專利名稱：基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了利用建筑物的空間直角關(guān)系進(jìn)行單影像三維測(cè)量的方法，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺、圖像測(cè)量和數(shù)碼城市建設(shè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
從20世紀(jì)90年代至今，很多學(xué)者對(duì)利用非量測(cè)相機(jī)單幅影像進(jìn)行建筑物的三維測(cè)量作了研究，并取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。但這個(gè)技術(shù)在數(shù)碼城市的建立中至今還沒有得到真正的實(shí)用(劉亞文，張祖勛，張劍清，吳軍.利用地圖與單影像進(jìn)行建筑物三維重建的新途徑[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2005年2月，146～149)。
《利用數(shù)碼像機(jī)進(jìn)行房產(chǎn)測(cè)量與建筑物的精細(xì)三維重建》([博士學(xué)位論文]武漢武漢大學(xué)，2005)和《建筑場(chǎng)景三維重建中影像方位元素的獲取方法》(張祖勛，吳軍，張劍清.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2003.6，28(3))提出了利用非量測(cè)相機(jī)單影像進(jìn)行建筑物的三維重建，理論上分為以下幾個(gè)步驟①影像的內(nèi)、外方位元素的確定(f，x0，y0，XS，YS，ZS，φ，ω，κ)；②應(yīng)用構(gòu)建實(shí)體幾何CSG(constructive solid geometry)理論重建建筑物的三維模型。其基本理論多是利用建筑物三組空間互相垂直的平行線的交點(diǎn)(∞點(diǎn))與影像上對(duì)應(yīng)的“滅點(diǎn)”確定影像的內(nèi)、外方位元素，并且一般選定建筑物的一個(gè)“角點(diǎn)”為物方坐標(biāo)系的原點(diǎn)，該建筑物上的三組相互垂直的直線分別為物方坐標(biāo)系的X、Y、Z軸。針對(duì)多棟不平行的建筑物，利用直接線性變換、單影像空間后方交會(huì)確定影像方位元素的初值；然后利用全部建筑物的直線(特別是建筑物的鉛垂線)來(lái)確定影像方位元素的精確值，以達(dá)到對(duì)多棟建筑物同時(shí)建模的目的。
可見，目前的研究主要利用建筑物在三個(gè)方向上的平行線來(lái)計(jì)算影像的方位元素，實(shí)現(xiàn)建筑物的單影像三維建模。然而，很多建筑物無(wú)法提供完整的三個(gè)方向的平行線，使得這種方法有很大的局限性。
城市三維建模技術(shù)的首要內(nèi)容在于大量的城市基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)包括地物目標(biāo)的平面位置、地面高程、高度和地物紋理。目前的三維數(shù)據(jù)采集方法是利用攝影測(cè)量和遙感技術(shù)得到城市的數(shù)字地面模型、數(shù)字線劃地圖(Digital Line Graphic，縮寫DLG)、利用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地獲取地物的紋理、建筑物高度數(shù)據(jù)來(lái)建立數(shù)碼城市模型。
建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取有很多方法，如三維激光掃描儀采集、數(shù)字立體攝影測(cè)量采集、全站儀或手持測(cè)距儀現(xiàn)場(chǎng)采集等，這些方法具有效率低、代價(jià)高、周期長(zhǎng)的缺陷。目前商業(yè)數(shù)碼城市三維建模軟件都是根據(jù)建筑物層數(shù)來(lái)推算，其缺陷是很明顯的，由于高度數(shù)據(jù)是近似的，沒有做到真正意義上的城市三維模型。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測(cè)量方法。
本發(fā)明基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測(cè)量方法，其步驟如下 第一步拍攝建筑物的數(shù)碼照片；攝影時(shí)要求攝取到建筑物的一個(gè)房角點(diǎn)，以及由該房角點(diǎn)出發(fā)的三條互相垂直的完整墻角線；三條墻角線中的兩條為水平線、一條為垂直線；除房角點(diǎn)以外，三條墻角線各存在一個(gè)端點(diǎn)，三個(gè)端點(diǎn)稱為像控點(diǎn)； 第二步在數(shù)碼照片上測(cè)量房角點(diǎn)和三個(gè)像控點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(u，v)；圖像坐標(biāo)系C0-uv是以數(shù)碼照片的左上角為原點(diǎn)、水平向右方向?yàn)閄軸正方向、垂直向下方向?yàn)閅軸正方向； 第三步將房角點(diǎn)和像控點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(u，v)轉(zhuǎn)換成以數(shù)碼照片中心為原點(diǎn)的右手系像平面坐標(biāo)系C1-xy坐標(biāo)(x，y)，轉(zhuǎn)換關(guān)系如下 式中 (u，v)——圖像坐標(biāo)系C0-uv坐標(biāo)，單位為像素。
(x，y)——像平面坐標(biāo)系C1-xy坐標(biāo)，單位為像素。
width——數(shù)碼照片的寬度，單位為像素。
heigth——數(shù)碼照片的高度，單位為像素。
第四步以空間直角關(guān)系建立建筑物的物方坐標(biāo)系，物方坐標(biāo)系的原點(diǎn)為房角點(diǎn)，三個(gè)坐標(biāo)軸分別對(duì)應(yīng)于由房角點(diǎn)和三個(gè)像控點(diǎn)確定的三條墻角線，如圖2； 本發(fā)明涉及的物方坐標(biāo)系是指建筑物的空間直角關(guān)系為坐標(biāo)軸系的空間直角坐標(biāo)。如圖2中，以房角點(diǎn)O為原點(diǎn)、以建筑物長(zhǎng)度方向OA為X軸、以建筑物寬度方向OB為Y軸、以建筑物高方向OC為Z軸。
第五步根據(jù)建筑物的已測(cè)知邊長(zhǎng)墻角線的邊長(zhǎng)確定其對(duì)應(yīng)像控點(diǎn)的物方坐標(biāo)；估算其余墻角線邊長(zhǎng)，確定其對(duì)應(yīng)像控點(diǎn)的估算物方坐標(biāo)； 第六步根據(jù)像控點(diǎn)的物方坐標(biāo)、估算物方坐標(biāo)和像平面坐標(biāo)，計(jì)算未知點(diǎn)物方坐標(biāo)值以及攝影位置和數(shù)碼照片的攝影焦距。其中攝影位置是指攝影瞬間物鏡中心在物方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)； 根據(jù)三像控點(diǎn)中已知條件不同，分為兩種計(jì)算模式“二推一”模式和“一推二”模式； “二推一”模式是指三像控點(diǎn)中有兩個(gè)點(diǎn)的物方坐標(biāo)是已知值，來(lái)計(jì)算另一個(gè)點(diǎn)的物方坐標(biāo)的計(jì)算模式； “一推二”模式是指三像控點(diǎn)中有一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是已知值，來(lái)計(jì)算另兩個(gè)點(diǎn)的物方坐標(biāo)的計(jì)算模式； 如圖2，如果OA和OB兩個(gè)墻角線長(zhǎng)度已知，計(jì)算OC的長(zhǎng)度稱為“二推一”模式；如果墻角線OA已知，計(jì)算OB和OC的長(zhǎng)度稱為“一推二”模式。
具體計(jì)算方法如下 S是攝影中心位置，數(shù)碼照片上任意兩個(gè)i、j點(diǎn)對(duì)應(yīng)于空間目標(biāo)的像控點(diǎn)I、J點(diǎn)。i、j點(diǎn)與S點(diǎn)構(gòu)成的夾角的余弦值為 其中 (xi，yi)——像點(diǎn)i的像平面坐標(biāo)； (xj，yj)——像點(diǎn)j的像平面坐標(biāo)； f——焦距 同樣，由像控點(diǎn)I、J與S點(diǎn)構(gòu)成的夾角余弦值為 其中 (XS，YS，ZS)——S的物方坐標(biāo)； (XI，YI，ZI)——像控點(diǎn)I的物方坐標(biāo)； (XJ，YJ，ZJ)——像控點(diǎn)J的物方坐標(biāo)； SI2＝(XS-XI)2+(YS-YI)2+(ZS-ZI)2 SJ2＝(XS-XJ)2+(YS-YJ)2+(ZS-ZJ)2 建立方程式 F＝cos(ISJ)-cos(iSj)＝0 任意兩個(gè)像控點(diǎn)之間、房角點(diǎn)與像控點(diǎn)之間均建立一個(gè)這樣的方程式，四個(gè)點(diǎn)之間可以建立六個(gè)方程式； “二推一”模式 已知像控點(diǎn)A、B物方坐標(biāo)，像控點(diǎn)C物方坐標(biāo)(0，0，ZC)未知，則存在XS、YS、ZS、f、ZC五個(gè)未知數(shù)，誤差方程式通式為 用矩陣表示為 “一推二”模式 已知像控點(diǎn)A物方坐標(biāo)，像控點(diǎn)B、C物方坐標(biāo)(0，YB，0)、(0，0，ZC)未知，則存在XS、YS、ZS、f、YB、ZC六個(gè)未知數(shù)，誤差方程式通式為 用矩陣表示為 常數(shù)項(xiàng)均為 l＝cos(iSj)-cos(ISJ) 其中i、j可取o、a、b、c，i≠j I、J為與i、j相對(duì)應(yīng)的O、A、B、C，I≠J 用間接平差的方法解方程計(jì)算出攝影位置、物鏡焦距和未知點(diǎn)的物方坐標(biāo)。
本發(fā)明方法，利用建筑物的空間直角關(guān)系，通過(guò)建筑物單影像，就可得到建筑物三維數(shù)據(jù)，可以減少戶外測(cè)量工作量，對(duì)于由于建筑物戶外條件原因無(wú)法實(shí)測(cè)或測(cè)量困難的數(shù)據(jù)，可以用本發(fā)明方法求得。同時(shí)還能得知攝影位置和物鏡焦距，可應(yīng)用于攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域。



圖1為圖像坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換示意圖； 圖2為空間直角關(guān)系的物方坐標(biāo)系示意圖； 圖3為攝影中心、像控點(diǎn)及像控點(diǎn)像點(diǎn)空間關(guān)系示意圖；
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例如圖2所示， (1)已知數(shù)據(jù)對(duì)圖2中的建筑物進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果為建筑物的長(zhǎng)度OA＝54.73米，寬度OB＝17.67米，四層的高度值OC＝13.13米。在物方坐標(biāo)系中，共包含四個(gè)點(diǎn)(房角點(diǎn)O、像控點(diǎn)A、B、C)，其三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表1。
表1 空間直角關(guān)系的觀測(cè)數(shù)據(jù)表
(2)圖像測(cè)量數(shù)據(jù) 用Visual C#.NET2003平臺(tái)進(jìn)行圖像測(cè)量，對(duì)圖2中的O、A、B、C進(jìn)行了10次測(cè)量，將測(cè)量得到的O、A、B、C圖像坐標(biāo)換算成像平面坐標(biāo)，O、A、B、C像平面坐標(biāo)見表2。
表2 像點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果(單位像素)
(3)“二推一”計(jì)算結(jié)果 利用“二推一”計(jì)算模型該建筑物進(jìn)行計(jì)算，以建筑物的長(zhǎng)度OA＝54.73米，寬度OB＝17.67米為已知數(shù)，以四層的高度OC作為未知值。
已知點(diǎn)A、B的物方坐標(biāo)為(54.73，0，0)、(0，17.67，0)； 未知點(diǎn)C的估算物方坐標(biāo)為(0，0，12)，其中12為估計(jì)數(shù)值。
用“二推一”計(jì)算模型計(jì)算的結(jié)果見表3。
表3“二推一”計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果 將計(jì)算的C點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比，其差值為0.012米?？梢姡岸埔弧庇?jì)算模型都有較高的計(jì)算精度。
(4)“一推二”計(jì)算結(jié)果 以建筑物的長(zhǎng)度OA＝54.73米為已知數(shù)，以建筑物寬度OB和四層的高度OC作為未知值。
已知點(diǎn)A的物方坐標(biāo)為(54.73，0，0)； 未知點(diǎn)B、C的估算物方坐標(biāo)為(0，17，0)、(0，0，12)。其中17、12為估計(jì)值。
計(jì)算結(jié)果見表4。
表4“一推二”計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果 將計(jì)算的B、C點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比，其差值分別為0.64米和0.445米。可見，“一推二”計(jì)算模型由于計(jì)算未知數(shù)較多，無(wú)法消除解算中的系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致計(jì)算精度較低。
權(quán)利要求
1、一種基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測(cè)量方法，其步驟如下
第一步拍攝建筑物的數(shù)碼照片；攝影時(shí)要求攝取到建筑物的一個(gè)房角點(diǎn)，以及由該房角點(diǎn)出發(fā)的三條互相垂直的完整墻角線；三條墻角線中的兩條為水平線、一條為垂直線；除房角點(diǎn)以外，三條墻角線各存在一個(gè)端點(diǎn)，三個(gè)端點(diǎn)稱為像控點(diǎn)；
第二步在數(shù)碼照片上測(cè)量房角點(diǎn)和三個(gè)像控點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(u，v)；圖像坐標(biāo)系C0-uv是以數(shù)碼照片的左上角為原點(diǎn)、水平向右方向?yàn)閄軸正方向、垂直向下方向?yàn)閅軸正方向；
第三步將房角點(diǎn)和像控點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(u，v)轉(zhuǎn)換成以數(shù)碼照片中心為原點(diǎn)的右手系像平面坐標(biāo)系C1-xy坐標(biāo)(x，y)，轉(zhuǎn)換關(guān)系如下
式中
(u，v)——圖像坐標(biāo)系C0-uv坐標(biāo)，單位為像素
(x，y)——像平面坐標(biāo)系C1-xy坐標(biāo)，單位為像素
width——數(shù)碼照片的寬度，單位為像素
heigth——數(shù)碼照片的高度，單位為像素
第四步以空間直角關(guān)系建立建筑物的物方坐標(biāo)系，物方坐標(biāo)系的原點(diǎn)為房角點(diǎn)，三個(gè)坐標(biāo)軸分別對(duì)應(yīng)于由房角點(diǎn)和三個(gè)像控點(diǎn)確定的三條墻角線；
第五步根據(jù)建筑物的已測(cè)知邊長(zhǎng)墻角線的邊長(zhǎng)確定其對(duì)應(yīng)像控點(diǎn)的物方坐標(biāo)；估算其余墻角線邊長(zhǎng)，確定其對(duì)應(yīng)像控點(diǎn)的估算物方坐標(biāo)；
第六步根據(jù)像控點(diǎn)的物方坐標(biāo)、估算物方坐標(biāo)和像平面坐標(biāo)，計(jì)算未知點(diǎn)物方坐標(biāo)值以及攝影位置和數(shù)碼照片的攝影焦距。其中攝影位置是指攝影瞬間物鏡中心在物方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；
根據(jù)三像控點(diǎn)中已知條件不同，計(jì)算未知點(diǎn)物方坐標(biāo)值以及攝影位置和數(shù)碼照片的攝影焦距分為兩種計(jì)算模式“二推一”模式和“一推二”模式。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測(cè)量方法，其特征是所述第六步具體計(jì)算如下
S是攝影中心位置，數(shù)碼照片上任意兩個(gè)點(diǎn)i、j對(duì)應(yīng)于空間目標(biāo)的像控點(diǎn)I、J點(diǎn)；i、j點(diǎn)與S點(diǎn)構(gòu)成的夾角的余弦值為
其中
(xi，yi)——像點(diǎn)i的像平面坐標(biāo)；
(xj，yj)——像點(diǎn)j的像平面坐標(biāo)；
f——焦距；
同樣，由像控點(diǎn)I、J與S點(diǎn)構(gòu)成的夾角余弦值為
其中
(XS，YS，ZS)——S的物方坐標(biāo)；
(XI，YI，ZI)——像控點(diǎn)I的物方坐標(biāo)；
(XJ，YJ，ZJ)——像控點(diǎn)J的物方坐標(biāo)；
SI2＝(XS-XI)2+(YS-YI)2+(ZS-ZI)2
SJ2＝(XS-XJ)2+(YS-YJ)2+(ZS-ZJ)2
建立方程式
F＝cos(ISJ)-cos(iSj)＝0
任意兩個(gè)像控點(diǎn)之間、房角點(diǎn)與像控點(diǎn)之間均建立一個(gè)上述的方程式，四個(gè)點(diǎn)之間可以建立六個(gè)方程式；
“二推一”模式如果已知像控點(diǎn)A、B物方坐標(biāo)，像控點(diǎn)C物方坐標(biāo)(0，0，ZC)未知，則存在XS、YS、ZS、f、ZC五個(gè)未知數(shù)，誤差方程式通式為
用矩陣表示為
“一推二”模式如果已知像控點(diǎn)A物方坐標(biāo)，像控點(diǎn)B、C物方坐標(biāo)(0，YB，0)、(0，0，ZC)未知，則存在XS、YS、ZS、f、YB、ZC六個(gè)未知數(shù)，誤差方程式通式為
用矩陣表示為
常數(shù)項(xiàng)均為
l＝cos(iSj)-cos(ISJ)
其中i、j＝o、a、b、c，i≠j
I、J為與i、j相對(duì)應(yīng)的O、A、B、C，I≠J
用間接平差的方法解方程計(jì)算出攝影位置、物鏡焦距和未知點(diǎn)的物方坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測(cè)量方法，其步驟如下拍攝建筑物的數(shù)碼照片；攝影時(shí)要求攝取到建筑物的一個(gè)房角點(diǎn)，以及由該房角點(diǎn)出發(fā)的三條互相垂直的完整墻角線；三條墻角線中的兩條為水平線、一條為垂直線；除房角點(diǎn)以外，三條墻角線各存在一個(gè)端點(diǎn)，三個(gè)端點(diǎn)稱為像控點(diǎn)；在數(shù)碼照片上測(cè)量房角點(diǎn)和三個(gè)像控點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；將房角點(diǎn)和像控點(diǎn)的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成像平面坐標(biāo)；建立建筑物的物方坐標(biāo)系；根據(jù)建筑物的已測(cè)知邊長(zhǎng)墻角線的邊長(zhǎng)確定其對(duì)應(yīng)像控點(diǎn)的物方坐標(biāo)；估算其余墻角線邊長(zhǎng)，確定其對(duì)應(yīng)像控點(diǎn)的估算物方坐標(biāo)；根據(jù)像控點(diǎn)的物方坐標(biāo)、估算物方坐標(biāo)和像平面坐標(biāo)，計(jì)算未知點(diǎn)物方坐標(biāo)值以及攝影位置和攝影焦距。
文檔編號(hào)G01C11/00GK101281034SQ20081009891
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者閭國(guó)年, 沙月進(jìn), 劉學(xué)軍 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)