DE102007030784A1

DE102007030784A1 - Vermessungsgerät

Info

Publication number: DE102007030784A1
Application number: DE102007030784A
Authority: DE
Inventors: Shunji Matsuo; Homu Takayama; Takanori Yachi; Sakurai Masatoshi
Original assignee: Pentax Industrial Instruments Co Ltd
Current assignee: Pentax Industrial Instruments Co Ltd
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2008-01-10
Also published as: CN101101210B; US20080120855A1; CN101101210A; JP2008014653A; US7503123B2

Abstract

Ein Vermessungsgerät (10) hat ein Zielteleskop (17), eine Abbildungsvorrichtung (18) und einen Rechner (13). Das Zielteleskop (17) ist um eine horizontale und eine vertikale Achse (Lh, Lp) drehbar. Die Abbildungsvorrichtung (18) wird integral mit dem Zielteleskop (17) gedreht und hat eine optische Achse (L1), die verschieden von der Zielachse (10) des Zielteleskops (17) ist. Der Rechner (13) berechnet äußere Orientierungsparameter von Stereobildern, die die Abbildungsvorrichtung (18) bei aufrechter Betrachtung und bei inverser Betrachtung erfasst, in Abhängigkeit der Position der optischen Achse (L1) bezüglich der Zielachse (L0) sowie der Zielrichtungen bei aufrechter Betrachtung und bei inverser Betrachtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vermessungsgerät mit einer Kamera zum Aufnehmen eines Bildes eines Vermessungsfeldes.
Im Stand der Technik wird häufig das Bild eines den Messpunkt umgebenden Bereichs aufgenommen und zusammen mit den zugehörigen Messdaten aufgezeichnet. Dabei wird das Bild des Vermessungsbereichs üblicherweise mit einer normalen Kamera aufgenommen. In der JP 11-337336 wird mit einer Abbildungsvorrichtung, die innerhalb des Vermessungsgerätes montiert ist, ein den Messpunkt beinhaltendes Bild für jeden einzelnen Messpunkt aufgenommen.
Wird jedoch einige Zeit nach der Vermessung auf die Bilder eines Aufnahmemotivs, das einen solchen Messpunkt enthält, Bezug genommen, so kann zwar die Position des Messpunktes aus den Messdaten bestimmt werden, jedoch ist es nicht so einfach möglich, die relativen Positionen von Merkmalen in dem aufgenommenen Bild zu bestimmen, die um den Messpunkt herum angeordnet sind. So kann in einigen Fällen nicht einmal auf einfache Weise bestimmt werden, ob in dem Vermessungsfeld ein Merkmal oder ein Strukturdetail vorhanden ist, das näher oder weiter entfernt als der Messpunkt ist. Muss der Benutzer die Anordnung solcher strukturellen Details, die in dem aufgenommenen Bild um den Messpunkt herum angeordnet sind, relativ zu dem Messpunkt wissen, so ist es erforderlich, dass der das Vermessungsfeld nochmals aufsucht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vermessungsgerät anzugeben, durch das das oben beschriebene Problem gelöst wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das Vermessungsgerät nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Vermessungsgerät nach der Erfindung hat ein Zielteleskop, eine Abbildungsvorrichtung und einen Rechner zum Berechnen von äußeren Orientierungsparametern. Das Zielteleskop ist um eine horizontale Achse und eine vertikale Achse drehbar. Die Abbildungsvorrichtung wird integral mit dem Zielteleskop gedreht und hat eine optische Achse, die von der Ziel- oder Kollimationsachse des Zielteleskops verschieden ist. Der Rechner berechnet die äußeren Orientierungsparameter von Stereobildern, die von der Abbildungsvorrichtung in einer aufrechten Betrachtung und in einer inversen Betrachtung erhalten werden, aus der Position der optischen Achse bezüglich der Zielachse sowie aus den Zielrichtungen in der aufrechten Betrachtung und in der inversen Betrachtung.
Die Erfindung stellt ein Vermessungsgerät bereit, das Stereobilder des den Messpunkt umgebenden Bereichs einfängt und im Stande ist, die äußeren Orientierungsparameter dieser Stereobilder zu berechnen.
Die Erfindung wird im Folgenden mitsamt ihren Merkmalen und Vorteilen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Darin zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines mit einer digitalen Kamera ausgestatteten Vermessungsgerätes, das ein Ausführungsbeispiel darstellt;
2 eine perspektivische Ansicht des Vermessungsgerätes;
3 eine schematische Darstellung, die das Prinzip des Verfahrens zur Stereobildaufnahme veranschaulicht, das bei der digitalen Kamera des Vermessungsgerätes zur Anwendung kommt;
4 eine perspektivische Ansicht des Vermessungsgerätes in seiner Stellung zur inversen Betrachtung; und
5 ein Flussdiagramm mit Vermessungsprozeduren, die das Aufnehmen von Stereobildern einschließlich des Messpunktes beinhalten.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm eines mit einer digitalen Kamera ausgestatteten Vermessungsgerätes 10, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. 2 zeigt das Vermessungsgerät 10 in perspektivischer Ansicht. Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird im Folgenden der strukturelle Aufbau des Vermessungsgerätes gemäß Ausführungsbeispiel beschrieben.
Das Vermessungsgerät 10 kann ein Gerät beliebigen Typs sein, sofern es sowohl um die horizontale als auch um eine hierzu senkrechte Achse um mehr als 180° drehbar ist, wie z.B. eine Totalstation, ein Theodolit oder dergleichen. In der folgenden Beschreibung ist das Vermessungsgerät 10 beispielhaft eine Totalstation.
Das Vermessungsgerät 10 hat ein Zielteleskop 17, mit dem der Benutzer einen Messpunkt anvisieren kann. Das Zielteleskop 17 hat eine horizontale Achse Lh zum Messen eines Vertikalwinkels (Höhe) Θp und eine vertikale Achse Lp zum Messen eines Horizontalwinkels Θh, so dass das Zielteleskop 17 um die horizontale Achse Lh und die vertikale Achse Lp drehbar ist. Das Zielteleskop 17 hat demzufolge einen drehbaren Teil 30. Beide Seiten des drehbaren Teils 30 sind an einem Körper 31 des Vermessungsgerätes 10 um die horizontale Achse Lh drehbar gelagert. Der Körper 31 ist auf einem Untersatz 32 angeordnet und um die vertikale Achse Lp drehbar gelagert.
Das Vermessungsgerät kann auch so aufgebaut sein, dass der Drehteil 30 an dem Körper 31 um die vertikale Lp drehbar gelagert ist, während der Körper 31 relativ zu dem Untersatz 32 um die horizontale Achse Lh drehbar gelagert ist.
Die horizontale Achse Lh und die vertikale Achse Lp schneiden sich in einem Punkt O_S, der im Folgenden als Visierursprung bezeichnet wird. Die optische Achse L0 (bzw. Visier- oder Kollimationsachse) des Zielteleskops 17 geht durch den Visierursprung O_S. Die optische Achse L0 ist einem Objektivlinsensystem LS1 zugeordnet und wird beispielsweise durch ein Prisma PS2 geteilt, so dass eine der so entstehenden optischen Achsen auf ein Okularlinsensystem LS2 und die andere auf eine Distanzmesskomponente 11 führt. Die Distanzmesskomponente 11 erfasst eine Schrägdistanz zu einem anvisierten Messpunkt unter Anwendung eines Verfahrens zur Phasenmodulationsmessung, eines Pulslaserverfahrens oder dergleichen, während eine Winkelmesskomponente 12 den Vertikalwinkel Θp und den Horizontalwinkel Θh erfasst.
Die Distanzmesskomponente 11 und die Winkelmesskomponente 12 sind an eine Systemsteuerschaltung 13 angeschlossen. Sie werden über Signale gesteuert, welche die Systemsteuerschaltung 13 liefert. Beispielsweise erfasst die Distanzmesskomponente 11 gesteuert über Signale, welche die Systemsteuerschaltung 13 ausgibt, eine Distanz und gibt die Erfassungs- oder Messdaten an die Systemsteuerschaltung 13 aus.
Dagegen erfasst die Winkelmesskomponente 12 in regelmäßigen Zeitabständen kontinuierlich Winkel und gibt die Erfassungs- oder Messdaten dann an die Systemsteuerschaltung 13 aus, wenn dies erforderlich ist. Die erfassten Daten, z.B. die Schrägdistanz, der Horizontalwinkel und der Vertikalwinkel, werden in der Systemsteuerschaltung 13 verarbeitet.
In den Drehteil 30 des Vermessungsgerätes 10 ist eine digitale Kamera 20 integriert. Die digitale Kamera 20 hat einen Abbildungsteil 18, der ein Aufnahmelinsensystem LS3 enthält, und eine Abbildungsvorrichtung 18, z.B. ein CCD. Die optische Achse des Aufnahmelinsensystems LS3 ist parallel zur Zielachse L0 des Zielteleskops 17 angeordnet, so dass der Abbildungsteil durch das Aufnahmelinsensystem LS3 in Zielrichtung ein Bild aufnehmen kann. Durch die Abbildungsvorrichtung 18 erhaltene Bilddaten werden an die Systemsteuerschaltung 13 gesendet und auf einem Monitor 14 angezeigt. Die Bilddaten können außerdem auf einem abnehmbaren Aufzeichnungsmedium, z.B. einer IC-Karte oder dergleichen, aufgezeichnet werden.
Die Systemsteuerschaltung 13 ist auch an Schalter und an eine Anzeigevorrichtung (z.B. LCD) angeschlossen, die in einem Bedienfeld 19 vorgesehen sind. Außerdem ist eine Schnittstellenschaltung 16 mit der Systemsteuerschaltung 13 verbunden. Über die Schnittstellenschaltung 16 können die Messdaten und die Bilddaten an externe Geräte, z.B. eine nicht gezeigte Datenerfassungseinheit oder an einen nicht gezeigten Computer, ausgegeben werden.
In 3 ist ein Verfahren zur Stereobildaufnahme veranschaulicht. Dieses Verfahren dient dazu, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Paar Stereobilder um den Messpunkt herum aufzunehmen. In 3 ist das Prinzip der Stereobildaufnahme, die bei der digitalen Kamera 20 des Vermessungsgerätes 10 angewandt wird, schematisch veranschaulicht.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird mit dem Vermessungsgerät 10 ein Zielpunkt PM anvisiert und mit der digitalen Kamera 20 das Sichtfeld, das den Messpunkt PM enthält, als erstes Bild aufgenommen, wobei sich das Vermessungsgerät 10 in einer aufrechten Betrachtungsstellung befindet. Dann werden das Zielteleskop 17 und die digitale Kamera 20 sowohl um die horizontale Achse Lh als auch die vertikale Achse Lp um 180° gedreht, wodurch der Messpunkt in einer inversen Betrachtungsstellung anvisiert wird, und es wird das Sichtfeld, von der digitalen Kamera 20 als zweites Bild aufgenommen. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die das Vermessungsgerät 10 in der inversen Betrachtungsstellung zeigt. Dagegen ist 2 eine perspektivische Ansicht, die das Vermessungsgerät 10 in der aufrechten Betrachtungsstellung zeigt.
Die optische Achse L1 der digitalen Kamera 20, die innerhalb des Vermessungsgerätes 10 liegt, ist parallel, jedoch nicht koaxial zur Zielachse L0 angeordnet, so dass zwischen der optischen Achse L1 und der Zielachse L0 ein Versatz vorhanden ist. In 3 ist dieser Versatz in vertikaler Richtung durch den Wert Dv und in horizontaler Richtung durch den Wert Dh dargestellt. Die optische Achse L1 ist demnach in der aufrechten Betrachtungsstellung und in der inversen Betrachtungsstellung unterschiedlich angeordnet. Das erste Bild und das zweite Bild sind demnach als ein Paar von Stereobildern aufzufassen, die aus verschiedenen Sicht- oder Standpunkten aufgenommen worden sind.
Die Position der digitalen Kamera 20 bezüglich des Zielteleskops 17 ist bekannt, so dass das Vermessungsgerät 10 im Stande ist, die Positionen der digitalen Kamera 20 in der aufrechten Betrachtungsstellung und in der inversen Betrachtungsstellung zu berechnen. Demzufolge können die sogenannten äußeren Orientierungsparameter der Stereobilder, d.h. die Positionen der Kamera und die Richtungen der optischen Achsen, leicht ermittelt werden. Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm nach 5 wer den im Folgenden die mittels des Vermessungsgerätes 10 durchgeführten Vermessungsprozeduren beschrieben, die die Aufnahme der Stereobilder einschließlich des Messpunktes beinhalten. Beispielsweise wird hierzu ein Stereobildaufnahmemodus ausgewählt, um in der Vermessung die Stereobildaufnahme durchzuführen.
In Schritt S101 wird eine Anfangsuntersuchung durchgeführt. Beispielsweise wird der Abweichungswinkel der optischen Achse L1 der digitalen Kamera 20 gegenüber der Zielachse L0 des Zielteleskops 17 erfasst. Die hierauf bezogenen Daten werden dann aufgezeichnet. In Schritt S103 visiert der Benutzer mit dem Zielteleskop 17 den Messpunkt PM, d.h. das Messobjekt an.
In Schritt S105 wird ermittelt, ob das Zielteleskop 17 in seiner aufrechten Betrachtungsstellung eingesetzt wird. Wird festgestellt, dass sich das Zielteleskop 17 in der aufrechten Betrachtungsstellung befindet, so werden in Schritt S107 eine Distanzmessung und eine Winkelmessung durchgeführt. In Schritt S121 werden die auf den Messpunkt PM bezogenen Messdaten, d.h. die Schrägdistanz, der Vertikalwinkel Θp und der Horizontalwinkel Θh, in dem Aufzeichnungsmedium 15 aufgezeichnet.
Wird dagegen in Schritt S105 festgestellt, dass sich das Zielteleskop 17 nicht in der aufrechten Betrachtungsstellung (sondern in der inversen Betrachtungsstellung) befindet, so wird in Schritt S109 nur eine Winkelmessung durchgeführt, worauf in Schritt S121 die Messdaten, wie der Vertikalwinkel Θp und der Horizontalwinkel Θh, beispielsweise in dem Aufzeichnungsmedium 15 aufgezeichnet werden.
In Schritt S123 wird von der Abbildungsvorrichtung 18 der digitalen Kamera 20 ein Sichtfeld in Zielrichtung, z.B. ein Bild der Umgebung des Messpunktes PM, aufgenommen. Dieses aufgenommene Bild wird in Schritt S125 auf dem Monitor 14 dargestellt. In Schritt S127 werden die Bilddaten des auf dem Monitor 14 dargestellten Bildes beispielsweise in dem Aufzeichnungsmedium 15 aufgezeichnet.
In Schritt S129 wird ermittelt, ob sowohl die aufrechte Betrachtung als auch die inverse Betrachtung unter Verwendung des Zielteleskops 17 abgeschlossen sind. Wird festgestellt, dass eine der genannten Betrachtungen noch nicht abgeschlossen ist (also z.B. nur die aufrechte Betrachtung abgeschlossen ist), so kehrt der Prozess zu Schritt S103 zurück, wodurch das Zielteleskop 17 um 180° um die horizontale Achse Lh und die vertikale Achse Lp gedreht wird und die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden, um die inverse Betrachtung durchzuführen. Dadurch werden das erste Bild und das zweite Bild, die der aufrechten bzw. der inversen Betrachtung zugeordnet sind, aufgenommen und in dem Aufzeichnungsmedium 15 gespeichert.
Wird in Schritt S129 festgestellt, dass die aufrechte Betrachtung und die inverse Betrachtung noch nicht abgeschlossen sind, so fährt der Prozess mit Schritt S131 fort, und es werden die äußeren Orientierungsparameter des ersten Bildes und des zweiten Bildes identifiziert. So berechnet die Systemsteuerschaltung 13 die äußeren Orientierungsparameter aus dem Abweichungswinkel der optischen Achse L1 der Aufnahmeoptik gegenüber der Zielachse L0 (der in der Anfangsuntersuchung erfasst worden ist), den Versatzwerten Dv und Dh der optischen Achse L1 der Aufnahmeoptik bezüglich der Zielachse L0 (die im Vorfeld bestimmt und in einer Speichervorrichtung, z.B. einem nicht gezeigten ROM gespeichert worden sind) sowie den Vertikalwinkeln Θp und den Horizontalwinkeln Θh, die in der aufrechten Betrachtungsstellung und der inversen Betrachtungsstellung erhalten wurden. Die äußeren Orientierungsparameter werden in dem Aufzeichnungsmedium 15 aufgezeichnet.
Beispielsweise werden die äußeren Orientierungsparameter in Verbindung mit den Bilddaten des ersten und des zweiten Bildes (Stereobilddaten) aufgezeichnet. Ferner werden die Bilddaten des ersten und des zweiten Bildes in Verbindung mit den auf den Messpunkt bezogenen Messdaten aufgezeichnet. Diese Zuordnungen können hergestellt werden, indem den jeweiligen Dateien entsprechende Dateinamen gegeben oder den Header- oder Kopfbereichen der Dateien entsprechende Informationen hinzugefügt werden.
In Schritt S133 wird ein Stereoanpassprozess durchgeführt, und es werden die dreidimensionalen Koordinaten eines Punktes P (vergl. 3), der in dem ersten oder dem zweiten Bild willkürlich bestimmt wird, nach den Prinzipien der analytischen Fotogrammetrie unter Anwendung der in Schritt S131 erhaltenen äußeren Orientierungsparameter beendet. Dann endet diese Prozedur.
Der Prozess in Schritt S131 wird vorzugsweise in einem Computersystem durchgeführt, dem über die Schnittstellenschaltung 16 die Messdaten, die Bilddaten des ersten und des zweiten Bildes sowie die äußeren Orientierungsparameter zugeführt werden. Sind die Fehler klein oder ist die geforderte Genauigkeit gering, so kann auf die auf dem Abweichungswinkel beruhende Kompensation verzichtet werden.
Wie oben beschrieben, wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einfache Weise ein Paar Stereobilder, die einen Messpunkt umgeben, erfasst. Das Vermessungsgerät berechnet dann deren äußere Orientierungsparameter, so dass die Position eines beliebigen Punktes innerhalb des Stereobildes relativ zum Messpunkt im Nachhinein leicht erhalten werden kann.

Claims

Vermessungsgerät (10), umfassend: – ein Zielteleskop (17), das um eine horizontale Achse (Lh) und eine vertikale Achse (Lp) zwischen einer Stellung zur aufrechten Betrachtung und einer Stellung zur inversen Betrachtung drehbar ist; – eine Abbildungsvorrichtung (18), die integral mit dem Zielteleskop (17) drehbar ist und eine optische Achse aufweist (L1), die verschieden von der Zielachse (L0) des Zielteleskops (17) ist; und – einen Rechner (13) zum Berechnen äußerer Orientierungsparameter von Stereobildern, welche die Abbildungsvorrichtung (18) bei aufrechter Betrachtung und bei inverser Betrachtung erzeugt, in Abhängigkeit der Lage ihrer optischen Achse (L1) relativ zur Zielachse (L0) sowie der Zielrichtungen bei aufrechter Betrachtung und bei inverser Betrachtung.
Vermessungsgerät (10) nach Anspruch 1, bei dem die optische Achse (L1) im Wesentlichen parallel zur Zielachse (L0) angeordnet ist.
Vermessungsgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein Aufzeichnungsmedium (15), das einen Abweichungswinkel der optischen Achse (L1) gegenüber der Zielachse (L0) speichert, wobei der Rechner (13) die äußeren Orientierungsparameter auf Grundlage des Abweichungswinkels berechnet.
Vermessungsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Bilddaten der Stereobilder und die äußeren Orientierungsparameter zusammen mit einer Information, welche die Bilddaten und die äußeren Orientierungsparameter zueinander in Beziehung setzt, in einem Aufzeichnungsmedium gespeichert werden.
Vermessungsgerät (10) nach Anspruch 4, bei dem die Bilddaten der Stereobilder und Messdaten zusammen mit einer Information, welche die Bilddaten und die Messdaten miteinander in Beziehung setzt, in dem Aufzeichnungsmedium (15) gespeichert werden.