CN205209489U - Gnss立体摄像全功能测绘仪 - Google Patents

Abstract

一种GNSS立体摄像全功能测绘仪，包括卫星实时动态定位系统RTK、数码相机和测杆，其特征在于，卫星实时动态定位系统RTK终端、数码相机间隔设置于测杆之上，卫星实时动态定位系统RTK终端安置于测杆顶端，紧接其下安装数码相机，测杆中部设置一个圆水准气泡，用于将测杆调整至铅垂线状态，所述数码相机的数量为两个以上，其主光轴保持平行。该测量仪结构简单且适用范围广，可以轻便、易操作的方式，同时实现大地定位，相对测量和野外摄像室内成图的功能。

Description

GNSS立体摄像全功能测绘仪

技术领域

本实用新型涉及一种具有野外实地几何量测、大地坐标定位、地形测绘和实景影像记录功能的GNSS立体摄像全功能测绘仪，其技术属于卫星定位、工程测量和摄影测量领域。

背景技术

目前能够用于野外实地测绘的先进仪器有卫星导航定位仪、全站仪、摄影经纬仪、激光扫描仪等。卫星导航定位仪，尤其是其中的RTK(实时动态测量)终端，能实时测量地面点的大地坐标，但其缺点是必须把仪器置于每个待测目标点上进行测量，方便性与效率均显不足，因此一般仅用作控制点的测量；全站仪能在一个站点上观测周围可通视的碎部目标点，量测其相对于测站点的距离及方向角，进而计算相对坐标，但是，每个碎部目标点都必须人工操作照准，野外工作时间长，效率嫌低；摄影经纬仪能通过地面摄影的方法，在野外摄像，到室内进行立体量测碎部目标，但是，仪器比较笨重，而且野外做控制点的工作量较大，灵活性与效率均显不足；激光扫描仪虽然效率很高，但很难从点云中识别出需要量测的目标点，在复杂街景(场景)测量中适用性不足。

目前已有文献CN104655106A报道一种RTK全景影像自主定位定向测图方法，这是一种非真正使用立体摄影测量方法的单相机装置；它的每根测杆上仅安装一个相机，单杆不能实现对目标的立体量测；两个站点A、B的影像也不作立体匹配，而仅取天顶距和水平角作前方交会，因而无法达到子像素的量测精度；无法进行多相机影像光束法平差，实现高精度摄影测量。

鉴于目前的社会需求与技术水平，迫切需要一种能将上述各种仪器的优点精化集成起来的既轻巧、又具全功能的设备，以适应工程场地大量碎部点测量，工厂内堆积物体积量算，城镇街巷景观测图、环保或灾害场地局部地形测量等用途。

发明内容

基于此，本实用新型提供一种GNSS立体摄像全功能测绘仪，其能克服现有技术的不足，以轻便、易操作的方式，同时实现大地定位，相对测量和野外摄像室内成图的功能。

本实用新型的技术方案如下：

一种GNSS立体摄像全功能测绘仪，包括卫星实时动态定位系统RTK、数码相机和测杆，其特征在于，卫星实时动态定位系统RTK、数码相机间隔设置于测杆之上，卫星实时动态定位系统RTK终端安置于测杆顶端，紧接其下安装数码相机，测杆中部设置一个圆水准气泡，用于将测杆调整至铅垂线状态，所述数码相机的数量为两个以上，其主光轴保持平行。

进一步地，数码相机的数量为两个，其目的是实现立体像对成像。

进一步地，数码相机的主光轴呈水平或向下倾斜一个微小角度以便摄影近杆地面景观，这样可便于使用非宽角的相机。

进一步地，两个所述数码相机的内方位元素，畸变差及两个所述数码相机相对于铅垂测标标准位置的外方位元素都经检校场精确检校。其检校的精度在很大程度上决定了仪器的量测精度。

进一步地，测杆按一般测量标杆分段涂染两种颜色，既便于识别，又兼作量测标记。

进一步地，每根测杆的长度为2.0～2.2m。

本实用新型提供的GNSS立体摄像全功能测绘仪结构简单，构思巧妙，易操作使用。通过一台RTK，一个水准器和一对立体数码相机构成一根测杆，两根测杆联合运行，可灵活实现下列三种功能：

(1)野外实地几何量测

可以不必接触目标点，而通过立体摄影测量的方法，量测地面大量目标点相对于测站点的三维空间坐标，从而进行距离、方位、曲率、体积的各种量算，及绘制局部形态图等。

(2)大地定位及地形景观测绘

可以在上述立体摄影测量的基础上，通过测杆顶端的RTK终端，将全部测量点位及图形转换到大地坐标系，达到国家标准地形测绘的要求。与传统经纬仪加测距仪的光电式全站仪不同的是，这种GNSS立体摄像全功能测绘仪可以极大减少野外工作，而将类似的工作转移到室内(或外业汽车内)进行，大幅度提高工作效率。

(3)场景影像记录

有下列三种场景需要影像记录：

a)重要的场面景象，例如交通事故现场，环境破坏现场，有意义的重要现场等，获得需要有大地定位的、可量测的立体影像记录；

b)比较复杂，来不及在野外条件下全部测绘的场景细节，必须用影像记录下来，到室内进一步量测，或者等到需要的时间再量测；

c)为了三维建模的目的，除利用此仪器量测建筑物轮廓点大地坐标外，还需要摄取墙面纹理，用于三维景观建模。

附图说明

图1是GNSS立体摄像全功能测绘仪的结构构造图。

图2是GNSS立体摄像全功能测绘仪双杆对测模式的原理图。

图3是GNSS立体摄像全功能测绘仪双杆并测模式的原理图。

具体实施方式

如图1所示，GNSS立体摄像全功能测绘仪包括有卫星实时动态定位系统RTK、数码相机(S₁，S₂)和测杆，测杆顶端安置RTK终端，紧接其下安装两台数码相机，两台数码相机间隔设置。两台数码相机的主光轴保持平行将RTK终端与两个数码相机集成在一根铅垂竖立的测杆上。这就使得立体数码相机的基线呈铅垂状态，经检校后的立体影像核线也呈铅垂状态，沿核线的坐标即与目标点的地面高程相对应，依据核线方向视差所确定的(即前方交会所确定的)视线距离即与目标点离测杆的距离相对应。如此巧妙设计，就满足了野外实地实时几何量算的需求。而上方相机镜头中心与RTK天线中心的距离很短，又有水准气泡将测杆调至铅垂状态，因此两中心间的“臂杆矢量”是一组数值很小的稳定的常数值，这对仪器系统的“全站功能”起到非常重要的作用。

使用本实用新型提供的GNSS立体摄像全功能测绘仪的测量方法如下：

(1)安装调试具有RTK、数码相机和圆水准器的竖立式测杆，在工厂工艺水平标准下，确保在测杆处于铅垂状态时，相机主光轴呈水平状态，基线呈铅垂状态。

(2)对RTK数码立体相机进行检校。首先在室内检校场测定每个数码相机的内方位元素(主距和主点像坐标)与畸变差参数。然后在室外检校场测定上下相机在测杆处于铅垂状态时的外方位元素，及顶端RTK天线中心与上方相机镜头中心在三维坐标系中的距离矢量。

(3)对需要施测的工程场景总体情况进行踏堪，制定施测方案，尤其注意根据地形或场景情况，布设双杆对测模式或双杆并测模式的站点布设方案。

(4)进行野外实地测量，可以按上述步骤(3)的方法，灵活确定实施方案。

(5)进行内业资料整理、提交测绘成果。

本实用新型提供的GNSS立体摄像全功能测绘仪可以单杆测量，也可双杆联测，包括双杆对测模式和双杆并测模式。

其中，双杆对测模式的构思原理在于：一方面双杆互为定向标志点，解决大地定向问题；另一方面双杆联合作业，互相弥补对方杆下方和后方的“死角”盲区；使用双杆对测模式进行测量时，测杆A、测杆B两杆相向而立，其间距在5～20米间，左方的测杆A，以上方数码相机镜头中心S为中心建立A杆像空间坐标系，上方数码相机的主光轴为Z轴，上方数码相机上方与铅垂线重合的方向为Y轴，按右手系规则像片横轴平行的方向为X轴，如此建立的坐标系与摄影测量系中常用的像空间坐标系规则一致，只是Z轴由铅垂改为水平而已，测杆A的一对相机经检校场标定，下方数码相机相对于上方数码相机的6个相机外方位元素都可精确已知，因此实地测量时，在上下两数码相机立体像对范围内的所有碎部目标点，都能通过前方交会的方法，求得其相对于上方数码相机S₁-XYZ像空间坐标系的坐标；由于测杆顶端RTK天线中心与上方相机镜头中心的相对空间关系也已经检校场精确标定，因此，可以根据测杆A、测杆B两杆RTK的野外实测大地坐标(U_A，V_A，W_A)、(U_B，V_B，W_B)及测杆B顶端标志点在立体像对中所测到的像空间坐标(X_B，Y_B，Z_B)，解算出测杆A像空间系(X，Y，Z)与RTK所测大地坐标系(U，V，W)间的转换参数，进而求得所测量的全部碎部目标点的大地坐标，测杆B的立体像对量测及向大地坐标系转换的原理类同测杆A，在必要的时候，还可以利用测杆A、测杆B两杆测区交界处的公共点进行平差，然后调整测杆A、测杆B两测区的大地坐标成果，使其完全一致。

双杆并测模式是利用测杆A和测杆B的数码相机按60％以上重叠度构建左右方向的立体像对，由于测杆A、测杆B杆间的距离可以很长，这可使“基高比”达到很大的数值，因而所述双杆并测模式可大幅度提高远距离目标的量测精度。

双杆并测模式的原理在于，测杆A、测杆B两杆上的同位两数码相机所摄取的立体像对影像，可按一般摄影测量方法实现相对定向和立体量测及描绘，然后通过测杆A、测杆B杆上方的RTK分别量测两杆位置的大地坐标

(U_A，V_A，W_A)和(U_B，V_B，W_B)，解求立体像对的6个大地定向元素，(即3各角元素河3各线元素)，即可按常规摄影测量方法，将全部碎部点A、B影像坐标转换为大地坐标；

必要的时候，可以仿摄影测量中光束法平差，对具有测杆A上下数码相机和测杆B上下数码相机的共有目标点影像进行光束法平差，以提高量测精度。

当遇到受两侧高楼遮挡收不到卫星定位信号的街巷或深入地下的隧道时，可以在两端能收到GNSS信号处立杆进行RTK测量，其中间路线段采取摄影全站仪导线模式；所述摄影全站仪导线模式的原理在于，在巷道或隧道路线上按一定间隔摄取具有重叠度超过60％的影像，仿照航空摄影中构建空中三角测量网的方法，构建巷道或隧道摄影测量三角网，通过光束法平差，精确测定各碎部目标点的坐标。

双杆联测作业之效率高于单杆2倍时间的效率。不失一般性，假设所采用的相机焦距为24mm，CMOS芯片上的像元尺寸为5μm，按图2的双杆对测模式，当被量测目标处于24m距离时，成像分辨率为5mm，上下相机间的基线长为1.2m，即基高比为1∶20，立体影像匹配的精度为0.3像元，则目标的量测精度为

σ＝0.3×20×5mm＝30mm

此精度与RTK的实地量测精度相当。

当目标距离大于24m时，则应该采取图3所示的双杆并测模式。设并测的两杆间距离(此时为立体像对基线)为24m，目标离测杆的距离为96m(接近100m)，则基高比为1∶4，成像分辨率为20mm，目标点量测精度为

σ＝0.3×4×20mm＝24mm

这种精度水平在工程中应该是很实用的。

本实用新型提供的测量仪式可实现将野外作业与室内作业柔和衔接。即使用时，这套仪器系统既可以在野外完成全部碎部目标量测及大地定位；也可以只在野外完成摄影，而将全部碎部目标量测拿回到室内进行；也可以在当天只完成少数选定的重要目标点量测，而将影像保存下来，等待必要的时候再补充量测其他细节部件。

依据分形理论，实际场景是无限复杂的。没有任何专业目的是需要全部测量无限复杂的全部细节的。而所需要选择的量测目标细节是因事而异、因时而异的。所以这种具有灵活筛选性的测量模式很切实际。而且，当过了一段时间，实际场景发生部分变化时，这种模式特别适合于“打补丁”式的修测。

这种功能大部分是利用图3所示的作业模式完成的。在这种模式下航空摄影测量的工具软件(如空中三角测量，光束法平差软件)都可在此发挥作用。这对于当前市场业务量较大的街景尤其适用。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，本实用新型不限于前面图示说明的实施方案的细节并且本实用新型可以以其他具体的形式实施而不脱离权利要求及其等同形式的范围。

Claims (6)

1.一种GNSS立体摄像全功能测绘仪，包括卫星实时动态定位系统RTK、数码相机和测杆，其特征在于，卫星实时动态定位系统RTK终端、数码相机间隔设置于测杆之上，卫星实时动态定位系统RTK终端安置于测杆顶端，紧接其下安装数码相机，测杆中部设置一个圆水准气泡，用于将测杆调整至铅垂线状态，所述数码相机的数量为两个以上，其主光轴保持平行。

2.根据权利要求1所述的GNSS立体摄像全功能测绘仪，其特征在于，所述数码相机的数量为两个。

3.根据权利要求2所述的GNSS立体摄像全功能测绘仪，其特征在于，所述两台数码相机的主光轴呈水平或向下倾斜一个微小角度以便摄影近杆地面景观。

4.根据权利要求2所述的GNSS立体摄像全功能测绘仪，其特征在于，两个所述数码相机的内方位元素，畸变差及两个所述数码相机相对于铅垂测标标准位置的外方位元素都经检校场精确检校。

5.根据权利要求1-4任一项所述的GNSS立体摄像全功能测绘仪，其特征在于，测杆按一般测量标杆分段涂染两种颜色，既便于识别，又兼作量测标记。

6.根据权利要求5所述的GNSS立体摄像全功能测绘仪，其特征在于，每根测杆的长度为2.0～2.2m。