置决定部、222…位置决定部、224、目标显示。

Claims (10)

1.一种设置有无人航空器的无人航空器的设置台，该无人航空器的设置台具备：
构成使用于航空照相测量的标定点的目标显示功能；以及
在确定了无人航空器在飞行前的阶段相对于所述目标显示功能的位置的状态下决定所述无人航空器相对于该设置台的位置的构造和/或显示。
2.根据权利要求1所述的无人航空器的设置台，其中所述无人航空器具备用于激光测位的反射目标，
在所述无人航空器搭载于该设置台的状态下，确定所述目标显示功能和所述反射目标的位置关系。
3.根据权利要求2所述的无人航空器的设置台，其中通过对所述反射目标的位置进行测位来确定该设置台的位置。
4.使用根据权利要求1至3中的任何一项所述的无人航空器的设置台的测量方法，所述测量方法具有：
测定所述无人航空器在被设置于所述设置台的状态下的位置的第一步骤；
基于所述第一步骤的结果确定所述设置台的位置的第二步骤；
从飞行中的所述无人航空器拍摄所述设置台和航空照相测量的对象的第三步骤；以及
基于在所述第二步骤中获得的所述设置台的位置和在所述第三步骤中获得的拍摄图像来计算测量对象的三维数据的第四步骤。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其中在将所述无人航空器设置在所述设置台上的状态下的所述无人航空器的位置与所述设置台的位置间的关系是预先确定的，
基于在被设置在所述设置台上的状态下测位的所述无人航空器的位置和所述确定的内容，进行所述设置台的位置的确定。
6.根据权利要求4或5所述的测量方法，其中在所述第四步骤中，将所述设置台作为标定点使用。
7.根据权利要求4至6中的任何一项所述的测量方法，其中在所述第四步骤中进行如下的调整计算：将所述设置台的位置设为约束点，对拍摄所述航空照相测量的对象的相机的外部标定要素和内部标定要素进行最优化。
8.一种测量装置，其具备：
位置数据受理部，受理在被设置于权利要求1至3中的任何一项记载的无人航空器的设置台的状态下的所述无人航空器的位置数据；
位置确定部，基于所述无人航空器的位置数据确定所述设置台的位置；
图像数据受理部，受理从飞行中的所述无人航空器拍摄所述设置台和航空照相测量的对象得到的图像的图像数据；以及
计算部，基于所述设置台的所述位置和所述图像数据进行所述航空照相测量的对象的三维数据的计算。
9.一种使用权利要求1至3中的任何一项记载的无人航空器的设置台的测量系统，该测量系统具有：
测定所述无人航空器在被设置于所述设置台的状态下的位置的部件；
基于所述无人航空器的位置确定所述设置台的位置的部件；
从飞行中的所述无人航空器拍摄所述设置台和航空照相测量的对象的部件；以及
基于所述设置台的所述位置和利用所述拍摄获得的拍摄图像来计算所述航空照相测量的对象的三维数据的部件。
10.一种读取到计算机来执行的程序，该程序使计算机执行如下：
受理在被设置于权利要求1至3中的任何一项记载的无人航空器的设置台的状态下的所述无人航空器的位置数据；
基于所述无人航空器的位置数据确定所述设置台的位置；
受理从飞行中的所述无人航空器拍摄所述设置台和航空照相测量的对象得到的图像的图像数据；以及
基于所述设置台的所述位置和利用所述拍摄获得的拍摄图像来进行所述航空照相测量的对象的三维数据的计算。
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