基于gps rtk和全景影像的自主定位定向测图方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测绘技术领域，尤其涉及一种基于GPS RTK和全景影像的自主定位定 向测图方法。
【背景技术】
[0002] RTK (Real Time Kinematic)实时动态控制系统是一种新的常用的GPS测量方法。 传统的静态测量、快速静态测量、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而 RTK定位技术基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时地提供测站点在指定坐 标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度，是GPS应用的重大里程碑，极大的提高了外业 作业的效率，也为本发明中实时量测设站点坐标提供了支持。
[0003] 传统胶片和CCD面阵相机往往由于其平面成像的方式、视场狭窄，易受遮挡影响， 有时无法满足特定的应用需求。而球面全景影像，即水平角度360°、垂直角度180°的全 景影像，具有大视场、旋转不变性等优点，在诸多领域得到了越来越广泛的应用。而相较于 传统的空间交会测量方法，在全景影像上进行交会测量具有更大的重叠区域，减少了地物 遮挡对可量测地物范围的限制，提高了地物量测的效率。
[0004] 同时，传统的空间前方交会测量方法需要外方位元素及内方位元素等多个参数， 以模拟相机成像模型及校正相机拍摄姿态。而全景影像的成像模型可以简单模拟为成像中 心在球心的球体模型，具有旋转不变性，因而有效减少了相机旋转角度等相关参数的输入。 另外，对于一个单位球上的任意一个点，它的位置均可以用两个角度来标识，这两个角度也 就是在测量过程中所需的水平角和天顶距，所以大大简化了交会角的计算过程。
[0005] 根据前方交会原理，在已知两个地物点的坐标的情况下，对空间某点进行观测得 到两个水平角和两个天顶距，那么根据点之间的空间三维关系，就可以解算出该空间点的 三维坐标。因此，在GPS RTK量测和全景相机拍摄的基础上，就可以实现在全景影像上直接 对地物进行量测。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，在 全景影像上即可直接对可见地物进行测量。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0008] -种基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，包括步骤：
[0009] 步骤1，待测区域选择两地面点A和B作为设站点；
[0010] 步骤2,固定GPS与全景相机的相对位置不变，进行数据实时采集，本步骤具体为：
[0011] 2. 1在设站点A架设GPS和全景相机，在设站点B架设靶标，靶标正面朝向全景相 机；采用全景相机获得全景影像，并获得GPS RTK量测中心坐标；
[0012] 2. 2在设站点B架设GPS和全景相机，在设站点A架设靶标，靶标正面朝向全景相 机；采用全景相机获得全景影像，并获得GPS RTK量测中心坐标；
[0013]所述的GPSRTK量测中心坐标为GPSRTK所采用坐标系下的坐标；
[0014]步骤3,以靶标中心点为定向点，分别以步骤2. 1和步骤2. 2获得的全景影像为影 像量测中的左片和右片，获得左片和右片中定向点在影像坐标系下的影像坐标；
[0015] 步骤4,结合左片和右片中待测地物点和定向点的影像坐标，基于全景影像球体模 型获得待测地物点的水平角和天顶距，即待测地物点与设站点连线的交会角；结合交会角 和全景相机中心坐标，基于前方交会测量原理，获得待测地物点在GPSRTK所采用坐标系下 坐标；其中，全景相机中心坐标为GPSRTK所采用坐标系下的坐标，根据GPSRTK量测中心 坐标获得。
[0016]步骤1中，选择设站点时应保证全景影像上待测地物点与设站点的交会角在 30°~150°范围内。
[0017] 子步骤2. 1和2. 2中，架设于设站点的GPS和全景相机，GPSRTK量测中心和全景 相机中心位于同一坚直线。
[0018] 上述GPSRTK所采用坐标系下的坐标为大地坐标系或自定义三维空间坐标系。
[0019] 步骤4具体为：
[0020] 4. 1获得左片和右片中同一待测地物点的影像坐标；
[0021] 4. 2基于影像坐标系和角度坐标系的对应关系，根据定向点和待测地物点的影像 坐标，分别获得同一待测地物点在左片和右片上的角度坐标；
[0022] 4. 3根据待测地物点在左片和右片上的角度坐标获得待测地物点与设站点连线的 交会角；根据GPSRTK量测中心坐标获得全景相机中心坐标；根据交会角和全景相机中心 坐标，采用前方交会测量原理计算待测地物点在GPSRTK所采用坐标系下的坐标；
[0023] 所述的影像坐标系定义为：以全景影像左上角为原点、水平向右为X轴正方向、垂 直向下为y轴正方向的二维坐标系；影像坐标即影像坐标系下坐标；
[0024] 所述的角度坐标系定义为：左片中以影像坐标点（Xl，D/2)为原点，右片中以影像 坐标点（X10D/2))为原点,水平向右为9轴正方向，垂直向上为供轴正方向，XpX1?分别为左 片和右片中定向点在影像坐标系下的横坐标；角度坐标即角度坐标系下坐标。
[0025] 子步骤4. 2获得的待测地物点在左片和右片上的角度坐标(Q1W1)和(02.%)为：
【主权项】
1. 基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征是，包括步骤： 步骤1，待测区域选择两地面点A和B作为设站点； 步骤2,固定GPS与全景相机的相对位置不变，进行数据实时采集，本步骤具体为： 2. 1在设站点A架设GPS和全景相机，在设站点B架设靶标，靶标正面朝向全景相机； 采用全景相机获得全景影像，并获得GPS RTK量测中心坐标； 2. 2在设站点B架设GPS和全景相机，在设站点A架设靶标，靶标正面朝向全景相机； 采用全景相机获得全景影像，并获得GPS RTK量测中心坐标； 所述的GPS RTK量测中心坐标为GPS RTK所采用坐标系下的坐标； 步骤3,以靶标中心点为定向点，分别以步骤2. 1和步骤2. 2获得的全景影像为影像量 测中的左片和右片，获得左片和右片中定向点在影像坐标系下的影像坐标； 步骤4,结合左片和右片中待测地物点和定向点的影像坐标，基于全景影像球体模型获 得待测地物点的水平角和天顶距，即待测地物点与设站点连线的交会角；结合交会角和全 景相机中心坐标，基于前方交会测量原理，获得待测地物点在GPS RTK所采用坐标系下坐 标；其中，全景相机中心坐标为GPS RTK所采用坐标系下的坐标，根据GPSRTK量测中心坐标 获得。
2. 如权利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征 是： 步骤1中，选择设站点时应保证全景影像上待测地物点与设站点的交会角在30°~ 150°范围内。
3. 如权利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征 是： 子步骤2. 1和2. 2中，架设于设站点的GPS和全景相机，GPS RTK量测中心和全景相机 中心位于同一坚直线。
4. 如权利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征 是： 所述的GPS RTK所采用坐标系下的坐标为大地坐标系或自定义三维空间坐标系。
5. 如权利要求1所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征 是： 步骤4具体为： 4. 1获得左片和右边中同一待测地物点的影像坐标； 4. 2基于影像坐标系和角度坐标系的对应关系，根据定向点和待测地物点的影像坐标， 分别获得同一待测地物点在左片和右片上的角度坐标； 4. 3根据待测地物点在左片和右片上的角度坐标获得待测地物点与设站点连线的交会 角；根据GPS RTK量测中心坐标获得全景相机中心坐标；根据交会角和全景相机中心坐标， 采用前方交会测量原理计算待测地物点在GPS RTK所采用坐标系下的坐标； 所述的影像坐标系定义为：以全景影像左上角为原点、水平向右为X轴正方向、垂直向 下为y轴正方向的二维坐标系；影像坐标即影像坐标系下坐标； 所述的角度坐标系定义为：左片中以影像坐标点（Xl，D/2)为原点，右片中以影像坐标 点（x,，D/2))为原点，水平向右为Θ轴正方向，垂直向上为P轴正方向，Xl、&分别为左片和 右片中定向点在影像坐标系下的横坐标；角度坐标即角度坐标系下坐标。
6.如权利要求4所述的基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，其特征 是： 子步骤4. 2获得的待测地物点在左片和右片上的角度坐标(θρφι)和(θ2.Cpn)为：
其中，（Θ,,(P1)和(θ2,φ2)分别表示同一待测地物点在左片和右片上的角度坐标，（ Xl，yi) 和（x2，y2)分别表示同一待测地物点在左片和右片上的影像坐标，（X1J 1)和（\，^)分别表 示定向点在左片和右片上的影像坐标，D表示全景影像的垂直分辨率，INT( ·)表示对括号 内的数值下取整。
【专利摘要】本发明公开了一种基于GPS RTK和全景影像的自主定位定向测图方法，本发明利用全景相机获取的全景影像和GPS RTK测得的设站点坐标，采用基于全景影像球体模型中量测交会角的三维立体前交计算方法，实现两组全景影像公共区域中地物的直接量测，从而快速获取全景影像公共区域地物的三维坐标信息。本发明可实现在全景影像上直接对地物进行量测，可快速获取地物数据及测点测距，从而获得三维建模、场景重建、数字城市建设等所需的地物信息。
【IPC分类】G01C11-00, G01C11-08
【公开号】CN104655106
【申请号】CN201510085434
【发明人】胡庆武, 高珅, 艾明耀
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月15日