CN1685199B - 测量装置和电子存储媒体 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用反射光测量至测量目标的距离及水平角和竖直角用的测量装置，测量装置能连接摄像装置，运算处理单元根据至少3点的测量，决定包含测量目标的平面部分的算式，同时还与该平面部分所属的数字图像数据相关联，能确定其平面部分，决定三维位置。

Description

测量装置和电子存储媒体

技术领域

本发明有关测量装置和电子存储媒体，特别是有关能测量位于角部的测量点的无棱镜测量的装置。

背景技术

人们正在研发不使用角形棱镜等反射构件的无棱镜型的全站仪(测量装置)来进行三维测量的技术。

但是，例如在测量建筑物外形的场合，存在的问题是对建筑物的边缘部分(角部)等进行测量极其困难。这是由于利用无棱镜型的全站仪(测量装置)射出的激光等测量光进行测量，对边缘部分的测量相当困难。

发明内容

本发明系鉴于上述问题而研究出的，为一种利用反射光来测量至测量目标的距离和水平角及竖直角用的测量装置，测量装置能接摄像装置，运算处理单元根据至少3点的测量，决定包括测量目标的平面部分的算式，同时还与该平面部分所属的数字图像数据相关联，从而确定该平面部分，决定三维位置。

另外，本发明也能抽取构成平面部分并相交的至少两个直线部分的边缘，根据该边缘的部分图像数据，利用最小二乘法或带条件的最小二乘法决定直线，计算该直线的交点，决定所述平面部分的三维位置。

而且本发明还能在至少两平面部分连续相交的情形下，抽取构成角的3个直线部分的边缘，根据该边缘的部分图像数据，利用最小二乘法或带条件的最小二乘法决定直线，计算直线的交点即角，决定平面部分的三维位置。

再有，本发明也能在平面部分中包括直线部分时，通过指定该直线，而计算该直线的位置及长度。

另外，本发明也能在平面部分中有直线围成的窗口时，通过指定该扇窗口而确定该扇窗口，计算该扇窗口的位置及形状。

而且本发明也能在有测量目标即有位于平面部分上的测量点的情况下，求出该测量点的图像数据的重心位置，通过与所测量的3点相关联，而决定三维位置。

再有，本发明也能在正对测量目标的情况下，根据1点的测量值决定包含测量目标的平面部分的算式，同时还与该平面部分所属的数字图像数据相关联，从而确定该平面部分，决定三维位置。

而且本发明也能利用测量装置所配备的望远镜的照准，指定平面部分所含的直线或窗口。

再有，本发明也能通过将测量装置所配备的显示部的图像作为测量点，指定平面部分所含的直线或窗口。

另外，本发明的边缘抽取也能使用拉普拉斯算子等的空间滤波。

而且，本发明的三维测量方法为采用一种利用反射光测量至测量目标的距离和水平角及竖直角用的测量装置，该测量装置的构成为能连接获得测量方向的数字图像用的摄像装置，在第1道工序中，决定并测量平面部分中的至少3个测量点，第2道工序中，根据测得的3个测量点的距离和角度的数据决定包含平面部分的算式，第3道工序中，与平面部分所属的数字图像数据相关联，根据确定平面部分的图像数据和包含平面部分的算式，决定平面部分的三维位置。

再有，本发明的FD、CD、DVD、RAM、ROM、存储卡等电子存储媒体为使用利用反射光测量至测量目标的距离和水平角及竖直角用的测量装置和摄像装置得到的数据、来进行立体测量用的存储媒体，能使运算处理单元运行，根据至少3个测量点，决定包含测量目标的平面部分的算式，同时还与该平面部分所属的数字图像数据相关联，从而能确定该平面部分，决定三维位置。

附图说明

图1为说明本实施例原理用的图。

图2为说明本实施例原理用的图。

图3为说明本实施例原理用的图。

图4为说明本实施例原理用的图。

图5为说明本实施例原理用的图。

图6为说明本实施例原理用的图。

图7为说明本实施例原理用的图。

图8为说明本发明实施例的测量装置1000用的图。

图9为说明本发明实施例的测量装置1000用的图。

图10为说明望远镜部4用的图。

图11为说明本实施例的动作用的图。

图12为说明本实施例的原理用的图。

具体实施方式

这里，如图1、图2所示，以对测量对象即建筑物2000的角部2000a的三维坐标(X、Y、Z)进行测量为例进行说明。作为本发明的使用形态以可以认为是大量的、用直线构成的平面组成的建筑物2000等为例予以说明。

先如图1所示，从设置在坐标已知的基准点0点上的测量装置照准构成建筑物2000的α面。对于α面上形成近似三角形的任意3点(预备测量点)，测量至各点的距离、水平角及竖直角。

利用测量数据算出包含预备测量点的平面的算式。包含预备测量点的平面中包括α面。

还有，关于利用无棱镜测量装置测量建筑物等的平面的方法，已在本专利申请人提出的特开平2000-97703号中加以叙述。

另外，测量的同时还利用摄像装置100得到测定对象即建筑物2000的数字图像数据。

而且，因图像和照准为同轴的结构，图像中心和照准中心一致，故图像上的位置能用相对于照准中心的水平和竖直的角度来表示。而且根据照准中心的水平角数据及竖直角数据，用水平角和竖直角算出图像上的位置。

取得数字图像数据用的图像传感器的摄像元件由呈格子状排列的像素构成，在图像上排列的各像素的位置为已知。

在求用直线构成的建筑物的角时，根据各像素的受光差异，用最小二乘法或带条件的最小二乘法导出直线的算式，能求出图像上的交点位置、对图像中心的水平和竖直的角度。求得的水平和竖直的角度与相对于照准中心的位于α面的建筑物的角的水平角和竖直角一致，因照准中心的水平角数据和竖直角数据为已知，故建筑物的水平角数据和竖直角数据能立即求出。而且，当测量照准中心的距离时，利用先前求出的α面的式子，能求出建筑物的角的三维位置。

还有，在图像和照准不同轴时，也能进行适应的校正。

第1摄像元件110拍摄广角的图像，第2摄像元件120拍摄窄角的图像。广角的图像及窄角的图像分别相关联。广角图像适合拍摄全景或近景的图像，窄角图像适合于例如将其一部分放大或拍摄远景的图像。

再有，如将望远镜的倍率做成变焦型式，则第1摄像元件110和第2摄像元件120也可公用，能用1个摄像元件构成。

再有，预备测量点A附近的望远镜的图像变成象图2所示的那样，通过对准十字线，也能决定窗口附近的预备测量点。

数字图像上的位置与测量用的预备测量点的测量数据相关联，预备测量点属于的α面用直线分割，构成一个面，在指定建筑物位置、测地上的坐标位置时，尤其是建筑物大多为箱形体，只要指定角，其坐标就容易得到。

先用图像处理抽取图像数据的构成α面的直线的边缘。对于这一边缘抽取例如使用拉普拉斯算子等空间滤波，强调边缘。该拉普拉斯算子是采用微分图像来强调边缘。

然后，根据图像数据决定建筑物2000的壁面上部形成的第1直线L1和第2直线L2这两条直线，根据这两条直线的交点和图像上的预备测量点位置间的关系，求出角2000α的坐标(X、Y、Z)。

预备测量点的位置能利用从基准点看到的、来自已知点的水平角(方向角)、竖直角来确定。

两条直线可以对有差异的图像数据使用最小二乘法来求出直线的算式。

这条直线的决定例如能从最小二乘法求得。

如将直线式写成y＝ax+b，则用第1直线L1和第2直线L2两条直线来说明，但也可以设定3根及3根以上的直线，求出其交点。

这时，具有能提高交点精度的效果。

以下，利用最小二乘法能决定两条直线a、b.再有，最小二乘法通过采用带条件最小二乘法、加权最小二乘法，能求得精度更高的直线，求出坐标.带条件的最小二乘法例如通过带有大楼的外形用垂直的直线构成的条件，从而建筑物的角在直线上，作为直线求出连接线，求出垂直地竖立的连接线.通过带条件，能使图像光学系统失真的影响为最小，同时计算过程也简便.再利用加上考虑到像素单位的受光检测后的加权最小二乘法，能得到更高的精度.

[数学式1]

最小二乘法的解法；y＝ax+b时

或AX＝B

设υ_i＝(x_ia+b)-y_i

$\left[\begin{array}{c}{v}_1\\ v_2\\ .\\ .\\ .\\ v_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_1& 1\\ x_2& 1\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ x_n& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ .\\ .\\ .\\ y_n\end{array}\right]$ 或V＝AX-B

∑υ_i ²＝V^tV＝最小

$\frac{\∂V^{t}V}{\∂X}=0$ ∴A^tAX＝A^tB

$\left[\begin{array}{cc}{{\mathrm{\Σx}}_i}^2& {\mathrm{\Σx}}_i\\ {\mathrm{\Σx}}_i& n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Σx}}_i{y}_i\\ {\mathrm{\Σy}}_i\end{array}\right]$

$a=\frac{{\mathrm{n\Σx}}_i{y}_i-\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)\left({\mathrm{\Σy}}_i\right)}{{{\mathrm{n\Σx}}_i}^2-{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2},$ $b=\frac{\left({{\mathrm{\Σx}}_i}^2\right)\left({\mathrm{\Σy}}_i\right)-\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)\left({\mathrm{\Σx}}_i{y}_i\right)}{{{\mathrm{n\Σ}}_i}^2-{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2}$

设第1直线L1为y＝a₁x+b₁                    ……(式1)

设第2直线L2为y＝a₂x+b2                    ……(式2)

则这两条直线的交点能假想地决定边缘部分即建筑物2000的角部2000a。再若使用放置在基准点的测量装置1000至预备测量点2000b间的距离、

水平角(方向角)、和竖直角的数据，则能计算测量点的三维坐标(X、Y、Z)。

即，由于根据测量装置1000的基准位置的坐标、方向角，能测量预备测量点2000b的三维坐标(X_bY_bZ_b)，所以能计算在同一平面上的建筑物2000的角部2000a的三维坐标(X、Y、Z)。

再有，只进行图像处理不能提高精度，例如，建筑物等图像的边缘部分是直线，但也有部分受光的像素，形成图像的数据呈直线状离散。由此，根据图像数据在求建筑物的角部位置时，不能得到超过排列的像素的精度。

以上为倾斜地照准测量目标即建筑物2000等的情况。这是略为正对着的状态，在对于平面部分为近似垂直地照准的情况下，虽然要准确地对3点进行测量，但事实上即使测量1点也无问题。在测量1点的情况下，尽管用1点也能替代测量3点。

再要说明的是，上述是根据直线的边缘检测来决定平面部分，但也能从图像数据检测出位于平面部分的交点或单是测量点的重心位置，决定该交点或测量点的三维位置。

[实施例]

以下，参照附图说明本发明的实施例。

图8和图9表示的测量装置1000为一全站仪，内装检测角度(竖直角及水平角)的电子经纬仪、和光波测距仪

测量装置1000由望远镜4、和支持望远镜4使其能上下旋转的托架3、和支承托架3使其能水平旋转的底盘2构成。底盘2通过校平台5能装在三角架上。

测量装置1000上安装构成显示部4300的一部分的显示器6，并在操作输入部5000上形成其一部分即操作面板7。再有，物镜8露出在望远镜4的外面。

摄像装置100为将图像装置数据变换成数字数据用的装置，例如为数码摄像机等电子摄像机。该摄像装置100由拍摄广角图像用的第1摄像装置110、和拍摄窄角图像用的第2摄像装置120构成。

这里，根据图10说明望远镜4的光学构成。

望远镜4由物镜8、分色镜20、聚光透镜41、第3半透半反镜33、第1图像传感器210、第2图像传感器220、和对焦透镜12构成。

分色镜20由第1棱镜21、第2棱镜22、和第3棱镜23形成，形成第1半透半反镜24和第2半透半反镜25。

从物镜8射入的光进入分色镜20，测量光和可见光的一部分光在第1半透半反镜24上反射，通过聚光透镜41，成像于第1图像传感器210和第2图像传感器220。

第2半透半反镜25上只反射测量光，测量距离。

通过聚光透镜41的光在第3半透半反镜33上反射部分的光，使其在第2图像传感器220上成像。另外，透过第3半透半反镜33的光就在第1图

像传感器210上成像。

本装置是这样构成，其第1图像传感器210和第2图像传感器220受光的受光信号利用控制运算单元4000能在显示单元4300上显示。还有，第1图像传感器210和第1摄像装置110对应，第2图像传感器220和第2摄像装置120对应。

透过第1半透半反镜24的光，通过对焦透镜12引至目镜。

以下，根据图8说明本实施例的测量装置1000的电气构成。

测量装置1000由测距单元1100、角度测量单元1400、存储单元4200、显示单元4300、驱动单元4400、控制运算单元4000、操作输入单元5000构成，存储单元4200存储数据、程序等。使用者利用显示单元4300和操作输入单元5000能操作测量装置1000。

测距单元1100使用无棱镜型的光波测距仪。测距单元1100具有发光单元1110和受光单元1120，发光单元1110发出的测距光向着测量对象物的方向射出。来自测量对象物的反射光射入受光单元1120，能测量至测量对象物的距离。

即，自测量装置1000至测量对象物的距离能根据在发光单元1110产生脉冲发光后至受光单元1120受光的时间差来算出。还有，这一运算在控制运算单元4000中进行。

角度测量单元1400由竖直角测量单元1410和水平角测量单元1420构成。本实施例中，使用由安装在旋转部上的转子和固定部上形成的定子构成的水平角编码器及竖直角编码器。还有角度测量单元1400相当于角度检测器。

驱动单元4400由水平驱动单元4410和高低驱动单元4420构成，利用电动机使测量装置在水平方向及高低方向上旋转。

控制运算单元4000包括CPU等，进行各种运算等。

以下，如图3和图6所示，以对测量对象物即建筑物2000的角部2000a的三维坐标(X、Y、Z)进行测量为例进行说明。

如图11所示，首先在步骤1(以下省略为S1)，将图3的角部2000a附近的壁面适当选定3点作为预备测量点A、B、C。接着利用测量装置1000的距离测量单元1100测量至预备测量点A、B、C的距离和水平角、竖直角，同时还用摄像装置100对测量对象物即建筑物2000摄像。摄像装置100因第1摄像装置110能拍摄广角图像，第2摄像装置120能拍摄窄角的图像，故能根据需要而定。

接着，在S2，测量装置1000的运算单元1300根据摄像装置100摄得的图像，指定用测量装置1000测量的预备测量点A、B、C附近的直线。即抽取构成建筑物2000的角的直线。

测量装置1000的运算单元1300使用拉普拉斯算子等空间滤波来强调边缘。

再在S3，测量装置1000的运算单元1300决定构成建筑物2000的角的第1直线L1和第2直线L2这两条直线。对于该直线的决定例如能根据最小二乘法或带条件的最小二乘法求出。

然后，在S4，测量装置1000的运算部1300能根据预备测量点和两条直线的交点求出角部2000a的坐标(X、Y、Z)。

即，由于能用测量装置1000测量预备测量点A、B、C的三维坐标，所以测量装置1000的运算单元1300能运算利用A、B、C确定的同一平面上的建筑物2000的角部2000a的三维坐标(X、Y、Z)。

再有，望远镜的图像如图4所示，通过将十字线对准靠近直线部分，也能决定第1直线L1附近的预备测量点A(α1、β1)、第2直线L2附近的测量点B(α2、β2)。又如图5所示，通过将十字线对准角附近的测量点C(α3、β3)也能决定。

以下，参照图12说明高度(深度)Z的运算方法。

由三角形ΔP₁P₂P₃形成的平面的方程式可以为以下的形式。

a’X+b’Y+c＝Z    ……(式3)

这里P₁(x₁、y₁、z₁)、P₂(x₂、y₂、z₂)、P₃(x₃、y₃、z₃)为已知，

[数学式2]

$\left(\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& 1\\ x_2& y_2& 1\\ x_3& y_3& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}^{\′}\\ b^{\′}\\ c^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{z}_1\\ z_2\\ z_3\end{array}\right)\·\·\·\left(4\right)$

解该式4的联立方程式，能求出a’、b’、c’。若一旦a’、b’、c’能决定，则三角形内(P₁、P₂、P₃)的所有的点的标高都能用下式计算。

z_j＝a′x_j+b′y_j+c′

将这称为TIN(三角形网)。

图7为没有角部的建筑物。这时，求建筑物2000的正交的两平面，将其直线部分延长，推想角部，计算它的三维位置，求出位置坐标。再有，图3的窗口部是用直线围成的部分，在指定好窗口的场合应用直线的算式，能确定α面的窗口位置及形状。

另外，在平面部分包括直线部分的情况下，也能采用通过指定该直线来计算该直线的位置及长度的构成。

再有，在平面部分有用直线围起来的窗口时，也能采用通过指定该扇窗口来确定该扇窗口、并计算该扇窗口的位置的构成。

而且，也能采用通过测量装置配备的望远镜的照准、从而指定平面部分所含的直线或窗口的构成。

另外，也能采用将测量装置配备的显示单元的图像作为测量点、来指定平面部分所含的直线部分或窗口的构成。

还能将记忆测量装置1000的运算单元1300运算步骤的程序存入FD、CD、DVD、RAM、ROM、存储卡等电子存储媒体。

而在要提高精度的场合，要对测量装置1000和摄像装置100进行准确的校准。

采用以上构成的本发明是一种利用反射光测量至测量目标的距离和水平角及竖直角用的测量装置，其结构做成该测量装置能同获得与水平角及竖直角有关的数字图像用的摄像装置连接，具有运算处理单元，该运算处理单元用来根据至少3点的测量，决定包含测量目标的平面部分的算式，同时还与该平面部分所属的数字图像数据相关联，从而确定该平面部分，决定三维位置，由于采用这样的构成，其效果为即使采用无棱镜测量，也能对位于角部的测量点进行测量。

工业上的实用性

本发明有关测量装置，特别是有关能对位于角部的测量点进行测量的无棱镜测量的装置。该测量装置能与摄像装置连接，其中运算处理单元根据至少3点的测量，决定包含测量目标的平面部分的算式，同时与该平面部分所属的数字图像数据相关联，从而能确定该平面部分，决定三维位置。

Claims (10)

1.一种测量装置，它利用反射光，测量至测量目标的距离和水平角及竖直角，其特征在于，

其结构做成能和用于获得构成属于测量目标的测量对象物的平面部分的数字图像数据的摄像装置连接，所述数字图像数据根据相对于照准中心的图像上的位置、照准中心的水平角数据以及竖直角数据来获得图像上的位置的水平角和竖直角，该测量装置具有运算单元，所述运算单元根据表示由所述平面部分上的至少3个预备测量点所决定的包含所述预备测量点的平面的算式和由所述数字图像数据的图像处理所抽取的边缘数据，求出构成所述平面部分并相交的2条直线的算式，计算所述2条直线的图像上的交点，同时根据所述至少3个预备测量点和所述2条直线的图像上的交点求出所述平面部分的角部的三维坐标，

利用最小二乘法或带条件最小二乘法决定所述2条直线的算式。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

在至少两个平面部分连续相交的情况下，抽取构成角的3个直线部分的边缘，根据该边缘的部分图像数据，利用最小二乘法或带条件最小二乘法决定直线，计算直线的交点即角，决定所述平面部分的三维位置。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

在平面部分包含直线部分的情况下，通过指定该直线，而计算该直线的位置及长度。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

在平面部分有用直线围成的窗口的情况下，通过指定这扇窗口而确定这扇窗口，计算这扇窗口的位置及形状。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

在有测量目标即有位于平面部分上的测量点的情况下，求出该测量点的图像数据的重心位置，通过和所测的所述至少3个预备测量点相关联，决定三维位置。

6.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

在正对测量目标的情况下，根据1点的测量值，决定包含测量目标的平面部分的算式，同时还与该平面部分所属的数字图像数据相关联，从而确定该平面部分，决定三维位置。

7.如权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于，

利用测量装置配备的望远镜的照准，指定平面部分所含的直线或窗口。

8.如权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于，

通过将测量装置配备的显示单元的图像作为测量点，指定平面部分所含的直线或窗口。

9.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

边缘的抽取使用拉普拉斯算子的空间滤波。

10.一种三维测量方法，其特征在于，

该测量方法用于利用反射镜、测量至测量目标为止的距离和水平角及竖直角的测量装置，该测量装置的构成为能与用于获得构成属于测量目标的测量对象物的平面部分的数字图像数据的摄像装置连接，所述三维测量方法包括：

根据相对于照准中心的图像上的位置、照准中心的水平角数据以及竖直角数据来获得图像上的位置的水平角和竖直角的第1工序、

根据表示由所述平面部分上的至少3个预备测量点所决定的包含所述预备测量点的平面的算式的第2工序、

由数字图像数据的图像处理来抽取边缘数据的第3工序、

根据所述第3工序中获得的边缘数据来决定构成平面部分并相交的2条直线的算式的第4工序、以及

计算所述第4工序中获得的所述2条直线的图像上的交点，同时根据所述至少3个预备测量点和所述2条直线的图像上的交点求出所述平面的角部的三维坐标的第5工序，

利用最小二乘法或带条件最小二乘法决定所述2条直线的算式。

Images