CN113050108B - 电子界址视觉测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子界址视觉测量系统及测量方法，该系统包括：相机，用于获取设定基准点和待测目标点的图片；激光测距仪，与相机连接，且激光光斑与相机的视场中心重合，用于测量相机与待测目标点的距离；转动控制模块，与相机连接，用于调节相机光轴方向；数据采集与控制处理模块，分别连接相机、激光测距仪和转动控制模块，用于测量相机光轴方向在设定当地坐标系下的矢量、采集图片信息和距离信息、根据图片信息生成相机光轴方向控制指令、以及根据图片信息和距离信息计算待测目标点在设定当地坐标系下的三维坐标。本发明的电子界址视觉测量系统及测量方法能够在卫星导航信号受限的复杂环境下进行电子界址测量，测量精度和效率高，使用方便。

Description

电子界址视觉测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及空间定位技术领域，尤其涉及一种电子界址视觉测量系统及测量方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，全球导航卫星系统包括全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、格洛纳斯(GLONASS)和伽利略卫星导航系统(Galileo Satellite Navigation System，GALILEO)。

随着卫星定位技术的快速发展，对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。目前使用最为广泛的高精度定位技术就是RTK(实时动态定位：Real-Time Kinematic)技术，RTK技术的关键在于使用了全球导航卫星系统(例如GPS或BDS)的载波相位观测量，并利用了参考站和移动站之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度(分米甚至厘米级)的定位，为工程放样、地形测图、各种控制测量带来了新的测量原理和方法，极大地提高了作业效率。

然而，由于卫星导航信号具有信号弱易受电磁干扰等固有缺点，现有的RTK测量仪在一些特殊的复杂环境下不能进行有效测量，复杂环境例如大型建筑物下的某些区域，在这些复杂环境下进行电子界址测量时，若采用RTK测量仪进行测量，则存在测量精度低，可靠性差等问题，若采用其他一些常规测量仪器如经纬仪或者全站仪，则存在测量效率低，测量便利性差等问题。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种电子界址视觉测量系统及测量方法。

第一方面，本发明公开了一种电子界址视觉测量系统，所述系统包括：

相机，所述相机用于获取设定基准点和待测目标点的图片；

激光测距仪，所述激光测距仪与所述相机连接，且所述激光测距仪的激光光斑与所述相机的视场中心重合，用于测量所述相机与所述待测目标点的距离；

转动控制模块，所述转动控制模块与所述相机连接，用于调节所述相机光轴方向；

数据采集与控制处理模块，所述数据采集与控制处理模块分别连接所述相机、所述激光测距仪和所述转动控制模块，用于测量所述相机光轴方向在设定当地坐标系下的矢量、采集图片信息和距离信息、根据所述图片信息生成相机光轴方向控制指令、以及根据所述图片信息和所述距离信息计算所述待测目标点在所述设定当地坐标系下的三维坐标。

进一步地，在所述电子界址视觉测量系统中，所述转动控制模块包括：安装支座、步进电机、第一控制板、无刷电机和第二控制板；

所述安装支座用于作为安装和支撑基础，所述步进电机安装在所述安装支座上，所述步进电机的输出端安装有所述第一控制板，所述第一控制板能够在所述步进电机的控制下水平转动，所述第一控制板上安装有所述无刷电机，所述无刷电机的输出端安装有所述第二控制板，所述第二控制板能够在所述无刷电机的控制下俯仰转动，所述相机安装在所述第二控制板上。

进一步地，在所述电子界址视觉测量系统中，所述激光测距仪包括四个，四个所述激光测距仪对称布置在所述相机的四周，两个所述激光测距仪布置在所述相机的左右两侧，两个所述激光测距仪布置在所述相机的上下两侧，位于左右两侧的两个所述激光测距仪的中心连线与位于上下两侧的两个所述激光测距仪的中心连线相互垂直且均通过所述相机中心。

进一步地，在所述电子界址视觉测量系统中，所述数据采集与控制处理模块包括：

数据采集子模块，所述数据采集子模块用于采集设定基准点的位置信息、所述相机获取的图片信息和所述激光测距仪获取的距离信息；

光轴方向测量子模块，所述光轴方向测量子模块用于测量所述相机光轴方向在所述设定当地坐标系下的矢量；

控制指令生成子模块，所述控制指令生成子模块用于根据所述待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息生成所述相机光轴方向控制指令，并发送至所述转动控制模块；

待测目标点位置计算子模块，所述待测目标点位置计算子模块用于根据所述设定基准点的位置信息、所述相机获取的图片信息和所述激光测距仪获取的距离信息，计算所述待测目标点在所述设定当地坐标系下的三维坐标。

第二方面，本发明还公开一种电子界址视觉测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1，选定两个位置已知的基准点作为第一设定基准点和第二设定基准点，将相机及激光测距仪置于第一设定基准点，在第二设定基准点放置标志；

S2，连续拍摄获取包括标志和待测目标点的若干个第一图片，确定每个第一图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对每个第一图片进行修正补偿，获取每个第一图片对应的图片水平线与当地水平面一致的第一参考图片；

S3，拍摄获取包括待测目标点的第二图片，确定第二图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角；

S4，根据待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，调节相机的光轴方向，以使待测目标点位于相机的视场中心；

S5，拍摄获取包括待测目标点的第三图片，确定第三图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对第三图片进行修正补偿，获取第三图片对应的图片水平线与当地水平面一致的第三参考图片，分别利用激光测距仪测量相机与待测目标点的距离，根据距离信息计算得到相机与待测目标点的距离精确值；

S6，通过第一参考图片获取待测目标点与第二设定基准点的偏航角和俯仰角信息，根据偏航角与俯仰角信息和相机与待测目标点的距离，计算待测目标点在设定当地坐标系下的三维坐标。

进一步地，在所述电子界址视觉测量方法中，步骤S2中，所述通过图像处理算法对每个第一图片进行修正补偿，包括：

设定：相机的视场角为M×N度，相机像元为p×q，相机像元分辨率为图片像元坐标为(x,y)，相机相对设定当地坐标系的俯仰角和滚动角分别为θ和φ；

利用公式一对第一图片进行修正补偿；

R_z表示图像旋转矩阵，x_r和y_r表示修正后的图片像元坐标。

进一步地，在所述电子界址视觉测量方法中，步骤S3中，所述通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，包括：

设定：相机的视场角为M×N度，相机像元为p×q，相机像元分辨率为图片像元坐标为(x,y)，相机相对设定当地坐标系的俯仰角和滚动角分别为θ和φ；

利用公式一对第二图片进行修正补偿；

R_z表示图像旋转矩阵，x_r和y_r表示修正后的图片像元坐标；

利用公式二确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角；

ψ和表示待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角。

进一步地，在所述电子界址视觉测量方法中，步骤S3中，所述通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，包括：

采用标定板对相机的像元角分辨率进行标定，使得角分辨率达到0.005度；

对第二图片进行修正补偿，获取第二图片中基准点与待测目标点直线像元数，并根据相机的像元角分辨率，计算待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息。

进一步地，在所述电子界址视觉测量方法中，步骤S4中，相机的光轴方向的调节方式包括开环粗控方式和闭环精控方式；

其中，开环粗控方式包括：

根据待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息，先对相机进行调水平，再依次对相机进行水平转动对准控制和俯仰转动对准控制，且每次控制均一次到位；

闭环精控方式包括以下步骤：

S41，确定待测目标点，根据待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息，基于公式五分别对相机进行水平转动和俯仰转动控制；

ψ和表示待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，u_x表示水平控制指令，u_y表示俯仰控制指令，k_x和k_xi表示水平控制系数，k_yi和k_y表示俯仰控制系数；

S42，获取新的包括待测目标点的第二图片，根据步骤S41中确定的待测目标点，匹配新第二图片的待测目标点，重新确定待测目标点在相机坐标下的方位角与俯仰角信息，基于公式五继续对相机进行水平转动和俯仰转动控制；

S43，再次获取新的包括待测目标点的第二图片，根据步骤S41中确定的待测目标点，匹配新第二图片的待测目标点，重新确定待测目标点在相机坐标下的方位角与俯仰角信息，基于公式五继续对相机进行水平转动和俯仰转动控制，直至方位角与俯仰角小于转动控制模块的转动分辨率时，结束控制过程。

进一步地，在所述电子界址视觉测量方法中，在相机的四周对称布置四个激光测距仪，两个激光测距仪布置在相机的左右两侧，两个激光测距仪布置在相机的上下两侧，位于左右两侧的两个激光测距仪的中心连线与位于上下两侧的两个激光测距仪的中心连线相互垂直且均通过相机中心；

设定：对第三图片进行修正补偿后，修正后的待测目标点的像元坐标为(x_c,y_c)，位于水平方向的两个激光测距仪测量的距离信息分别为l₁和l₂，位于垂直方向的两个激光测距仪测量的距离信息分别为l₃和l₄，位于水平方向的两个激光测距仪的间距为s_x，位于垂直方向的两个激光测距仪的间距为s_y，利用公式六或者公式八计算得到相机与待测目标点的距离精确值；

其中，l表示相机与待测目标点的距离精确值，α表示调节参数。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的电子界址视觉测量系统及测量方法考虑相机分辨率较高、图像处理方便等因素，基于图像处理技术，控制相机光轴对准目标点并用激光测距仪获取距离信息，从而确定目标点的三维位置，能够在卫星导航信号受限的复杂环境下进行电子界址测量，测量精度高，使用方便，测量效率高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的电子界址视觉测量系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例的相机与激光测距仪的安装关系示意图；

图3为本发明一实施例的RAM处理板的连接结构示意图；

图4为本发明一实施例的电子界址视觉测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

第一方面，参见图1，本发明一实施例提供了一种电子界址视觉测量系统，该系统包括：

相机，相机用于获取设定基准点和待测目标点的图片；

激光测距仪，激光测距仪与相机连接，且激光测距仪的激光光斑与相机的视场中心重合，用于测量相机与待测目标点的距离；

转动控制模块，转动控制模块与相机连接，用于调节相机光轴方向；

数据采集与控制处理模块，数据采集与控制处理模块分别连接相机、激光测距仪和转动控制模块，用于测量相机光轴方向在设定当地坐标系下的矢量、采集图片信息和距离信息、根据图片信息生成相机光轴方向控制指令、以及根据图片信息和距离信息计算待测目标点在设定当地坐标系下的三维坐标。

其中，为了便于进行目标点的测量，相机可以采用变焦相机。

具体地，本发明一实施例提供的电子界址视觉测量系统在使用时，针对要进行测量的目标点所处区域，先选定两个位置已知的基准点作为第一设定基准点和第二设定基准点，将相机及其上安装的激光测距仪置于第一设定基准点，在第二设定基准点放置标志；而后，连续拍摄获取包括标志和待测目标点的若干个第一图片，确定每个第一图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对每个第一图片进行修正补偿，获取每个第一图片对应的图片水平线与当地水平面一致的第一参考图片；而后，拍摄获取包括待测目标点的第二图片，确定第二图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角；而后，根据待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，调节相机的光轴方向，以使待测目标点位于相机的视场中心；而后，拍摄获取包括待测目标点的第三图片，确定第三图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对第三图片进行修正补偿，获取第三图片对应的图片水平线与当地水平面一致的第三参考图片，分别利用激光测距仪测量相机与待测目标点的距离，根据距离信息计算得到相机与待测目标点的距离精确值；最后，通过第一参考图片获取待测目标点与第二设定基准点的偏航角和俯仰角信息，根据偏航角与俯仰角信息和相机与待测目标点的距离精确值，计算待测目标点在设定当地坐标系下的三维坐标。

当需要确定其他的目标点在设定当地坐标系下的三维坐标，可以在上述设定的第一设定基准点、第二设定基准点和标志的基础上，重新拍摄获取包括相应目标点的第二图片，而后依次进行相应的步骤以确定相应目标点在设定当地坐标系下的三维坐标。

其中，可以采用GPS/BD-RTK测量仪来确定两个测量基准点的位置。

可选的，本发明一实施例中，转动控制模块包括：安装支座、步进电机、第一控制板、无刷电机和第二控制板；安装支座用于作为安装和支撑基础，步进电机安装在安装支座上，步进电机的输出端安装有第一控制板，第一控制板能够在步进电机的控制下水平转动，第一控制板上安装有无刷电机，无刷电机的输出端安装有第二控制板，第二控制板能够在无刷电机的控制下俯仰转动，相机安装在第二控制板上。

该转动控制模块在使用时，转动控制模块接收数据采集与控制处理模块传输的相机光轴方向控制指令，根据接收到的控制指令，步进电机的输出端控制第一控制板水平转动以带动第一控制板上安装的无刷电机、第二控制板和相机水平转动以调整相机的光轴方向，无刷电机的输出端控制第二控制板俯仰转动以带动第二控制板上安装的相机俯仰转动以调整相机的光轴方向，从而使待测目标点位于相机的视场中心。

进一步地，参见图2，激光测距仪包括四个，四个激光测距仪对称布置在相机的四周，两个激光测距仪布置在相机的左右两侧，两个激光测距仪布置在相机的上下两侧，位于左右两侧的两个激光测距仪的中心连线与位于上下两侧的两个激光测距仪的中心连线相互垂直且均通过相机中心。

其中，四个激光测距仪的激光光斑与相机的视场中心始终保持重合。

考虑到当采用包括步进电机和无刷电机的转动控制模块对相机的光轴方向进行调整时，由于步进电机和无刷电机的电机分辨率的影响，导致转动控制模块的转动角度控制精度可能低于图片像元分辨率，使得待测目标点不能精确位于相机的视场中心，从而导致激光测距仪获取的距离信息不能精确表示待测目标点与相机之间的距离。为此，本发明一实施例中，通过在相机的四周对称布置四个激光测距仪，利用四个激光测距仪进行距离测量，并对四个激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以提高待测目标点与相机之间的距离的测量精度。

同时，考虑到相机四周安装的激光测距仪与相机不可能重合安装；为此，本发明一实施例中，通过在相机的四周采用并行安装方式安装四个激光测距仪，即使：两个激光测距仪布置在相机的左右两侧，两个激光测距仪布置在相机的上下两侧，位于左右两侧的两个激光测距仪的中心连线与位于上下两侧的两个激光测距仪的中心连线相互垂直且均通过相机中心。如此设置，在测量待测目标点与相机之间的距离时，先利用标定方法获取激光测距仪与相机间的调节参数，而后根据四个激光测距仪的位置信息和距离信息、待测目标点的像元坐标和调节参数对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以进一步提高待测目标点与相机之间的距离的测量精度。

进一步地，本发明一实施例中，数据采集与控制处理模块包括：

数据采集子模块，数据采集子模块用于采集设定基准点的位置信息、相机获取的图片信息和激光测距仪获取的距离信息；

光轴方向测量子模块，光轴方向测量子模块用于测量相机光轴方向在设定当地坐标系下的矢量；

控制指令生成子模块，控制指令生成子模块用于根据待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息生成相机光轴方向控制指令，并发送至转动控制模块；

待测目标点位置计算子模块，待测目标点位置计算子模块用于根据设定基准点的位置信息、相机获取的图片信息和激光测距仪获取的距离信息，计算待测目标点在设定当地坐标系下的三维坐标。

可选的，本发明一实施例中，光轴方向测量子模块包括三个加速度计，三个加速度计的三轴与相机坐标系保持一致，以保证相机所获取的图片的x坐标和y坐标与当地水平方向和垂直方向一致。

参见图3，本发明一实施例中，数据采集与控制处理模块可以集成在RAM处理板，RAM处理板分别连接相机、激光测距仪、转动控制模块和GPS/BD-RTK测量仪。

进一步地，该电子界址视觉测量系统还可以包括PDA模块(Personal DigitalAssistant，掌上电脑)，PDA模块与集成有数据采集与控制处理模块的RAM处理板连接，用于接收并显示数据采集与控制处理模块针对待测目标点的计算结果。

可选的，为了方便该电子界址视觉测量系统的移动和使用，本发明一实施例中，该系统还可以包括三脚架，相机、激光测距仪、转动控制模块、集成有数据采集与控制处理模块的RAM处理板和PDA模块均可以安装在三脚架上。

第二方面，参见图4，本发明一实施例还提供了一种电子界址视觉测量方法，该方法包括以下步骤：

S1，选定两个位置已知的基准点作为第一设定基准点和第二设定基准点，将相机及多个激光测距仪置于第一设定基准点，在第二设定基准点放置标志；

S2，连续拍摄获取包括标志和待测目标点的若干个第一图片，确定每个第一图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对每个第一图片进行修正补偿，获取每个第一图片对应的图片水平线与当地水平面一致的第一参考图片；

S3，拍摄获取包括待测目标点的第二图片，确定第二图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角；

S4，根据待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，调节相机的光轴方向，以使待测目标点位于相机的视场中心；

S5，拍摄获取包括待测目标点的第三图片，确定第三图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对第三图片进行修正补偿，获取第三图片对应的图片水平线与当地水平面一致的第三参考图片，分别利用激光测距仪测量相机与待测目标点的距离，根据距离信息计算得到相机与待测目标点的距离精确值；

S6，通过第一参考图片获取待测目标点与第二设定基准点的偏航角和俯仰角信息，根据偏航角与俯仰角信息和相机与待测目标点的距离精确值，计算待测目标点在设定当地坐标系下的三维坐标。

其中，本发明一实施例提供的电子界址视觉测量方法可以利用上述的电子界址视觉测量系统实现，上述的电子界址视觉测量系统可以利用该电子界址视觉测量方法计算确定待测目标点在设定当地坐标系下的三维坐标。

设定当地坐标系例如可以为当地北天东坐标系或者大地坐标系。

以下对本发明一实施例提供的电子界址视觉测量方法的步骤及原理进行具体说明。

步骤S1中，可以采用GPS/BD-RTK测量仪来确定两个基准点的位置。

步骤S2中，由于该电子界址视觉测量系统的相机坐标系与加速度计的三轴一致，利用加速度计信息能够计算相机相对设定当地坐标系的俯仰角与滚动角，由此确定第一图片水平线与垂直线，以此作为矢量补偿依据。

步骤S2中，通过图像处理算法对每个第一图片进行修正补偿，可以包括：

设定：相机的视场角为M×N度，相机像元为p×q，相机像元分辨率为图片像元坐标为(x,y)，相机相对设定当地坐标系的俯仰角和滚动角分别为θ和φ；

利用公式一对第一图片进行修正补偿；

其中，R_z表示图像旋转矩阵，x_r和y_r表示修正后的图片像元坐标。

通过上述方式对图片进行修正补偿，能够获取图片对应的图片水平线与当地水平面一致的参考图片。

步骤S3中，通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，可以包括以下步骤S311-S312；

S311，设定：相机的视场角为M×N度，相机像元为p×q，相机像元分辨率为图片像元坐标为(x,y)，相机相对设定当地坐标系的俯仰角和滚动角分别为θ和φ；

利用公式一对第二图片进行修正补偿；

其中，R_z表示图像旋转矩阵，x_r和y_r表示修正后的图片像元坐标；

S312，利用公式二确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角；

其中，ψ和表示待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角。

上述的待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角的确定方式主要利用设定焦距下相机图片像元映射关系与待测目标点在图片中二维像元坐标来估计方位角与俯仰角信息，没有考虑相机焦距参数的影响，所计算的方位角与俯仰角精度相对较差。为此，基于上述方式计算确定的方位角和俯仰角可以用于相机的光轴方向的调节方式中的开环粗控。

进一步地，在采用变焦相机的基础上，为了提高方位角与俯仰角的计算精度，必须标定不同距离采用焦距参数的对应关系。

具体地，作为另一种示例，本发明一实施例中，步骤S3中，通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，可以包括以下步骤S321-S322；

S321，采用标定板对相机的像元角分辨率进行标定，使得角分辨率达到0.005度；

具体地，设定相机在短焦距f₀下的视场角为M×N度，相机像元为p×q，相机像元分辨率为相机在焦距f_i下的视场角为(M×N)_i度，相机像元分辨率为/>通过拟合方式，得到等效像元分辨率ρ_x×ρ_y与焦距f的经验公式：

其中，g(·)表示拟合函数；

S322，对第二图片进行修正补偿，获取第二图片中基准点与待测目标点直线像元数，并根据相机的像元角分辨率，计算待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息；

具体地，利用公式一对第二图片进行修正补偿，获取修正后的图片像元坐标(x_r,y_r)；

利用公式四计算待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息；

其中，ψ和表示待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，(x_r,y_r)表示修正后的图片像元坐标，ρ_x×ρ_y表示等效像元分辨率。

进一步地，本发明一实施例中，相机的光轴方向的调节方式包括开环粗控方式和闭环精控方式，开环粗空方式采用上述步骤S311-S312确定的待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息对相机的光轴方向进行调节控制，闭环精控方式采用上述步骤S321-S322确定的待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息对相机的光轴方向进行调节控制。

具体地，开环粗控方式包括：

根据待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息，先对相机进行调水平，再依次对相机进行水平转动对准控制和俯仰转动对准控制，且每次控制均一次到位。

闭环精控方式包括以下步骤S41-S43：

S41，确定待测目标点，根据待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息，基于公式五分别对相机进行水平转动和俯仰转动控制；

ψ和表示待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，u_x表示水平控制指令，u_y表示俯仰控制指令，k_x和k_xi表示水平控制系数，k_yi和k_y表示俯仰控制系数；

S42，获取新的包括待测目标点的第二图片，根据步骤S41中确定的待测目标点，匹配新第二图片的待测目标点，重新确定待测目标点在相机坐标下的方位角与俯仰角信息，基于公式五继续对相机进行水平转动和俯仰转动控制；

S43，再次获取新的包括待测目标点的第二图片，根据步骤S41中确定的待测目标点，匹配新第二图片的待测目标点，重新确定待测目标点在相机坐标下的方位角与俯仰角信息，基于公式五继续对相机进行水平转动和俯仰转动控制，直至方位角与俯仰角小于转动控制模块的转动分辨率时，结束控制过程。

进一步地，考虑到当采用包括步进电机和无刷电机的转动控制模块对相机的光轴方向进行调整时，由于步进电机和无刷电机的电机分辨率的影响，导致转动控制模块的转动角度控制精度可能低于图片像元分辨率，使得待测目标点不能精确位于相机的视场中心，从而导致激光测距仪获取的距离信息不能精确表示待测目标点与相机之间的距离。为此，本发明一实施例中，通过在相机的四周对称布置四个激光测距仪，利用四个激光测距仪进行距离测量，并对四个激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以提高待测目标点与相机之间的距离的测量精度。

具体地，基于设置的四个激光测距仪，设定四个激光测距仪测量的距离信息分别为l₁、l₂、l₃和l₄，可以利用公式六对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以得到相机与待测目标点的距离精确值；

l表示相机与待测目标点的距离精确值。

此外，考虑到可能出现的激光测距仪在测量时存在较大测量误差的情况，本发明一实施例中，当存在某个激光测距仪测量的距离信息与其余距离信息的差值均超过设定范围时，可以先将该距离信息剔除，再根据剔除后剩余的距离信息对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以得到相机与待测目标点的距离精确值。例如，l₁、l₂、l₃和l₄中，l₂与l₁、l₃和l₄的差值均超过设定范围，此时剔除l₂，利用公式七对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以得到相机与待测目标点的距离精确值；

同理，针对其他某个测量距离信息与其余距离信息的差值均超过设定范围的情况下，可以参照公式七对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以得到相机与待测目标点的距离精确值。

进一步地，在考虑由于转动控制模块的转动角度控制精度可能低于图片像元分辨率而使得待测目标点不能精确位于相机的视场中心的情况下，进一步考虑到相机四周安装的激光测距仪与相机不可能重合安装。为此，通过在相机的四周采用并行安装方式安装四个激光测距仪，即使：两个激光测距仪布置在相机的左右两侧，两个激光测距仪布置在相机的上下两侧，位于左右两侧的两个激光测距仪的中心连线与位于上下两侧的两个激光测距仪的中心连线相互垂直且均通过相机中心。而后，在测量待测目标点与相机之间的距离时，先利用标定方法获取激光测距仪与相机间的调节参数，根据四个激光测距仪的位置信息和距离测量信息、待测目标点的像元坐标和调节参数对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以进一步提高待测目标点与相机之间的距离的测量精度。

具体地，基于设置的并行安装的四个激光测距仪，设定：对第三图片进行修正补偿后，修正后的待测目标点的像元坐标为(x_c,y_c)，位于水平方向的两个激光测距仪测量的距离信息分别为l₁和l₂，位于垂直方向的两个激光测距仪测量的距离信息分别为l₃和l₄，位于水平方向的两个激光测距仪的间距为s_x，位于垂直方向的两个激光测距仪的间距为s_y，可以利用公式八计算得到相机与待测目标点的距离精确值；

l表示相机与待测目标点的距离精确值，α表示调节参数，调节参数α可以通过标定方式获取。

此外，考虑到可能出现的激光测距仪在测量时存在较大测量误差的情况，本发明一实施例中，当存在某个激光测距仪测量的距离信息与其余距离信息的差值均超过设定范围时，可以先将该距离信息剔除，再根据剔除后剩余的距离信息对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以得到相机与待测目标点的距离精确值。例如，l₁、l₂、l₃和l₄中，l₂与l₁、l₃和l₄的差值均超过设定范围，此时剔除l₂，利用公式九对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以得到相机与待测目标点的距离精确值；

同理，针对其他某个测量距离信息与其余距离信息的差值均超过设定范围的情况下，可以参照公式九对激光测距仪获取的距离信息进行修正补偿，以得到相机与待测目标点的距离精确值。

本发明一实施例提供的电子界址视觉测量系统及测量方法考虑相机分辨率较高、图像处理方便等因素，基于图像处理技术，控制相机光轴对准目标点并用激光测距仪获取距离信息，从而确定目标点的三维位置，能够在卫星导航信号受限的复杂环境下进行电子界址测量，测量精度高，使用方便，测量效率高。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种电子界址视觉测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，选定两个位置已知的基准点作为第一设定基准点和第二设定基准点，将相机及激光测距仪置于第一设定基准点，在第二设定基准点放置标志；

S2，连续拍摄获取包括标志和待测目标点的若干个第一图片，确定每个第一图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对每个第一图片进行修正补偿，获取每个第一图片对应的图片水平线与当地水平面一致的第一参考图片；

S3，拍摄获取包括待测目标点的第二图片，确定第二图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角；

S4，根据待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，调节相机的光轴方向，以使待测目标点位于相机的视场中心；

S5，拍摄获取包括待测目标点的第三图片，确定第三图片对应的相机坐标系与设定当地坐标系的相对位置关系，通过图像处理算法对第三图片进行修正补偿，获取第三图片对应的图片水平线与当地水平面一致的第三参考图片，分别利用激光测距仪测量相机与待测目标点的距离，根据距离信息计算得到相机与待测目标点的距离精确值；

S6，通过第一参考图片获取待测目标点与第二设定基准点的偏航角和俯仰角信息，根据偏航角与俯仰角信息和相机与待测目标点的距离，计算待测目标点在设定当地坐标系下的三维坐标；

步骤S2中，所述通过图像处理算法对每个第一图片进行修正补偿，包括：

设定：相机的视场角为M×N度，相机像元为p×q，相机像元分辨率为图片像元坐标为(x,y)，相机相对设定当地坐标系的俯仰角和滚动角分别为θ和φ；

利用公式一对第一图片进行修正补偿；

R_z表示图像旋转矩阵，x_r和y_r表示修正后的图片像元坐标。

2.根据权利要求1所述的电子界址视觉测量方法，其特征在于，步骤S3中，所述通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，包括：

设定：相机的视场角为M×N度，相机像元为p×q，相机像元分辨率为图片像元坐标为(x,y)，相机相对设定当地坐标系的俯仰角和滚动角分别为θ和φ；

利用公式一对第二图片进行修正补偿；

R_z表示图像旋转矩阵，x_r和y_r表示修正后的图片像元坐标；

利用公式二确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角；

ψ和表示待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角。

3.根据权利要求1所述的电子界址视觉测量方法，其特征在于，步骤S3中，所述通过图像处理算法对第二图片进行修正补偿，确定待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，包括：

采用标定板对相机的像元角分辨率进行标定，使得角分辨率达到0.005度；

对第二图片进行修正补偿，获取第二图片中基准点与待测目标点直线像元数，并根据相机的像元角分辨率，计算待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息。

4.根据权利要求1所述的电子界址视觉测量方法，其特征在于，步骤S4中，相机的光轴方向的调节方式包括开环粗控方式和闭环精控方式；

其中，开环粗控方式包括：

根据待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息，先对相机进行调水平，再依次对相机进行水平转动对准控制和俯仰转动对准控制，且每次控制均一次到位；

闭环精控方式包括以下步骤：

S41，确定待测目标点，根据待测目标点在相机坐标系下的方位角与俯仰角信息，基于公式五分别对相机进行水平转动和俯仰转动控制；

ψ和表示待测目标点在相机坐标系下的方位角和俯仰角，u_x表示水平控制指令，u_y表示俯仰控制指令，k_x和k_xi表示水平控制系数，k_yi和k_y表示俯仰控制系数；

S42，获取新的包括待测目标点的第二图片，根据步骤S41中确定的待测目标点，匹配新第二图片的待测目标点，重新确定待测目标点在相机坐标下的方位角与俯仰角信息，基于公式五继续对相机进行水平转动和俯仰转动控制；

S43，再次获取新的包括待测目标点的第二图片，根据步骤S41中确定的待测目标点，匹配新第二图片的待测目标点，重新确定待测目标点在相机坐标下的方位角与俯仰角信息，基于公式五继续对相机进行水平转动和俯仰转动控制，直至方位角与俯仰角小于转动控制模块的转动分辨率时，结束控制过程。

5.根据权利要求4所述的电子界址视觉测量方法，其特征在于，在相机的四周对称布置四个激光测距仪，两个激光测距仪布置在相机的左右两侧，两个激光测距仪布置在相机的上下两侧，位于左右两侧的两个激光测距仪的中心连线与位于上下两侧的两个激光测距仪的中心连线相互垂直且均通过相机中心；

设定：对第三图片进行修正补偿后，修正后的待测目标点的像元坐标为(x_c,y_c)，位于水平方向的两个激光测距仪测量的距离信息分别为l₁和l₂，位于垂直方向的两个激光测距仪测量的距离信息分别为l₃和l₄，位于水平方向的两个激光测距仪的间距为s_x，位于垂直方向的两个激光测距仪的间距为s_y，利用公式六或者公式八计算得到相机与待测目标点的距离精确值；

其中，l表示相机与待测目标点的距离精确值，α表示调节参数。