CN112489122A - 基于双目相机确定遮挡电子界址点gnss坐标的方法 - Google Patents

基于双目相机确定遮挡电子界址点gnss坐标的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双目相机确定遮挡电子界址点GNSS坐标的方法，能够快速确定遮挡环境下电子界址点GNSS坐标。通过引入视觉SLAM技术确定已知坐标电子界址点和未知坐标电子界址点的相对位姿，从而根据已知坐标电子界址点的坐标确定得到未知坐标电子界址点的GNSS坐标，此种方法有效地提高了作业效率，并能够保证精度。同时本发明设计了两种电子界址点，一种应用于GNSS信号良好环境，一种应用于无GNSS信号环境。

Description

基于双目相机确定遮挡电子界址点GNSS坐标的方法
技术领域：
本发明涉及视觉SLAM领域，尤其是涉及一种基于双目相机确定遮挡电子界址点GNSS坐标的方法。
技术背景：
界址点是宗地或权属界线的转折点，它是标定宗地权属界线的重要标志。在土地调查时，界址点应由宗地相邻双方指界人在现场共同认定，确认的界址点上要设置永久固定界标，进行编号，并精确测定其位置，以备日后界标被破坏时能用测量方法找准地界点或拐点。目前，我国土地调查过程中界址点的坐标确定主要使用GNSS技术和光学全站仪技术。GNSS易受到环境的干扰，如强磁环境和被物体遮挡，从而形成遮挡环境。而全站仪技术虽然测量精度高，但要求通视且架站费时，严重影响作业效率。我国幅员辽阔、地形复杂，土地调查时受到地形地貌等因素的影响，部分界址点坐标获取难度大。
发明内容：
本发明针对现有GNSS和全站仪技术确定遮挡环境下电子界址点坐标的不足，提供了一种基于双目相机的电子界址点GNSS坐标确定方法，通过引入视觉SLAM技术确定已知坐标电子界址点和未知坐标电子界址点的相对位姿，从而根据已知坐标电子界址点的坐标确定得到未知坐标电子界址点的GNSS坐标，此种方法有效地提高了作业效率，并能够保证精度。
一种基于双目相机确定遮挡电子界址点GNSS坐标的方法，包括以下步骤：
步骤A.在土地调查作业区域选择一个未遮挡且无电磁干扰的地方放置第一电子界址点，所述第一电子界址点包括GNSS/IMU定位板卡、RFID芯片，第一电子界址点的上表面为标定板，通过GNSS差分技术利用GNSS/IMU定位板卡确定得到标定板中心角点的GNSS坐标与位姿，再根据标定板各角点的几何关系，获得电子界址点上表面所有角点GNSS坐标，并存储于RFID，作为已知坐标电子界址点，然后进入步骤C；
步骤C.在土地调查作业区域的界址上放置第二电子界址点，所述第二电子界址点包括RFID芯片，第二电子界址点的上表面为标定板，作为未知坐标电子界址点，然后进入步骤D；
步骤D.将双目相机设于土地调查作业区域中，且双目相机的运动方向指向已知坐标电子界址点，并获得已知坐标电子界址点上表面所有角点在图像中像素的坐标，且通过RFID获取所有角点的GNSS坐标，然后进入步骤E；
步骤E.将双目相机进行移动或转向，直至识别到未知坐标电子界址点，停止对双目摄像头的控制，并获得未知坐标电子界址点上表面所有角点在图像中像素位置；在对所述双目相机的整个控制过程中，同时使用视觉SLAM算法，从而获得双目摄像机在世界坐标系下的位姿变化，然后进入步骤F；
步骤F.根据已知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素位置、未知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素位置、双目相机在世界坐标系下的位姿变化，获得已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标和未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，然后进入步骤G；
步骤G.根据已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标和未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，结合从已知坐标电子界址点RFID中获取的所有角点的GNSS坐标，确定未知坐标电子界址点上表面的角点的GNSS坐标，并存储到RFID中，即实现遮挡电子界址点的GNSS坐标确定与存储。
进一步地，所述步骤F中，根据公式(3)确定已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，通过公式(5)确定未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标：
Figure BDA0002733374790000021
其中，K为相机的内参数矩阵，Z为已知坐标电子界址点上表面角点在相机坐标系下的深度坐标，
Figure BDA0002733374790000022
f为相机的焦距，b为双目相机的基线长，d为视差；(u0,v0)为已知坐标电子界址点上表面角点在图像中的像素坐标；
Figure BDA0002733374790000023
为已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标；
Figure BDA0002733374790000024
其中，(R,t)为相机在世界坐标系下的位姿，(u1,v1)为未知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素坐标，
Figure BDA0002733374790000025
为未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标。
进一步地，所述步骤G中，根据公式(13)求得未知坐标电子界址点上表面角点的GNSS坐标为：
Figure BDA0002733374790000026
其中，m为已知坐标电子界址点中角点的个数，
Figure BDA0002733374790000027
WGS84坐标系下的向量变换到世界坐标系下的刚体变换，
Figure BDA0002733374790000028
为未知坐标电子界址点上表面角点的GNSS坐标，
Figure BDA0002733374790000029
为已知坐标电子界址点上表面角点的GNSS坐标，
Figure BDA00027333747900000210
为未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，
Figure BDA00027333747900000211
为已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标。
采用本发明的技术方案，具有以下技术效果：
本发明所设计的基于双目相机的电子界址点GNSS坐标确定方法，能够有效传递被遮挡环境下电子界址点的GNSS坐标，通过引入视觉SLAM技术确定已知坐标电子界址点和未知坐标电子界址点的相对位姿，从而获得遮挡环境下未知坐标电子界址点的GNSS坐标，此种方法提高了测量效率，并可以保证精度。
相比于传统的定位方案，视觉SLAM技术拥有较高的精确度和无可比拟的高效率。其主要依赖于视觉相机，通过对周围环境的感知，并将其作为后端算法优化的主要手段，进而来确定在空间中的精确位姿。其优势在于能够在较为复杂的环境下进行空间特征点的位姿计算，从而保证不受遮挡环境的影响，满足全采样的要求，公式(5)相对位姿求解未知未知坐标电子界址点世界坐标的数据，结果更加准确。公式(13)采用基于向量的ICP算法求解GNSS坐标，有效提高了精度，避免了变换矩阵中误差的影响。
在对实际的电子界址点坐标确定的过程中，需要首先提取出电子界址点特征点在图像中的确切像素坐标。考虑到视觉技术对于特征点的要求，选用视觉SLAM中的常用标定板作为标定物，通过角点检测算法检测出在图像中的准确位置，并根据已知坐标电子界址点的GNSS坐标和双目相机的相对位姿确定遮挡环境下未知坐标电子界址点的GNSS坐标。
附图说明：
图1为本发明设计一种遮挡环境下基于双目相机的电子界址点GNSS坐标确定方法的工作示意图。
图2为应用于GNSS信号良好环境的电子界址点示意图。
图3为应用于无GNSS信号环境的电子界址点示意图。
图4为实施例一的流程图。
具体实施方式：
下面通过具体实例进一步描述本发明。不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例一：
目前，我国土地调查过程中界址点的坐标确定主要使用GNSS技术和光学全站仪技术。GNSS易受到环境的干扰，如强磁环境和严重遮挡。而全站仪技术虽然测量精度高，但要求通视且架站费时，严重影响作业效率。我国幅员辽阔、地形复杂，土地调查时受到地形地貌等因素的影响，部分界址点坐标获取难度大。因此，本发明设计一种遮挡环境下基于双目相机的电子界址点GNSS坐标确定方法，工作示意图如图1所示。包括如下步骤：
步骤A.设计了一种应用于GNSS信号良好环境下的电子界址点，如图2所示。其核心模块包括GNSS/IMU定位板卡和RFID芯片，该电子界址点的上表面为标定板。GNSS/IMU定位板卡的主要功能是确定电子界址点的坐标与位姿，RFID芯片是存储该界址点的相关属性信息。然后进入步骤B；
步骤B.在土地调查作业区域选择一个未遮挡且无电磁干扰的地方放置步骤A中的电子界址点，并通过GNSS差分技术利用GNSS/IMU定位板卡确定得到标定板中心角点的GNSS坐标与位姿，再根据标定板各角点的几何关系，获得电子界址点上表面所有角点GNSS坐标，并存储于RFID，作为已知坐标电子界址点，实现GNSS坐标的传递；
步骤C.设计了一种应用于无GNSS信号环境的电子界址点，如图3所示。其核心模块包括RFID芯片，该电子界址点的上表面为标定板。RFID芯片是存储该界址点的相关属性信息，在土地调查作业区域的界址上放置一个步骤C中的电子界址点，作为未知坐标电子界址点。然后进入步骤D；
步骤D.然后将双目相机设于土地调查作业区域中，且双目相机的运动方向指向已知坐标电子界址点，并获得已知坐标电子界址点上表面所有角点在图像中像素的坐标，且通过RFID获取所有角点的GNSS坐标，再进入步骤E；
步骤E.针对双目相机进行移动或转向，直至识别到未知坐标电子界址点，停止对双目摄像头的控制，并获得未知坐标电子界址点上表面所有角点在图像中像素位置；
在上述对双目相机的整个控制过程中，同时使用视觉SLAM算法，从而获得双目摄像机在世界坐标系下的位姿变化；然后进入步骤F；
步骤F.根据已知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素位置、未知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素位置、双目相机在世界坐标系下的位姿变化，获得已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标和未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标。
上述步骤F中，根据已知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素位置、未知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素位置、双目摄像机在世界坐标系下的位姿变化，获得已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标和未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标；
首先根据如下公式：
Figure BDA0002733374790000041
其中，Z为已知坐标电子界址点上表面角点在相机坐标系下的深度坐标，
Figure BDA0002733374790000042
f为相机的焦距，b为双目相机的基线长，d为视差；(u0,v0)为该角点在图像中的像素坐标；
Figure BDA0002733374790000043
为该角点世界坐标系下的坐标；K为相机的内参数矩阵；(R,t)为相机在世界坐标系下的位姿。
初始时刻，相机坐标系和世界坐标系重合，即(R,t)＝(E,0)，则：
Figure BDA0002733374790000044
从而得到该角点在世界坐标系下的坐标：
Figure BDA0002733374790000051
该角点在世界坐标系下的坐标与WGS84坐标系下的GNSS坐标之间的关系为：
Figure BDA0002733374790000052
其中，
Figure BDA0002733374790000053
为WGS84坐标系下的点变换到世界坐标系下的刚体变换；
Figure BDA0002733374790000054
为该角点在WGS84坐标系下的GNSS坐标。
未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标
Figure BDA0002733374790000055
Figure BDA0002733374790000056
其中，(u1,v1)为未知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素坐标。
然后，进入步骤G。
步骤G.根据已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标和未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，结合从已知坐标电子界址点RFID中获取的所有角点的GNSS坐标，确定获得未知坐标电子界址点上表面的角点的GNSS坐标，并存储到RFID中，即实现遮挡环境下电子界址点的GNSS坐标解算与存储。上述步骤G中，根据已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标和及已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，结合已知坐标电子界址点上表面角点的GNSS坐标。考虑到直接使用点坐标的ICP算法其精度容易受到变换矩阵中误差的影响，采用基于向量的ICP算法：
Figure BDA0002733374790000057
Figure BDA0002733374790000058
Figure BDA0002733374790000059
其中，
Figure BDA00027333747900000510
WGS84坐标系下的向量变换到世界坐标系下的刚体变换；PG为WGS84坐标系下实际测量得到的GNSS坐标，
Figure BDA00027333747900000511
为其不含噪声的坐标，εG为其对应的输入噪声；Pw为世界坐标系下实际测量得到的坐标，
Figure BDA00027333747900000512
为其不含噪声的坐标，εw为其对应的输入噪声。
将式(7)和(8)代入式(6)中得到：
Figure BDA00027333747900000513
因为
Figure BDA00027333747900000514
可以得到：
Figure BDA0002733374790000061
Figure BDA0002733374790000062
使用式(6)来计算得到
Figure BDA0002733374790000063
是与测量噪声相关的。求得未知坐标电子界址点上表面角点的GNSS坐标
Figure BDA0002733374790000064
为：
Figure BDA0002733374790000065
其中，m为已知坐标电子界址点中角点的个数；
Figure BDA0002733374790000066
为已知坐标电子界址点WGS84坐标系下实际测量得到的GNSS坐标。
实施例一的技术方案，能够有效传递被遮挡环境下电子界址点的GNSS坐标，通过引入视觉SLAM技术确定已知坐标电子界址点和未知坐标电子界址点的相对位姿，从而获得遮挡环境下未知坐标电子界址点的GNSS坐标，此种方法提高了测量效率，并可以保证精度。
相比于传统的定位方案，视觉SLAM技术拥有较高的精确度和无可比拟的高效率。其主要依赖于视觉相机，通过对周围环境的感知，并将其作为后端算法优化的主要手段，进而来确定在空间中的精确位姿。其优势在于能够在较为复杂的环境下进行空间特征点的位姿计算，从而保证不受遮挡环境的影响，满足全采样的要求，公式(5)基于相对位姿求解未知未知坐标电子界址点世界坐标的数据，结果更加准确。公式(13)采用基于向量的ICP算法求解GNSS坐标，有效提高了精度，避免了变换矩阵中误差的影响。可以理解，本实施例并不限于有遮挡的未知坐标电子界址点的确定，对于无遮挡的未知坐标电子界址点的确定同样适用。
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 (3)

1.一种基于双目相机确定遮挡电子界址点GNSS坐标的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A.在土地调查作业区域选择一个未遮挡且无电磁干扰的地方放置第一电子界址点，所述第一电子界址点包括GNSS/IMU定位板卡、RFID芯片，第一电子界址点的上表面为标定板，通过GNSS差分技术利用GNSS/IMU定位板卡确定得到标定板中心角点的GNSS坐标与位姿，再根据标定板各角点的几何关系，获得电子界址点上表面所有角点GNSS坐标，并存储于RFID，作为已知坐标电子界址点，然后进入步骤C；
步骤C.在土地调查作业区域的界址上放置第二电子界址点，所述第二电子界址点包括RFID芯片，第二电子界址点的上表面为标定板，作为未知坐标电子界址点，然后进入步骤D；
步骤D.将双目相机设于土地调查作业区域中，且双目相机的运动方向指向已知坐标电子界址点，并获得已知坐标电子界址点上表面所有角点在图像中像素的坐标，且通过RFID获取所有角点的GNSS坐标，然后进入步骤E；
步骤E.将双目相机进行移动或转向，直至识别到未知坐标电子界址点，停止对双目摄像头的控制，并获得未知坐标电子界址点上表面所有角点在图像中像素位置；在对所述双目相机的整个控制过程中，同时使用视觉SLAM算法，从而获得双目摄像机在世界坐标系下的位姿变化，然后进入步骤F；
步骤F.根据已知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素位置、未知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素位置、双目相机在世界坐标系下的位姿变化，获得已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标和未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，然后进入步骤G；
步骤G.根据已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标和未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，结合从已知坐标电子界址点RFID中获取的所有角点的GNSS坐标，确定未知坐标电子界址点上表面的角点的GNSS坐标，并存储到RFID中，即实现遮挡电子界址点的GNSS坐标确定与存储。
2.根据权利要求1所述一种基于双目相机确定遮挡电子界址点GNSS坐标的方法，其特征在于，所述步骤F中，根据公式(3)确定已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，通过公式(5)确定未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标：
Figure FDA0002733374780000011
其中，K为相机的内参数矩阵，Z为已知坐标电子界址点上表面角点在相机坐标系下的深度坐标，
Figure FDA0002733374780000012
f为相机的焦距，b为双目相机的基线长，d为视差；(u0,v0)为已知坐标电子界址点上表面角点在图像中的像素坐标；
Figure FDA0002733374780000013
为已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标；
Figure FDA0002733374780000014
其中，(R,t)为相机在世界坐标系下的位姿，(u1,v1)为未知坐标电子界址点上表面角点在图像中像素坐标，
Figure FDA0002733374780000015
为未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标。
3.根据权利要求1所述一种遮挡环境下基于双目相机的电子界址点GNSS坐标确定方法，其特征在于：所述步骤G中，根据公式(13)求得未知坐标电子界址点上表面角点的GNSS坐标为：
Figure FDA0002733374780000021
其中，m为已知坐标电子界址点中角点的个数，
Figure FDA0002733374780000022
为WGS84坐标系下的向量变换到世界坐标系下的刚体变换，
Figure FDA0002733374780000023
为未知坐标电子界址点上表面角点的GNSS坐标，
Figure FDA0002733374780000024
为已知坐标电子界址点上表面角点的GNSS坐标，
Figure FDA0002733374780000025
为未知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标，
Figure FDA0002733374780000026
为已知坐标电子界址点上表面角点在世界坐标系下的坐标。
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