JP5010771B2 - ビデオ・タキメータによる測地測量の方法および装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル・ビデオ・センサーを使用して、特に電子カメラを備えたビデオ・タキメータを使用して、物点を求めるための測地測量を実施するための方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
点測量と同時に点のビデオ像を点番号と共にタイミング・チャートに記録するために、タキメータをビデオ・カメラに接続することが、DE 36 28 350 から知られている。
さらに測地装置の望遠鏡の焦点に取付けられた光電検知器によって特殊十字線の位置を検知することが知られている。位置感知検知器によって特殊構造の十字線の位置を検知することが DE 195 28 465 から知られている。
行および列加算機能による重心形成によって、燐光性または反射型十字線の位置を求めることが DE 195 28 465 から知られている。
両方の場合とも、点の位置を求めるために、特殊十字線(照準ディスクまたは反射器)が必要である。
【0003】
反射器のないレーザー・テレメーターでは、直接測定できない稜線のすぐ近くにおいて点を遠隔測定することによってこれらの稜線を測定し、計算によってこれらの点から一つの平面を求めるような構造が、DE 195 04 018 から知られている。
稜線の各位置は、経緯儀の望遠鏡および十字線によって目視で求めて計算し、先に求めた平面に適用する。稜線の位置を求めるために、いくつかの照準を目視で行う必要があるという短所が、この方法には付きまとっている。この場合、その場で直ちに発見できない過失が発生する。
【0004】
DE 689 04 911 T2 による建造物の測量法には、テレメーターに接続された経緯儀が使用され、かつ該経緯儀によって、ある空間を取り囲む平面が少なくとも3箇所の各々において測定され、またそれ故に該空間における該平面の位置が求められる。この方法の短所は、次のとおりである。すなわち、測量対象空間が主として壁によって囲まれているので、該方法の適用は内部空間に限定される。
【0005】
DE 198 00 336 では、テレメーターを備えたカメラを使用する。カメラ撮影を2回行うことによって、また両方の撮影において既知の幾何学的相互関係にある3個の点を撮影することによって、写真測量法により公知の方法で、点が求められる。US 5166 878によると、3個の点からパノラマ撮影が行われる。撮影の共通点において、撮影点および像内での座標の計算が行われる。同様にして、両方の像において存在しなければならない既知の間隔の3個の点から任意の指向方向の立体撮影を行う際のカメラ位置を求める方法が WO 97/36147 に記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
写真測量によるこの方法には、次の欠点がある。すなわち、第2の適切なカメラ位置が存在しなければならないが、該位置は必ずしも発見されない。スタジア測量の課題は、次のとおりである。すなわち、ただ1回の測量で、1個の点に関してすべての不可欠な測量データを入手し且つ確定するということである。
【0007】
普通の写真測量カメラと異なり、近距離焦点レンズでも作動することができるようにするために、ゆがみ誤差の修正が焦点依存で行われるCCDカメラによる形状測量が、DE 197 30 257 から知られている。
経緯儀に取付けられたCCDのビデオ画像を評価することが、1995年10月2日〜4日、ウイーン大学・学会・会報「光学3次元計測技術 III」、251〜262ページ、から知られている。ビデオ計測装置は、2個またはそれ以上のビデオ経緯儀で構成される。適切な画像処理法によって、像中の測距対象物体のコントラストが強化される。写真測量の場合通常行われるように、両方の撮影点の撮影における対応点の決定およびその後の座標測定によって、評価が行われる。
【0008】
反射器のない測量タキメータにビデオ・カメラが追加的に装着されていることが、「ビデオ・オプション付サベーヤー ALS」 という装置に関するメジャーメント・ディヴァイス社の内容見本から知られている。
ビデオ像は、コンピュータ・ディスプレイ上に再生される。マウスで点をスクリーン上にマークすることによって、点の引力が解除される。この時点で、距離および角度が測定される。モデルと実体を相互に比較することができるようにするために、コンピュータの測定点座標の計算から生成される地形モデルが、ビデオ像と同時にスクリーン上に再生される。この装置においては、画像処理は行われなくて、各点は、単独に照射され、測定される。
【0009】
従って、いくつものタキメータ撮影点から測定を実施する必要性およびビデオ・タキメータを外部コンピュータに接続する必要性がなくなるようにすることによって、該技術の状態の短所を除去し、測定を単純化することが本発明の課題である。装置の操作をさらに単純化し、且つ未熟練従業員によっても操作できるようにすれば、各関心対象点を個別に照射しなくても、像中の点を求めることは、明確に可能になるはずである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、請求項1に記述した手段によってこの課題は解決される。それ以降の請求項においては、本発明の詳細およびそれ以上の説明が記載されている。
従って、焦点にピクセル・マトリックスを有する電子デジタル・カメラを備えた対物レンズ、カメラのマトリックス上に像を集束するための集束装置、カメラの像を表示するためのディスプレイ、およびこのほかに距離測定器および対物レンズおよびカメラで構成される配置の水平角および垂直角を求めるための角度測定器が、ビデオ・タキメータに設けられており、かつ該ビデオ・タキメータにおいては、ディスプレイの像情報をマークするためのペン、マウス、トラックボール、または類似の装置が使用される。
【0011】
ピクセル・マトリックスは、CCDマトリックスまたはCMOS像センサー・マトリックスとして形成される。マークされたピクセルは、変換によって、電子カメラのディスプレイ・ピクセル上で照合されて、電子カメラの照合ピクセルの内部において、自明の画像処理法によって構造 (例えば、点、稜線、コーナー) が探索される。この構造の位置および指向方向は、対物レンズおよびカメラによって形成される配置の視準軸に関して確定され、距離測定器によって求められる距離および角度測定装置によって測定される角度を用いて、その都度の観察平面内の物体空間の構造の測定値が求められる。
【0012】
有利な実施形態において、その都度の測定値および計算値がディスプレイに表示される。
点滅または色彩によってディスプレイ上でコントラストを付けて計算構造を際立たせることは、有利である。
物体空間における縮尺を距離測定によって校正するディスプレイに定規を挿入することは、さらに有利である。
【0013】
測定過程を文書化するために、算出データと共にフォトグラムを記憶装置に入れることは、さらに有利である。
分解能を最大限に発揮している電子カメラの像の任意の部分をディスプレイ上で結像させることは、さらに有利である。そのためには、十字線または指標をディスプレイ上で生成することが 有利であり得る。
表示させる際または記憶装置に入れる際に、分解能を像境界まで低下させることが有利であり得る。これは、非線形結像縮尺によって行うことができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下において、実施例によって、本発明について説明するものとする。
図1は、台架2に取付けたビデオ・タキメータ1を示す。該タキメータ1においては、三脚台3、支持具4、およびCCDマトリックスまたはCMOS像センサー・マトリックスを備えた電子カメラを有する望遠鏡5が自在に使用される。該支持具4は、垂直支持軸を中心に回転可能である。該カメラを有する該望遠鏡5は、該支持具4に支持された水平トラニオン軸10を中心に回転可能である。
【0015】
該ビデオ・タキメータ1においては、該支持軸9を中心とする回転 (水平角) および該トラニオン軸10を中心とする回転(水平面に対する垂直角)を測定するための詳細には図示されていない自明の角度測定装置、相互に直角な2方向の該支持軸9の傾斜角を測定するための図示されていない傾斜角センサー、ならびに物点までの距離および場合によっては基準点までの距離ならびに物体空間中の物体構造ならびにその他の像情報を求めるための図示されていない距離測定装置が自在に使用される。
【0016】
該望遠鏡5には、対物レンズ、集束レンズ、および像ピック・アップ・レシーバ、例えば、該望遠鏡または該カメラの対物レンズの焦点面に配置されたCCDマトリックスが公知の方法で備わっている。
【0017】
該タキメータのピニオン・ノブ11、12を操作することによってなされるように、例えば反射器7によって構成される照準点または物点が該タキメータによって照射されると、該反射器7の像8がディスプレイ6において観察される。該ディスプレイ6の像反復速度は十分に高く、例えば、毎秒10〜25フレームであるので、該ディスプレイ6においては、該反射器7は、接眼レンズを備えた在来の望遠鏡における照射点と同様に照射れることができる。
【0018】
図2は、ブロック・ダイヤグラムにおいて、該CCDマトリックス20および該ディスプレイ6を示す。該ディスプレイ6は、像信号を処理するために、制御素子84を介して該CCDマトリックス20に接続した状態でここに図示してある。
該ディスプレイ6は、いわゆるタッチ・スクリーンである。つまり、該ディスプレイ6上の1箇所に手を触れると、キーボードを操作した場合と同様に、一定の制御ステップおよびコマンドが装置コンピュータに伝達される。とりわけ、該ディスプレイ6上の単独の点をペンでさわり、該ペンでマークすることができ、その際に、コンピュータは、さわられたピクセルの座標(x’,y’)を決定することができる。
【0019】
一般に、ディスプレイは、必ずしも、カメラ・チップと同数のピクセルを有すしてないので、該ディスプレイ6のピクセル座標(x’, y’)を有する点21にCCDマトリックス20の ピクセル22(x, y)を割当てなければならない。その際に、該CCDマトリックス20の場合は、x軸は水平行方向に位置し、y軸は垂直行方向に位置する。該ディスプレイ6の場合は、同様に、x’軸は水平行方向に位置し、y’軸は垂直行方向に位置する。
【0020】
全像情報をディスプレイの全面に結像させる最も単純な場合において、次の割当てが適用される。
a CCD マトリックスの1つの列におけるピクセルの個数
b CCD マトリックスの1つの列におけるピクセルの個数
c ディスプレイの1つの行におけるピクセルの個数
d ディスプレイの1つの列におけるピクセルの個数
次が適用される。
x = Int [x’ * a/c] [1]
y = Int [y’ * b/d] [2]
【0021】
従って、ビデオ・タキメータのディスプレイの座標 (x’, y’) を点21にマークすると、式 [1] および [2] を使って、CCDマトリックス20の座標 (x, y) を有するピクセル22が該点21に割当てられる。この場合、関数Intは、整数部を意味する。それから、図形処理用コンピュータ・プログラムから自明である方法で、点のみならず、コーナー、稜線、ならびに類似の幾何学的図形および物体に対しても、このマーキングを実施することができる。同様にして、コンピュータ用ディスプレイを使用して、ソフト・キーのマーキングによって、対象幾何学的物体の種類を伝達することができる。
【0022】
式 [1] および [2] を使って、CCD マトリックス20のデータ・レコードにおいてこれらの物体を再度見出すことが可能である。次に、このようにして計算したピクセル (x, y) の近傍において、マークされた物体が自明の画像処理ロガリズムによって探索される。この場合、近傍という概念の意味は次のとおりである。すなわち、探索される幾何学的物体のサブピクセル内挿を確実に行うために不可欠であるような個数のピクセルに関して探索範囲を拡大しなければならないという意味である。さらに、CCD マトリックスの代わりに、CMOS像センサー・マトリックスも使用することができるということをここで言い添えることとする。
【0023】
このために不可欠な手続きを図3に示す。この場合、ディスプレイ6は、二つの領域に分割されている。すなわち、像領域30および操作領域36である。像領域30は、ビデオ・タキメータ1のCCDカメラによって撮影される物体を像情報として示す。従って、物点内または物点上の照射箇所に取付けられた反射器7の像6は、さらに、例えば、家屋稜線33および窓32を備えた家屋正面31を示す。それから、グラフィック操作表面を備えたコンピュータから自明であるやり方で、カーソル34によって物体 (例えば、稜線または点) がマークされる。
図3において、カーソル34を使用して生成されたマーキング35によって、家屋稜線33が取り囲まれている。
【0024】
ディスプレイ6の操作領域36においては、ソフトウェアによって生成されたキー37〜41が存在する。ペンでこれらのキーをさわることによって、マークされた領域35の中のソフトウェアを使用して、幾何学的物体が探索される。キー37は点の探索を遂行し、キー38は稜線の探索を遂行し、キー39はコーナーの探索を遂行する。キー40は次の機能を有する。すなわち、任意の物体を捕捉する。つまり、このキーを操作することによって、使用コンピュータのソフトウェアは、物体のタイプですら特定する。
【0025】
家屋稜線33の例においては、キー38が操作される。ビデオ・タキメータ1のコンピュータのソフトウェアは、マーキング35によって囲まれたディスプレイ6の領域のピクセル座標 (x’, y’) のために、式 [1] および [2] によってCCDマトリックスの付属ピクセル (x, y) を決定し、この領域において、例えば稜線を探索する。
【0026】
幾何学的物体のサブピクセル内挿は、自明の画像処理手順によって行われる。
次に、サブピクセル内挿によって発見された稜線の計算位置をマークするために有利になるように、該稜線は別の色でディスプレイ6に保管される。次にエスケープ・キー41を使用して、例えば、メニュー範囲または操作領域36がキャンセルされる。図示した方法においては、像内のすべての幾何学的物体は、マークされることができ、それらの座標はCCDマトリックス20のシステムにおいて割当てられることができる。
【0027】
図4は、物体空間および像空間内の各一つの平面間の割当てを示す。従って、物体空間内の平面Eは、CCDマトリックス20 の平面内の像空間内の平面E’に割当てられる。ビデオ・タキメータ1の光学軸50は、物体空間内の点P、略図的に描いた望遠鏡対物レンズ53の対物レンズ主点52、および光学軸50の交点P’を介して、CCDマトリックス20によってマークされる。この交点P’は、CCDマトリックス20の座標系において、(xm, ym) という座標を有する。
【0028】
CCD マトリックス20の像平面E’は、光学軸50に対して垂直である。光学軸50と像点B’の交点P’が該像平面に存在する。該像点B’は、サブピクセル内挿によって得た座標 (xi, yi) を有する。該点B’から該光学軸50の該交点P’までのx方向の偏差量sは、(xi xm)から発生する。該点B’から該光学軸50の該交点P’までの該平面E’内のx方向の偏差量tは、(yi ym)から発生する。
【0029】
光学軸に対して垂直な物体平面E内に測定対象の物点Bが存在し、かつその結像である点B’は、像E’内に存在する。また、該物点Bが存在する平面Eと光学軸50との交点である交点Pが光学軸上に存在する。該物点Bは、図3に従ってマークされ内挿された幾何学的物体33 (図4) 一部であり得る。該光学軸50に対して垂直な該平面E内の交点Pまでの横方向の偏差量aおよび高さの偏差量cを該物点Pは有する。偏差量 (座標)aおよびcは、これらの偏差量に割当てることができる。
【0030】
結像縮尺Mが既知である場合は、これらの座標(a,c)を求めることができる。次のようになる。
a = M * (xi ‐ xm) [3]
= M * (yi ‐ ym) [4]
該縮尺Mは、種々の方法で求めることができる。それ故に、反射器を基準として、または反射器なしで、Pまでの距離測定が行われる。
【0031】
該縮尺Mは、公知の光学法則によって、次のようになる。
M = g/b [5]
但し、bは像距離、つまり、対物レンズ53の物体側主面とCCDマトリックス20の間の距離である。物体距離gは、対物レンズ53の物体側主面と点Pの間の距離であり、望遠鏡5の光学的データおよび測定距離から求めることができる。該距離は、ビデオ・タキメータの支持軸と点Pの間の隔たりのことであり、該支持軸を中心として該ビデオ・タキメータは回転可能である。
【0032】
さらに、両方の装置の距離およびこれらの相互の指向方向が互いに既知である場合に、第2のビデオ・タキメータが同一の点 B を測定するやり方で、該点Bないし該点Bが包含する幾何学的物体まで、直接、三角法距離測定を行うことができる。これらの方法は、公知であり、本発明の対象ではない。
【0033】
距離、タキメータの角度測定装置で測定した水平角および垂直角、ならびに装置傾斜角を使用して、公知の方法で照射された物点Pに座標を割当てることができる。水平照射の場合の式[3]および[4]を使用して、物点に関する座標をCCDマトリックス20の像情報から抜出された幾何学的物体に割当てることができる。傾斜照射の場合は、測定値は、写真測量法に基づく公知の法則性に相応して、決定させなければならない。従って、幾何学的物体に関して座標を求めることが可能である。
【0034】
図5は、ビデオ・タキメータ1のディスプレイの、本発明による、もう一つの構成を示す。 該構成においては、デジタル画像処理の代わりに、アナログ測定の可能性が像に存在する。
図6は、第一に、フレーム・マーク62、および光学軸50 (図4) がマークする十字線63を示す。これらのフレーム・マーク62は、ソフトウェアによって生成される。反射器が該ビデオ・タキメータ1によって照射されると、反射器8の像が該ディスプレイ1に現れる。さらに、同様にスクリーン上に存在する測定対象物体8’、例えば、少なくとも近似的に該反射器8と同じ距離に存在する樹木が見える。
【0035】
該反射器8までの距離が既知である場合は、式 [3] および [4] を使用して、縮尺の値aおよびbが計算される。これらの値は、目盛り64に表示される。該目盛り64は、そのゼロ点65を中心として回転させることができ、カーソルによって自由に移動させることができる。従って、測定対象物体67(例えば、該樹木8の稜線) の像に該目盛り68をあてがうことによって、測定を行うこと、例えば該樹木の直径を測定することがユーザーにとって可能である。該目盛り68の計測値、十字線69に対するカーソル位置、およびディスプレイ像70の縮尺は、同様にして、有利になるように、別個のフィールド上に、または該ディスプレイ6内もしくは該ディスプレイ6上の選択された位置に表示される。
【0036】
縮尺値cが垂直方向に射影されるようにするために、望遠鏡5 (図1) の傾斜角を有するカーソル目盛り71を水平面の方へ変えることも可能である。
明確にするために、計算された構造をディスプレイ上でコントラストを付けて際立たせることも可能である。これは、例えば、構造の点滅または構造のカラー・マーキングによって可能である。
【0037】
本発明は、上述の実施例に限定されない。従って、ディスプレイは、望遠鏡に取付けることもできるし、またはタキメータから離れたところに取付けることもできる。像は、種々にズームさせることもできるし、または中央から周辺まで変化する結像縮尺によって表示させることもできる。フォトグラムから抜出された測定データと共に、フォトグラムを記憶装置に入れることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるビデオ・タキメータの概観を示す。
【図2】ディスプレイとカメラ・チップの間のピクセル配置の略図を示す。
【図3】ディスプレイ上でのグラフによるデータ出力の略図を示す。
【図4】物体空間と像空間の間の対応を示す。
【図5】像に挿入された定規を示す。
【符号の説明】
1 ビデオ・タキメータ
2 台架
3 三脚台
4 支持具
5 望遠鏡
6 ディスプレイ
7 反射器
8 像
9 支持軸
10 水平トラニオン軸
11、12 ピニオン・ノブ
20 CCDマトリックス
30 領域
32 窓
33 家屋稜線
34 カーソル
35 マーキング
36 操作領域
37〜41 キー
50 光学軸
53 対物レンズ
62 フレーム・マーク
63 十字線
64 目盛り
65 ゼロ点
67 測定対象物体
68 目盛り
69 十字線
70 ディスプレイ像
84 制御素子

Claims (9)

  1. 電子式で、ピクセル・マトリックスを包含するカメラと、距離計と、ディスプレイ(6)と、記憶装置を有するコンピュータと、角度測定装置とを備え、タキメータ撮影点に配置されたビデオ・タキメータによる測地測量の方法であって、
    前記カメラによって、前記ビデオ・タキメータの光学軸(50)との交点(P)を含み、かつ該光学軸に対して垂直な平面(E)に存在する、物体構造の測定対象物点(B)を包含する像が撮影され、該像は、前記ディスプレイ(6)上に表示され、前記コンピュータの前記記憶装置に記憶され、かつ電子手段によって、前記ディスプレイ(6)のピクセル上に、前記測定対象物点(B)を包含する像情報がマークされるか、または表示され、かつ前記ビデオ・タキメータの前記距離計によって前記ビデオ・タキメータから前記交点(P)までの距離が測定され、前記ビデオ・タキメータの前記角度測定装置によって、前記ビデオ・タキメータから前記交点(P)までの仰角および水平角が測定され、
    − 変換によって、ディスプレイ(6)上のマークまたは表示されたピクセルに、前記カメラのマトリックス像平面(E’)上のピクセルが割当てられ、
    前記カメラの、割当てられたピクセルの像情報において、前記コンピュータを用いた画像処理法によって、点、稜線、コーナーを含む前記物体構造が探索され、
    前記物体構造のサブピクセル内挿により前記カメラによって形成された前記マトリックス像平面(E’)における測定対象物点(B’)の座標が得られ、
    − 対物レンズおよび前記カメラによって形成された前記ビデオ・タキメータの前記光学(50)に対する、前記測定対象物点(B)前記マトリックス像平面(E’)上の位置が前記マトリックス像平面(E’)における前記測定対象物点(B’)の座標と、前記マトリックス像平面(E’)と前記光学(50)との交点(P’)の座標との間の差に基づいて求められ、
    − 求められた前記マトリックス像平面(E’)における前記測定対象物点(B’)の位置と、測定された前記交点(P)までの距離から決定された結像縮尺とを用いて、その都度の前記マトリックス像平面(E’)上における測定対象物点(B’)の測定値が求められることを特徴とするビデオ・タキメータによる測地測量の方法。
  2. 前記測定対象物点(B’)の測定値が前記ディスプレイ(6)表示されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記物体構造を前記ディスプレイ(6)において、点滅または色彩によってコントラストを付けて際立たせることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の方法。
  4. 物体空間における縮尺が距離測定によって校正された少なくとも1個の定規が前記ディスプレイ(6)に挿入されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 測定過程を記録するために、測定データとともに像情報を前記コンピュータの前記記憶装置に記憶することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 分解能を発揮して前記カメラで撮影された像の任意の部分が前記ビデオ・タキメータの前記ディスプレイ(6)上に結像されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 少なくとも1個の十字線または指標が、共に前記ディスプレイ(6)上に生成され、見えるようになっていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法を実施するためのビデオ・タキメータであって、望遠鏡(5)、前記カメラと、前記コンピュータと、ピクセル・マトリックス上に結像された物点を表示するための前記ディスプレイ(6)と、前記測定対象物点までの距離を求めるための前記距離計と前記測定対象物点(B)までの水平角および垂直角を求めるための前記角度測定装置を包含する前記ビデオ・タキメータにおいて、
    − 該ディスプレイ(6)は、少なくとも1個の操作領域(36)および1個の像領域(30)を有し、
    − 該像領域(30)において物点および前記物体構造(31,32,33)の少なくとも一方の像情報(35)をマークするカーソル(34)が表示されており、
    前記カメラのピクセル・マトリックス(20)上のピクセルが、前記コンピュータにより、像領域(30)上でマークされたピクセルに変換によって割当てられ、
    − 且つ前記ディスプレイ(6)上の操作領域(36)に、種々の幾何学的形状および構造用にソフトウェアを搭載した前記コンピュータによって生成されたキー(37〜40)が設けられており、該キーを使用して、対応ソフトウェアを搭載した前記コンピュータによって前記物体構造が探索されることを特徴とするビデオ・タキメータ
  9. 前記カメラのピクセル・マトリックスがCCD素子またはCMOS素子を包含することを特徴とする請求項8に記載のビデオ・タキメータ
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