一种可定位定姿的近景摄影测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种可定位定姿的近景摄影测量系统，属于测绘科学与技术领 域，具体的涉及摄影测量技术。该系统利用装在相机上的棱镜和架设在通视范围内的全站 仪对系统进行实时跟踪定位，利用装在相机底部云台下方的水平度盘和相机左/右侧的垂 直度盘对系统进行实时定姿。通过建立棱镜、水平度盘、垂直度盘和相机的关系模型，将定 位定姿数据转换到相机中心，从而在利用摄影测量技术拍摄影像的同时，获取相机的位置 和姿态等信息。
【背景技术】
[0002] 摄影测量是研究利用摄影或遥感的手段获取被测物体的信息（影像），经过分析、 处理，确定被测物体的形状、大小和位置，并判断其性质的学科。摄影测量的特点是不接触 被测对象，间接地采集被测对象的几何信息和物理信息，不受区域限制，量测工作和信息获 取分别进行；量测工作大部分在室内进行；机械化和自动化程度高。
[0003] 作为摄影测量学的一门分支一一近景摄影测量在建筑物的变形观测、动态监测、 文物保护等工作中起着重要的作用。与三维激光扫描、传统手工测量等测绘手段相比，近景 摄影测量设备成本低廉、外业采集时间短、数据量小，这些优点使得近景摄影测量技术在文 物测绘、考古、隧道、桥梁、机械、海洋等领域中的应用将越来越广泛，将数字摄影测量技术 与RS (遥感）、GPS、GIS进行集成，在城市规划、文物保护、地下工程等实践中取得了良好的 效果。
[0004] 摄影测量逐步发展到了全数字摄影测量阶段。目前，数字摄影测量的应用已经很 广泛，能以某种精度测定物体的形状、大小和运动参数。随着计算机技术的发展和微处理机 的广泛应用，近景摄影测量技术正朝着自动化的方向发展。
[0005] 摄影测量的一大特点就是测绘外业周期短，作业速度快，劳动强度大为降低。然而 相比外业，摄影测量的内业工作量较大，除了需要对大量影像提取特征点并匹配外，还需要 解算影像的外方位元素和待求点地面坐标。
[0006] 并且随着普通数码相机在近景摄影测量中的广泛应用，如今的数字摄影测量与传 统的单基线立体、测标的近景摄影测量相比已有了很大的差别。传统的摄影测量多是模拟 "人的双目"，依靠一条基线、两张影像所构成的立体像对，即"单基线立体"。这种基于作业 员的目视立体观测的模拟、解析摄影测量必须根据精度要求，考虑被摄对象的远景、近景， 来设计摄影基线、交向角，比较复杂。且若以一个立体像对为单位，则难以像航空摄影测量 一样，按一个摄影区域进行处理。特别是对房屋这种体形体比较庞大、特殊的目标时，很难 进行拍摄及后续数据处理。并且对单基线立体的处理一般均按非量测相机的直接线性变换 进行，每个像对至少需要6个控制点，因此增加了外业的工作量。若希望利用现有的非量测 数码相机，减少外业控制点，进行自检校区域网平差，提高精度和匹配的可靠性，则需要对 传统算法进行改进，在近景摄影测量中采用短基线、大角度、多目视觉，即大倾角多基线近 景摄影测量方法。
[0007] 为快速、准确解算大倾角多基线摄影测量，需要提供外方位线元素和角元素的初 值，即通过定位定姿系统提供相机中心的位置和姿态信息。利用大倾角多基线摄影测量的 数学模型，每个摄站对被摄物拍若干张一定重叠度的像片，可构成多基线多影像组序列，提 高影像匹配的效率和可靠性，生成高精度的建筑三维模型。
[0008] 现今对于可定位定姿的摄影测量系统主要集中在航空摄影测量、地面移动摄影测 量系统（MMS)中。无论是航测还是MMS中的定位定姿系统，都是頂U/DGPS组合的高精度位 置与姿态测量系统（position and orientation system, POS)。POS系统利用装在飞机上 的GPS接收机和设在地面上的一个或多个基站上的GPS接收机同步而连续地观测GPS卫星 信号，精密定位主要采用差分GPS定位（DGPS)技术，而姿态测量主要是利用惯性测量装置 IMU来感测飞机或其他载体的加速度，经过积分运算，获取载体的速度和姿态等信息。因此， POS的产品组成包括导航处理计算机（PCS)、惯性测量单元（頂1])、里程计（DMI)、导航信息 综合显示软件和导航数据紧密集成软件等。
[0009] 同样将相机和定位定姿系统结合考虑的是徕卡公司生产的TS15图像全站仪。 TS15全站仪在传统全站仪上假设了一台500万像素的相机，利用相机结合自动化照准，超 级搜索等功能，使得图像测量解脱了肉眼瞄准测量的繁琐。同时通过使用全站仪的内置相 机获取目标物体立体像对，完成摄影测量。即在使用内置相机获取目标物体立体像对，根据 相机主光轴和全站仪视准轴之间的关系，以及全站仪在每次拍摄测量时的摄站信息和姿态 信息，可以获取每张像片的6个外方位元素，从而在无地面控制点的情况下进行摄影测量。 [0010]目前可定位定姿的摄影测量系统主要是将各种先进且昂贵的测量仪器进行集成， 构成复杂，数据处理难度大，精度提高较困难。
[0011] POS系统利用GPS进行定位，然而GPS数据输出频率低，在高动态环境下可靠性较 差，且会产生"周跳"现象；利用MU进行定姿，但頂U的姿态参数误差会随着时间的增加 而迅速积累。二者的组合虽可以一定程度上取长补短，提高准确度，但若用于近景摄影测 量中，精度仍然难以满足要求。例如，普通民用的NV-LINS800 GPS/INS组合导航系统的精 度指标为：位置2m，速度0. 03m/s，侧滚和俯仰0. 05°，偏航0. Γ，时间20ns ;LD2000系统 摄影立体影像测量误差与距离相关，随着距离的增加，误差逐渐增大，如摄影距离20m时， 立体影像测量误差为〇. 〇63m，摄影距离40m时，立体影像测量误差则达到了 0. 252m ;而目 前精度较高的P0S/AV 510,经过严密数据处理后，位置精度最高为0. 05m，方向角度精度为 20" -30"。可见，利用可定位定姿的POS系统辅助摄影测量，在无需地面控制点的情况下， 可以达到部分比例尺地图测图的精度要求，但若是用于房屋、建筑等精度要求较高的地面 近景摄影测量，则还需改进。
[0012] 并且，GPS/1MU组合的计算模型复杂。GPS/1MU的数据处理主要有三种模式：松耦 合、紧耦合和超紧耦合，这也代表了不同的精度和水平。松耦合是最简单的组合模式。在此 模式下GPS和頂U接收机各自独立工作，分别输出位置与速度信息，再由组合Kalman滤波 器（以测量误差为状态）进行优化处理，给出最优的结果，并反馈给頂U进行修正，这种等 级的组合是基于位置与速度的组合，至少要存在4颗卫星才能得到GPS的导航信息，从而对 滤波器进行更新。此外如果GPS接收机采用自己的Kalman滤波器求解其位置和速度，这种 组合导致滤波器的串联，使组合导航观测噪声时间相关，不满足Kalman滤波器观测噪声为 白噪声的基本要求，严重时可能使滤波器不稳定。紧耦合改进了松耦合的算法，但对软硬件 要求较高，实现难度较大。超紧耦合方式相对于松耦合和紧耦合是更复杂的组合方式，甚至 涉及到内部码环载波环电路的重新编排，在结构或算法方面与松、紧耦合相比都更加复杂。
[0013] 而Leica公司生产的TS15图像全站仪，是由全站仪提供角度和站点位置信息，通 过视准轴和主光轴的关系，推算出每张像片的外方位元素，进而对目标点的地面坐标进行 解算。TS15全站仪相机主要参数为：500万像素，焦距21_。因此TS15的局限在于，装置 不够不灵活、镜头分辨率低、精度不高。
[0014] 同样重要的是，无论是GPS/1MU组成的定位定姿系统，还是全站仪和相机的组合， 仪器装置的价格均较为昂贵，数据处理模型也较为复杂，为后续的数据处理带来不小的工 作量。
[0015] 而传统近景摄影测量的单基线立体方法是基于作业员目视立体观测的模拟、解析 摄影测量必须根据精度要求，考虑被摄对象的远景、近景，设计摄影基线、交向角，比较复 杂。且若以一个立体像对为单位，则难以像航空摄影测量一样，按一个摄影区域进行处理。 因此当被测物体形体比较特殊时（例如较大型的房屋或高塔等建筑物），则很难进行拍摄 及后续数据处理。并且对单基线立体的处理，一般均按非量测相机的直接线性变换进行，每 个像对至少需要6个控制点，因此增加了外业的工作量。 【实用新型内容】
[0016] 本实用新型旨在解决上述现有技术中存在的问题，提高近景摄影测量效率和精 度，简化数据处理模型，节约成本。
[0017] 传统近景摄影测量对拍摄要求较高，需要垂直目标拍摄，否则在未知外方位元素 初值的情况下，法方程的解算无法收敛于正确结果；且在数据处理中需要一定数量的控制 点。为提高近景摄影测量的效率，进一步减小外业工作量，提高精度，需要对仪器设备及解 算方法进行改进。然而，令人遗憾的是目前在这方面仍是一项巨大的市场空白。本实用新 型将采用