专利名称：基于单张数码像片的建筑物高度测量方法
技术领域：
本发明提出了利用单张数码像片测量建筑物高度的原理和方法,广泛应用于数字城市建 设，属于摄影测量和计算机视觉领域。
背景技术：
从20世纪90年代至今,很多学者对利用单张数码像片进行建筑物的三维测量作了研究, 并取得了相当的进展。但这个技术在数码城市的建立中至今还没有得到真正的实用(刘亚文， 张祖勋，张剑清，吴军.利用地图与单影像进行建筑物三维重建的新途径[J].武汉大学学 报'信息科学版，2005年2月，146 149)。
城市三维建模技术的首要内容在于大量的城市基础三维数据采集，采集数据包括地物目 标的平面位置、地面高程、高度和地物纹理。目前的三维数据釆集方法是利用摄影测量和遥感 技术得到城市的数字地面模型、数字线划地图(Digital Line Graphic,縮写DLG)、利用 数码相机实地获取地物的纹理、建筑物高度数据来建立数码城市模型。
《数字城市三维地理空间框架》(李成名，王继周，马照亭.科学出版社，2008)提出了 利用量测相机单影像进行建筑物的三维测量的方法，其理论是根据建筑物本身的三组平行线来 计算影像的方位元素，在此基础上实现建筑物的单影像三维建模。然而，很多建筑物无法提供 完整的三个方向的平行线，同时只能利用量测相机来进行，使得这种方法有很大的局限性。
建筑物高度数据的获取有很多方法，如三维激光扫描仪采集、数字立体摄影测量采集、 全站仪或手持测距仪现场采集等，这些方法具有效率低、代价高、周期长的缺陷。目前商业数 码城市三维建模软件都是根据建筑物层数来推算,其缺陷是很明显的，由于高度数据是近似的， 没有做到真正意义上的城市三维模型。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于单张数码像片的建筑 物高度测量方法。
技术方案本发明的基于单张数码像片的建筑物高度测量方法，在直接线性变换公式基 础上，采用逆向直接线性变换计算方法实现建筑物高度的测量方法，其步骤如下
第一步拍摄建筑物的数码照片摄影时要求摄取到建筑物在高度方向的完整高度线，在 高度线上，必须包含建筑物的低点、高点以及两条以上可以从其它途径测量的已知线段，
第二步:在数码照片上测量建筑物高度线上各点的图像坐标("，V):图像坐标系Cc _"V是 以数码照片的左上角为原点、水平向右方向为X轴正方向、垂直向下方向为Y轴正方向，
第三步将各点点的图像坐标("，V)转换成以数码照片中心为原点的右手系像平面坐标系 G一^坐标"J)，转换关系如下<formula>formula see original document page 4</formula>-图像坐标系eQ — "V坐标，单位为像素， -像平面坐标系ei—x^坐标，单位为像素， —数码照片的宽度，单位为像素， 一数码照片的高度，单位为像素，
第四步以建筑物高度线建立物方高度坐标轴，物方高度坐标轴的原点为建筑物的低点， 高度方向为坐标轴的正向；对应地，数码像片上也存在一个像方高度坐标轴，像方高度坐标轴
原点为像片上建筑物的低点，建筑物的高度方向为坐标轴的正向，
第五步将建筑物高点的像方坐标轴坐标代入一维逆向直接线性变换公式，计算出建筑物 高点的物方坐标轴坐标，其值就是建筑物的高度。
计算出建筑物高点的物方坐标轴坐标，具体计算方法如下
/
第一步根据一维直接线性变换公式X = ~~可以得到一维逆向直接线性变换公式为
x =.，
第二步根据其像平面坐标计算各点像方坐标轴坐标;c ，
第三步将两个已知距离A^，代入一维逆向直接线性变换变换公式，计算出一维逆向直 接线性变换变换参数丄,和丄2，
第四步将建筑物高点的像方坐标代入一维逆向直接线性变换公式，即可得到建筑物的高 度值。
有益效果采用本发明的方法，利用近景像片的一维逆向直接线性变换公式，通过建筑 物单影像,就可得到建筑物高数据。对于由于建筑物户外条件原因无法实测或测量困难的数据， 可以用本发明方法求得，可应用于摄影测量和计算机视觉等领域。
图1是单影像建筑物高度测量示意图， 图2:计算流程图。
具体实施例方式
用普通数码相机对建筑物进行拍摄，如图l。拍摄时包含建筑物的低点(第一点)、高点 (第六点)、以及两个已知线段(第二点和第三点、第四点和第五点之间的距离己知)。其中 两个已知线段的距离可以由其他方法得到。
各点在物方坐标轴和像方坐标轴上的坐标表示为％和;c ，则根据一维直接线性变换公式可以得到逆向 一维直接线性变换公式为:
<formula>formula see original document page 5</formula>
(1)
各点像方坐标轴坐标jc可以根据其像平面坐标计算出来，而其物方坐标轴坐标X正是我
们所求的。利用第二点和第三点之间己知距离(如建筑物窗户的高度)，虽然我们不知道这 些点的X值本身，但知道它们的差值AX为建筑物窗户的高度，就有
<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
从公式(2)可以看出，直线目标上的任意两点之间的距离与逆向一维DLT变换参数建立了关
系，如果己知了多段距离，就能计算出这些参数。
同样，第四点和第五点也是已知距离，可以列出公式(2)以及另一个方程
Zl义4 丄l义3 _ 丄i(义4 义3)
4 3 — ￡2;c4+lZ2jc3+1 (Z2;c4+l)xa2x3+l) 两式相除，消去^为
Jf2-X, x4—x3 — (Z>2x4+l)x(Z<2x3+l) —x3x4Z;+ (jc3+;c4) Z2+l
为了计算￡2方便，按表l将各系数用新的符号代替。
表l逆向一维DLT解算模型系数
<formula>formula see original document page 5</formula>
用新的符号代入公式(4)，简化得到关于丄2的一元二次方程: 求得
<formula>formula see original document page 5</formula>
公式(6)中的符号选择根据以下原则进行
今像方坐标轴X和物方坐标轴义的正向指向同一个方向；
今以像方坐标轴X为基准，如果物方坐标轴义的正向越来越偏离X轴的正向时，公式(6) 取"一"号，即2^4
今反之，以像方坐标轴^为基准，如果物方坐标轴义的正向越来越靠近x轴的正向时，公式(6)取"+ "号，即
—B + "2 -"C
丄,
2乂
将丄，的值代入公式(1)，可得
丄,=(义2 - x,)(v2 +1)( Vt + D- a )
以上是根据一条直线上的两个距离条件解算逆向一维DLT模型参数的解算方法。
当已知距离的数量超过两段时，就可以采用间接平差的方法来计算，其条件式为
(7)
(8)
￡2X2+1 Z^+l
由于是非线性方程，可以利用两端距离法先计算变换参数的近似值"、￡Q2，将公式(8)线性
化，得到误差方程式，艮P:
3厶
=6'=
1 r0
31，
A^2
+
Ml
(9)
(02—+1)2 (丄02、+1)
常数项为
/ = X2 -
厶i、+ " =AA^--
(10)
写成误差方程式:
(11)
下面结合具体实施例和附图，对本发明方法作进一步详细说明。
实施例如图l所示，
(1)已知数据对图1中的建筑物进行实地测量，测量了建筑物窗户高度。测量结果为:
A^21 =AX34 =1.64(米)
6(2)图像测量数据
用Visual C#.NET2003平台进行图像测量，对图1中的第一点至第六点进行了像点坐标测量，将测量得到的六个图像坐标换算成像平面坐标，并进一步转换为像方坐标轴坐标。结果见表2。
表2像点坐标測量结果(单位像素)
点号像平面坐标像方坐标轴坐标
XyX
~""点459. 1-622.00
第二点440.6-286.1336.4
第三点435.6-174. 0448. 7
第四点401.3377.31001.0
第五点394.3傲51108.4
第六点380.3702.41326. 7
(3) 两段距离计算
利用一维逆向直接线性变换公式，计算出的一维逆向直接线性变换参数为
^ = 0.01423458丄2 = -3.2768882
(4) 建筑物高度计算
将建筑物高点的像方坐标轴坐标;c = 1326.7代入一维逆向直接线性变换公式，计算出建筑物高点的物方坐标轴坐标为
X第六点"9.74(米)
其值就是建筑物的高度。而该建筑物用全站仪实际测量的高度为19. 68米，其差值为0. 06米。
权利要求
1. 一种基于单张数码像片的建筑物高度测量方法，其特征在于该方法在直接线性变换公式基础上，采用逆向直接线性变换计算方法实现建筑物高度的测量方法，其步骤如下第一步拍摄建筑物的数码照片摄影时要求摄取到建筑物在高度方向的完整高度线，在高度线上，必须包含建筑物的低点、高点以及两条以上可以从其它途径测量的已知线段，第二步在数码照片上测量建筑物高度线上各点的图像坐标(u，v)图像坐标系C0-uv是以数码照片的左上角为原点、水平向右方向为X轴正方向、垂直向下方向为Y轴正方向，第三步将各点点的图像坐标(u，v)转换成以数码照片中心为原点的右手系像平面坐标系C1-xy坐标(x，y)，转换关系如下式中(u，v)——图像坐标系C0-uv坐标，单位为像素，(x，y)——像平面坐标系C1-xy坐标，单位为像素，width——数码照片的宽度，单位为像素，heigth——数码照片的高度，单位为像素，第四步以建筑物高度线建立物方高度坐标轴，物方高度坐标轴的原点为建筑物的低点，高度方向为坐标轴的正向；对应地，数码像片上也存在一个像方高度坐标轴，像方高度坐标轴原点为像片上建筑物的低点，建筑物的高度方向为坐标轴的正向，第五步将建筑物高点的像方坐标轴坐标代入一维逆向直接线性变换公式，计算出建筑物高点的物方坐标轴坐标，其值就是建筑物的高度。
2.根据权利要求1所述的基于单张数码像片的建筑物高度测量方法，其特征在于计算出 建筑物高点的物方坐标轴坐标，具体计算方法如下/ X第一步根据一维直接线性变换公式X = 7"1~— 可以得到一维逆向直接线性变换公式/，％ + 1为:丄，JC + 1第二步根据其像平面坐标计算各点像方坐标轴坐标;c，第三步将两个已知距离zyr，代入一维逆向直接线性变换变换公式，计算出一维逆向直接线性变换变换参数丄,和^，第四步将建筑物高点的像方坐标代入一维逆向直接线性变换公式，即可得到建筑物的高 度值。
全文摘要
基于单张数码像片的建筑物高度测量方法提出了利用单张数码像片测量建筑物高度的原理和方法，广泛应用于数字城市建设，属于摄影测量和计算机视觉领域。该方法在直接线性变换公式基础上，采用逆向直接线性变换计算方法实现建筑物高度的测量方法，其步骤如下第一步拍摄建筑物的数码照片；第二步在数码照片上测量建筑物高度线上各点的图像坐标(u，v)；第三步将各点的图像坐标(u，v)转换成以数码照片中心为原点的右手系像平面坐标系C<sub>1</sub>-xy；第四步以建筑物高度线建立物方高度坐标轴，物方高度坐标轴的原点为建筑物的低点，高度方向为坐标轴的正向；第五步将建筑物高点的像方坐标轴坐标代入一维逆向直接线性变换公式，计算出建筑物高点的物方坐标轴坐标，其值就是建筑物的高度。
文档编号G01C5/00GK101476885SQ200910028010
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月5日 优先权日2009年1月5日
发明者沙月进, 王慧青, 旋 胡, 胡伍生 申请人:东南大学