專(zhuān)利名稱：：利用數(shù)字地圖計(jì)算像片方位元素和建筑物高度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種計(jì)算像片方位元素和建筑物高度的方法，尤其涉及一種利用數(shù)字地圖同時(shí)計(jì)算近景像片方位元素和建筑物高度的方法。該技術(shù)屬于攝影測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著攝影攝像設(shè)備分辨率的不斷提高和普及，普通數(shù)碼像片也成為人們進(jìn)行攝影測(cè)量的重要工具。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(DigitalLineGraphic,縮寫(xiě)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?！稊?shù)字城市三維地理空間框架》(李成名，王繼周，馬照亭.科學(xué)出版社，2008)提出了利用量測(cè)相機(jī)單像片進(jìn)行建筑物的三維測(cè)量的方法，其理論是根據(jù)建筑物本身的三組平行線來(lái)計(jì)算像片的方位元素，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)建筑物的單像片三維建模。然而，很多建筑物無(wú)法提供完整的三個(gè)方向的平行線，同時(shí)只能利用量測(cè)相機(jī)來(lái)進(jìn)行，使得這種方法有很大的局限性。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用數(shù)字地圖計(jì)算像片方位元素和建筑物高度的方法，能從單張數(shù)碼像片和數(shù)字地圖中計(jì)算建筑物高度。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是步驟S1:拍攝包括完整建筑物的數(shù)碼像片，獲取該建筑物區(qū)域的數(shù)字地圖，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖設(shè)有數(shù)字地圖坐標(biāo)系；步驟S2:數(shù)字地圖上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于數(shù)碼像片中建筑物墻邊上的多個(gè)點(diǎn)，根據(jù)建筑物的層狀結(jié)構(gòu)，給不同高度的墻角點(diǎn)假定一個(gè)高程數(shù)據(jù)，墻角點(diǎn)為像片控制點(diǎn)，獲取像片控制點(diǎn)分別在像片二維坐標(biāo)系中和數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；獲取像片像主點(diǎn)的在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為攝影物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)；步驟S3:建立攝影測(cè)量坐標(biāo)系"—,該攝影測(cè)量坐標(biāo)系以近似的攝影點(diǎn)位置為原點(diǎn)、實(shí)地東方向?yàn)閄軸、垂直向上方向?yàn)閅軸、實(shí)地南方向?yàn)閆軸的右手三維空間坐標(biāo)系,將像片控制點(diǎn)在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo),該轉(zhuǎn)換過(guò)程分為平移、y軸和z軸互換以及平面旋轉(zhuǎn)四個(gè)步驟，其中平移、y軸和Z軸互換用方法為=義圖—"<7_7—70厶圖厶S'zD=—r圖(i)平面旋轉(zhuǎn)方法為X,=X。cos(")+Zflsin(a).=-JfXor)十ZDCos(a)(2)式中；XD&ZD代表像片控制點(diǎn)的地圖坐標(biāo)平移至以D為原點(diǎn)的坐標(biāo)；^Zffl代表像片控制點(diǎn)的數(shù)字地圖坐標(biāo)系的坐標(biāo)；"《代表攝影測(cè)量坐標(biāo)原點(diǎn)D的地圖坐標(biāo)；ZtX4代表像片控制點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；"代表攝影時(shí)的攝影方向的地面方位角；步驟S4:根據(jù)攝影測(cè)量中的共線方程計(jì)算像片的方位元素和建筑物高度；像片的方位元素包括攝影位置(^s、&、Z"，攝影的側(cè)滾角伊、攝影俯仰角"和像片旋轉(zhuǎn)角r，,攝影物鏡焦距，像片像主點(diǎn)的圖像坐標(biāo)"o、h);攝影點(diǎn)位置(^S、^、Z^，以X外直來(lái)表示；X"^、^分別表示攝影點(diǎn)在攝影測(cè)量坐標(biāo)中的三維坐標(biāo)；攝影的側(cè)滾角P、攝影俯仰角W和像片旋轉(zhuǎn)角^以1々卜*來(lái)表示；/為攝影物鏡焦距，A、^為像片像主點(diǎn)即物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，,A、A，以X力來(lái)表示；影像畸變系數(shù)A，以1**來(lái)表示；未知點(diǎn)空間坐標(biāo)(;^、yD、zD)，以i封^來(lái)表示；計(jì)算方程為-T,&j，，ax",,,,,,j=-《s+-《+-+—卻+——一+—#+-血0+——狄s'5&5ZS5必y5x0&0&J!&&",&",^=1札+1"+1仏+!*+立鈿+，&+^/〃14+立辦。d￥s3ZS5"+iw0+1《一L式中K、K為誤差方程式的改正數(shù)；按未知數(shù)分類(lèi)用矩陣表示為^=碼卜直+狄外角+d內(nèi)+I畸變+^未知點(diǎn)—Z3/*0(3)(4)式中7為誤差方程式的改正數(shù)矩陣；l為誤差方程式常數(shù)項(xiàng)矩陣；Z^^中包含了建筑物高度的未知數(shù)；然后按最小二乘法原理可以計(jì)算各個(gè)未知數(shù)。有益效果利用數(shù)字地圖為條件整體計(jì)算像片的方位元素和建筑物高度，由于設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作，外業(yè)工作量小，代價(jià)低，精度高，是城市三維數(shù)據(jù)獲取的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，解決了從單張數(shù)碼像片和數(shù)字地圖中計(jì)算建筑物高度的問(wèn)題。圖1為本發(fā)明提供的像片方位元素計(jì)算方法的流程圖；圖2為建筑物的數(shù)碼像圖。其中l(wèi)-9為點(diǎn)號(hào)(見(jiàn)以下的表1和表2)具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明能夠嚴(yán)密計(jì)算數(shù)碼像片的拍攝位置、攝影姿態(tài)、像片焦距和畸變以及建筑物高度，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)和三維建模，屬于近景攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域。本發(fā)明利用現(xiàn)有的大比例尺數(shù)字地圖，并顧及建筑物的層狀控制結(jié)構(gòu)，計(jì)算數(shù)碼像片的方位元素的方法和建筑物高度，外業(yè)工作量小，代價(jià)低，精度高。本發(fā)明利用數(shù)字地圖提供的平面控制點(diǎn)、顧及建筑物本身的層狀控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)共線方程，提出了嚴(yán)密計(jì)算像片方位元素和建筑物高度的方法，參見(jiàn)圖l，其步驟如下步驟S11:拍攝包括完整建筑物的數(shù)碼像片，獲取該建筑物區(qū)域的數(shù)字地圖，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖設(shè)有數(shù)字地圖坐標(biāo)系；步驟S12:數(shù)字地圖上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于數(shù)碼像片中建筑物墻邊上的多個(gè)點(diǎn)，根據(jù)建筑物的層狀結(jié)構(gòu)，給不同高度的墻角點(diǎn)假定一個(gè)高程數(shù)據(jù)，墻角點(diǎn)為像片控制點(diǎn)，獲取像片控制點(diǎn)分別在像片二維坐標(biāo)系中和數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；步驟S13:建立攝影測(cè)量坐標(biāo)系?！猉^^Z、該攝影測(cè)量坐標(biāo)系以近似的攝影點(diǎn)位置為原點(diǎn)、實(shí)地東方向?yàn)閄軸、垂直向上方向?yàn)閅軸、實(shí)地南方向?yàn)閆軸的右手三維空間坐標(biāo)系，將數(shù)字地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為攝影測(cè)量坐標(biāo)系；步驟S14:利用像片控制點(diǎn)在攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算像片的內(nèi)外方位元素和建筑物高度。步驟S12中，利用建筑物的層狀結(jié)構(gòu)選擇像片控制點(diǎn)，建筑物的一個(gè)房角點(diǎn)在數(shù)碼像片上可以選擇多個(gè)不同高度的像片控制點(diǎn)，并分別假定一個(gè)高度值。步驟S14中，包括完整建筑物的數(shù)碼像片的方位元素包括攝影像片的攝影位置參數(shù)義s、&、Zs、攝影姿態(tài)參數(shù)^、《、k、內(nèi)方位元素/、x。、根據(jù)像片控制點(diǎn)在攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，利用攝影測(cè)量中的共線方程，計(jì)算數(shù)碼像片的方位元素、像片畸變參數(shù)^和建筑物高度，其中Is、&、Zs分別表示攝影點(diǎn)在攝影測(cè)量坐標(biāo)中的三維坐標(biāo)，伊、《、k分別表示攝影的側(cè)滾角、俯仰角和像片旋轉(zhuǎn)角，,為攝影物鏡焦距，X°、^為像片像主點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)。艮P:第一步獲取研究范圍的數(shù)字地圖。第二步用普通數(shù)碼相機(jī)拍攝建筑物的數(shù)碼像片。拍攝時(shí)要求拍攝到完整的建筑物，主要包括建筑物的高、低邊線，便于計(jì)算。第三步選擇數(shù)字地圖和數(shù)碼像片上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。由于數(shù)字地圖上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)與建筑物墻邊線上的多個(gè)點(diǎn)，通過(guò)給不同高度的墻角點(diǎn)假定一個(gè)高程數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)稱為像片控制點(diǎn)。通過(guò)編制相應(yīng)的軟件獲取像片控制點(diǎn)在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在像片坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)。利用建筑物的層狀結(jié)構(gòu)選擇像片控制點(diǎn)，建筑物的一個(gè)房角點(diǎn)在數(shù)碼像片上可以選擇多個(gè)不同高度的像片控制點(diǎn)，并分別假定一個(gè)高度值。第四步建立攝影測(cè)量坐標(biāo)系^-^^^Z"，以攝影位置為原點(diǎn)或以近似攝影位置為原點(diǎn)，高程方向?yàn)閅軸、攝影方向的反方向?yàn)閆軸的右手系。通過(guò)編制相應(yīng)的軟件將地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到攝影測(cè)量坐標(biāo)系。第五步利用同名點(diǎn)在攝影測(cè)量坐標(biāo)和二維像片平面坐標(biāo)計(jì)算像片的方位元素和建筑物高度。更詳細(xì)的為-.(1)獲取數(shù)字地圖。(2)拍攝數(shù)碼像片。(3)獲取像片控制點(diǎn)的地圖坐標(biāo)和像片坐標(biāo)。由于數(shù)字地圖上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于建筑物墻邊線上的多個(gè)點(diǎn)，通過(guò)給不同高度的墻角點(diǎn)假定一個(gè)高程數(shù)據(jù)。(4)建立攝影測(cè)量坐標(biāo)系"—Z。y。ZD。坐標(biāo)系以近似攝影位置或攝影位置為原點(diǎn)，高程方向?yàn)閅軸、攝影方向的反方向?yàn)閆軸的右手系。通過(guò)編制相應(yīng)的軟件將地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到攝影測(cè)量坐標(biāo)系。地圖坐標(biāo)系向攝影測(cè)量坐標(biāo)系Z)-ZoyDZD轉(zhuǎn)換過(guò)程分為平移、y軸和Z軸互換以及平面旋轉(zhuǎn)四個(gè)步驟，其中平移、y軸和Z軸互換用公式來(lái)實(shí)現(xiàn)<7—7—70J￡)—厶圖厶S、乙D一』SJ圖(1)平面旋轉(zhuǎn)公式為Xt=^cos(q;)+Zflsin()Zt=_Xfls/w(a)+Zflcos()(2)式中；Xfl&Z。代表像片控制點(diǎn)的地圖坐標(biāo)平移至以D為原點(diǎn)的坐標(biāo)；Zffl&z目代表像片控制點(diǎn)的數(shù)字地圖坐標(biāo)系的坐標(biāo)；X〗"《代表攝影測(cè)量坐標(biāo)原點(diǎn)D的地圖坐標(biāo)；Z'KZt代表像片控制點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；"代表攝影時(shí)的攝影方向的地面方位角。(5)根據(jù)共線方程，利用像片控制點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)和像片坐標(biāo)計(jì)算像片的內(nèi)外方位元素、像片畸變和建筑物高度。計(jì)算的數(shù)學(xué)模型是解算模型中包含四類(lèi)參數(shù)攝影點(diǎn)位置、攝影點(diǎn)姿態(tài)、內(nèi)方位元素和影像畸變系數(shù)。解算的未知數(shù)包括五類(lèi)未知數(shù)，分別是攝影點(diǎn)位置^s、&、Z、以^WS來(lái)表示；Xs、&、A分別表示攝影點(diǎn)在攝影測(cè)量坐標(biāo)中的三維坐標(biāo)。攝影點(diǎn)姿態(tài)^、w、^，以^^卜*來(lái)表示；^、"、^分別表示攝影的側(cè)滾角、俯仰角和像片旋轉(zhuǎn)角。內(nèi)方位元素,"。、^，以^^來(lái)表示；,為攝影物鏡焦距，"Q、^為像片像主點(diǎn)即物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。影像畸變系數(shù)S，以7*來(lái)表示；未知點(diǎn)空間坐標(biāo)^0、^、Zo中的部分或全部，以^*^來(lái)表示。解算模型的誤差方程式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中F、^為誤差方程式的改正數(shù)。按未知數(shù)分類(lèi)用矩陣表示為-P=1外直+AT外角十C^內(nèi)+IIY崎變+5X未知點(diǎn)一Z(4)式中「為誤差方程式的改正數(shù)矩陣；丄為誤差方程式常數(shù)項(xiàng)矩陣；中包含了建筑物高度的未知數(shù)。然后按最小二乘法原理可以計(jì)算各個(gè)未知數(shù)。采用VisualC#.NET編程，利用ArcGISENGINE地圖控件，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖和數(shù)碼像片的坐標(biāo)量測(cè)。對(duì)圖2中的像片中19點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三個(gè)房角點(diǎn)的坐標(biāo)見(jiàn)表1。表1數(shù)字地圖上的二維平面坐標(biāo)及其高程初始值<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>建立的攝影測(cè)量坐標(biāo)原點(diǎn)"的坐標(biāo)為-%s0=1038.892(m).y/=l222.86l(m)Zs0=9.000(m)其中，《為近似值。以攝影的近似方位角"攝=1.06730270945475弧度的反向?yàn)閆軸。將表l中的地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到攝影測(cè)量坐標(biāo)系"—z。^Zo中，轉(zhuǎn)換結(jié)果見(jiàn)表2。表2控制點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>利用轉(zhuǎn)換后的攝影測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)和像片坐標(biāo)，計(jì)算的各未知數(shù)見(jiàn)表3.表3計(jì)算結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1、一種利用數(shù)字地圖計(jì)算像片方位元素和建筑物高度的方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟1拍攝包括完整建筑物的數(shù)碼像片，獲取該建筑物區(qū)域的數(shù)字地圖，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖設(shè)有數(shù)字地圖坐標(biāo)系；步驟2數(shù)字地圖上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于數(shù)碼像片中建筑物墻邊上的多個(gè)點(diǎn)，根據(jù)建筑物的層狀結(jié)構(gòu)，給不同高度的墻角點(diǎn)假定一個(gè)高程數(shù)據(jù)，墻角點(diǎn)為像片控制點(diǎn)，獲取像片控制點(diǎn)分別在像片二維坐標(biāo)系中和數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；獲取像片像主點(diǎn)的在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為攝影物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)；步驟3建立攝影測(cè)量坐標(biāo)系D-XDYDZD，該攝影測(cè)量坐標(biāo)系以近似的攝影點(diǎn)位置為原點(diǎn)、實(shí)地東方向?yàn)閄軸、垂直向上方向?yàn)閅軸、實(shí)地南方向?yàn)閆軸的右手三維空間坐標(biāo)系，將像片控制點(diǎn)在數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，該轉(zhuǎn)換過(guò)程分為平移、Y軸和Z軸互換以及平面旋轉(zhuǎn)四個(gè)步驟，其中平移、Y軸和Z軸互換用方法為式1平面旋轉(zhuǎn)方法為式2式中；XDYDZD代表像片控制點(diǎn)的地圖坐標(biāo)平移至以D為原點(diǎn)的坐標(biāo)；X圖Y圖Z圖代表像片控制點(diǎn)的數(shù)字地圖坐標(biāo)系的坐標(biāo)；代表攝影測(cè)量坐標(biāo)原點(diǎn)D的地圖坐標(biāo)；XtYtZt代表像片控制點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；α代表攝影時(shí)的攝影方向的地面方位角；步驟4根據(jù)攝影測(cè)量中的共線方程計(jì)算像片的方位元素和建筑物高度；像片的方位元素包括攝影位置(XS、YS、ZS)，攝影的側(cè)滾角攝影俯仰角ω和像片旋轉(zhuǎn)角κ，f攝影物鏡焦距，像片像主點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(x0、y0)；攝影點(diǎn)位置(XS、YS、ZS)，以X外直來(lái)表示；XS、YS、ZS分別表示攝影點(diǎn)在攝影測(cè)量坐標(biāo)中的三維坐標(biāo)；攝影的側(cè)滾角攝影俯仰角ω和像片旋轉(zhuǎn)角κ以X外角來(lái)表示；f為攝影物鏡焦距，x0、y0為像片像主點(diǎn)即物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，f、x0、y0，以X內(nèi)來(lái)表示；影像畸變系數(shù)κ1，以X畸變來(lái)表示；未知點(diǎn)空間坐標(biāo)(XD、YD、ZD)，以X未知點(diǎn)來(lái)表示；計(jì)算方程為式中Vx、Vy為誤差方程式的改正數(shù)；按未知數(shù)分類(lèi)用矩陣表示為V＝AX外直+BX外角+CX內(nèi)+DX畸變+EX未知點(diǎn)-L式4式中V為誤差方程式的改正數(shù)矩陣；L為誤差方程式常數(shù)項(xiàng)矩陣；X未知點(diǎn)中包含了建筑物高度的未知數(shù)；然后按最小二乘法原理可以計(jì)算各個(gè)未知數(shù)。全文摘要本發(fā)明提供了一種利用數(shù)字地圖計(jì)算像片方位元素和建筑物高度的方法，該方法包括如下步驟步驟S1拍攝包括完整建筑物的數(shù)碼像片，獲取該建筑物區(qū)域的數(shù)字地圖，數(shù)碼像片設(shè)有像片二維坐標(biāo)系，數(shù)字地圖設(shè)有數(shù)字地圖坐標(biāo)系；步驟S2數(shù)字地圖上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于數(shù)碼像片中建筑物墻邊上的多個(gè)點(diǎn)，根據(jù)建筑物的層狀結(jié)構(gòu)，給不同高度的墻角點(diǎn)假定一個(gè)高程數(shù)據(jù)，墻角點(diǎn)為像片控制點(diǎn)，獲取像片控制點(diǎn)分別在像片二維坐標(biāo)系中和數(shù)字地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；獲取像片像主點(diǎn)的在像片二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，像片像主點(diǎn)為攝影物鏡中心在像片上的垂足點(diǎn)。該方法外業(yè)工作量小，代價(jià)低，精度高。文檔編號(hào)G01B11/03GK101545775SQ20091002660公開(kāi)日2009年9月30日申請(qǐng)日期2009年5月5日優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日發(fā)明者沙月進(jìn),王慧青,旋胡申請(qǐng)人:東南大學(xué)