一种基于移动终端的测高方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种测高方法及装置，属于地理信息采集领域，具体是涉及一种基于移动终端的测高方法及装置。本发明使用设备传感器获得姿态角，以及通过后方交会算法解算建筑物到测量员的平面距离，然后通过后方交会算法计算出移动终端与测量目标的距离L，既不用人工输入相机高，也不用要求建筑物和测量员在同一个高程面上就能计算得到测量目标高度。本发明只要设备有传感器，能接收GPS卫星信号，就能在任何地形获得建筑高度。
【专利说明】
一种基于移动终端的测高方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测高方法及装置，属于地理信息采集领域，具体是涉及一种基于 移动终端的测高方法及装置。
【背景技术】
[0002] 国土外业巡查业务中，最重要的工作是地块地理信息的采集，采集信息包括地块 的属性信息采集以及位置信息采集，而遗憾的是，外业巡查采集信息中的建筑高信息，一直 以来都只能通过肉眼判断或数楼层的方式确定，采集的建筑高信息往往与建筑实际高度有 很大差别。例如某巡查员要采集面前这栋高30层楼的建筑高信息，那么他就要一层一层数 这个楼有多少层，然后乘以每层楼的高度，然后得到整栋楼的高度信息。这样做且不说巡查 员容易数错，每层楼的高度也是估值，大概一层楼2.5米高，但其实每层楼的高度并不为2.5 米，这种建筑高采集方式即耗时又不准确，给国土巡查执法带来影响。
[0003] 申请号为CN201410650787、名称为一种手机测高软件及基于该软件的测高方法的 中国专利提出了使用移动端结合传感器测量建筑高度的方法。该方法通过手机传感器获得 手机姿态角，进而推算出建筑高，但是该方案存在两个问题:第一是需要手动设置相机高， 也就是图1中的BD线段的长度需要手动设置;第二是测量人所在高程面必须与被测量物所 在的高程面相同，即图1中C点和D点要在同一高程面上。
[0004] 该方法显然不适用于国土巡查信息采集业务中。首先，用户设置相机高较为麻烦， 而且很难保证每次用这个软件测量建筑高度的时候相机高都是一致的，原因在于同一个平 板会被多个巡查员使用，相机高会因为不同人的使用而改变;其次，在巡查过程中，需要被 采集信息的建筑不一定与巡查员在同一高程面上，所以，该技术不适用于巡查信息采集，只 能用于日常简单的高度测量，应用面很窄。
[0005] 例如在图2的这种情况，该方法就不能测量出建筑物BC的高度。在图2中，点B和点D 不在同一个高程面上，而如果采用该方法测量BC的高度，实际上测量的是b'c'的高度，显然 是一个错误的结果。
[0006] 鉴于以上不足，本发明提出了一种基于移动终端的测高方法及装置，采用该方法 及装置测高既不用手动输入相机高，也不用要求被测量物和测量人处于同一个高程面，只 要测量人换一个位置，多次照准目标，就可以测量出建筑高度。
【发明内容】
[0007] 本发明主要是解决现有技术所存在的因相机高度改变频繁，并且被测量物和测量 人必须处于同一个高程面等限制所导致的传统手机测高法无法满足国土巡查业务中的测 高需求的问题，提出了一种基于移动终端的测高方法及装置。该方法及装置不用人工输入 相机高，也不用要求建筑物和测量员在同一个高程面上，只要设备有传感器，能接收GPS卫 星信号，就能在任何地形获得建筑高度。
[0008] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0009] -种基于移动终端的测高方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1，获取移动终端坐标(XA，YA);将移动终端照准测高目标底部，通过设备传感 器计算相机的方位角Az与底部翻滚角BRoll;
[0011] 步骤2，根据方位角Az与移动终端GPS坐标(XA，YA)，在Χ0Υ平面中生成从移动终端 指向测高目标底部的射线照准线方程；
[0012] 步骤3,改变移动终端位置，重复步骤1-2以获得多个不同的射线照准方程;采用后 方交会算法，计算所述射线照准方程的交点得到测高目标底部的平面坐标(XB，YB);
[0013]步骤4,通过移动终端的GPS坐标(XA，YA)和筑物底部的平面坐标(XB，YB)，计算相 机到建筑物的平面距离L;
[0014] 步骤5,将移动终端照准测高目标顶部，获得顶部翻滚角TRoll，基于以下公式计算 目标高度：
[0016] 其中，a为底部翻滚角BRoll，d为顶部照准角TRoll与底部翻滚角BRoll之差；Zc = 180-Zb〇
[0017] 优化的，上述的一种基于移动终端的测高方法，所述步骤1中通过设备方向传感器 和加速度传感器获得移动终端的旋转矩阵R，基于下述公式计算方位角Az与翻滚角Roll:
[0018] Az = atan2(Ri2 ,R2i)
[0019] Roll =atan2(_R3i，R33)
[0020] 式中，R是由方向传感器测量出的一个3*3的旋转矩阵，1?12，1?21，1?1，1?3分别为旋 转矩阵R中的相应矩阵元素。
[0021] 优化的，上述的一种基于移动终端的测高方法，所述步骤2中基于方位角Az与移动 终端坐标(XA，YA)获得下式中的极坐标方程：
[0022] x=XA+p cos(Az)
[0023] y = YA+p sin(Az)
[0024] 其中，X，y为极坐标；
[0025] 将极坐标方程转换成平面方程，如下所示：
[0026] ax+by+c = 0
[0027] 式中，a，b，c表示将极坐标转换成平面方程后的参数值，取常数。
[0028] 优化的，上述的一种基于移动终端的测高方法，所述步骤3进一步包括以下子步 骤：
[0029]步骤301，巡查员换η个位置，获得η个射线照准方程：
[0030] aix+biy+ci = 0
[0031] a2X+b2y+C2 = 0
[0032] a3X+b3y+C3 = 0
[0033] ......
[0034] anx+bny+Cn = 0
[0035] 步骤302,按照照准顺序，两两直线方程间求交点，求得第n-1次方程和第n次方程 的交点：
[0036] Xn-1 = (bn-lCn_bnCn-1 )/(￡ln-lbn_￡lnbn-1 )
[0037] Yn-1= (an-lCn-anCn-1 )/ ( bn-lSn-bnan-1 )
[0038] 步骤303,完成所有照准后，基于下式计算坐标平均值，得到(XB，YB):
[0039] XB=(Xi+X2+X3+. . .+Χη-ι)/(η-1)
[0040] ΥΒ=(Υι+Υ2+Υ3+. . .+Υη-ι)/(η-1)
[0041 ]优化的，上述的一种基于移动终端的测高方法，所述步骤4中，基于下式计算相机 到建筑物的平面距离L:
[0043] 式中，(ΧΑη,ΥΑη)最后一次照准时的移动终端坐标。
[0044] -种基于移动终端的测高装置，包括以下模块：
[0045] 基准坐标获取模块，用于获取移动终端坐标(XA，YA);将移动终端照准测高目标底 部，通过设备传感器计算相机的方位角Az与底部翻滚角BRoll;
[0046] 照准方程获取模块，用于根据方位角Az与移动终端GPS坐标(XA，YA)，在Χ0Υ平面中 生成从移动终端指向测高目标底部的射线照准线方程；
[0047] 目标坐标计算模块，用于改变移动终端位置，重复调用基准坐标获取模块、照准方 程获取模块以获得多个不同的射线照准方程;采用后方交会算法，计算所述射线照准方程 的交点得到测高目标底部的平面坐标(XB，YB);
[0048] 平面距离计算模块，通过移动终端的GPS坐标(XA，YA)和筑物底部的平面坐标(XB， YB)，计算相机到建筑物的平面距离L;
[0049] 目标高度计算模块，将移动终端照准测高目标顶部，获得顶部翻滚角TRoll，基于 以下公式计算目标高度：
[00511 其中，a为底部翻滚角BRoll，d为顶部照准角TRoll与底部翻滚角BRoll之差；Zc = 180-Zb0
[0052] 优化的，上述的一种基于移动终端的测高装置，所述基准坐标获取模块中通过设 备方向传感器和加速度传感器获得移动终端的旋转矩阵R，基于下述公式计算方位角Az与 翻滚角Roll:
[0053] Az = atan2(Ri2 ,R2i)
[0054] Roll =atan2(_R3i，R33)
[0055] 式中，R是由方向传感器测量出的一个3*3的旋转矩阵，1?12，1?21，1?1，1?3分别为旋 转矩阵R中的相应矩阵元素。
[0056]优化的，上述的一种基于移动终端的测高装置，所述照准方程获取模块中基于方 位角Az与移动终端坐标(XA，YA)获得下式中的极坐标方程：
[0057] x=XA+p cos(Az)
[0058] y = YA+p sin(Az)
[0059] 其中，X，y为极坐标；
[0060] 将极坐标方程转换成平面方程，如下所示：
[0061] ax+by+c = 0
[0062]式中，a，b，c表示将极坐标转换成平面方程后的参数值，取常数。
[0063]优化的，上述的一种基于移动终端的测高装置，所述目标坐标计算模块进一步包 括以下单元：
[0064] 方程构建单元，用于在巡查员换η个位置后获得η个射线照准方程：
[0065] aix+biy+ci = 0
[0066] a2X+b2y+C2 = 0
[0067] a3X+b3y+C3 = 0
[0068] ......
[0069] anx+bny+Cn = 0
[0070] 交点计算单元，按照照准顺序，两两直线方程间求交点，求得第n-1次方程和第n次 方程的交点：
[0071 ] Xn-1= (bn-lCn-bnCn-l )/(an-lbn-anbn-1 )
[0072] Yn-1= (an-lCn-anCn-1 )/ ( bn-lSn-bnan-1 )
[0073] 坐标计算单元，完成所有照准后，基于下式计算坐标平均值，得到(XB，YB):
[0074] XB=(Xi+X2+X3+. . .+Χη-ι)/(η-1)
[0075] ΥΒ=(Υι+Υ2+Υ3+. . .+Υη-ι)/(η-1)
[0076] 优化的，上述的一种基于移动终端的测高装置，所述平面距离计算模块中，基于下 式计算相机到建筑物的平面距离L:
[0078] 式中，(ΧΑη,ΥΑη)最后一次照准时的移动终端坐标。
[0079] 因此，本发明具有如下优点：不用人工输入相机高，也不用要求建筑物和测量员在 同一个高程面上；只要设备有传感器，能接收GPS卫星信号，就能在任何地形获得建筑高度， 从而填补了巡查业务不能自动化采集建筑高的空白。
【附图说明】
[0080] 附图1是现有技术中的一种测高原理图；
[0081 ]附图2是一种测高场景示意图；
[0082]附图3是射线照准方程示意图；
[0083]附图4是多个射线照准方程示意图；
[0084]附图5是多个射线照准方程理想交汇点示意图；
[0085]附图6是多个射线照准方程带有误差的交汇点示意图；
[0086]附图7是本实施例移动终端与测高目标的距离示意图。
[0087] 附图8是本实施例测尚原理不意图。
【具体实施方式】
[0088] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0089] 实施例：
[0090] 本实施例提供了一种基于移动终端的测高方法，具体步骤如下：
[0091] (1)开启相测测高功能，打开设备相机，打开设备方向传感器和加速度传感器。
[0092] (2)自动开启设备GPS定位功能，获取设备的GPS坐标设备的GPS坐标记为(XA，YA)。
[0093] (3)用户照准建筑物底部，通过设备传感器计算方位角(Az)与翻滚角(Roll)。
[0094] 通过设备方向传感器和加速度传感器的测量数据，根据Android提供的接口函数， 获得旋转矩阵R，并计算方位角(Az)与底部翻滚角(BRoll)，计算方式如下：
[0095] Az = atan2(Ri2，R2i)
[0096] BRo 11 = atan2 (-R31, R33)
[0097] 式中，R是由方向传感器测量出的一个3*3的旋转矩阵，1?12，1?21，1?1，1?3分别为旋 转矩阵R中的相应矩阵元素。
[0098] (4)根据方位角Az与设备GPS坐标(XA，YA)，在Χ0Υ平面中生成射线方程。具体步骤 如下：
[0099] 已知方位角Az与射线点(XA，YA)，在极坐标系中，获得如下极坐标方程：
[0100] x=XA+pcos(Az)
[0101] y = YA+psin(Az)
[0102] 将极坐标方程转换成平面方程，如下所示：
[0103] ax+by+c = 0
[0104] 式中，a，b，c表示将极坐标转换成平面方程后的参数值，取常数。函数图3如所示。
[0105] (5)巡查员换η个位置，获得GPS坐标(XAn，YAn)，重复照准建筑物底部，即重复（3) 和(4)，那么将获得η个平面方程：
[0106] aix+biy+ci = 0
[0107] a2X+b2y+C2 = 0
[0108] a3X+b3y+C3 = 0
[0109] ......
[0110] anx+bny+Cn = 0
[0111] 函数图形如图4所示。
[0112] (6)使用后方交会算法，获得η个照准方程后，计算所有射线的唯一交点，得到建筑 物底部平面坐标(ΧΒ，ΥΒ)。理论上，若无任何误差存在，则所有射线有且仅有一个交点，但因 为GPS误差，照准误差等误差存在，则有可能存在m个交点，如图5所示为理想情况，如图6所 示为实际情况。
[0113] 按照照准顺序，两两直线方程间求交点，如在完成第二次照准后，获得方程mx+biy +ci = 0和a2X+b2y+C2 = 0，根据两直线求交点公式，交点坐标为：
[0114] Xi= (biC2-b2Ci)/(aib2~a2bi)
[0115] Yi= (aiC2-a2Ci)/(bia2~b2ai)
[0116]在照准第n次后，即能获得第n-1次方程和第n次方程的交点：
[0117] Xn-1= (bn-lCn-bnCn-l )/(an-lbn-anbn-1 )
[01 1 8] Yn-1= (an-lCn-anCn-1 )/ ( bn-lSn-bnan-1 )
[0119] 完成所有照准后，计算坐标平均值，得到(XB，YB)，此时，（XB，YB)即是建筑物底部 的平面坐标：
[0120] XB=(Xi+X2+X3+. . .+Χη-ι)/(η-1)
[0121] ΥΒ=(Υι+Υ2+Υ3+. . .+Υη-ι)/(η-1)
[0122] (7)通过最后一次照准时的GPS坐标(XAn，YAn)和筑物底部的平面坐标(XB，YB)，计 算相机到建筑物的平面距离L。
[0124] L的几何含义如图7所示。
[0125] (8)完成最后一次照准后，得到第η次照准时的翻滚角（BRolln)。然后巡查员照准 建筑物顶部C，获得顶部翻滚角TRol lc，计算建筑高度。如图8所示。
[0126] 计算斜边 S:S = L/sin(a)
[0127] 其中a即为第η次照准时的翻滚角(BRollnKL为计算相机到建筑物的平面距离。
[0128] 计算角d: Zd= Zb_Za
[0129] 其中b即为照准建筑物顶部C时获得的翻滚角(TRo 11)。
[0130] 计算角c: Zc = 180_Zb
[0131] 计算建筑高度 BC:BC = S*sin(d)/sin(c)
[0132] 此时，得到建筑物的高度BC。
[0133] 本实施例中，在解算η个方程的交点时，采用的是两两方程求交点的方法，没有用 整体平差求交点的方法，原因是整体平差求交点很耗时，所有照准完成后还要等待平差计 算，才能获得交点，而本实施例是照准完一次以后即时计算交点坐标，每照准一次计算一 次，碎片化交点的计算过程。用整体平差求交点，就是把所有照准方程放到一个矩阵里面， 然后通过最小二乘就一个最接近交点的唯一解。
[0134] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种基于移动终端的测高方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1，获取移动终端坐标(ΧΑ,ΥΑ);将移动终端照准测高目标底部，通过设备传感器计 算相机的方位角Αζ与底部翻滚角BRoll; 步骤2,根据方位角Az与移动终端GPS坐标(ΧΑ,ΥΑ)，在X0Y平面中生成从移动终端指向 测高目标底部的射线照准线方程； 步骤3,改变移动终端位置，重复步骤1-2W获得多个不同的射线照准方程;采用后方交 会算法，计算所述射线照准方程的交点得到测高目标底部的平面坐标(XB，YB); 步骤4，通过移动终端的GPS坐标(XA，YA)和筑物底部的平面坐标(XB，YB)，计算相机到 建筑物的平面距离L 步骤5，将移动终端照准测高目标顶部，获得顶部翻滚角TRoll，基于W下公式计算目标 高度：其中，a为底部翻滚角BRoll，d为顶部照准角TRoll与底部翻滚角BRoll之差；Zc = 180- Zbo2. 根据权利要求1所述的一种基于移动终端的测高方法，其特征在于，所述步骤1中通 过设备方向传感器和加速度传感器获得移动终端的旋转矩阵R，基于下述公式计算方位角 Az与翻滚角Roll: Az = atan2(I?i2,R2i) Ro 11 = atan2 (-R31, R33) 式中，R是由方向传感器测量出的一个3*3的旋转矩阵，312，1?21，1?1，1?3分别为旋转矩 阵R中的相应矩阵元素。3. 根据权利要求1所述的一种基于移动终端的测高方法，其特征在于，所述步骤2中基 于方位角Az与移动终端坐标(ΧΑ,ΥΑ)获得下式中的极坐标方程： χ = ΧΑ+ρ cos(Az) y = YA+p sin(Az) 其中，x，y为极坐标； 将极坐标方程转换成平面方程，如下所示： 曰 x+by+c = 0 式中，a，b，C表示将极坐标转换成平面方程后的参数值，取常数。4. 根据权利要求1所述的一种基于移动终端的测高方法，其特征在于，所述步骤3进一 步包括W下子步骤： 步骤301，巡查员换η个位置，获得η个射线照准方程： 曰 ix+biy+ci = 0 曰 2X+b2y+C2 = 0 曰 3X+b3y+C3 = 0 曰 nX+bny+Cn = 0 步骤302,按照照准顺序，两两直线方程间求交点，求得第n-1次方程和第η次方程的交 占 · y ?、、· Xn-l 二(bn-lCn-bnCn-l)/(an-lbn-anbn-l) Yn-1 二(an-lCn-anCn-l)/(bn-：ian-bnan-l) 步骤303,完成所有照准后，基于下式计算坐标平均值，得到(XB，YB): XB=(Xi+X2+X3+. . ·+Χη-ι)/(η-1) ΥΒ=(Υι+Υ2+Υ3+. . .+Υη-ι)/(η-1)。5. 根据权利要求1所述的一种基于移动终端的测高方法，其特征在于，所述步骤4中，基 于下式计算相机到建筑物的平面距离^式中，（ΧΑη,ΥΑη)最后一次照准时的移动终端坐标。6. -种基于移动终端的测高装置，其特征在于，包括W下模块： 基准坐标获取模块，用于获取移动终端坐标(XA，YA);将移动终端照准测高目标底部， 通过设备传感器计算相机的方位角Az与底部翻滚角BRoll; 照准方程获取模块，用于根据方位角Az与移动终端GI^坐标(ΧΑ,ΥΑ)，在X0Y平面中生成 从移动终端指向测高目标底部的射线照准线方程； 目标坐标计算模块，用于改变移动终端位置，重复调用基准坐标获取模块、照准方程获 取模块W获得多个不同的射线照准方程;采用后方交会算法，计算所述射线照准方程的交 点得到测高目标底部的平面坐标(XB，YB); 平面距离计算模块，通过移动终端的GI^坐标(ΧΑ,ΥΑ)和筑物底部的平面坐标(ΧΒ,ΥΒ)， 计算相机到建筑物的平面距离レ 目标高度计算模块，将移动终端照准测高目标顶部，获得顶部翻滚角TRoll，基于W下 公式计算目标高度：其中，a为底部翻滚角BRoll，d为顶部照准角TRoll与底部翻滚角BRoll之差；Zc = 180- Zbo7. 根据权利要求6所述的一种基于移动终端的测高装置，其特征在于，所述基准坐标获 取模块中通过设备方向传感器和加速度传感器获得移动终端的旋转矩阵R，基于下述公式 计算方位角Az与翻滚角Roll: Az = atan2 (化2, R21) Roll = atan2(-R3i ,R33) 式中，R是由方向传感器测量出的一个3*3的旋转矩阵，312，1?21，1?1，1?3分别为旋转矩 阵R中的相应矩阵元素。8. 根据权利要求6所述的一种基于移动终端的测高装置，其特征在于，所述照准方程获 取模块中基于方位角Az与移动终端坐标(ΧΑ,ΥΑ)获得下式中的极坐标方程： χ = ΧΑ+ρ cos(Az) y = YA+p sin(Az) 其中，x，y为极坐标； 将极坐标方程转换成平面方程，如下所示： 过 x+by+c = 0 式中，a，b，c表示将极坐标转换成平面方程后的参数值，取常数。9. 根据权利要求6所述的一种基于移动终端的测高装置，其特征在于，所述目标坐标计 算模块进一步包括W下单元： 方程构建单元，用于在巡查员换η个位置后获得η个射线照准方程： 曰 ix+biy+ci = 0 曰 2X+b2y+C2 = 0 曰 3X+b3y+C3 = 0 曰 nX+bny+Cn = 0 交点计算单元，按照照准顺序，两两直线方程间求交点，求得第n-1次方程和第η次方程 的交点： Xn-l 二(bn-lCn-bnCn-l)/(an-lbn-anbn-l) Υη-1 二(an-lCn-anCn-l)/(bn-：ian-bnan-l) 坐标计算单元，完成所有照准后，基于下式计算坐标平均值，得到(XB，YB): XB=(Xi+X2+X3+. . ·+Χη-ι)/(η-1) ΥΒ=(Υι+Υ2+Υ3+. . .+Υη-ι)/(η-1)。10. 根据权利要求6所述的一种基于移动终端的测高装置，其特征在于，所述平面距离 计算模块中，基于下式计算相机到建筑物的平面距离^式中，（ΧΑη,ΥΑη)最后一次照准时的移动终端坐标。
【文档编号】G01C5/00GK106092041SQ201610407124
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】麦家杰, 黄宇, 李论, 陈新伟
【申请人】武大吉奥信息技术有限公司