DE10329341A1

DE10329341A1 - Vermessungssystem

Info

Publication number: DE10329341A1
Application number: DE10329341A
Authority: DE
Inventors: Shinobu Uezono; Masami Shirai; Koji Tsuda; Atsumi Kaneko; Ryota Ogawa
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: US7075634B2; US20040004706A1; DE10329341B4

Abstract

Ein automatisches Vermessungssystem umfasst eine Vermessungsvorrichtung, eine Kollinearlinien-Recheneinheit, eine Zielrichtungs-Steuereinheit und eine Objektpunkt-Sucheinheit. Die Kollinearlinien-Recheneinheit ermittelt eine Kollinearlinie für einen beliebig bestimmten Punkt in einem Bild, dessen Positionsbeziehung zu der Vermessungsvorrichtung bekannt ist. Die Zielrichtungssteuereinheit steuert die Vermessungsvorrichtung derart, dass diese eine Anvisierung längs der Kollinearlinie vornimmt. Die Objektpunkt-Sucheinheit sucht einen Objektpunkt, dessen Position als auf der Kollinearlinie liegend festgelegt werden kann. Dies erfolgt durch Messen der Zielrichtung mit dem Vermessungsinstrument, während die Zielrichtungssteuerung durchgeführt wird. Die mit der Objektpunkt-Sucheinheit ermittelte Position stimmt mit einem Objektpunkt überein, der dem bestimmten Punkt entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vermessungssystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Vermessungsinstrument oder -system, z. B. eine Gesamtstation, einen elektronischen Tachymeter oder dergleichen, das einen Winkel und eine Entfernung bezogen auf einen Messpunkt messen kann.

Im Allgemeinen erfordert eine Vermessungsoperation mindestens zwei Personen. Eine Person hält ein Ziel, z. B. ein Prisma oder dergleichen, an einem Messpunkt, während die andere Person ein Vermessungsinstrument bedient. Um Messdaten für mehrere Messpunkte zu erhalten, muss sich bei dieser Messoperation die das Ziel haltende Person zu jedem Messpunkt bewegen, während die andere Person mit dem Vermessungsinstrument das Ziel anvisiert, und zwar jedes Mal, wenn das Ziel zu einem Messpunkt bewegt worden ist. Diese herkömmliche Vermessungsoperation ist deshalb vergleichsweise mühsam und zeitaufwendig und erfordert mindestens zwei Personen. Sie ist deshalb ineffizient und teuer. Kürzlich wurde ein Vermessungsinstrument entwickelt, das kein Ziel wie z. B. ein Prisma benötigt.

Mit diesem ohne Prisma auskommenden Vermessungsinstrument kann auf die das Ziel haltende Person verzichtet und die Vermessung von einer einzigen das Vermessungsinstrument bedienenden Person durchgeführt werden. Dadurch wird die Effizienz der Vermessungsoperation verbessert. Selbst bei Verwendung eines solchen ohne Prisma auskommenden Vermessungsinstrumentes muss jedoch die Bedienperson immer noch für jeden Messpunkt die Anvisierung vornehmen. Bei einer großen Zahl an Messpunkten, beispielsweise bei der Abschätzung des Volumens eines Beckens oder eines zu grabenden Erdlochs, ist dies äußerst mühsam und zeitaufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz der Vermessung zu verbessern. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die durch ein Vermessungsinstrument erhaltene Messinformation und die durch eine Kamera erhaltene Bildinformation eines Vermessungsbereichs einfach und effizient zusammenwirken zu lassen, um die Vermessungseffizienz zu verbessern.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1 ein Blockdiagramm mit dem allgemeinen Aufbau eines Vermessungssystems, das ein Ausführungsbeispiel darstellt,
2 ein Flussdiagramm der in dem Vermessungssystem durchgeführten Vermessungsoperation,
3 eine schematische Darstellung der Anordnung des Vermessungsinstrumentes und der Kamera,
4 eine schematische Darstellung, welche die Beziehung zwischen den Kontrollpunkten und den entsprechenden Bildpunkten auf der Abbildungsfläche S zeigt,
5 ein Flussdiagramm des Raumresektionsprogramms, das auf die äußere und die innere Orientierung bezogene Parameter berechnet,
6 ein Beispiel für ein auf der Anzeige dargestelltes schematisches Bild,
7 eine schematische Darstellung des Prinzips, nach dem erfindungsgemäß eine automatische Vermessungsoperation durchgeführt wird,
8 ein Flussdiagramm der automatischen Vermessungsoperation in dem vorgestellten Ausführungsbeispiel,
9 ein Flussdiagramm eines Objektpunkt-Suchprozesses, der in Schritt S303 nach 8 durchgeführt wird,
10 eine schematische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Zielfernrohr des Vermessungsinstrumentes und den Vermessungskoordinaten zeigt,
11 ein Flussdiagramm des Prozesses zum Berechnen des Kollinear-Einheitsvektors,
12 ein Flussdiagramm der Vermessungsoperation für ein modifiziertes Ausführungsbeispiel, und
13 ein Flussdiagramm der Vermessungsoperation für ein weiteres modifiziertes Ausführungsbeispiel.
1 ist ein Blockdiagramm, das für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein Vermessungsinstrument und eine Kamera umfasst, den allgemeinen Aufbau zeigt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ein Vermessungsinstrument 10 eine Gesamtstation oder dergleichen sein, die ein Zielfernrohr 17 enthält. Das Zielfernrohr 17 hat eine horizontale Achse Lh zum Messen einer Höhe θp und eine vertikale Achse Lp zum Messen eines Horizontalwinkels θh. Das Zielfernrohr 17 ist um die horizontale Achse Lh vertikal und um die vertikale Achse Lp horizontal schwenkbar. Die horizontale Achse Lh und die vertikale Achse Lp schneiden einander in einem Punkt O_s unter einem rechten Winkel. Der Punkt O_s wird im Folgenden als Visierursprung bezeichnet. Die optische Achse LN₀ (Zielachse) des Zielfernrohrs 17 geht durch den Visierursprung O_s. Die optische Achse LN₀ wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 18 so geteilt, dass eine der abgeteilten optischen Achsen eine Okularlinse und die andere eine Entfernungsmesskomponente 11 erreicht.
Die Entfernungsmesskomponente 11 erfasst unter Anwendung eines Phasenmodulations-Messverfahrens, eines Impulsradarverfahrens oder dergleichen die Schrägentfernung zu einem anvisierten Messpunkt, während eine Winkelmess-/Steuerkomponente den Vertikalwinkel θp und den Horizontalwinkel θh erfasst. Das Zielfernrohr 17 kann mittels eines nicht gezeigten Antriebs, z. B. eines Schrittmotors, um die horizontale Achse Lh und die vertikale Achse Lp geschwenkt werden. Diese motorgetriebene Drehung des Zielfernrohrs 17 wird durch die Winkelmess-/Steuerkomponente 12 gesteuert.
Die Entfernungsmesskomponente 11 und die Winkelmess-/Steuerkomponente 12 sind an eine Systemsteuerschaltung 13 angeschlossen. Durch die von der Systemsteuerschaltung 13 ausgegebenen Signale werden die Komponenten 11 und 12 gesteuert. Beispielsweise erfasst die Entfernungsmesskomponente 11 die Entfernung aus den von der Systemsteuerschaltung 13 ausgegebenen Signalen und gibt dann die erfassten Messdaten wieder an die Systemsteuerschaltung 13 aus. Dagegen erfasst die Winkelmesssteuerkomponente 12 kontinuierlich die Winkel in einer regelmäßigen zeitlichen Folge (Timing) und gibt nach Bedarf die erfassten Messdaten an die Systemsteuerschaltung 13 aus. Die Winkelmesssteuerkomponente 12 steuert die Schwenkbewegung des Zielfernrohrs 17 um die horizontale Achse Lh und die vertikale Achse Lp, indem sie den Schrittmotor ansteuert. In der Systemsteuerschaltung 13 werden die erfassten Daten, z. B. die Schrägentfernung, der Horizontalwinkel und die Höhe, verarbeitet. Die Systemsteuerschaltung 13 ist ferner mit einer Schaltergruppe 14, einer Anzeige 15, z. B. einer LCD, einer Schnittstellenschaltung 16 sowie gegebenenfalls mit weiteren Komponenten verbunden.
Ein Computer 40, z. B. ein Notebook-Personalcomputer, ist über ein Schnittstellenkabel an die Schnittstellenschaltung 16 anschließbar. Das Vermessungsinstrument 10 kann über das Schnittstellenkabel Messdaten an den Computer 40 übertragen. Das Vermessungsinstrument 10 kann ferner über Steuersignale gesteuert werden, die der Computer 40 ausgibt. Beispielsweise kann eine Operation zum Ausrichten des Zielfernrohrs 17 in eine beliebige Richtung, die durch den Horizontalwinkel θh und den Vertikalwinkel θp festgelegt ist, durch den Computer 40 gesteuert werden. Die Schnittstellenschaltung 16 steht auch weiteren nicht gezeigten Peripheriegeräten zur Verfügung, wie z. B. einem Datenerfassungsgerät.
Der Computer 40 umfasst eine CPU 41, ein Aufzeichnungsmedium 42, Eingabeeräte, wie ein als Maus bezeichnetes Handeingabegerät 43, und eine Tastatur 44, eine Anzeige 45 und eine Schnittstellenschaltung 46. Das Aufzeichnungsmedium 42 kann beispielsweise eine Festplatte, eine DVD, eine magnetooptische Platte, kurz MO, oder eine IC-Karte sein. Die Anzeige 45 kann eine LCD, eine Kathodenstrahlröhre, kurz CRT, und dergleichen sein. Wie oben angegeben, ist die Schnittstellenschaltung 46 über eine Schnittstellenverbindung mit der Schnittstelle 16 des Vermessungsinstrumentes 10 verbunden. Die Schnittstellenschaltung 46 kann auch mit einer digitalen Einzelbildkamera 20 verbunden werden. So wird beispielsweise ein von der digitalen Einzelbildkamera 20 eingefangenes Bild in Form digitaler Bilddaten auf den Computer 40 übertragen und in dem Aufzeichnungsmedium 42 gespeichert.
Unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 wird im Folgenden ein in dem Vermessungssystem gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel durchgeführter, mit einer einzigen Aufnahme auskommender Orientierungsprozess beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm dieses Orientierungsprozesses. 3 zeigt schematisch die Anordnung des Vermessungsinstrumentes und der Kamera in dem erfindungsgemäßen Vermessungssystem.
In Schritt S101 nimmt eine Bedienperson mit der digitalen Einzelbildkamera (DSC) 20 ein um den Vermessungsbereich liegendes Bild auf. Die so erhaltenen digitalen Bilddaten werden über das Schnittstellenkabel auf den Computer 40 übertragen und dann in dem Aufzeichnungsmedium 42 gespeichert. Innerhalb des mit der digitalen Einzelbildkamera 20 eingefangenen und im Folgenden auch als Vermessungsbild bezeichneten Bildes sind mehrere zu vermessende Messpunkte enthalten.
In Schritt S102 wird das Vermessungsbild beispielsweise auf der Anzeige 45 des Computers 40 dargestellt. Die Bedienperson wählt dabei mittels einer Zeigervorrichtung, z. B. der Maus 43, mehrere Punkte oder Pixel in dem Vermessungsbild aus. Dadurch werden reale Punkte in dem Real- oder Objektraum, die dem ausgewählten Pixel entsprechen, zu Kontrollpunkten P_i (i = 1, 2,..., n) bestimmt, wobei ein solcher Kontrollpunkt ein Messpunkt ist, der zum Berechnen der Orientierung eines Vermessungsbildes willkürlich ausgewählt wird. Die Positionen von Bildpunkten P_i', die den Kontrollpunkten P_i entsprechen, erhält man in Form _von zweidimensionalen Bildkoordinaten (xp_i', yp_i'). Das Bildkoordinatensystem ist ein zweidimensionales Koordinatensystem, dessen Ursprung durch die obere linke Ecke des Bildes gegeben ist, wobei die y'-Achse nach unten hin positiv wird. Die Zahl n an Kontrollpunkten, die dreidimensional angeordnet sind, kann größer als 11 sein.
In Schritt S103 misst die Bedienperson mittels des Vermessungsinstrumentes 10 die Schrägentfernung und die Winkel, z. B. den Vertikalwinkel und den Horizontalwinkel, jedes der in Schritt S102 festgelegten Kontrollpunkte P_i. Die so gemesse nen Werte werden dann der Schnittstellenschaltung 46 des Computers 40 über die Schnittstellenschaltung 16 zugeführt. In der CPU 41 werden für jeden der Kontrollpunkte (Xp_i, Yp_i, Zp_i) unter Bezugnahme auf ein vorbestimmtes Vermessungskoordinatensystem berechnet. Dadurch wird die Korrespondenz zwischen den Vermessungskoordinaten (Xp_i, Yp_i, Zp_i) der Kontrollpunkte P_i und den Bildkoordinaten (xp_i', yp_i') der Bildpunkte P_i' festgelegt. Der Ursprung des Vermessungskoordinatensystems kann in den Visierursprung O_s des Vermessungsinstrumentes 10 gelegt werden, und die Absolutkoordinaten, wie Breitengrad und Längengrad oder eine beliebige andere Art von Positionierungsformat, das beispielsweise durch die zuständige Vermessungsbehörde festgelegt ist, können diesen Vermessungskoordinaten angepasst werden. Die Berechnung der Vermessungskoordinaten kann in dem Vermessungsinstrument 10 erfolgen. Die berechneten Koordinaten können dann an den Computer 40 gesendet werden.
Wie später noch genauer erläutert, werden in Schritt S104 entsprechend der Korrespondenz zwischen den Vermessungskoordinaten und den Bildkoordinaten für die Kontrollpunkte P_i äußere Orientierungsparameter für die digitale Einzelbildkamera 20 berechnet, welche die Position und die Neigung der Kamera 20 zum Zeitpunkt der Aufnahme des Vermessungsbildes angeben. Diese Berechnung erfolgt mittels einer Raumresektion. Ferner können innere Orientierungsparameter zur Kompensation von Abbildungsfehlern gegenüber dem Kollinearitätszustand infolge einer Linsenverzerrung (Verzeichnung) oder einer Verschiebung des Hauptpunktes aus der Bildmitte berechnet werden. So werden die Position oder die Vermessungskoordinaten (X₀, Y₀, Z₀) des Ursprungs O_c des dreidimensionalen Kamerakoordinatensystems, das in der digitalen Einzelbildkamera 20 festliegt, und der Drehwinkel (ω, φ, κ) um die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse des Kamerakoordinatensystems als äußere Orientierungsparameter abgeleitet. Außerdem werden die inneren Orientierungsparameter ermittelt (f: Abstand vom für die Linse vorgesehenen Projektionsmittelpunkt oder Bildweite; D₂, D₄, D₆: Verzerrungskomponenten zweiter, vierter und sechster Ordnung; N₁, N₂: unsymmetrische Verzerrungskomponenten; X_C, Y_C: Versetzung des Hauptpunktes vom Bildmittelpunkt). Dadurch wird die perspektivische Projektionsbeziehung zwischen den Bildkoordinaten und den Vermessungskoordinaten bestimmt. Sind die inneren Orientierungsparameter für die oben genannten Größen (f, D₂, D₄, D₆, N₁, N₂, X_C, Y_C) eindeutig festgelegt, so beträgt die zum Berechnen der äußeren und der inneren Orientierungsparameter erforderliche Zahl an Kontrollpunkten mindestens sieben. Von diesen Kontrollpunkten werden mindestens drei benötigt, um die äußeren Orientierungsparameter (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, κ) zu berechnen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden also elf (oder mehr) Kontrollpunkte benötigt, um die äußere und die innere Orientierung zu berechnen.
Das Kamerakoordinatensystem ist ein linkshändiges Koordinatensystem, dessen Ursprung O_C im Mittelpunkt der Linse oder Projektionszentrum angeordnet ist und dessen y-Achse und z-Achse parallel zur s'-Achse bzw. t'-Achse des Bildschirmkoordinatensystems liegen. Die x-Achse des Kamerakoordinatensystems liegt normal zur Abbildungsfläche S und weist vom Projektionszentrum aus auf die der Abbildungsfläche S abgewandte Seite. Ein beliebiger Punkt auf der Abbildungsfläche ist demnach durch die Kamerakoordinaten (–f, y, z) dargestellt. Das Bildschirmkoordinatensystem ist ein zweidimensionales Koordinatensystem, dessen Ursprung durch den Hauptpunkt definiert ist, wobei die s'-Achse parallel zur x'-Achse, d.h. parallel zur horizontalen Linie der Abbildungsvorrichtung 21, und die t'-Achse parallel zur y'-Achse, d.h. parallel zur vertikalen Linie der Abbildungsvorrichtung 21, liegt (vgl. 4).
Der mit einer einzigen Aufnahme arbeitende Orientierungsprozess des vorliegenden Ausführungsbeispiels endet damit. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in Schritt S101 vorgenommene Operation zur Bildaufnahme auch weggelassen und statt dessen ein schon vorher aufgenommenes Bild als Vermessungsbild verwendet werden kann. Auch muss der in 2 gezeigte Ablauf nicht notwendigerweise wie dargestellt eingehalten werden. So kann der Schritt S103 vor den Schritten S101 und S102 durchgeführt werden. Auch können als Messinformation für die Kontrollpunkte schon vorher gemessene oder vorgegebene Messdaten genutzt werden, beispielsweise Daten für Triangulationsmesspunkte, Kartendaten beliebiger Art oder geografische Daten.
Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 wird im Folgenden das Prinzip erläutert, nach dem die äußeren Orientierungsparameter (Position und Neigung) und die inneren Orientierungsparameter der digitalen Einzelbildkamera 20 mittels Raumresektion (Schritt S104) erhalten werden.
In 4 ist schematisch die Beziehung zwischen den drei Kontrollpunkten P₁, P₂ sowie P₃ und den in der Abbildungsfläche S liegenden entsprechenden Bildpunkten P_1' , P_2' sowie P_3' dargestellt. 5 zeigt ein Flussdiagramm des Raumresektionsprogramms, das die äußeren Orientierungsparameter (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, κ), welche die Position und die Neigung der digitalen Einzelbildkamera 20 angeben, sowie die inneren Orientierungsparameter (f, D₂, D₄, D₆, N₁, N₂, X_C, Y_C), die von der Optik der Kamera 20 abhängen, berechnet. Zur Berechnung der Raumresektion wird ein Verfahren der kleinsten Quadrate einschließlich einer sukzessiven Approximation angewendet. Für die Zahl an Kontrollpunkten ist zwar ein Wert von mindestens sieben akzeptabel. Im Folgenden wird jedoch beispielhaft ein Fall beschrieben, in dem elf Punkte zu Kontrollpunkten bestimmt sind. In 4 sind jedoch der Einfachheit halber nur drei Kontrollpunkte P₁, P₂ und P₃ gezeigt.
In Schritt S201 werden geeignete Anfangswerte (X_G0 Y_G0, Z_G0, ω_G φ_C κ_C) und (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) als Näherungswerte für die äußeren Orientierungsparameter (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, κ), welche die Position und die Neigung der Kamera darstellen, bzw. für die inneren Orientierungsparameter (f, D₂, D₄, D₆, N₁, N₂, X_C, Y_C) vorgegeben. Unter Verwendung der vorgegebenen äußeren Orientierungsparameter (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, κ) werden dann in Schritt S202 angenäherte Bildkoordinaten (xp_Gi' ,Yp_Gi',) der den elf Kontrollpunkten P_i entsprechenden Bildpunkte P_i' (i = 1, 2,..., 11) aus den Vermessungskoordinaten (Xp_i, Yp_i, Zp_i) der jeweiligen Kontrollpunkte P_i berechnet.
Die Koordinaten (xp_i, yp_i, zp_i) der Kontrollpunkte (i = 1, 2, 3) in dem Kamerakoordinatensystem werden gemäß Gleichung (1) aus den Koordinaten (Xp_i, Yp_i, Zp_i) des Vermessungskoordinatensystems ermittelt. Dabei erhält man die angenäherten Kamerakoordinaten (xp_Gi, yp_Gi, zp_Gi) der Kontrollpunkte zp_Gi durch Einsetzen der angenäherten äußeren Orientierungsparameter (X_G0, Y_G0, Z_G0, ω_G, φ_G, κ_G) und der Vermessungskoordinaten (xp_i, yp_i, zp_i) der Kontrollpunkte P_i in Gleichung (1).
worin {T_jk} eine Rotationsmatrix bezeichnet, deren Elemente T_jk wie folgt festgelegt sind. T11 = cosω·cosκ T12 = cosω·sinκ + sinω·sinφ·cosκ T13 = sinω·sinκ – cosω·sinφ – cosκ T21 = –cosφ·sinκ T22 = cosω·cosκ – sinω·sinφ·sinκ T23 = sinω·cosx + cosω·sinφ·sinκ T31 = sinφ T32 = –sinω·cosφ T33 = cosω·cosφ
Die Bildschirmkoordinaten (sp_i', tp_i') der den Kontrollpunkten P_i entsprechenden Bildpunkte P_i', die noch nicht mit den inneren Orientierungsparametern korrigiert sind, erhält man aus der Kollinearitätsbedingung (worin der jeweilige Kontrollpunkt, das Projektionszentrum und der entsprechende Bildpunkt auf der gleichen Linie angeordnet sind). Die nicht korrigierten Bildschirmkoordinaten (sp_i', tp_i') berechnet man deshalb, indem die äußeren Orientierungsparameter (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, κ) und die Kamerakoordinaten (xp_i, yp_i, zp_i) der Kontrollpunkte P_i in die folgende Gleichung (2) eingesetzt werden.
Die unkorrigierten Bildschirmkoordinaten (sp_i', tp_i') sind von der Verzerrung beeinflusst. Diese Beeinflussung wird dadurch kompensiert, dass die Bildschirmkoordinaten (sp_i', tp_i') jedes Bildpunktes P_i' und die angenäherten inneren Orientierungsparameter (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G. N_2G, X_CG, Y_CG) in folgende Gleichung (3) eingesetzt werden. Dadurch erhält man korrigierte, angenäherte Bildschirmkoordinaten (scp_Gi' tcP_Gi'), R2 = spi'2 + tpi '2 scpi' = spi' (1 + D2R2 + D4R4 + D6R6) + (R2 + spi'2)N1 + 2spi'N2 + XC tcpi' = tpi' (1 + D2R2 + D4R4 + D6R6) + 2 spi'tpi'N1 + (R2 + 2tpi'2)N2 + Y ((3)
Angenäherte Bildkoordinaten (xp_Gi', Yp_Gi') der Bildpunkte P_i' können dadurch erhalten werden, dass die korrigierten, angenäherten Bildschirmkoordinaten (scp_Gi', tcp_Gi') in folgende Gleichung (4) eingesetzt werden. xpi' = scpi' |(–Px) + W|2 ypi' = tcpi' |Py + H|2 (4) worin Px und Py die Pixelabstände der CCD oder des Bildes in horizontaler bzw. vertikaler Richtung sowie W und H die Zahl der Pixel in der CCD oder dem Bild angeben, die in horizontaler bzw. vertikaler Richtung in einer Linie angeordnet sind.
In Schritt S203 wird eine Gütefunktion Φ berechnet, um festzustellen, ob die näherungsweise gegebenen äußeren Orientierungsparameter (X_G0, Y_G0, Z_G0, ω_G, φ_G, κ_G) und die inneren Orientierungsparameter (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) Passende Werte sind. Beispielsweise wird die Gütefunktion Φ nach folgender Gleichung (5) ermittelt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht die Gütefunktion Φ der Gesamtsumme der quadrierten Abstände zwischen den Bildkoordinaten (xp_i', yp_i') der Bildpunkte P_i', die den in dem Vermessungsbild ausgewählten Kontrollpunkten P_i entsprechen, und den angenäherten Bildkoordinaten (xp_Gi', yp_Gi') der Bildpunkte Pi, die aus den Vermessungskoordinaten (X_pi, Y_pi, Z_pi) der Kontrollpunkte P_i sowie den näherungsweise vorgegebenen äußeren Orientierungsparametern (XG₀, YG₀, ZG₀, ω_G, φ_G, κ_G) und inneren Orientierungsparametern (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) berechnet werden.
In Schritt S204 wird dann ermittelt, ob die Gütefunktion kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Es wird also ermittelt, ob die angenäherten Bildkoordinaten (xp_Gi', yp_Gi') der Bildpunkte P_i', die man aus den näherungsweise vorgegebenen äußeren Orientierungsparametern (X_G0, Y_G0, Z_G0, ω_G Φ_G κ_G) und inneren Orientierungsparametern (f_G, D_2G, D_4G, D_6G N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) erhält, genügend nahe bei den Bildkoordinaten der Bildpunkte P_i' liegen, die den in dem Vermessungsbild bestimmten Kontrollpunkten P_i entsprechen. Ist der Wert Φ kleiner als der vorbestimmte Wert, so endet dieser Prozess, und die gerade gegebenen äußeren Orientierungsparameter (X_G0, Y_G0, Z_G0, ω_G, φ_G, κ_G) und inneren Orientierungsparameter (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) werden zu Orientierungsparametern bestimmt, welche die die Position und die Neigung der Kamera angebenden äußeren Orientierungsparameter und die inneren Orientierungsparameter bei Aufnahme des Vermessungsbildes darstellen.
Wird dagegen in Schritt S204 festgestellt, dass der Wert Φ größer oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, so werden in Schritt S205 beispielsweise unter Anwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate Korrekturwerte (δX, δY, δZ, δω, δφ, δκ, δf, δD₂, δD₄, δD₆, δN₁, δN₂, δX_C, δY_C) für die näherungsweise vorgegebenen äußeren Orientierungsparameter (X_G0, Y_G0, Z_G0, ω_G, Φ_G, κ_G) und inneren Orientierungsparameter (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) berechnet. So wird (scp_i', tcp_i') nach Gleichung (3) für (sp_i', tp_i') nach Gleichung (2) ersetzt, welche die Kollinearitätsbedingung darstellt. Gleichung (2) wird dann für die angenäherten äußeren Orientierungsparameter (X_G0, Y_G0, Z_G0, ω_G, φ_G κ_G) und inneren Orientierungsparameter (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) einer Taylor-Entwicklung unterzogen. Dabei werden die Terme höherer Ordnung vernachlässigt, um die Formel zu linearisieren. So werden die Normalgleichungen, in denen die Korrekturwerte (δ_X, δ_Y, δ_Z, δω, δφ, δk) und (δf, δD₂, δD₄, δD₆, δN₁, δN₂, δX_C, 6Y_C) als Unbekannte betrachtet werden, abgeleitet, um die geeigneten Korrekturwerte (δX, δY, δZ, δω, δφ, δκ) und (δf, δD₂, δD₄, δD₆, δN₁, δN₂, δX_C, δY_C) zu erhalten.
In Schritt S206 werden die angenäherten äußeren Orientierungsparameter (XG₀, YG₀, ZG₀, ω_G, φ_G, κ_G) und inneren Orientierungsparameter (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) mit den Korrekturwerten (δX, δY, δZ, δω, δφ, δκ) und (δf, δD₂, δD₄, δD₆, δN₁, δN₂, δX_C, δY_C) geändert, die in Schritt S205 ermittelt werden. Dies bedeutet, dass die Werte (X_G0, Y_G0, Z_G0, ω_G, φ_G, κ_G) und (f_G, D_2G, D_4G, D_6G, N_1G, N_2G, X_CG, Y_CG) durch die Werte (X_G0 + δX, Y_G0 + δY, Z_G0 + δZ, ω_G + δω, φ_G + δφ, κ_G + δk) bzw. (f_G + δf, D_2G + δD₂, D_4G + δD₄, D_6G + δD₆, N_1G + δN₁, N_2G + δN₂, X_CG + δX_C, Y_CG + δY_c) ersetzt werden, um die Position, die Neigung und die inneren Orientierungsparameter der Kamera zu erneuern oder zu korrigieren. Dann kehrt der Prozess zu Schritt S202 zurück, so dass die Schritte S202 bis S206 so lange wiederholt werden, bis in Schritt S204 festgestellt wird, dass der Wert Φ kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
Unter Bezugnahme auf die 1, 6 und 7 wird die automatische Vermessungsoperation unter Verwendung des Vermessungssystems gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel beschrieben.
6 zeigt beispielhaft das auf der Anzeige 45 dargestellte Vermessungsbild. Die Bedienperson betätigt die Maus 43 und steuert den Mauscursor in dem Vermessungsbild so, dass ein zu vermessender Bereich A, im Folgenden als Vermessungsbereich bezeichnet, begrenzt wird. Der Computer 40 ermittelt eine Kollinearlinie LN_C, welche die Kollinearitätsbedingung eines beliebigen Pixels innerhalb des Vermessungsbereichs A (z. B. Bildpunkt Q_6', der einem Objektpunkt Q₆ entspricht) erfüllt, wie in 7 gezeigt ist. Das Vermessungsinstrument 10 führt eine Abtastung längs der Kollinearlinie LN( durch und erhält Messdaten in einem vorbestimmten Abstand (z.B. Punkte R1–R5) entsprechend Signalen, die der Computer 40 ausgibt, so dass der Objektpunkt Q₆ unter Bezugnahme auf die Messkoordinatenwerte gesucht wird, die man erhält, wenn mit dem Vermessungsinstrument 10 die einzelnen Punkte R_j (j = 1, 2,..., 6) anvisiert werden. Diese Abtastung erfolgt durch Bewegen der Zielachse LN₀ des Vermessungsinstrumentes 10 längs der Kollinearlinie LN_C unter der Bedingung, dass die Zielachse LN₀ die Kollinearlinie LN_C schneidet. Diese Operation kann für alle Pixel innerhalb des Vermessungsbereichs A durchgeführt werden. Der Vermessungsbereich A kann automatisch auch in ein Raster mit beliebig beabstandeten Rasterlinien (z. B. in regelmäßigen Abständen) unterteilt und die Abtastung nur für die Knotenpunkte des Rasters durchgeführt werden. Auch kann eine gekrümmte Linie B (oder ein Segment) definiert und automatisch in beliebige, z. B. gleich lange Intervalle unterteilt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden sowohl der Vermessungsbereich A als auch die gekrümmte Linie B durch die Bedienperson festgelegt. Der Vermessungsbereich A und die gekrümmte Linie B können auch automatisch durch eine Bildbearbeitung definiert werden, die in dem Vermessungsbild vorgenommen wird. Beispielsweise können der Vermessungsbereich A und die Linie B über eine beliebige Farbe oder Luminanz oder aber durch Randverstärkung erfasst werden.
Wird mit dem Vermessungsinstrument 10 der Punkt R₂ auf der Kollinearlinie LN_C anvisiert, so ist die Messposition durch den Objektpunkt Q₂ gegeben, der außerhalb des Vermessungsbereichs A liegt. Die Bildkoordinaten (xq₂', yq₂') in dem Vermessungsbild, die dem Objektpunkt Q2 entsprechen, werden berechnet, indem die äußeren Orientierungsparameter (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, κ) und die inneren Orientierungsparameter (f, D₂, D₄, D₆, N₁, N₂, X_C, Y_C), deren Werte man in dem oben beschriebenen Orientierungsprozess erhält, sowie die Vermessungskoordinaten (X_q2, Y_q2, Z_q2) des Objektpunktes Q₂ in die Gleichungen (1) bis (4) eingesetzt werden. Jedoch unterscheiden sich die Bildkoordinaten (x_q2', y_q2'), die dem vermessen Objektpunkt Q₂ entsprechen, von den Bildkoordinaten (xq₆', yq₆') des bestimmten Bildpunktes Q_6', da der Objektpunkt Q₂ nicht gleich dem Objektpunkt Q₆ ist, der dem bestimmten Bildpunkt Q₆, entspricht.
Dagegen fällt der auf der Kollinearlinie LN_C liegende Punkt R6 mit dem Objektpunkt Q₆ zusammen, in dem die Kollinearlinie LN_C das Objekt innerhalb des Vermessungsbereichs A schneidet. Die Bildkoordinaten, die aus den Vermessungskoordinaten, die bei auf den Punkt R₆ ausgerichtetem Vermessungsinstrument 10 erhalten werden, berechnet werden, stimmen so mit den Bildkoordinaten ix₆', yq₆') des bestimmten Bildpunktes Q₆' zusammen. Folglich kann eine automatische Messung für einen Objektpunkt vorgenommen werden, der einem beliebig bestimmten Pixel im Vermessungsbild entspricht, in dem eine Vermessung längs einer Kollinearlinie, die dem beliebig bestimmten Pixel, d.h. in den vorliegenden Ausführungsbeispiel einem Pixel innerhalb des Vermessungsbereichs A, entspricht, vorgenommen und nach einem Objektpunkt gesucht wird, dessen aus seinen Vermessungskoordinaten erhaltene Bildkoordinaten im Wesentlichen mit den Bildkoordinaten des beliebig bestimmten Pixel übereinstimmen.
Unter Bezugnahme auf die 8 bis 11 wird im Folgenden die automatische Vermessungsoperation gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel beschrieben.
8 ist ein Flussdiagramm eines Programms zur automatischen Vermessungsoperation. Dieses Programm wird in der CPU 41 ausgeführt. Die automatische Vermessungsoperation nach 8 wird nach Abschluss des oben beschriebenen, auf das Vermessungsbild bezogenen Orientierungsprozesses ausgeführt. Deshalb sind die äußeren und die inneren Orientierungsparameter für die digitale Einzelbildkamera 20 bei Aufnahme des Vermessungsbildes schon ermittelt. In Schritt S301 erhält man den Vermessungsbereich A, den die Bedienperson in dem Vermessungsbild auf dem Monitor 45 mittels der Maus 43 definiert. Außer dem werden alle Pixel innerhalb des Vermessungsbereichs A nummeriert, und zwar von 1 bis N, wobei N die Gesamtzahl an Pixel innerhalb des Vermessungsbereichs A angibt.
In Schritt S302 wird eine Pixelnummer i auf den Wert 1 eingestellt, so dass die Schritte S303 bis S306 so lange wiederholt werden, bis i den Wert N erreicht. In Schritt S303 wird automatisch eine Vermessung längs der Kollinearlinie vorgenommen, die den Bildkoordinaten (x_i', y_i') eines Pixels mit der Nummer i entspricht. So wird die Position des Objektpunktes, der dem Pixel mit der Nummer i entspricht, gesucht und gemessen, und zwar durch Vergleich zwischen den Bildkoordinaten, die den gemessenen Vermessungskoordinaten entsprechen, und den Bildkoordinaten (x_i', y_i') des Pixels mit der Pixelnummer i (Objektpunkt-Suchprozess). Dieser Objektpunkt-Suchprozess wird später genauer beschrieben.
In Schritt S304 werden die Messdaten der Bildkoordinaten (x_i', y_i'), die man in dem Objektpunkt-Suchprozess nach Schritt S303 erhält, in dem Aufzeichnungsmedium 42 aufgezeichnet. In Schritt S305 wird ermittelt, ob die Pixelnummer i größer als die Gesamtpixelzahl N ist. Es wird also ermittelt, ob der Objektpunkt-Suchprozess für alle Pixel innerhalb des Vermessungsbereichs A durchgeführt worden ist. Wird festgestellt, dass dies nicht der Fall ist, d. h. dass i = N nicht gilt, so wird in Schritt S306 die Nummer i um eins erhöht, und der Prozess kehrt zu Schritt S303 zurück. Wird dagegen ermittelt, dass i = N gilt, so endet die automatische Vermessungsoperation.
9 ist ein Flussdiagramm des Objektpunkt-Suchprozesses, der in Schritt S303 ausgeführt wird. In Schritt S401 wird ein Kollinear-Einheitsvektor (r_ix, r_iy, r_iz) für die Kollinearlinie LN_C der Bildkoordinaten (x_i', y_i') berechnet. In dem Objektpunkt-Suchprozess wird die Vermessung in der Weise durchgeführt, dass mit dem Vermessungsinstrument 10 hypothetische Zielpunkte R_j anvisiert werden, die in regelmäßigen Abständen auf der Kollinearlinie LN_C angeordnet sind. In Schritt S402 wird der Abstand L des Ursprungs O_C (X₀, Y₀, Z₀) des Kamerakoordinatensystems zu einem auf der Kollinearlinie LN_C liegenden hypothetischen Zielpunkt Rj auf den Anfangsabstand L_a eingestellt.
In Schritt S403 werden die Vermessungskoordinaten (X_Rj, Y_Rj, Z_Rj) der hypothetischen Zielpunkte R_j aus dem in Schritt S401 ermittelten Kotlinear-Einheitsvektor (r_ix, r_iy, r_iz) und dem Abstand L wie folgt ermittelt. XRj = X0 + rix×L YRj = Y0 + riy×L ZRj = Z0 + riz×L
Den Horizontalwinkel θh und die Höhe θp zum Ausrichten des Zielfernrohrs 17 auf den hypothetischen Zielpunkt R_j erhält man nach den Gleichungen (7) und (8).
Wie in 10 gezeigt, befindet sich für die Gleichungen (7) und (8) der Ursprung des Vermessungskoordinatensystems im Visierursprung OS. Gilt θp = θh, so fällt die X-Achse mit der horizontalen Achse Lh, die Y-Achse mit der vertikalen Achse Lp und die Z-Achse mit der Zielachse (optischen Achse) LN₀ zusammen. Dabei richtet das Vermessungsinstrument 10 die Zielachse (optische Achse) LN₀ des Zielfernrohrs 17 gemäß Signalen, die es aus dem Computer 40 erhält, auf (θh, θp).
In Schritt S404 wird die Vermessung in der Richtung durchgeführt, die in Schritt S403 anvisiert wird. Entsprechend der oben beschriebenen Vermessung werden die Vermessungskoordinaten (X_Qi, Y_Qi, Z_Qi) für den Objektpunkt Q_i aus den realen Messdaten für den Objektpunkt Q_i berechnet, der dem hypothetischen Zielpunkt R_i entspricht. In Schritt S405 werden dann die Bildkoordinaten (x_Qi', y_Qi'), die den Vermessungskoordinaten (X_Qi, Y_Qi, Z_Qi) des Objektpunktes Q_i entsprechen, aus den äußeren Orientierungsparametern (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, k) und den inneren Orientierungsparametern (f, D₂, D₄, D₆, N₁, N₂, X_C, Y_C) berechnet.
In Schritt S406 wird ermittelt, ob die Bildkoordinaten (x_Qi', y_Qi') des Objektpunktes Q_i mit den Bildkoordinaten (x_i', y_i') der Kollinearlinie LN_C übereinstimmen. Liegt beispielsweise der Abstand zwischen den Bildkoordinaten (x_Qi', y_Qi') und den Bildkoordinaten (x_i', y_i') innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs, so wird festgelegt, dass die Koordinaten (x_Qi', y_Qi') des Objektpunktes Q_i mit den Bildkoordinaten (x_i', y_i') der Kollinearlinie LN_C übereinstimmen. In diesem Fall werden die Vermessungskoordinaten (X_Qi, Y_Qi, Z_Qi) des Objektpunktes Q_i, die in Schritt S407 berechnet werden, als Vermessungskoordinaten des Pixels (x_i', y_i') festgelegt, das die Pixelnummer i hat. Der Objektpunkt-Suchprozess für die Pixelnummer i endet damit. Wird dagegen festgestellt, dass die beiden oben genannten Koordinatensätze nicht übereinstimmen, so wird in Schritt S408 der Abstand L durch den Abstand L + ΔL ersetzt, und die Operationen ab Schritt S403 werden wiederholt. Dabei bezeichnet ΔL ein Inkrement für den Abstand L und ist unter Berücksichtigung der erforderlichen Genauigkeit und der Vermessungszeit festgelegt.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 11 der Prozess zum Berechnen des Kollinear-Einheitsvektors beschrieben, der in Schritt S401 ausgeführt wird. 11 zeigt das Flussdiagramm dieses Prozesses.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Kollinear-Einheitsvektor nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate berechnet. Dabei wird in dem Prozess zur Berechnung des Kollinear-Einheitsvektors in einem ersten Schritt ein beliebiger Einheitsvektor (r_Gix, r_Giy, r_Giz) als angenäherter Kollinear-Einheitsvektor für ein Pixel (x_i', y_i') vorgegeben. Deshalb werden in Schritt S501 die Bildkoordinaten (x_Gi',y_Gi') für die Vermessungskoordinaten (X₀ + r_Gix, Y₀ + r_Giy, Z₀ + r_Giz) die einem Ende des sich vom Ursprung O_C: (X₀, Y₀, Z₀) des Kamerakoordinatensystems erstreckenden Einheitsvektors (r_Gix, r_Giy, r_Giz) entsprechen, nach den Gleichungen (1) bis (4) mit den äußeren Orientierungsparametern (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, κ) und den inneren Orientierungsparametern (f, D₂, D₄, D₆, N₁, N₂, X_C, Y_C) berechnet.
In Schritt S502 wird dann für die Bildkoordinaten (x_Gi', Y_Gi') die man in Schritt S501 erhält, eine Gütefunktion Ψ = (x_i'–x_Gi')2 + (y_i'–y_Gi')2 berechnet. In Schritt S503 wird ermittelt, ob die Gütefunktion Ψ kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Wird festgestellt, dass die Gütefunktion Ψ kleiner als der vorbestimmte Wert ist, so wird in Schritt S504 der Einheitsvektor (r_Gix, r_Giy, r_Giz) als Kollinear Einheitsvektor (r_ix, r_iy, r_iz) des Pixels definiert, das die Pixelnummer i hat, wodurch der Prozess zur Berechnung des Kollinear-Einheitsvektors für die Pixelnummer i endet.
Wird dagegen im Schritt S503 festgestellt, dass die Gütefunktion Ψ nicht kleiner als der vorbestimmte Wert ist, so werden in Schritt S505 Korrekturwerte (δr_ix, δr_iy, δr_iz) für den angenäherten Einheitsvektor (rGix rGiy reiz) nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate berechnet. Dann wird der angenäherte Einheitsvektor durch einen neuen Einheitsvektor (r_Gix + δr_ix, r_Giy + δr_iy, r_Giz + δr_iz)_{ersetzt. Der} Prozess kehrt dann zu Schritt S501 zurück, so dass die Schritte S501 bis S505 so lange wiederholt werden, bis in Schritt S503 festgestellt wird, dass die Gütefunktion Ψ kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass das Volumen des Vermessungsbereichs aus den Messdaten des Vermessungsbereichs, die man in der oben beschriebenen auto matischen Vermessungsoperation erhält, berechnet wird. Außerdem können auch die Fläche, die Umfangslänge oder dergleichen bezogen auf den Vermessungsbereich allein durch Vermessen des Umfangs des bestimmten Vermessungsbereichs berechnet werden.
Wie oben beschrieben, kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Messpunkt, der in einem Vermessungsbild bestimmt ist, mit einem Vermessungsinstrument automatisch anvisiert werden, so dass der Messpunkt automatisch vermessen werden kann. Obgleich nicht in den Figuren dargestellt, kann bei Verwendung eines mit einer CCD ausgestatteten Vermessungsinstrumentes das Zielfernrohr noch genauer auf einen Punkt ausgerichtet werden, indem dieser Punkt in einem von der CCD eingefangenen Bild bestimmt wird, das eine höhere Vergrößerung als das Vermessungsbild hat, nachdem zunächst eine grobe Anvisierung des zu vermessenden Punktes vorgenommen worden ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Vermessungsoperation innerhalb eines Vermessungsbereichs automatisch vorgenommen werden, wenn die Bedienperson lediglich den Vermessungsbereich in dem Vermessungsbild definiert, so dass die Effizienz der Vermessungsoperation deutlich verbessert ist. Bei Verwendung eines Linsenssystems mit langer Brennweite, beispielsweise eines Teleobjektivs, ist die Verzerrung, die einen Teil der inneren Orientierungsparameter darstellt, so klein, dass sie unter Umständen vernachlässigt werden kann. Dies bedeutet, dass die inneren Orientierungsparameter (D₂, D₄, D₆, N₁, N₂) vernachlässigt werden können und nur noch die inneren Orientierungsparameter (f, X_C, Y_C) übrig bleiben. In diesem Fall sind nur fünf dreidimensional angeordnete Kontrollpunkte P_i erforderlich, um die inneren Orientierungsparameter (f, X_C, Y_C) zu ermitteln. Sind ferner die Versetzung des Hauptpunktes aus dem Bildmittelpunkt, die unsymmetrischen Komponenten der Verzerrung sowie die Verzerrungskomponenten vierter und sechster Ordnung vernachlässigbar, so reduzieren sich die verbleibenden inneren Orientierungsparameter auf (f, D₂), wodurch die Zahl an Kontrollpunkten, die zur Ermittlung der inneren Orientierungsparameter erforderlich ist, auf vier verringert wird. Da die Zahl an unbekannten inneren Orientierungsparametern verringert ist, ist auch die Zahl an Kontrollpunkten entsprechend kleiner. Dadurch wird die Vermessung weniger mühsam und zeitaufwendig.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die digitale Einzelbildkamera 20 beliebig relativ zu dem Vermessungsinstrument 10 angeordnet. Die digitale Einzelbildkamera 20 kann jedoch auch mittels eines zur Kameramontage bestimmten Zubehörs, mit dem das Vermessungsinstrument 10 ausgestattet ist, in einer Position angeordnet werden, die optisch äquivalent dem Zielfernrohr 17 des Vermessungsinstrumentes 10 ist. In diesem Fall kann die Zahl an unbekannten äußeren Orientierungsparametern und damit die Zahl an Kontrollpunkten verringert werden. Wird das Vermessungsbild so aufgenommen, dass die digitale Einzelbildkamera 20 in der zum Zielfernohr 17 des Vermessungsinstrumentes 10 optisch äquivalenten Position angeordnet ist, d.h. dass das auf eine Abbildungsoptik einer Abbildungsvorrichtung bezogene Projektionszentrum in einer zum Visierursprung des Zielfernrohrs optisch äquivalenten Position angeordnet ist, so können der Horizontalwinkel und der Vertikalwinkel direkt aus den Bildkoordinaten berechnet werden, was den Prozess vereinfacht.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 12 ein modifiziertes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem die digitale Einzelbildkamera 20 an einem Punkt angeordnet ist, der optisch äquivalent dem Zielfernrohr 17 ist. In diesem Fall sind für die äußeren Orientierungsparameter (X₀, Y₀, Z₀, ω, φ, κ) die Grössen X₀, Y₀, Z₀ durchwegs Null (X₀ = Y₀ = Z₀ = 0). Sind die y-Achse und die Z-Achse des Kamerakoordinatensystems so definiert, dass sie der horizontalen Achse Lh bzw. der vertikalen Achse Lp des Vermessungsinstrumentes entsprechen, so kann angenommen werden, dass das Vermessungskoordinatensystem und das Kamerakoordinatensystem durch das gleiche Koordinatensystem gebildet sind. Wird mit dem Vermessungsinstrument 10 ein Messpunkt P_n in dem Vermessungsbild anvisiert (vgl. 6), so erhält man die Bildkoordinaten (xp_n', yp_n') des auf den Messpunkt P_n bezogenen Bildpunktes P_n' direkt aus dem Horizontalwinkel θh_n und dem Vertikalwinkel θp_n des auf den Messpunkt P_n gerichteten Vermessungsinstrumentes sowie der Bildweite f der Abbildungslinse, indem diese Größen in die folgenden Gleichungen eingesetzt werden: xpn' = f·tan(θhn-θh0)/Px + W/2, ypn = f·tan (θpn-θp0)/Py + W/2 (9) worin θh₀ und θp₀ die Anfangszielrichtungen bei Aufnahme des Vermessungsbiles sind. (Ist eine Korrektur der Verzerrung erforderlich, so werden auch die inneren Orientierungsparameter genutzt). Ist eine Zielposition (xp_n', yp_n') in dem Vermessungsbild bestimmt, so können der Horizontalwinkel θh_n und der Vertikalwinkel θp_n (Höhe) des Messpunktes P_n aus dem Inversen der Gleichung (9) berechnet werden, d.h.: θhn = tan–1(Px(xpn-W/2)/f) + θh0 θpn = tan–1 (Py(ypn'– H/2)/f) + θP0 (10)
Mit dem Vermessungsinstrument 10 kann deshalb die durch Gleichung (10) festgelegte Richtung anvisiert werden.
12 zeigt ein Flussdiagramm der Vermessungsoperation, die in dem vorliegenden modifizierten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird.
In Schritt S601 wird die Korrespondenz zwischen dem Vermessungsbild und den Vermessungskoordinaten durch den in 2 beschriebenen Orientierungsprozess festgelegt. In Schritt S602 wird mittels der Maus 43 ein Messpunkt P_n in dem Vermessungsbild als Zielpunkt bestimmt. In dem bestimmten Punkt wird eine Zielmarkierung dargestellt, um die Zielposition anzugeben. In Schritt S603 werden die Zielwinkel (θh_n, θp_n) berechnet, indem die auf den bestimmten Zielpunkt (Messpunkt P_n) bezogene Position P_n' (xp_n', Yp_n') in dem Vermessungsbild in Gleichung (10) eingesetzt wird. Das Vermessungsinstrument wird dann in die entsprechende Richtung ausgerichtet. In Schritt S604 wird die Darstellung, z. B. Farbe, Form oder Größe, des Zielpunktes, der schon anvisiert worden ist, in dem Vermessungsbild geändert. Damit endet die Vermessungsoperation.
In dem vorliegenden modifizierten Ausführungsbeispiel kann die Bedienperson visuell erfassen, ob die Anvisierung in dem Vermessungsbild abgeschlossen ist. Dadurch wird die Effizienz der Anvisierung verbessert.
Im Folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem eine Vermessungsoperation für einen Zielpunkt durchgeführt wird, der eine Information hinsichtlich seiner dreidimensionalen Position beinhaltet, was beispielsweise der Fall ist, wenn dem anzuvisierenden Messpunkt eine solche Information in Form von Planungswerten wie einem Absteckpunkt zugeordnet ist oder die Anvisierung eines Messpunktes schon in einer früheren Vermessungsoperation gemessen worden ist. Ist eine solche Information der dreidimensionalen Position eines Messpunktes P_n gegeben, so kann die Anvisierung mit dem Vermessungsinstrument 10 automatisch vorgenommen werden, indem der Horizontalwinkel θh_n und der Vertikalwinkel θp_n durch Einsetzen der Koordinaten (X_n, Y_n, Z_n) des Messpunktes Pn in Ri (XRi, YRi ZRi) nach Gleichung (7) und (8) berechnet werden. 13 ist ein Flussdiagramm, das die Vermessungsoperation in diesem Fall zeigt.
In Schritt S701 wird die Korrespondenz zwischen dem Vermessungsbild und den Vermessungskoordinaten durch den in 2 beschriebenen Orientierungsprozess festgelegt. In Schritt S702 wird in dem Vermessungsbild ein Messpunkt, z. B. ein Absteckpunkt, dargestellt, dessen dreidimensionale Koordinaten bekannt sind. In Schritt S703 legt die Bedienperson die Zielrichtung fest, indem sie mittels einer Zeigevorrichtung, z. B. der Maus 43, einen Messpunkt in dem Vermessungsbild, d.h. den anzuvisierenden Punkt, bestimmt. In Schritt S704 werden die dreidimensionalen Koordinaten des Messpunktes P_n in die Gleichungen (7) und (8) eingesetzt, um die Zielwinkel (θh_n, θp_n) zu berechnen und mit dem Vermessungsinstrument die Richtung anzuvisieren, die durch die obigen Zielwinkel dargestellt ist. In Schritt S705 wird die Darstellung, z. B. Farbe, Form oder Größe, des Messpunktes, der schon anvisiert worden ist, geändert. Damit endet die Vermessungsoperation.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine ähnliche Wirkung erreicht, wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. So kann der Abschluss der Anvisie rung in dem Vermessungsbild visuell erfasst werden, wodurch die Effizienz der Vermessungsoperation verbessert wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass in Schritt S703 eine Markierung, die einen ausgewählten Messpunkt darstellt, geändert werden kann, wenn der Messpunkt bestimmt ist. Wird ein Absteckpunkt vermessen und ist das Plankoordinatensystem für diesen Absteckpunkt nicht äquivalent dem Vermessungskoordinatensystem, so werden die auf das Plankoordinatensystem bezogenen Koordinatenwerte des Absteckpunktes in das Vermessungskoordinatensystem transformiert. Es ist ebenso möglich, die umgekehrte Transformation vorzunehmen.
In den vorgestellten Ausführungsbeispielen wird das Vermessungsinstrument auf einen auf der Kollinearlinie LN_C liegenden Zielpunkt ausgerichtet, der einem beliebig bestimmen Pixel entspricht, und die Bildkoordinaten (x_Qi', y_Qi') in dem Vermessungsbild werden aus den Vermessungskoordinaten (X_Qi, Y_Qi, Z_Qi) berechnet, die in der obigen Anvisierung gemessen werden. Ferner wird ermittelt, ob die Bildkoordinaten (x_Qi', y_Qi') mit den Bildkoordinaten (x_i', y_i') des beliebig bestimmten Pixels übereinstimmen. Hierzu kann auch ermittelt werden, ob die Vermessungskoordinaten (X_Qi, Y_Qi, Z_Qi) mit den Vermessungskoordinaten (X_Ri, Y_Ri, Z_Ri) des Zielpunktes R_i übereinstimmen.
In den vorgestellten Ausführungsbeispielen werden die Kontrollpunkte mittels einer Zeigervorrichtung beliebig in dem Vermessungsbild bestimmt. Es ist jedoch ebenso möglich, ein Bild einer Referenzskala, deren Abmessungen bekannt sind, oder Referenzmarkierungen in beliebigen Positionen innerhalb des Vermessungsbildes aufzunehmen und die äußeren Orientierungsparameter in der Weise zu berechnen, dass die Referenzskala oder die Referenzmarkierungen als Kontrollpunkte betrachtet werden. In diesem Fall können die Punkte auf der Referenzskala oder die Referenzmarkierungen mittels einer Zeigervorrichtung oder dergleichen in dem Vermessungsbild bestimmt werden. Außerdem ist es bei Verwendung der Referenzskala oder der Referenzmarkierungen möglich, die Kontrollpunkte in dem Vermessungsbild mittels Bildbearbeitung automatisch zu erfassen.
In den vorgestellten Ausführungsbeispielen wird ein an das Vermessungsinstrument angeschlossener Computer verwendet. Die Funktion des Computers kann jedoch auch in das Vermessungsinstrument oder die digitale Einzelbildkamera integriert sein. Ferner wird in den vorgestellten Ausführungsbeispielen ein digitales Bild durch eine digitale Einzelbildkamera erzeugt. Es kann jedoch auch eine Bildaufnahmevorrichtung anderer Art, z. B. eine digitale Videokamera oder dergleichen, eingesetzt werden, so lange diese Vorrichtung in der Lage ist, ein digitales Bild zu erzeugen.

Claims

Automatisches Vermessungssystem mit einer Vermessungsvorrichtung, einer Kollinearlinien-Recheneinheit zum Ermitteln einer Kollinearlinie, auf der ein Punkt liegt, der in einem Bild, dessen Positionsbeziehung zu der Vermessungsvorrichtung bekannt ist, beliebig bestimmt wird, einer Zielrichtungs-Steuereinheit zum Steuern der Zielrichtung der Vermessungsvorrichtung derart, dass sich die Zielrichtung längs der Kollinearlinie bewegt, und einer Objektpunkt-Sucheinheit zum Suchen eines Objektpunktes, dessen Position als auf der Kollinearlinie liegend bestimmbar ist, durch Messen der Zielrichtung mit dem Vermessungsinstrument während der der Vornahme der Zielrichtungssteuerung, wobei die durch die Objektpunkt-Sucheinheit ermittelte Position mit einem Objektpunkt übereinstimmt, der dem in dem Bild bestimmten Punkt entspricht.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Positionsbeziehungs-Recheneinheit zum Berechnen der Positionsbeziehung zwischen der Vermessungsvorrichtung und dem Bild, wobei die Positionsbeziehung aus der Vermessungsinformation von mindestens drei beliebig bestimmten Kontrollpunkten und den Positionen dieser Kontrollpunkte in dem Bild berechnet wird.
System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Eingabevorrichtung zum Bestimmen eines Punktes in dem Bild, wobei die Kontrollpunkte durch Bestimmen beliebiger Punkte in dem Bild mittels der Eingabevorrichtung festgelegt werden.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Eingabevorrichtung zum Bestimmen eines Punktes in dem Bild, wobei mittels der Eingabevorrichtung in dem Bild ein Punkt beliebig bestimmt wird, nach dem in der Objektpunkt-Sucheinheit gesucht werden soll.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Eingabevorrichtung eine gerade Linie oder eine gekrümmte Linie in dem Bild festlegbar ist und dass der Objektpunkt-Suchprozess für mehrere Punkte durchgeführt wird, die auf der geraden Linie oder der gekrümmten Linie liegen.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Eingabevorrichtung eine geschlossene, gekrümmte Linie in dem Bild festlegbar ist und dass der Objektpunkt-Suchprozess für mehrere Punkte durchgeführt wird, die von dieser gekrümmten Linie umschlossen sind.
Automatisches Vermessungssystem mit einer Positionsbeziehungs-Recheneinheit zum Berechnen der Positionsbeziehung zwischen einem Koordinatensystem, auf das Messinformation eines Messpunktes bezogen ist, und einem diesen Messpunkt enthaltenden Bild eines Vermessungsbereichs, einer Korrespondenzeinheit zum Festlegen einer Korrespondenz zwischen der Messinformation des Messpunktes und einer Positionsinformation eines dem Messpunkt in dem Bild entsprechenden Punktes unter Bezugnahme auf die Positionsbeziehung, einer Eingabevorrichtung zum Bestimmen des Messpunktes in dem Bild und einer Zielrichtungs-Steuereinheit zum Steuern der Zielrichtung eines Vermessungsinstrumentes entsprechend der Position des durch die Eingabevorrichtung in dem Bild bestimmten Messpunktes.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild so aufgenommen wird, dass das Projektionszentrum einer zum Aufnehmen des Bildes bestimmten Abbildungsoptik in einer Position angeordnet ist, die optisch äquivalent einem Visierursprung des Vermessungsinstrumentes ist, und dass die Zielrichtungs-Steuereinheit eine Winkelinformation eines durch die Eingabevorrichtung in dem Bild bestimmten Zielpunktes bezogen auf das Koordinatensystem aus einer der zweidimensionalen Position des Zielpunktes entsprechenden Information sowie äußere Orientierungsparameter einer das Bild aufnehmenden Bildaufnahmevorrichtung ermittelt, und dass mit der Vermessungsvorrichtung eine Richtung anvisiert wird, die der Winkelinformation entspricht.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpunkt in dem Bild entsprechend einer auf seine dreidimensionale Position bezogenen Information dargestellt wird, wenn die Vermessungsinformation des Messpunktes vorgegebene geografische Daten einschließlich eines Absteckpunktes umfasst, und dass die Anvisierung der Vermessungsvorrichtung so gesteuert wird, dass ein durch die Eingabevorrichtung aus mehreren Messpunkten bestimmter Messpunkt als Zielpunkt betrachtet wird.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellung des Messpunktes in dem Bild geändert wird, wenn der Messpunkt mit der Vermessungsvorrichtung anvisiert ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielpunkt in dem Bild dargestellt wird.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellung des Zielpunktes in dem Bild geändert wird, wenn der Zielpunkt mit der Vermessungsvorrichtung anvisiert ist.