CN1279328C - 一种视频超站仪及其计测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了视频超站仪的一种设计理念、集成的视频超站仪以及用于森林计测的一种方法。该仪器是以基于WinCE的掌上电脑PDA为核心，集成数码CCD(Charge-CoupledDevice)面阵相机、GPS(Global Position System，全球定位系统)、电子全站仪(ElectronicTotal Station)于一体，解决待测目标区域的空间三维座标的自动、实时、快速地测量、解算并存储的问题。应用视频超站仪对森林资源监测中立木进行观测，包括胸径、任意树高直径、树高、冠层结构等，能够快速、精准地解决活立木测量，是一种动态监测林木生长情况最好的方法。

Description

一种视频超站仪及其计测方法

一、技术领域

本发明是集数码CCD(Charge-Coupled Device)面阵相机、GPS(Global Position System，全球定位系统)、电子全站仪(Electronic Total Station)于一体的一个新型设备，用于快速三维近景目标信息采集，能够自动、快速、实时地解算和储存待测目标区域的空间三维座标。以该设备为核心，配以数字图像三维信息提取和三维目标模型生成软件，共同构成具有定位、精密点位测量、近景目标成像、自动或半自动三维测量、三维模型生成的近景目标快速成像三维测量系统。尤其对于森林资源监测中树干解析测量，包括胸径、任意树高直径、树高、冠层结构等。

二、技术背景

从国内外应用情况来看，在城市地面测量及各类工程测量中，一般采用点采集方式(全站仪、GPS接收机等)，这种方式虽然具有灵活、精度高的特点，但采集速度慢、效率低，不便生成三维模型；近景摄影测量虽然克服了单点采集模式的缺点，但需在物方粘贴测量标志，通过物方控制解算摄站的外方位元素，且对于无法接触目标和危险物不可量测。

CCD(Charge-Coupled Device)面阵相机、GPS(Global Position System，全球定位系统)、电子全站仪(Electronic Total Station)各单项技术都已经成熟，关于它们各自的功能也已经众所周知，然后，目前还没有一种仪器能够将三种仪器集成到一起，解决具体、实用的问题。

在摄影测量领域，照相机拍摄的照片早已经被用于空间三维座标的解算以及各种地面模型的构建，但依赖于解算参数(内方位元素和外方位元素)的获取方法却一直是个问题，特别是对近景摄影测量而言。另一方面，数码CCD面阵相机在面市，以及计算机技术的发展，使目标三维信息提取采用数字近景摄影测量技术与方法成为必须，相应的空间座标解算也变得趋向于自动化、实时化，本发明为这种应用提供了一种具体、实用的方法。

在测树学领域，立木的测量一直是一个难于解决的问题，传统的方法是采用树干解析进行，即伐倒树，分段取圆木，对圆盘上各生长年轮进行测量，构造树干解析曲线，进而解算各单株木的指标(树高、材积、形数及生长量)；另外就是用生长锥钻入树干，取树皮至髓心的钻条，在上面测量各年轮的生长量，这种方法不用伐树，但误差较大。这些方法都不能很好的对单株木的生长情况作很好的监测，本发明能很好的解决这一问题。

三、发明的内容

为了森林资源的合理经营与可持续发展，合理安排采伐与森林更新，管理部门需要进行森林资源调查，以查清森林资源及其结构与地理分布，评定森林的质量、生长动态与经济指标。视频超站仪测树技术利用全站仪的测距测角功能、GPS的实时定位功能及利用数码相机获得样本树的左右摄影站影像，配合掌上电脑可以快速测定样本树的胸径、任意处直径，从而准确计算样本树的品质及材积，为林业管理部门提供准确的经济规划依据、决策依据。

本发明的目的是这样实现的：

视频超站仪集CCD(Charge-Coupled Device)面阵数码相机、GPS(Global Position System，全球定位系统)、电子全站仪(Electronic Total Station)于一体，相机安装在望远镜上侧与望远镜固定在一起，相机主光轴方向与望远镜平行，像平面过全站仪横轴；GPS天线以可折装的方式置于全站仪的提把上，与全站仪同轴。

视频超站仪的计测方法如下：以PDA为工具，以Win CE为操作平台，集成GPS数据采集、坐标解算、存储；全站仪对物方控制点的测量过程控制、自动记录、坐标解算、存储；数码相机的自动拍摄、图像存储及空间三维坐标的解算于一体，实现自动、快速、实时解算待测目标区域的空间三维坐标；

其中，视频超站仪各部件以Win CE为平台，进行数据的记录、存储、交换、解算；在视频超站仪中，数码相机起获取待测目标区域的摄影图像的功能，然后通过数据传输线进入PDA；GPS用于获取测站点三维坐标，与全站仪获取的前方待拍区域各控制点相应参数一起，在PDA中解算各控制点三维坐标，为数码相机拍摄的数字图像提供相应的内方位元素和外方位元素；在PDA中实现实时、自动、快速解算目标区域的三维坐标；

其中，视频超站仪数字近景摄影测量工作模式设置二站以获取立体像对，对于面阵数码相机而言，像片中心是中心像素，像主点偏移量X₀，Y₀及镜头焦距f需通过检测获得；外方位元素三个转角为α+α₀、ω₀、κ+κ₀，其中：α₀、ω₀、κ₀是由超站仪检测时获取的常数，α、κ由全站仪的水平角读数及垂直角计算求得；摄站间的基线长度及摄站高差由全站仪配全棱镜测量获取；数字像对经半自动立体匹配后进行所需点位的三维坐标依据解析空间前方交会原理进行求解；样本树的高度各直径可在立体模型中直接量取。

本项发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)利用PDA作为视频超站仪的控制器、存储器、处理器，有利于GPS、数码CCD面阵相机、全站仪的有效集成，并且充分发挥其独自的功能，实现自动、实时、快速测量，使应用该仪器更实用、应用面更宽。

(2)利用视频超站仪测量样本树的胸径，树干任意高度的直径、树冠体积和表面积具有快速、准确、方便等特点，任意高度直径测量精度可达毫米级，材积测量精度可优于1％，而树冠体积及表面积的精度主要受模型、数码相机分辨率、镜头质量、焦距测定的准确性等许多因素决定，经试验表明，精度可达到5％的要求。

四、附图说明

图1为视频超站仪外观构造示意图，其中：①为GPS天线，用于接收卫星信号、定位；②为全站仪，用于测距、测角；③为电缆，用于控制指令和数据传输；④为掌上电脑PDA，用于控制仪器、数据存储、数据处理；⑤为数码相机，用于摄影测量面积、体积。

图2为视频超站仪功能组合图。

图3为任意树高处直径测量示意图。

图4为树高测量示意图。

五、具体实施方式：

视频超站仪及其计测方法与现有技术不同，作了很大改进，具体是：

1.一种视频超站仪：集CCD(Charge-Coupled Device)面阵数码相机、GPS(Global PositionSystem，全球定位系统)、电子全站仪(Electronic Total Station)于一体，相机安装在望远镜上侧与望远镜固定在一起，相机主光轴方向与望远镜平行，像平面过全站仪横轴；GPS天线以可折装的方式置于全站仪的提把上，与全站仪同轴。

2.一种视频超站仪的计测方法：首先以PDA为工具，以Win CE为操作平台，集成GPS数据采集、坐标解算、存储；全站仪对物方控制点的测量过程控制、自动记录、坐标解算、存储；数码相机的自动拍摄、图像存储及空间三维空间坐标的解算等于一体，实现自动、快速、实时解算待测目标区域的空间三维坐标；

其次，各视频超站仪部件以Win CE为平台，进行数据的记录、存储、交换、解算，在视频超站仪中，数码相机起获取待测目标区域的摄影图像的功能，然后通过数据传输线进入PDA；GPS用于获取测站点三维坐标，与全站仪获取的前方待拍区域各控制点相应参数一起，在PDA中解算各控制点三维坐标，为数码相机拍摄的数字图像提供相应的内方位元素和外方位元素；在PDA中实现实时、自动、快速解算目标区域的三维坐标；

再次，视频超站仪数字近景摄影测量工作模式设置二站以获取立体像对，对于面阵数码相机而言，像片中心是中心像素，像主点偏移量X₀，Y₀及镜头焦距f需通过检测获得；外方位元素三个转角为α+α₀、ω₀、κ+κ₀，其中：α₀、ω₀、κ₀由超站仪检测时获取的常数，α、κ由全站仪的水平角读数及垂直角计算求得；摄站间的基线长度及摄站高差由全站仪配全棱镜测量获取；数字像对经半自动立体匹配后进行所需点位的三维坐标依据解析空间前方交会原理进行求解；样本树的高度各直径可在立体模型中直接量取；

其中，视频超站仪测树方法是：当树的胸径及树高的测量时，选择能看到树顶及树底部的地面架设全站仪，在仪器一侧与仪器大致同高处放置激光发射片或棱镜，用视频超站仪测量平距D，测量树底的天顶距V₁及树顶的天顶距V₂，并测量该高度仪器对树干的张角θ。按公式(1)计算任意树高处直径，公式(2)计算树高。

当实时、精准测量活立木的材积时，测量树底部的半径r₀，在树的树干上分段测量多个位置的半径r_i，相应位置的垂直角为α_i，按(3)式计算各树高处断面积和高差h_i，再由(4)式计算由求材积：

d＝2·D·sin(θ/2)                  (1)

H＝I+DsinV1[tg(90-V2)-tg(90-V1)]    (2)

$S_i=\mathrm{\π}\·{\left(\frac{d}{2}\right)}^2---\left(3\right)$

$V=\frac{1}{3}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(S_{i-1}+S_i+\sqrt{S_{i-1}{S}_i})\·h_i---\left(4\right)$

(4)式中S0＝Sn＝0，(i＝1，2，…，n)

Claims (2)

1.一种视频超站仪，其特征是：集CCD面阵数码相机、GPS和电子全站仪于一体，相机安装在望远镜上侧与望远镜固定在一起，相机主光轴方向与望远镜平行，像平面过全站仪横轴；GPS天线以可折装的方式置于全站仪的提把上，与全站仪同轴。

2.一种视频超站仪的计测方法，其特征是：以PDA为工具，以Win CE为操作平台，集成GPS数据采集、坐标解算、存储；全站仪对物方控制点的测量过程控制、自动记录、坐标解算、存储；集数码相机的自动拍摄、图像存储及空间三维坐标的解算于一体，实现自动、快速、实时解算待测目标区域的空间三维坐标；

其中，各视频超站仪部件以Win CE为平台，进行数据的记录、存储、交换、解算，在视频超站仪中，数码相机起获取待测目标区域的摄影图像的功能，然后通过数据传输线进入PDA；GPS用于获取测站点三维坐标，与全站仪获取的前方待拍区域各控制点相应参数一起，在PDA中解算各控制点三维坐标，为数码相机拍摄的数字图像提供相应的内方位元素和外方位元素；在PDA中实现实时、自动、快速解算目标区域的三维坐标；

其中，视频超站仪数字近景摄影测量工作模式设置二站以获取立体像对，对于面阵数码相机而言，像片中心是中心像素，像主点偏移量X₀，Y₀及镜头焦距f需通过检测获得；外方位元素三个转角为α+α₀、ω₀、κ+κ₀，其中：α₀、ω₀、κ₀是由超站仪检测时获取的常数，α、κ由全站仪的水平角读数及垂直角计算求得；摄站间的基线长度及摄站高差由视频超站仪配全棱镜测量获取；数字像对经半自动立体匹配后进行所需点位的三维坐标依据解析空间前方交会原理进行求解；样本树的高度各直径可在立体模型中直接量取。

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