基于gps rtk和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)繪技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于GPS RTK和全景影像的自主定位定 向測(cè)圖方法。
【背景技術(shù)】
[0002] RTK (Real Time Kinematic)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)是一種新的常用的GPS測(cè)量方法。 傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而 RTK定位技術(shù)基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐 標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，極大的提高了外業(yè) 作業(yè)的效率，也為本發(fā)明中實(shí)時(shí)量測(cè)設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)提供了支持。
[0003] 傳統(tǒng)膠片和CCD面陣相機(jī)往往由于其平面成像的方式、視場(chǎng)狹窄，易受遮擋影響， 有時(shí)無法滿足特定的應(yīng)用需求。而球面全景影像，即水平角度360°、垂直角度180°的全 景影像，具有大視場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)不變性等優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。而相較于 傳統(tǒng)的空間交會(huì)測(cè)量方法，在全景影像上進(jìn)行交會(huì)測(cè)量具有更大的重疊區(qū)域，減少了地物 遮擋對(duì)可量測(cè)地物范圍的限制，提高了地物量測(cè)的效率。
[0004] 同時(shí)，傳統(tǒng)的空間前方交會(huì)測(cè)量方法需要外方位元素及內(nèi)方位元素等多個(gè)參數(shù)， 以模擬相機(jī)成像模型及校正相機(jī)拍攝姿態(tài)。而全景影像的成像模型可以簡(jiǎn)單模擬為成像中 心在球心的球體模型，具有旋轉(zhuǎn)不變性，因而有效減少了相機(jī)旋轉(zhuǎn)角度等相關(guān)參數(shù)的輸入。 另外，對(duì)于一個(gè)單位球上的任意一個(gè)點(diǎn)，它的位置均可以用兩個(gè)角度來標(biāo)識(shí)，這兩個(gè)角度也 就是在測(cè)量過程中所需的水平角和天頂距，所以大大簡(jiǎn)化了交會(huì)角的計(jì)算過程。
[0005] 根據(jù)前方交會(huì)原理，在已知兩個(gè)地物點(diǎn)的坐標(biāo)的情況下，對(duì)空間某點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)得 到兩個(gè)水平角和兩個(gè)天頂距，那么根據(jù)點(diǎn)之間的空間三維關(guān)系，就可以解算出該空間點(diǎn)的 三維坐標(biāo)。因此，在GPS RTK量測(cè)和全景相機(jī)拍攝的基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)在全景影像上直接 對(duì)地物進(jìn)行量測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，在 全景影像上即可直接對(duì)可見地物進(jìn)行測(cè)量。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0008] -種基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，包括步驟：
[0009] 步驟1，待測(cè)區(qū)域選擇兩地面點(diǎn)A和B作為設(shè)站點(diǎn)；
[0010] 步驟2,固定GPS與全景相機(jī)的相對(duì)位置不變，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，本步驟具體為：
[0011] 2. 1在設(shè)站點(diǎn)A架設(shè)GPS和全景相機(jī)，在設(shè)站點(diǎn)B架設(shè)靶標(biāo)，靶標(biāo)正面朝向全景相 機(jī)；采用全景相機(jī)獲得全景影像，并獲得GPS RTK量測(cè)中心坐標(biāo)；
[0012] 2. 2在設(shè)站點(diǎn)B架設(shè)GPS和全景相機(jī)，在設(shè)站點(diǎn)A架設(shè)靶標(biāo)，靶標(biāo)正面朝向全景相 機(jī)；采用全景相機(jī)獲得全景影像，并獲得GPS RTK量測(cè)中心坐標(biāo)；
[0013]所述的GPSRTK量測(cè)中心坐標(biāo)為GPSRTK所采用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；
[0014]步驟3,以靶標(biāo)中心點(diǎn)為定向點(diǎn)，分別以步驟2. 1和步驟2. 2獲得的全景影像為影 像量測(cè)中的左片和右片，獲得左片和右片中定向點(diǎn)在影像坐標(biāo)系下的影像坐標(biāo)；
[0015] 步驟4,結(jié)合左片和右片中待測(cè)地物點(diǎn)和定向點(diǎn)的影像坐標(biāo)，基于全景影像球體模 型獲得待測(cè)地物點(diǎn)的水平角和天頂距，即待測(cè)地物點(diǎn)與設(shè)站點(diǎn)連線的交會(huì)角；結(jié)合交會(huì)角 和全景相機(jī)中心坐標(biāo)，基于前方交會(huì)測(cè)量原理，獲得待測(cè)地物點(diǎn)在GPSRTK所采用坐標(biāo)系下 坐標(biāo)；其中，全景相機(jī)中心坐標(biāo)為GPSRTK所采用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)GPSRTK量測(cè)中心 坐標(biāo)獲得。
[0016]步驟1中，選擇設(shè)站點(diǎn)時(shí)應(yīng)保證全景影像上待測(cè)地物點(diǎn)與設(shè)站點(diǎn)的交會(huì)角在 30°~150°范圍內(nèi)。
[0017] 子步驟2. 1和2. 2中，架設(shè)于設(shè)站點(diǎn)的GPS和全景相機(jī)，GPSRTK量測(cè)中心和全景 相機(jī)中心位于同一堅(jiān)直線。
[0018] 上述GPSRTK所采用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為大地坐標(biāo)系或自定義三維空間坐標(biāo)系。
[0019] 步驟4具體為：
[0020] 4. 1獲得左片和右片中同一待測(cè)地物點(diǎn)的影像坐標(biāo)；
[0021] 4. 2基于影像坐標(biāo)系和角度坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)定向點(diǎn)和待測(cè)地物點(diǎn)的影像 坐標(biāo)，分別獲得同一待測(cè)地物點(diǎn)在左片和右片上的角度坐標(biāo)；
[0022] 4. 3根據(jù)待測(cè)地物點(diǎn)在左片和右片上的角度坐標(biāo)獲得待測(cè)地物點(diǎn)與設(shè)站點(diǎn)連線的 交會(huì)角；根據(jù)GPSRTK量測(cè)中心坐標(biāo)獲得全景相機(jī)中心坐標(biāo)；根據(jù)交會(huì)角和全景相機(jī)中心 坐標(biāo)，采用前方交會(huì)測(cè)量原理計(jì)算待測(cè)地物點(diǎn)在GPSRTK所采用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；
[0023] 所述的影像坐標(biāo)系定義為：以全景影像左上角為原點(diǎn)、水平向右為X軸正方向、垂 直向下為y軸正方向的二維坐標(biāo)系；影像坐標(biāo)即影像坐標(biāo)系下坐標(biāo)；
[0024] 所述的角度坐標(biāo)系定義為：左片中以影像坐標(biāo)點(diǎn)（Xl，D/2)為原點(diǎn)，右片中以影像 坐標(biāo)點(diǎn)（X10D/2))為原點(diǎn),水平向右為9軸正方向，垂直向上為供軸正方向，XpX1?分別為左 片和右片中定向點(diǎn)在影像坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)；角度坐標(biāo)即角度坐標(biāo)系下坐標(biāo)。
[0025] 子步驟4. 2獲得的待測(cè)地物點(diǎn)在左片和右片上的角度坐標(biāo)(Q1W1)和(02.%)為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，其特征是，包括步驟： 步驟1，待測(cè)區(qū)域選擇兩地面點(diǎn)A和B作為設(shè)站點(diǎn)； 步驟2,固定GPS與全景相機(jī)的相對(duì)位置不變，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，本步驟具體為： 2. 1在設(shè)站點(diǎn)A架設(shè)GPS和全景相機(jī)，在設(shè)站點(diǎn)B架設(shè)靶標(biāo)，靶標(biāo)正面朝向全景相機(jī)； 采用全景相機(jī)獲得全景影像，并獲得GPS RTK量測(cè)中心坐標(biāo)； 2. 2在設(shè)站點(diǎn)B架設(shè)GPS和全景相機(jī)，在設(shè)站點(diǎn)A架設(shè)靶標(biāo)，靶標(biāo)正面朝向全景相機(jī)； 采用全景相機(jī)獲得全景影像，并獲得GPS RTK量測(cè)中心坐標(biāo)； 所述的GPS RTK量測(cè)中心坐標(biāo)為GPS RTK所采用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)； 步驟3,以靶標(biāo)中心點(diǎn)為定向點(diǎn)，分別以步驟2. 1和步驟2. 2獲得的全景影像為影像量 測(cè)中的左片和右片，獲得左片和右片中定向點(diǎn)在影像坐標(biāo)系下的影像坐標(biāo)； 步驟4,結(jié)合左片和右片中待測(cè)地物點(diǎn)和定向點(diǎn)的影像坐標(biāo)，基于全景影像球體模型獲 得待測(cè)地物點(diǎn)的水平角和天頂距，即待測(cè)地物點(diǎn)與設(shè)站點(diǎn)連線的交會(huì)角；結(jié)合交會(huì)角和全 景相機(jī)中心坐標(biāo)，基于前方交會(huì)測(cè)量原理，獲得待測(cè)地物點(diǎn)在GPS RTK所采用坐標(biāo)系下坐 標(biāo)；其中，全景相機(jī)中心坐標(biāo)為GPS RTK所采用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)GPSRTK量測(cè)中心坐標(biāo) 獲得。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，其特征 是： 步驟1中，選擇設(shè)站點(diǎn)時(shí)應(yīng)保證全景影像上待測(cè)地物點(diǎn)與設(shè)站點(diǎn)的交會(huì)角在30°~ 150°范圍內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，其特征 是： 子步驟2. 1和2. 2中，架設(shè)于設(shè)站點(diǎn)的GPS和全景相機(jī)，GPS RTK量測(cè)中心和全景相機(jī) 中心位于同一堅(jiān)直線。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，其特征 是： 所述的GPS RTK所采用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為大地坐標(biāo)系或自定義三維空間坐標(biāo)系。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，其特征 是： 步驟4具體為： 4. 1獲得左片和右邊中同一待測(cè)地物點(diǎn)的影像坐標(biāo)； 4. 2基于影像坐標(biāo)系和角度坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)定向點(diǎn)和待測(cè)地物點(diǎn)的影像坐標(biāo)， 分別獲得同一待測(cè)地物點(diǎn)在左片和右片上的角度坐標(biāo)； 4. 3根據(jù)待測(cè)地物點(diǎn)在左片和右片上的角度坐標(biāo)獲得待測(cè)地物點(diǎn)與設(shè)站點(diǎn)連線的交會(huì) 角；根據(jù)GPS RTK量測(cè)中心坐標(biāo)獲得全景相機(jī)中心坐標(biāo)；根據(jù)交會(huì)角和全景相機(jī)中心坐標(biāo)， 采用前方交會(huì)測(cè)量原理計(jì)算待測(cè)地物點(diǎn)在GPS RTK所采用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)； 所述的影像坐標(biāo)系定義為：以全景影像左上角為原點(diǎn)、水平向右為X軸正方向、垂直向 下為y軸正方向的二維坐標(biāo)系；影像坐標(biāo)即影像坐標(biāo)系下坐標(biāo)； 所述的角度坐標(biāo)系定義為：左片中以影像坐標(biāo)點(diǎn)（Xl，D/2)為原點(diǎn)，右片中以影像坐標(biāo) 點(diǎn)（x,，D/2))為原點(diǎn)，水平向右為Θ軸正方向，垂直向上為P軸正方向，Xl、&分別為左片和 右片中定向點(diǎn)在影像坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)；角度坐標(biāo)即角度坐標(biāo)系下坐標(biāo)。
6.如權(quán)利要求4所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，其特征 是： 子步驟4. 2獲得的待測(cè)地物點(diǎn)在左片和右片上的角度坐標(biāo)(θρφι)和(θ2.Cpn)為：
其中，（Θ,,(P1)和(θ2,φ2)分別表示同一待測(cè)地物點(diǎn)在左片和右片上的角度坐標(biāo)，（ Xl，yi) 和（x2，y2)分別表示同一待測(cè)地物點(diǎn)在左片和右片上的影像坐標(biāo)，（X1J 1)和（\，^)分別表 示定向點(diǎn)在左片和右片上的影像坐標(biāo)，D表示全景影像的垂直分辨率，INT( ·)表示對(duì)括號(hào) 內(nèi)的數(shù)值下取整。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向測(cè)圖方法，本發(fā)明利用全景相機(jī)獲取的全景影像和GPS RTK測(cè)得的設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)，采用基于全景影像球體模型中量測(cè)交會(huì)角的三維立體前交計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)兩組全景影像公共區(qū)域中地物的直接量測(cè)，從而快速獲取全景影像公共區(qū)域地物的三維坐標(biāo)信息。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在全景影像上直接對(duì)地物進(jìn)行量測(cè)，可快速獲取地物數(shù)據(jù)及測(cè)點(diǎn)測(cè)距，從而獲得三維建模、場(chǎng)景重建、數(shù)字城市建設(shè)等所需的地物信息。
【IPC分類】G01C11-00, G01C11-08
【公開號(hào)】CN104655106
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510085434
【發(fā)明人】胡慶武, 高珅, 艾明耀
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日