近景摄影测量目标定位系统及定位方法

1.本发明属于近景摄影测量技术领域，具体涉及一种近景摄影测量目标定位系统，本发明还涉及上述定位系统进行定位的方法。


背景技术：

2.近景摄影测量其处理方法分为模拟法和解析法，模拟法是借助立体测图仪测制被摄影物体的等值线图、立面图，其成果形式单一，而解析法是主要的方法，能处理各类摄影机所摄的像片，提供较高精度的成果，而且借助计算机和绘图仪，可绘制等值线图、断面图以及立体透视图，还可用数字形式或图解形式输出工程设计人员所需要的各类参数，如面积、体积、周长、曲率、半径、速度、加速度、轨迹和质量分布等，近景摄影像片还可利用各类单像或立体坐标量测仪、解析测图仪以及某些立体测图仪进行处理，但是在现代的应用场景中，不乏需要对空间某一位置处的物体进行目标定位，以实现跟踪等用途，其实际的应用场景较多，但是要实现准确的定位，现有定位系统一方面技术原理较为复杂，另一方面精确度存在不足。
3.目标定位方式有全站仪、经纬仪、gps、航测、遥感等测量方式，全站仪和经纬仪均为非接触式测量，但是其测量前均需要完成置平工作，不适合动态测量；gps测量必须是人员可以到达的目标物；航测和遥感等测量手段已不适合大比例尺地形图的测量。由于在人员无法到达的地区无法布置稳定的控制点，所以，常规的测量手段不适用于人员无法到达区目标的定位，特别是在动态条件下能够实现对人员无法到达区的目标定位的方法极少。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种近景摄影测量目标定位系统，能够实现地势险峻，人员无法到达等场景下的动、静态目标准确定位问题。
5.本发明的另一目的是，提供一种近景摄影测量目标定位方法
6.本发明所采用的第一种技术方案是，近景摄影测量目标定位系统，包括处理分析模块，所述处理分析模块通信连接有影像获取模块和信息获取模块。
7.本发明第一种技术方案的特征还在于，
8.处理分析模块包括处理器和图像数据解算设备，处理器包括特征提取模块和数据分析模块，图像数据解算设备包括通信连接的服务终端和显示设备，特征提取模块和数据分析模块分别与服务终端通信连接，影像获取模块包括测量相机，测量相机通过支架连接有棱镜，信息获取模块包括测量仪和导航卫星接受机；特征提取模块与测量相机和测量仪通信连接。
9.本发明所采用的另一种技术方案是，近景摄影测量目标定位方法，具体步骤如下，
10.步骤1，以测量相机为原点构建第一外三维坐标系，使测量仪位于第一外三维坐标系的x和y轴的对称线上，且测量仪处于第一外三维坐标系的第三象限内；
11.步骤2，以测量仪作为原点构造第二外三维坐标系，通过测量仪测量并标定出棱镜
距测量相机的几何距离，给出棱镜相对于测量仪位置处的真实三维坐标；
12.步骤3，通过测量相机拍摄目标对象的六视图，再选取待摄影目标对象的特征，通过测量相机对目标对象进行多次特征图像的拍摄，将拍摄的特征图像导入特征提取模块，从而获取目标对象特征图像中的特征信息；
13.步骤4，将步骤3获取的特征信息与拍摄目标对象的六视图输入服务终端进行特征匹配，依据特征匹配的结果结合步骤2所获取的棱镜的真实三维坐标，将特征图像中目标对象的二维坐标转换为真实的三维坐标；
14.步骤5，采取不同拍摄角度，重复步骤3至步骤4，得到多组目标对象的真实三维坐标数据，将多组数据进行对比判断其误差，对误差进行测量平差处理，从而得到目标对象精确的定位信息。
15.本发明另一种技术方案的特征还在于，
16.步骤3中将特征提取模块提取特征图像的特征信息具体为，对获得的特征图像进行预处理，排出图像中干扰因素，预处理完成后的图像利用特征提取因子进行特征提取处理，对提取的特征进行划分分类，然后导出所提取的特征信息。
17.预处理具体为图像标准化处理或图像归一化处理。
18.利用特征提取因子进行特征提取处理具体采用harris、canny、sift、surf、lbf、hog、dpm、orb、小波变换或神经网络的方法完成特征图像的特征信息提取。
19.步骤4中将拍摄目标对象特征图像的二维坐标转换为真实的三维坐标具体方式为，
20.通过测量相机拍摄目标对象时的横滚角α、俯仰角β和航向角元素θ以及测量相机的姿态坐标γ，δ，μ，对拍摄时的相机的位置姿态与空间坐标系的转换，具体转换公式如公式1所示，
[0021][0022]
其中，为地面摄影测量坐标系到像空间坐标系的旋转矩阵，为地面摄影测量坐标系到地心地固直角坐标系的旋转矩阵、为地心地固直角坐标系到导航坐标系的旋转矩阵、为导航坐标系到磁偏角坐标系的旋转矩阵、为磁偏角坐标系到载体坐标系的旋转矩阵、为载体坐标系到空间坐标系的旋转矩阵；
[0023]
基于转换公式1，对进行逆矩阵转换，具体计算公式如公式2所示，
[0024][0025]
为导航坐标系到磁偏角坐标系的逆矩阵；
[0026]
基于转换公式1，对进行逆矩阵转换，具体计算公式如公式3所示，
[0027][0028]
为磁偏角坐标系到载体坐标系的逆矩阵；
[0029]
通过公式2和公式3计算得到的和计算得到目标对象的真实三维坐标，具体计算公式如公式4所示，
[0030][0031]
其中x
01
、y
01
、z
01
为目标于第一外三维坐标系中的直线元素，x
11
、y
11
、z
11
为测量相机在测量仪所处的第二外三维坐标系中的位姿信息坐标，为磁偏角坐标系到载体坐标系的逆矩阵，为导航坐标系到磁偏角坐标系的逆矩阵，x,y为测量目标于测量相机内坐标(x,y)中的数值。
[0032]
本发明的有益效果是，
[0033]
(1)本发明系统通过将测量相机做为第一外三维坐标系的原点，再以测量仪作为第二外三维坐标系的原点，通过测量仪根据场景布置的实际位置，测量并标定出棱镜距测量相机的几何距离，适用于人员无法到达区域下的测量目标定位；第一外三维坐标系和第二外三维坐标系存在简单的空间位移关系，易进行相互数据转换，极大的减少了计算工作量，及误差度。
[0034]
(2)本发明方法通过多次获取不同角度目标图像的真实三维定位，对对组数据对比后的误差进行测量平差，从而获取目标对象精确的测量信息，大大提高了测量结果的精确度。
附图说明
[0035]
图1是本发明近景摄影测量目标定位系统的结构示意图；
[0036]
图2是本发明近景摄影测量目标定位方法的流程示意图；
[0037]
图3是本发明近景摄影测量目标定位方法中构建空间坐标系的示意图。
[0038]
图中，1.测量相机，2.棱镜，3.测量仪，4.导航卫星接受机，5.特征提取模块，6.数据分析模块，7.服务终端，8.显示设备。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0040]
本发明近景摄影测量目标定位系统的结构如图1所示，包括处理分析模块，与处理分析模块通信连接的影像获取模块和信息获取模块；处理信息模块包括处理器和图像数据解算设备，处理器又包括特征提取模块5和数据分析模块6，特征获取模块用于获取拍摄目标对象各方位角度的图像，对图像进行特征信息提取，得到每张图像对应的特征信息和外方位信息，数据分析模块用于对拍摄的目标对象的测量信息进行测量平差，得到拍摄目标对象精确的定位信息，特征提取模块5和数据分析模块6与图像数据解算设备中的服务终端7通信连接，服务终端7还连接有显示设备8，服务终端7包括内处理器、存储器和网络接口，用于提供计算和控制能力，并通过显示设备呈现影像画面。
[0041]
影像获取模块包括测量相机1，测量相机1通过刚性支架连接有棱镜2，保证其相互之间的相对距离保持固定不变，信息获取模块包括测量仪3和导航卫星接受机4，测量仪3内置有姿态传感器，导航卫星接收机4具体为车载型，采用c/a伪距测量，实时给出载体的位置和速度；特征提取模块5与测量相机1和测量仪3通信连接。
[0042]
本发明近景摄影测量目标定位方法的流程如图2所示，具体步骤如下，
[0043]
步骤1，以测量相机1为原点构建第一外三维坐标系，在测量相机1的x、y和z轴方向通过刚性支架分别连接棱镜2，使测量仪3位于第一外三维坐标系的x和y轴的对称线上，且测量仪3处于第一外三维坐标系的第三象限内；
[0044]
步骤2，如图3所示，以测量仪3作为原点构造第二外三维坐标系，第一外三维坐标系作为相对坐标系，将第二外坐标系上的所有物坐标于x、y、z方向上统一减去该几何数值，便可以实现一外三维坐标系与第二外三维坐标系坐标数据的统一，极大的减少了计算工作量，及误差度；通过测量仪3测量并标定出三个棱镜2距测量相机1的几何距离，给出三个棱镜2相对于测量仪3位置处的真实三维坐标；
[0045]
步骤3，通过测量相机1拍摄目标对象的六视图，再选取待摄影目标对象的特征，选取特征包括但不局限于颜色、形状、空间关系、大小和几何位置等特征，通过测量相机1对目标对象进行多次特征图像的拍摄，将拍摄的特征图像导入特征提取模块5，对获得的特征图像采用图像标准化处理或图像归一化处理进行预处理，排出图像中干扰因素，预处理完成后的图像利用特征提取因子采用harris、canny、sift、surf、lbf、hog、dpm、orb、小波变换或神经网络的方法进行特征提取处理，对提取的特征进行划分分类，从而获取目标对象特征图像中的特征信息；
[0046]
步骤4，将步骤3获取的特征信息与拍摄目标对象的六视图输入服务终端7，对特征图像与相关联的六视图进行特征匹配，直至匹配完所有的拍摄的特征图像，确定特征图像中拍摄的目标对象与第一外三维坐标系间的方位关系，依据特征匹配的结果结合步骤2所获取的棱镜2的真实三维坐标，将特征图像中目标对象的二维坐标转换为真实的三维坐标，方式如下，
[0047]
通过测量相机拍摄目标对象时的横滚角α、俯仰角β和航向角θ元素以及测量相机的姿态坐标γ、δ、μ；α、β、θ是本次拍摄时的角度信息，γ、δ、μ为拍摄时各个方向的矢量，可以对拍摄时的相机的位置姿态与空间坐标系的转换，具体转换公式如公式1所示，
[0048][0049]
其中，为地面摄影测量坐标系到像空间坐标系的旋转矩阵为地面摄影测量坐标系到地心地固直角坐标系的旋转矩阵，为地心地固直角坐标系到导航坐标系的旋转矩阵、为导航坐标系到磁偏角坐标系的旋转矩阵、为磁偏角坐标系到载体坐标系的旋转矩阵、为载体坐标系到空间坐标系的旋转矩阵；
[0050]
基于转换公式1，对进行逆矩阵转换，具体计算公式如公式2所示，
[0051][0052]
为导航坐标系到磁偏角坐标系的逆矩阵；
[0053]
基于转换公式1，对进行逆矩阵转换，具体计算公式如公式3所示，
[0054][0055]
为磁偏角坐标系到载体坐标系的逆矩阵；
[0056]
通过公式2和公式3计算得到的和计算得到目标对象的真实三维坐标，具体计算公式如公式4所示，
[0057][0058]
其中x
01
、y
01
、z
01
为目标于第一外三维坐标系中的直线元素，x
11
、y
11
、z
11
为测量相机在测量仪所处的第二外三维坐标系中的位姿信息坐标，为磁偏角坐标系到载体坐标系的逆矩阵，为导航坐标系到磁偏角坐标系的逆矩阵，x,y为测量目标于测量相机内坐标(x,y)中的数值。
[0059]
步骤5，采取不同拍摄角度，重复步骤3至步骤4，得到多组目标对象的真实三维坐标数据，将多组数据进行对比判断其误差，对误差进行测量平差处理，从而得到目标对象精确的定位信息。
[0060]
本发明通过影像获取模块获取目标对象的特征图像，信息获取模块获取影像获取模块中测量相机1和棱镜2的真实三维坐标，将获取的信息输入处理分析模块中的处理器，通过近景摄影测量的相对定位、绝对定位、光束平差和各个坐标系转换实现目标对象由测量相机1拍摄的二维坐标到三维坐标的转换，从而完成在地势险峻、人员无法到达场景下的动、静态目标的准确定位，并由显示设备呈现定位信息及影像画面。