CN112240762B - 一种地面摄影测量数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地面摄影测量数据采集系统。所述地面摄影测量数据采集系统包括GNSS单元、车轮计距单元、拍摄单元、控制单元和底部设有车轮的推车单元；所述车轮计距单元通过车轮滚动圈数与车轮周长计算推车单元前进距离，并将结果发送给所述控制单元；所述控制单元用于接收所述车轮计距单元的前进距离的计算结果并与设定的前进距离A比较，以控制所述拍摄单元连续拍摄；所述控制单元根据GNSS单元发送的坐标位置及拍摄单元发送的影像数据整合并保存。与相关技术相比，本发明所提供的地面摄影测量数据采集系统可有效获得建筑物外立面清晰的结构及纹理影像信息，补充无人机倾斜摄影测量获取地面信息的不足，建模效果与精度可大大提高。

Description

一种地面摄影测量数据采集系统

技术领域

本发明涉及工程测量、摄影测量、倾斜摄影测量、三维实景建模等技术领域，尤其涉及一种地面摄影测量数据采集系统。

背景技术

倾斜摄影测量技术的快速发展，改变了传统人工建立三维模型的技术方式，大大提高了实景建模的效率，模型视觉效果也更加真实，具有真纹理、真坐标、真三维的特点。同时使得测绘行业的数据采集手段更加多样，提供的测绘基础地理信息数据也更丰富，倾斜摄影测量输出的实景三维模型成果可广泛应用于工程的三维设计、交通设计、国土规划、建筑三维设计、数字城市等。

由于常规倾斜摄影测量对地面影像数据的获取是通过无人机挂载多镜头倾斜云台相机对地面拍摄照片，即使设有倾斜镜头拍摄到建筑物外立面的纹理信息，但由于空中视角的倾斜相机有一定的视角局限，建筑物外立面与地面夹角小于90度的范围且离地距离越低的范围，纹理数据无法获得或获得的效果也较差。

另针对本案提及的方位名词，本领域技术人员解释如下：

水平面：指水平方向上的平面；

径向方向：指立柱杆的横截面的方向；

垂直方向：指与水平方向垂直，即立柱杆的高度方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地面摄影测量数据采集系统，用以补充靠近地面部分建筑物外立面的纹理信息，从而给实景建模提供了有效的数据支撑，以提高后续实景建模的效果。

本发明的技术方案是：一种地面摄影测量数据采集系统包括GNSS单元、车轮计距单元、拍摄单元、控制单元和底部设有车轮的推车单元；所述推车单元用于安装所述GNSS单元、车轮计距单元、拍摄单元和控制单元，且整体通过所述车轮移动；

所述车轮计距单元通过车轮滚动圈数与车轮周长计算推车单元前进距离，并将结果发送给所述控制单元；

所述控制单元中设置有预设前进距离A，所述控制单元用于接收所述车轮计距单元的前进距离的计算结果并与预设的前进距离A比较，以控制所述拍摄单元连续拍摄；所述控制单元与所述GNSS单元信号连接；

所述GNSS单元用于接收控制单元的指令并计算连续拍摄中的每次拍摄的坐标位置，并将结果发送给控制单元；

所述控制单元将GNSS单元发送的坐标位置及拍摄单元发送的影像数据整合并保存。

GNSS(Global Navigation Satellite System)单元指全球卫星导航系统。

上述方案中，采集系统车轮计距单元计算行驶距离是为了保证拍摄单元在前后两次曝光获取的影像数据的重叠度，以满足倾斜数据测量数据采集要求，并通过GNSS单元计算拍摄时刻的三维坐标位置，采集建筑物外立面的精细影像数据，弥补无人机倾斜摄影地表数据的不足，通过控制单元将采集的数据整合并保存，便于后期利用该数据构建地表部分建筑物外立面精细化实景三维模型。

优选的，所述推车单元包括立柱杆；所述拍摄单元包括上层相机和下层相机，所述上层相机设于所述推车单元的上端，且所述上层相机相对于水平面向下倾斜；所述下层相机设于所述推车单元的下端，且所述下层相机相对于水平面向上倾斜。

推车单元采用立柱杆安装GNSS单元和拍摄单元，一方面，可以将该两个单元支撑于一定的高度上，另一方面，可以减轻推车单元的自身重量，让支撑平台承载放置控制单元和供电单元的重量。

拍摄单元分成上下两层分布的结构，上下两层的相机均距离地面一定高度距离值，能够进一步的满足摄影测量学中重叠度、分辨率、拍摄范围等基本原理。

另外，将相机相对于水平面倾斜设置，能够适应建筑物外立面与地面夹角小于90度的范围内，建筑物外立面的精细影像数据的采集。相机摆放的位置及各个方向夹角需要特别规定，以便满足倾斜摄影测量的数据采集要求，形成有效数据，参与建模计算，因此，进行了以下的进一步优化：

所述上层相机的倾斜角度为0-60度，所述下层相机的倾斜角度为5-45度。

所述上层相机和下层相机的数量为两个，分别通过相机支架连接于所述立柱杆上，安装上层相机的两个相机支架之间设有夹角α，安装下层相机的两个相机支架之间设有夹角β。

夹角α＝夹角β＝30-150度。

上述夹角值是经过反复数据采集和建模计算得出的最佳范围值，相机处于该角度值内能够在倾斜摄影测量获取建筑物外立面的精细化影像数据上给予更大的帮助，建模效果和精度更高。

夹角α、夹角β、倾斜角度γ和倾斜角度δ的设定均为了保证相机在拍摄时满足倾斜摄影测量数据采集的基本原理，即影像数据满足一定的“航向”及“旁向”重叠度，进而满足建模要求。

优选的，所述上层相机和下层相机均与所述相机支架铰接。铰接的结构能够实现相机倾斜角度的调整，以满足实际不同场景的数据采集。

优选的，所述夹角α的大小通过安装上层相机的两个相机支架沿所述立柱杆的径向方向可调；所述夹角β的大小通过安装下层相机的两个相机支架沿所述立柱杆的径向方向可调。

夹角α和夹角β的大小可调，以满足实际不同场景的数据采集。

优选的，所述上层相机和下层相机能分别相对于所述立柱杆实现高度调节。高度调节以适用于不同的场景的地面测量数据采集中摄影测量学中的要求。

优选的，所述车轮包括两个前轮和一个后轮，两个所述前轮为定向轮，所述后轮为万向轮，所述车轮计距单元设于两个所述前轮之间。

推车单元由前二后一共三个车轮支撑，前轮的定向轮可有效计算拍摄距离，后轮的万向轮可实现360度转向。

优选的，所述GNSS单元、拍摄单元和控制单元均位于所述推车单元靠近前轮的一端。

该结构设置使采集系统在前进过程中转向平缓不灵活，一方面便于数据的连续性采集，另一方面利于影像数据的设计重叠度得到充分保障。

与相关技术相比，本发明的有益效果为：

一、结构简单、操作便捷，可有效获得建筑物外立面清晰的结构及纹理影像数据信息，与倾斜摄影测量无人机获取的地面影像进行融合建模，补充无人机倾斜摄影测量获取地面信息的不足，建模效果与精度可大大提高；

二、提高了外业数据采集机械化工作的效率，节省劳动成本，降低人工采集复杂程度及错误率，同时，机械化、自动化的采集手段，更加能够保证数据采集的角度、重叠度、关键位置等拍摄要素，便于内业数据处理；

三、建立的实景模型效果更加的真实完整，提供的成果既有真实清晰的效果，又有准确可靠的地理坐标信息，服务于三维设计平台，可广泛应用于建筑设计、交通设计、城市规划等工程领域中。

附图说明

图1为本发明提供的地面摄影测量数据采集系统的结构示意图；

图2为图1中的A向视图；

图3为沿图1的B-B剖视示意图；

图4为沿图1的C-C剖视示意图；

图5为在水平方向上同一层的两个相机拍摄建筑物外立面的局部显示的示意图；

图6为在垂直方向上的上下两层相机拍摄建筑物外立面的局部显示的示意图。

附图中：1-GNSS单元、2-上层相机、3-立柱杆、4-下层相机、5-底部固定支架、6-控制单元、7-供电单元、8-前轮、9-后轮、10-推车支架、11-车轮计距单元、12-支撑平台、13-开关、14-拍摄单元、15-推车单元、16-相机支架。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1、2所示，本实施例提供的一种地面摄影测量数据采集系统包括GNSS单元1、车轮计距单元11、拍摄单元14、控制单元6、供电单元7和推车单元15。

所述推车单元15为整体采集系统的承载平台，为所有单元提供支撑。所述推车单元15包括支撑平台12、底部固定支架5、推车支架10、立柱杆3和车轮(两个前轮8和一个后轮9)。

所述推车单元15为可移动式推车，能够方便在某些街道、巷道、道路等比较窄的路面上，汽车等稍大型设备无法进入的情况下，使地面摄影测量数据采集系统的可作业范围更加广泛，不受具体现场硬性条件限制。

所述支撑平台12为平板状结构，其底部的一端设有两个前轮8，为前进方向的前端，另一端设有一个后轮9，采用前二后一分布，前面两个为定向轮，后面一个为万向轮。所述车轮计距单元11设置在两个前轮8之间，所述车轮计距单元11通过前轮8滚动圈数与前轮8的周长计算推车前进距离，类似于汽车的里程数计算。计算行驶距离是为了保证4台相机中每台相机自身在前后两次曝光获取的影像数据的重叠度满足倾斜数据测量数据采集要求，类似于无人机倾斜摄影测量中航线规划的“航向重叠度”。所述车轮计距单元11将结果通过传输线传输给控制单元6。推车前进距离的计算需要根据相机CCD尺寸、焦距、像素分辨率及相机布设位置角度而定，是利用摄影测量原理控制拍摄影像航向重叠度的一个指标，以便拍摄的影像能够满足倾斜摄影测量的空中三角测量计算要求。

所述推车支架10固定于所述支撑平台12远离底部固定支架5的一端，所述推车支架10方便移动整个采集系统。

所述底部固定支架5设置在支撑平台12的上端并靠近前轮8侧设置。所述底部固定支架5用于固定控制单元6、供电单元7和立柱杆3，以减少这些设备在支撑平台12上的位移，进而保证数据采集的准确度。

所述控制单元6为小型计算机与控制软件集成，有计算能力并植入控制程序，通过控制程序预设推车前进距离A，同时控制拍摄单元14拍照，且控制单元连接GNSS单元，记录每次拍摄照片时刻的位置。

所述供电单元7为整体采集系统提供统一供电，所述供电单元7包括供电电瓶和启动、关闭整个采集系统的工作运行的开关13。

所述立柱杆3的底端与底部固定支架5相连，所述立柱杆3的顶端固定所述GNSS单元1。在本实施例中，所述立柱杆3为空心杆，能够减轻自身重量。

所述GNSS单元1为卫星定位接收机，通过连接GPS、GLONASS、北斗等多种卫星信号，计算坐标位置，对整体采集系统进行定位。所述GNSS单元1为了给每次曝光的影像数据赋予准确坐标及高程值，便于影像数据的定位，提高内业空三计算效率与准确率。

所述拍摄单元14包括两个上层相机2和两个下层相机4。相机的摆放位置及各个方向夹角需要特别规定，以便满足倾斜摄影测量的数据采集要求，形成有效数据，参与建模计算，具体为：所述上层相机2设于所述立柱杆3的上端，且所述上层相机2相对于水平面向下倾斜，该倾斜角度γ为0-60度(如图6所示)。所述下层相机4设于所述立柱杆3的下端，且所述下层相机4相对于水平面向上倾斜，该倾斜角度δ为5-45度(如图6所示)。

如图2、3、4所示，两个所述上层相机2分别与相机支架16铰接，每个相机支架16与所述立柱杆3通过滑动接头连接。当所述滑动接头锁紧时，相机支架16与立柱杆3固定，当所述滑动接头拧松时，所述相机支架16带动相机相对于立柱杆3实现高度调节，调节的位置确定好后，再拧紧所述滑动接头。在具体的实施例中，所述滑动接头可采用螺栓与抱箍的组合结构实现。

上层相机2与所述相机支架16铰接的结构可使上层相机2实现倾斜角度γ的调整(如图6所示)，铰接方式可以通过铰接头和螺栓的固定方式。同样，两个所述下层相机4分别通过相机支架16与所述立柱杆3连接。下层相机4与所述相机支架16铰接，铰接的结构可使下层相机4实现倾斜角度δ的调整(如图6所示)。安装上层相机2的两个相机支架16之间设有夹角α(如图4、5所示)，安装下层相机4的两个相机支架16之间设有夹角β(如图3、5所示)。夹角α＝夹角β＝30～150度。

相机支架16在立柱杆3的同一个横截面上的安装位置为可调，以实现安装上层相机2的两个相机支架16之间的夹角α的大小通过相机支架16沿所述立柱杆3的径向方向可调；安装下层相机4的两个相机支架16之间的夹角β的大小通过相机支架16沿所述立柱杆3的径向方向可调。可以通过在立柱杆3的径向圆周上设置一个滑槽，相机支架16贯穿该滑槽再通过垫片与螺栓固定的方式实现可调。同层相机的两个相机支架16调节角度时，可以为该两个相机支架16等距的同时向外或向内调节，或不等距或不同时调节。

在本实施例中，所述上层相机2和下层相机4为单反相机。所述拍摄单元14由四台单反相机组成，上下两层两两分布，相互之间成一定夹角，且上下两层之间距离地面一定高度距离值，以满足摄影测量学中重叠度、分辨率、拍摄范围等基本原理，受控制单元统一拍摄指令对地表建筑物外立面进行连续拍摄。这种上下两层两两分布同时也是为了充分获取建筑物外立面接近地表部分各个方位的影像数据，为倾斜摄影测量地表部分的建模提供更加精细的原始数据，这可以弥补无人机倾斜摄影测量装置采集的数据地表外立面部分的缺陷。

另外，需要说明的是本发明涉及到的摆放夹角及倾斜角度包含但并不仅限于本发明文字及图示部分，图5为上层相机2及下层相机4同一层上的两台相机夹角为90度时的布置图。图6为上层相机2和下层相机4同一垂直方向上的分布且上层相机2有一定向下倾斜角度，下层相机4有一定向上倾斜角度，无论水平及垂直方向上两两相机的倾斜角度都是为了保证相机在拍摄时满足倾斜摄影测量数据采集的基本原理即影像数据满足一定的“航向”及“旁向”重叠度，进而满足建模需求，拍摄过程重叠度的计算也需要与车轮计距单元进行衔接，重叠度的把握还需根据单反相机的焦距及CCD尺寸、像素分辨率等参数，软件控制，这部分内容满足倾斜摄影测量基本原理需求即可在本发明中不在赘述。

所述控制单元6对车轮计距单元11反馈的实时距离结合设定拍摄间距(预设的前进距离A)进行比较分析，当到达设定拍摄间距值时，控制单元6对四台相机发出拍照指令，使得四台相机同时曝光采集影像，获得建筑物外立面的多方位影像数据。所述控制单元6与GNSS单元1进行信号连接，所述控制单元6对GNSS模块进行访问读取，获得拍摄时刻的三维坐标位置信息储存到计算机中，使得最终的曝光次数与存储的GNSS定位的位置坐标个数一一对应。

所述GNSS模块单元1通过连接千寻基站、CORS基站、临时架设基站等获得差分信号进行差分GNSS定位，获得每一曝光处的准确位置，且GNSS高度设置值根据上下两组相机的具体位置进行准确归算，归算到上下两组相机各自曝光高度位置上，这样四组相机每次曝光的位置坐标便可以准确获得，且高程值都准确，便于对采集的影像数据进行准确定位，可提高后期建模计算效率与准确率。

如图1所示，立柱杆3及其上设置的各单元和支撑平台12上设置的各单元均靠近前轮8的一端，这种前置结构并结合后轮的360度转向功能，可以实现拍摄时相机的转向较为平缓，便于数据的连续性，另一方面更重要的是转向平缓可以有利于影像数据的设计重叠度得到充分保障。

所述地面摄影测量数据采集系统使用时，将该采集系统放置在路边距离建筑物3m-20m距离范围之内，打开启动开关13，在控制单元6上输入每次相机拍摄之间的距离值，推着采集系统沿道路方向与建筑物外墙一定距离向前行驶，在此期间相机便会根据设置的拍摄距离进行定距自动拍摄，获取全面的建筑物外立面信息。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种地面摄影测量数据采集系统，其特征在于，包括GNSS单元（1）、车轮计距单元（11）、拍摄单元（14）、控制单元（6）和底部设有车轮的推车单元（15）； 所述推车单元（15）用于安装所述GNSS单元（1）、车轮计距单元（11）、拍摄单元（14）和控制单元（6），且整体通过所述车轮移动；

所述车轮计距单元（11）通过车轮滚动圈数与车轮周长计算推车单元（15）前进距离，并将结果发送给所述控制单元（6）；

所述控制单元（6）中设置有预设前进距离A，所述控制单元（6）用于接收所述车轮计距单元（11）的前进距离的计算结果并与预设的前进距离A比较，以控制所述拍摄单元（14）连续拍摄；所述控制单元（6）与所述GNSS单元（1）信号连接；

所述GNSS单元（1）用于接收控制单元（6）的指令并计算连续拍摄中的每次拍摄的坐标位置，并将结果发送给控制单元（6）；

所述控制单元（6）将GNSS单元（1）发送的坐标位置及拍摄单元（14）发送的影像数据整合并保存；

所述推车单元（15）包括立柱杆（3）；所述拍摄单元（14）包括上层相机（2）和下层相机（4），所述上层相机（2）设于所述立柱杆（3）的上端，且所述上层相机（2）相对于水平面向下倾斜；所述下层相机（4）设于所述立柱杆（3）的下端，且所述下层相机（4）相对于水平面向上倾斜；所述GNSS单元（1）设于所述立柱杆（3）的顶端；所述上层相机（2）和下层相机（4）的数量为两个，分别通过相机支架（16）连接于所述立柱杆（3）上；安装上层相机（2）的两个相机支架（16）之间设有夹角α，安装下层相机（4）的两个相机支架（16）之间设有夹角β；

所述立柱杆（3）径向圆周上设置有滑槽，所述相机支架（16）贯穿所述滑槽再通过垫片和螺栓固定，以实现同层的两个相机支架（16）的等距的同时向外或向内的径向方向调节，或不等距或不同时的径向方向调节；

所述车轮包括两个前轮（8）和一个后轮（9），两个所述前轮（8）为定向轮，所述后轮（9）为万向轮，所述GNSS单元（1）、拍摄单元（14）和控制单元（6）均位于所述推车单元（15）靠近前轮（8）的一端。

2.根据权利要求1所述的地面摄影测量数据采集系统，其特征在于，所述上层相机（2）的倾斜角度γ为0-60度，所述下层相机（4）的倾斜角度δ为5-45度。

3.根据权利要求1所述的地面摄影测量数据采集系统，其特征在于，夹角α=夹角β=30-150度。

4.根据权利要求1所述的地面摄影测量数据采集系统，其特征在于，所述上层相机（2）和下层相机（4）均与所述相机支架（16）铰接。

5.根据权利要求1所述的地面摄影测量数据采集系统，其特征在于，所述上层相机（2）和下层相机（4）能分别相对于所述立柱杆（3）实现高度调节。

6.根据权利要求1所述的地面摄影测量数据采集系统，其特征在于，所述车轮计距单元（11）设于两个所述前轮（8）之间。

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