專利名稱：一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型攝影測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在數(shù)字近景攝影測(cè)量發(fā)展階段中，測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展起主導(dǎo)地位，將相機(jī)和經(jīng)緯儀
或全站儀(ETS， Electronic Total Station,又名全站型電子速測(cè)儀)集成由來已久，自
20世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將相機(jī)與機(jī)械經(jīng)緯儀連接在一起用于地形測(cè)量(topogr即hic
survey)的儀器，但隨著攝影測(cè)量進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，這些儀器逐漸被淘汰。 全站儀，即全站型電子速測(cè)儀。是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測(cè)量儀器，是集
水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測(cè)量功能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)。 電子全站儀大量應(yīng)用于測(cè)量工作中，目前的電子全站儀基本上都是基于紅外測(cè)距
方式逐點(diǎn)地進(jìn)行測(cè)量，基于CCD攝影方式的電子全站儀可以采用快照方式實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)的
采集。攝影全站儀系統(tǒng)是一種全新的攝影測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)將量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)安裝在全站
儀上，配以相應(yīng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件，構(gòu)成一個(gè)包括全站儀、量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)、檢校條與數(shù)字
攝影測(cè)量軟件的集成系統(tǒng)。 加拿大拉瓦爾大學(xué)的Carl Gravel等人90年代開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)輔助攝影測(cè)量 系統(tǒng)(Computer Assisted Photogrammetry System,簡稱CAPS)。在該系統(tǒng)中數(shù)碼相機(jī)被 安裝在全站儀水平橫軸的支架上，對(duì)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，但集成后的相機(jī)不能隨視 準(zhǔn)軸垂直旋轉(zhuǎn)，不方便對(duì)不同高度的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量、拍攝。 T0PC0N公司推出的攝影全站儀，數(shù)碼相機(jī)和全站儀高度集成，它集成了 2個(gè)
CCD (Charge-Coupled Device,電荷耦合器件)相機(jī)， 一個(gè)廣角和一個(gè)長焦。測(cè)量坐標(biāo)與影
像數(shù)據(jù)雖然能夠同步記錄，但作業(yè)時(shí)仍是按照先控制后碎部的傳統(tǒng)模式進(jìn)行的。 Leica公司生產(chǎn)的三維激光掃描儀，內(nèi)置高分辨率的數(shù)碼相機(jī)，掃描距離在
l-300m之內(nèi)，但因其生成的是點(diǎn)云圖，不能直接得到數(shù)字影像，需要專門的軟件處理。同時(shí)
對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，需要疊加其它的數(shù)據(jù)源才能得到理想效果，而且設(shè)備昂貴。 我國近期研發(fā)的攝影全站儀系統(tǒng)，包括全站儀和量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼相機(jī)通過連
接機(jī)構(gòu)與全站儀的望遠(yuǎn)鏡的頂部相連接，并設(shè)有使數(shù)碼相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡在不同傾角處均能平
衡穩(wěn)定的平衡裝置。此系統(tǒng)不能算是外業(yè)獲取三維信息一體化的儀器，因?yàn)槠湓跀?shù)據(jù)獲取
前仍需要布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)。 如圖1所示，為現(xiàn)有技術(shù)攝影測(cè)量的流程圖，從圖中可以看出，現(xiàn)有技術(shù)是按照先
控制測(cè)量，再碎部測(cè)量，根據(jù)控制測(cè)量與碎部測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，三維建模。 在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題 現(xiàn)有技術(shù)采用的攝影測(cè)量系統(tǒng)，需要在獲取數(shù)據(jù)前布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，并且
由于系統(tǒng)中的數(shù)碼相機(jī)與全站儀的結(jié)構(gòu)局限，相機(jī)不能隨全站儀的視準(zhǔn)軸沿豎直方向作同
步旋轉(zhuǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，以空間定位技術(shù)全球定位 系統(tǒng)(GPS，Global Positioning System)、遙感(RS， Remote Sensing)、地理信息系統(tǒng)(GIS， Geographic Information System)，即"3S"技術(shù)的集合，它綜合利用近景攝影測(cè)量理論、 CCD數(shù)碼相機(jī)技術(shù)、GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)和GIS技術(shù)等，通過集成GPS、 數(shù)碼相機(jī)、電子經(jīng)緯儀和個(gè)人數(shù)字助理(PDA, Personal Digital Assistant)等硬件設(shè)備， 無需地面控制，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維坐標(biāo)、立面紋理和屬性等信息的一次性獲取。 為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，包括門 柱、電子經(jīng)緯儀，數(shù)碼相機(jī)，全球定位系統(tǒng)GPS和個(gè)人數(shù)字助理PDA,所述電子經(jīng)緯儀、所述 數(shù)碼相機(jī)、所述GPS通過通訊線纜分別與所述PDA相連接；所述數(shù)碼相機(jī)、所述電子經(jīng)緯儀 和GPS分別通過固定裝置集成于門柱上，所述數(shù)碼相機(jī)的物鏡與所述電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡 通過連接件相連接。 其中，所述門柱具有一托盤，所述數(shù)碼相機(jī)通過固定裝置連接所述門柱的托盤，固 定在所述門柱的托盤上，所述托盤通過固定裝置固定在所述門柱的側(cè)壁上，所述托盤可以 繞所述固定裝置的連接點(diǎn)B在豎直方向上旋轉(zhuǎn)。 其中，所述GPS設(shè)置于所述門柱的頂端，通過固定裝置與所述門柱相連接。 其中，所述電子經(jīng)緯儀設(shè)置于所述門柱的下方，并與所述數(shù)碼相機(jī)在豎直方向上
相距有一固定距離。 其中，該系統(tǒng)通過固定裝置與三腳架連接，固定在三腳架的托板上。 其中，所述數(shù)碼相機(jī)與所述電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡呈同步連動(dòng)結(jié)構(gòu)，相機(jī)與經(jīng)緯儀
之間的偏心量通過檢?？梢垣@得。 其中，所述數(shù)碼相機(jī)的物鏡與連接件的連接點(diǎn)A、所述數(shù)碼相機(jī)與所述托盤的連接 點(diǎn)B、所述電子經(jīng)緯儀與門柱的連接點(diǎn)C以及望遠(yuǎn)鏡與連接件的連接點(diǎn)D，這四個(gè)連接點(diǎn)在 豎直方向上組成一個(gè)平行四邊形同步連動(dòng)結(jié)構(gòu)。 其中，在豎直方向上，所述數(shù)碼相機(jī)的物鏡后節(jié)點(diǎn)中心Op經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)中 心02以及GPS天線的豎直中軸位于同一條直線上。 其中，所述固定裝置為螺栓。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型實(shí)施例具有以下優(yōu)點(diǎn) 本實(shí)用新型提供的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)是集空間定位技術(shù)、近景攝影測(cè)量技 術(shù)、串口通信技術(shù)于一身的數(shù)據(jù)快速獲取平臺(tái)。該系統(tǒng)打破傳統(tǒng)測(cè)量先控制后碎部的作業(yè) 模式，充分利用先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近景攝影測(cè)量野外作業(yè)一體化，即控制測(cè)量和碎部測(cè) 量同時(shí)進(jìn)行，測(cè)前無需布設(shè)控制點(diǎn)，測(cè)后無需保留控制點(diǎn)，快速獲取測(cè)區(qū)內(nèi)物體的三維坐 標(biāo)和紋理影像，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程測(cè)量的自動(dòng)化程度與效率，實(shí)現(xiàn)被攝對(duì)象的三維建 模，滿足用戶可視化、數(shù)字化和信息化的需要。

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要 使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施 例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)攝影測(cè)量的操作流程圖； 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)正視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例數(shù)碼相機(jī)物鏡與電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡的連接結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例數(shù)碼相機(jī)物鏡隨電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角 度后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例GPS的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)的設(shè)備之間的線纜連接圖； 圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)的工作流程圖； 圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例外業(yè)的系統(tǒng)工作模式圖； 圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)的內(nèi)業(yè)工作流程圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部 的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提 下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。 本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，如圖2所示，包括門柱、電 子經(jīng)緯儀，數(shù)碼相機(jī)，全球定位系統(tǒng)GPS和個(gè)人數(shù)字助理PDA，所述電子經(jīng)緯儀、所述數(shù)碼相 機(jī)、所述GPS通過通訊線纜分別與所述PDA相連接；所述數(shù)碼相機(jī)、所述電子經(jīng)緯儀和GPS 分別通過固定裝置集成于門柱上，所述數(shù)碼相機(jī)的物鏡與所述電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡通過連 接件相連接。 其中，所述門柱具有一托盤，所述數(shù)碼相機(jī)通過固定裝置連接所述門柱的托盤，固 定在所述門柱的托盤上，所述托盤通過固定裝置固定在所述門柱的側(cè)壁上，所述托盤可以 繞所述固定裝置的連接點(diǎn)B在豎直方向上旋轉(zhuǎn)。 其中，所述GPS設(shè)置于所述門柱的頂端，通過固定裝置與所述門柱相連接。 其中，所述電子經(jīng)緯儀設(shè)置于所述門柱的下方，并與所述數(shù)碼相機(jī)在豎直方向上
相距有一固定距離。 其中，該系統(tǒng)通過固定裝置與三腳架連接，固定在三腳架的托板上。[0041] 其中，所述數(shù)碼相機(jī)與所述電子經(jīng)緯儀呈同步連動(dòng)結(jié)構(gòu)，相機(jī)與經(jīng)緯儀之間的偏
心量通過檢校可以獲得。 其中，所述數(shù)碼相機(jī)的物鏡與連接件的連接點(diǎn)A、所述數(shù)碼相機(jī)與所述托盤的連接
點(diǎn)B、所述電子經(jīng)緯儀與門柱的連接點(diǎn)C以及望遠(yuǎn)鏡與連接件的連接點(diǎn)D，這四個(gè)連接點(diǎn)在
豎直方向上組成一個(gè)平行四邊形同步連動(dòng)結(jié)構(gòu)。 其中，所述PDA具有以下功能， 存儲(chǔ)GPS、電子經(jīng)緯儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)； 屬性信息采集與管理；[0046] 其中，在豎直方向上，所述數(shù)碼相機(jī)的物鏡后節(jié)點(diǎn)Op經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)中心02 以及GPS天線的豎直中軸位于同一條直線上。 其中，所述固定裝置為螺栓。 本實(shí)用新型提供的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)是集空間定位技術(shù)、近景攝影測(cè)量技 術(shù)、串口通信技術(shù)于一身的數(shù)據(jù)快速獲取平臺(tái)。該系統(tǒng)打破傳統(tǒng)測(cè)量先控制后碎部的作業(yè) 模式，充分利用先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近景攝影測(cè)量野外作業(yè)一體化，即控制測(cè)量和碎部測(cè) 量同時(shí)進(jìn)行，測(cè)前無需布設(shè)控制點(diǎn)，測(cè)后無需保留控制點(diǎn)，快速獲取測(cè)區(qū)內(nèi)物體的三維坐 標(biāo)和紋理影像，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程測(cè)量的自動(dòng)化程度與效率，實(shí)現(xiàn)被攝對(duì)象的三維建 模，滿足用戶可視化、數(shù)字化和信息化的需要。 以下對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)進(jìn)行具體描述，該系 統(tǒng)包括GPS 100、數(shù)碼相機(jī)200、電子經(jīng)緯儀300以及PDA 400，其中GPS 100、數(shù)碼相機(jī)200 和電子經(jīng)諱儀300分別固定在門柱500上，數(shù)碼相機(jī)200的物鏡210與電子經(jīng)諱儀300的 望遠(yuǎn)鏡310通過連接件700活動(dòng)連接，數(shù)碼相機(jī)200的物鏡210可隨望遠(yuǎn)鏡310在豎直平 面內(nèi)共同旋轉(zhuǎn)，數(shù)碼相機(jī)200的物鏡210旋轉(zhuǎn)過的角度等于望遠(yuǎn)鏡310旋轉(zhuǎn)過的角度。 請(qǐng)一并參照?qǐng)D3所示，門柱500為"門"字形半包圍結(jié)構(gòu)，GPS 100通過螺栓固定連 接在門柱500頂部，用于接收衛(wèi)星信號(hào)，根據(jù)接收到的衛(wèi)星信號(hào)確定系統(tǒng)中相機(jī)的攝影中 心坐標(biāo)。電子經(jīng)緯儀300設(shè)置于門柱500底部，同樣通過螺栓與門柱500相連接。 數(shù)碼相機(jī)200通過螺栓固定于門柱500的托盤上，并通過托盤兩側(cè)和底部的螺栓 固定，托盤固定在門柱500上，并位于門柱500內(nèi)。在托盤的下方，設(shè)置電子經(jīng)緯儀300，同 樣電子經(jīng)緯儀300與門柱500通過螺栓固定連接。 結(jié)合圖2、3所示，經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡310與數(shù)碼相機(jī)200的物鏡210通過連接件700 連接，數(shù)碼相機(jī)200和電子經(jīng)緯儀300連接組成一個(gè)剛體。 如圖4所示，數(shù)碼相機(jī)200的物鏡210與望遠(yuǎn)鏡310通過活動(dòng)連接件700連接，結(jié) 構(gòu)件、望遠(yuǎn)鏡310、數(shù)碼相機(jī)200的鏡頭部分以及門柱500位于數(shù)碼相機(jī)200與望遠(yuǎn)鏡310 的中間部分組成一個(gè)四邊形，該四邊形的四個(gè)邊分別為數(shù)碼相機(jī)200物鏡210與連接件700 的連接點(diǎn)A到數(shù)碼相機(jī)200與托盤的連接點(diǎn)B的距離AB、數(shù)碼相機(jī)200與托盤的連接點(diǎn)B 到電子經(jīng)緯儀300與門柱500的連接點(diǎn)C的距離BC、電子經(jīng)緯儀300與門柱500的連接點(diǎn) C到望遠(yuǎn)鏡310與連接件700的連接點(diǎn)D的距離CD、望遠(yuǎn)鏡310與連接件700的連接點(diǎn)D 到數(shù)碼相機(jī)200的物鏡210與連接件700的連接點(diǎn)A的距離DA， 令A(yù)B = CD，且AD = BC，根據(jù)平行四邊形的"對(duì)邊均相等的四邊形是平行四邊形" 的判定原則，可知該四邊形為平行四邊形。 如圖4、5所示，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡310在豎直方向旋轉(zhuǎn)過一個(gè)固定角度a時(shí)，由平行四邊 形對(duì)邊相互平行的原理可以得知，數(shù)碼相機(jī)200的鏡頭部分的水平中心線與望遠(yuǎn)鏡310的 鏡頭水平中心線保持平行，因此，數(shù)碼相機(jī)200的鏡頭部分也旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度a 。 連接件700連接數(shù)碼相機(jī)200的物鏡210和電子經(jīng)諱儀300的望遠(yuǎn)鏡310，保證經(jīng) 緯儀與數(shù)碼相機(jī)200在水平和豎直方向可同步轉(zhuǎn)動(dòng)。以保持?jǐn)?shù)碼相機(jī)200的焦點(diǎn)中軸線與 望遠(yuǎn)鏡310的鏡頭中軸線一直保持水平，使得數(shù)碼相機(jī)200與望遠(yuǎn)鏡310呈同步連動(dòng)結(jié)構(gòu)。 同步連動(dòng)結(jié)構(gòu)是指在外力推動(dòng)作用下，其旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)保持不變，指向角度都保持 同樣步進(jìn)的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中呈平行四邊形狀態(tài)。[0058] 該系統(tǒng)在進(jìn)行安裝時(shí)，打開三腳架的支架，將支架調(diào)試使得三腳架的托板水平后， 將電子經(jīng)緯儀300放置于三腳架頂部的托板上，螺栓穿過三腳架的托板與經(jīng)緯儀底板中孔 的螺紋連接。通過調(diào)節(jié)電子經(jīng)緯儀300底部的平衡螺旋，使電子經(jīng)緯儀300保持水平。 電子經(jīng)緯儀300包括望遠(yuǎn)鏡310、讀數(shù)鏡、豎軸，內(nèi)置度盤以及將經(jīng)緯儀固定在三 腳架上的螺栓以及其它部件。 望遠(yuǎn)鏡310主要用于形成視準(zhǔn)軸，在照準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)形成視準(zhǔn)線，以便精確照準(zhǔn)目標(biāo)。 垂直軸則作為該系統(tǒng)儀器的旋轉(zhuǎn)軸，用于在測(cè)定角度時(shí)，以垂直軸為軸心進(jìn)行旋 轉(zhuǎn)。 水平軸用于作為望遠(yuǎn)鏡310俯仰的轉(zhuǎn)軸，以便照準(zhǔn)不同高度的目標(biāo)。 水平度盤用來在水平面上度量水平角，并在使用當(dāng)中保持與水平面平行。 垂直度盤用來量度垂直角。 另外，為了精確讀取度盤讀數(shù)，在水平度盤和垂直度盤上均有測(cè)微器。 經(jīng)緯儀的以上部件，除水平度盤以外，合稱為經(jīng)緯儀的照準(zhǔn)部，照準(zhǔn)部可以繞垂直
軸旋轉(zhuǎn)。 儀器的基座、水平度盤、垂直軸套和調(diào)平儀器的腳螺旋，是經(jīng)緯儀的基礎(chǔ)部分，叫
做基座。 照準(zhǔn)部與基座通過照準(zhǔn)部的垂直軸和基座的垂直軸套套合連接。 為了測(cè)得水平角和垂直角，經(jīng)緯儀不僅要具有上述各種主要部件，而且，這些部件
還應(yīng)按下列關(guān)系結(jié)合成一個(gè)整體。 (1)垂直軸與照準(zhǔn)部水準(zhǔn)器軸正交。即當(dāng)照準(zhǔn)部水準(zhǔn)氣泡居中時(shí)，垂直軸與測(cè)站鉛 垂線一致。
(2)垂直軸與水平度盤正交且通過其中心。這樣，當(dāng)垂直軸與測(cè)站鉛垂線一致時(shí)， 水平度盤就與測(cè)站水平面平行，在其上面量取的角度，才是正確的水平角。
(3)水平軸與垂直軸正交，視準(zhǔn)軸與水平軸正交，當(dāng)垂直軸與測(cè)站鉛垂線一致，俯 仰望遠(yuǎn)鏡310，視準(zhǔn)軸所形成的面才是垂直照準(zhǔn)面。 (4)水平軸與垂直度盤正交，且通過其中心。滿足此關(guān)系，當(dāng)垂直軸與測(cè)站鉛垂線 一致，水平軸水平時(shí)，垂直度盤就平行于過測(cè)站的垂直照準(zhǔn)面，在它上面量取的角度，才是 正確的垂直角。 經(jīng)緯儀各主要部件的上述關(guān)系，總的來說，就是三軸(垂直軸，水平軸，視準(zhǔn)軸)兩 盤(水平度盤和垂直度盤)之間的關(guān)系，一旦它們之間的關(guān)系被破壞，就將給角度觀測(cè)帶來誤差。 數(shù)碼相機(jī)200安裝在經(jīng)緯儀的上方，并與經(jīng)緯儀的頂部具有一固定距離，以防止 經(jīng)緯儀的頂端距離數(shù)碼相機(jī)200太近，數(shù)碼相機(jī)200在豎直方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)緯儀阻礙數(shù)碼相 機(jī)200的旋轉(zhuǎn)路線。 在本系統(tǒng)中，數(shù)碼相機(jī)200是通過固定于門柱500的托盤上，同樣可以使數(shù)碼相機(jī) 200直接固定在門柱500上，但將數(shù)碼相機(jī)200固定于門柱500不便于組裝，并且對(duì)于不同 需求需要更換數(shù)碼相機(jī)200時(shí)，不易進(jìn)行數(shù)碼相機(jī)200的更換，不利于在變換的環(huán)境下進(jìn)行 作業(yè)。 數(shù)碼相機(jī)200裝載在該系統(tǒng)上后，通過望遠(yuǎn)鏡310瞄準(zhǔn)，即可方便的進(jìn)行目標(biāo)瞄準(zhǔn)和拍攝站點(diǎn)。 請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D2所示，在數(shù)碼相機(jī)200的上方，設(shè)置GPS 100，用于接收衛(wèi)星信號(hào)， 以確定攝影中心的坐標(biāo)。 如圖3所示，在豎直方向上，數(shù)碼相機(jī)200的物鏡210后節(jié)點(diǎn)中心0p望遠(yuǎn)鏡310 的旋轉(zhuǎn)中心(^以及GPS IOO的信號(hào)接收單元(g卩，天線)的中軸位于同一條直線上，即GPS 100的中軸線與數(shù)碼相機(jī)200的中軸線相重合，GPS 100的中軸線與電子經(jīng)諱儀300的中軸 線相重合，電子經(jīng)緯儀300和數(shù)碼相機(jī)200的中軸線相重合，以確保GPS信號(hào)接收單元所得 到的坐標(biāo)為數(shù)碼相機(jī)200所在點(diǎn)的坐標(biāo)。 通過GPS 100獲得攝影中心坐標(biāo)，不需要事先布設(shè)控制點(diǎn)，事后也不需要保存，做 到等精度測(cè)量，即用即測(cè)、即測(cè)即用，提高效率、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)模式帶來變革。 如圖6所示，其中GPS IOO包括GPS信號(hào)接收單元IIO和GPS存儲(chǔ)單元120。 GPS 信號(hào)接收單元110上設(shè)有天線，用于接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。GPS存儲(chǔ)單元120用于存儲(chǔ)由接 收單元110接收到的衛(wèi)星信息。 在實(shí)際應(yīng)用中，GPS 100的結(jié)構(gòu)和外形各不相同，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，整體結(jié)構(gòu) 的優(yōu)化和美觀，可以將GPS信號(hào)接收單元110和GPS存儲(chǔ)單元120分離設(shè)置，兩單元之間通 過線纜連接；為了提高本實(shí)用新型所述系統(tǒng)的集成效果，減少安裝負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)采用了 GPS 信號(hào)接收單元110和GPS存儲(chǔ)單元120集成在一起的方式，但分離式可以達(dá)到本系統(tǒng)的同 樣功效。 通過獲取GPS 100的定位信息，經(jīng)緯儀和數(shù)碼相機(jī)200測(cè)量拍照數(shù)據(jù)和圖片等，無 須預(yù)先布設(shè)控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的三維坐標(biāo)、立面紋理和屬性等信息的一次性提取。 GPS 100獲取的定位信息以及經(jīng)緯儀300和數(shù)碼相機(jī)200采集的數(shù)據(jù)、圖像信息通 過線纜被傳送到PDA 400上，設(shè)備之間的線纜連接圖如圖7所示，PDA400對(duì)接收的信息進(jìn) 行存儲(chǔ)和處理。 根據(jù)具體應(yīng)用的情況不同，在PDA 400內(nèi)部設(shè)有處理軟件，用以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理。PDA 400的優(yōu)點(diǎn)是輕便、小巧、可移動(dòng)性強(qiáng)，同時(shí)又不失功能的強(qiáng)大，在無線傳輸方 面，大多數(shù)PDA 400具有紅外和藍(lán)牙接口，以保證無線傳輸?shù)谋憷?。許多PDA 400還能夠 具備Wi-Fi (Wireless Fidelity,無線保真)連接。 PDA 400包括 信息接收單元，用于接收發(fā)送的信息，該單元包括輸入接口和輸入裝置，輸入裝置 可以為鍵盤，輸入界面等。 信息存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)信息接收單元接收的信息； 信息處理單元，用于對(duì)信息存儲(chǔ)單元或信息接收單元的信息進(jìn)行處理； 信息發(fā)送單元，用于向其他設(shè)備發(fā)送信息； 信息顯示單元，用于顯示處理的結(jié)果及其他信息。 其中，信息存儲(chǔ)單元還用于存儲(chǔ)信息處理單元處理后的信息。GPS 100和數(shù)碼相機(jī)200通過電纜連接至PDA 400， PDA 400利用GPS 100以及
數(shù)碼相機(jī)200的信息可以快速而準(zhǔn)確地測(cè)定任意地形點(diǎn)或地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪
制三維數(shù)字地形圖，建立地理信息系統(tǒng)GIS ;同樣能夠輕松完成工程領(lǐng)域從圖紙到實(shí)地(放樣)和從實(shí)地到計(jì)算機(jī)(測(cè)圖)的所有測(cè)繪工作。 本系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)為 電子經(jīng)諱儀+量測(cè)數(shù)碼像機(jī)+GPS+PDA,其中電子經(jīng)諱儀、量測(cè)數(shù)碼相機(jī)與GPS緊密 集成，電子經(jīng)緯儀+量測(cè)數(shù)碼像機(jī)+GPS —體化。
其優(yōu)勢(shì)在于 (1)集成高度化集成包括GPS、量測(cè)數(shù)碼相機(jī)、電子經(jīng)緯儀、PDA在內(nèi)的多項(xiàng)硬件 設(shè)備； (2)無地面控制無需傳統(tǒng)的先控制后碎部的測(cè)量模式，化繁為簡，節(jié)約時(shí)間，降 低成本； (3) —次性提取可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維、紋理和屬性信息的一次性提取，這是目前國 內(nèi)外儀器所不曾克服的； (4)應(yīng)用范圍廣可滿足水利電力、地質(zhì)、文物保護(hù)、地理信息系統(tǒng)、城建、交通、房 產(chǎn)、規(guī)劃等三維可視化、數(shù)字化的需求。 本系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)能夠達(dá)到多基線、多影像，高度自動(dòng)化精確匹配，實(shí)現(xiàn)真正的無 接觸測(cè)量，無需在被攝物體附近布設(shè)控制點(diǎn)。并將攝影測(cè)量引入實(shí)際工程等測(cè)量中，將電子 經(jīng)緯儀高精度與攝影測(cè)量極為豐富的影像信息結(jié)合起來，給用戶提供更多的應(yīng)用領(lǐng)域和效 益。攝影測(cè)量引入實(shí)際工程等測(cè)量中，將極大部分外業(yè)攝影任務(wù)變?yōu)閮?nèi)業(yè)計(jì)算機(jī)攝影測(cè)量 軟件自動(dòng)化操作。不僅極大減少了人力和減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且大大提高工效，縮短工期。 將數(shù)碼相機(jī)與經(jīng)緯儀結(jié)合，能充分發(fā)揮工程測(cè)量與攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，利用經(jīng)緯儀 的角度測(cè)量和GPS的精確位置，可實(shí)現(xiàn)真正的無接觸測(cè)量，同時(shí)考慮到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量能實(shí) 現(xiàn)精確匹配，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)識(shí)別的自動(dòng)化，因此，它必將極大地推動(dòng)數(shù)字近景攝影測(cè)量的發(fā) 展，為測(cè)繪開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
本系統(tǒng)還可以配置一些輔助設(shè)備如 小巻尺，用于測(cè)量GPS天線的高度； 皮尺，用于測(cè)量相鄰測(cè)站間的距離； 三角棱鏡，位于GPS天線和數(shù)碼相機(jī)之間，用于進(jìn)行中軸線調(diào)試； 三角架，用于支撐和平衡整個(gè)系統(tǒng)。
該系統(tǒng)儀器集成的要求 1)集成度要高。儀器集成后，不會(huì)出現(xiàn)相互間的位移超限，位移的偏移量盡量趨于 常量； 2)可擴(kuò)展性。如后期在相機(jī)與GPS天線間嵌入三角棱鏡，便于后期的數(shù)據(jù)處理； 3)相互間的連接器件，采用金屬器件，考慮到偏移量的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)加工圖； 4)儀器的集成并非完全剛體，相互間可以拆卸為一個(gè)獨(dú)立的整體，便于單獨(dú)處理 與獲取。如相機(jī)可以單獨(dú)進(jìn)行攝影，單獨(dú)進(jìn)行內(nèi)方位元素的測(cè)定；經(jīng)緯儀可以單獨(dú)進(jìn)行一些 檢校，下載數(shù)據(jù)，同時(shí)室內(nèi)編程通訊時(shí)，也能單獨(dú)處理；GPS也能獨(dú)立工作，支持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ) 和導(dǎo)出； 5)系統(tǒng)集成時(shí)，充分考慮GPS天線的水平和垂直位置。因?yàn)镚PS接收的數(shù)據(jù)是GPS 天線的相位中心的三維坐標(biāo)，并非是GPS天線的幾何中心，因此，系統(tǒng)集成要考慮GPS天線 的偏心改正。[0114] 如圖8所示，為本系統(tǒng)的工作流程圖，工作流程包括外業(yè)操作和內(nèi)業(yè)操作，其中外 業(yè)操作是通過GPS、經(jīng)緯儀和數(shù)碼相機(jī)獲取坐標(biāo)信息、角度信息、紋理信息等，完成外業(yè)信息 的采集，實(shí)現(xiàn)野外數(shù)據(jù)的一體化獲取。 外業(yè)的系統(tǒng)工作模式圖如圖9所示，該系統(tǒng)在外業(yè)的工作模式時(shí)，首先選擇開闊 位置安裝和架設(shè)儀器，利用儀器頂端的GPS接收機(jī)獲取的GPS信號(hào)，經(jīng)差分GPS定位技術(shù)， 獲得立體攝影測(cè)量計(jì)算所需攝站點(diǎn)坐標(biāo)信息；電子經(jīng)緯儀測(cè)得水平角和豎直角，數(shù)碼相機(jī) 對(duì)被攝物進(jìn)行拍攝，拍攝時(shí)應(yīng)保證兩張像片60% 80%的重疊度。 儀器總重量不超過15公斤，經(jīng)緯儀測(cè)角精度2秒級(jí)，GPS定位精度2 3厘米，量 測(cè)相機(jī)影像物方分辨率0. 3 15厘米，定位精度0. 1 0. 2米，高大建筑物不超過0. 5米。 l.GPS差分定位精度 RTK(Real-time kinematic,載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分)方式厘米級(jí)定位精度； 靜態(tài)方式厘米甚至毫米級(jí)定位精度； 2.觀測(cè)距離 相機(jī)觀測(cè)距離5 300米，常用距離10 100米 3.由數(shù)碼相機(jī)的分辨率估算物方幾何精度 以Rollei d7為例，焦距為7iim，距離10 100米的估算精度，物方分辨率0.9 9厘米，攝影測(cè)量幾何精度優(yōu)于0. 1米； 4.經(jīng)緯儀測(cè)角精度 2秒級(jí)，100米觀測(cè)距離上精度為1毫米，基線起始方向會(huì)帶來約2秒的誤差，綜合
精度為3毫米，達(dá)到0. l像元； 5.集成系統(tǒng)的物方測(cè)量精度 5 10米距離上觀測(cè)小型目標(biāo)(0. 2 2m):幾何精度厘米級(jí)； 10 100米距離觀測(cè)普通建筑物幾何精度0. 1 0. 2米。 系統(tǒng)的內(nèi)業(yè)工作流程圖如圖IO所示，數(shù)據(jù)輸入后，對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，然后分別
經(jīng)過自動(dòng)內(nèi)定向、相對(duì)定向，空中三角測(cè)量加密，加密匹配，三維表面模型重建，形成三角
網(wǎng)，生成DEM (Digital Elevation Model,數(shù)字高程模型)，DOM (Digital Orthophoto Map,
數(shù)字正射影像圖)，對(duì)生成的模型進(jìn)行三維可視化處理，即可用來進(jìn)行項(xiàng)目應(yīng)用。 根據(jù)近景攝影測(cè)量原理，在地面兩個(gè)不同位置用量測(cè)相機(jī)對(duì)同一目標(biāo)攝影，構(gòu)成
立體觀測(cè)像對(duì)，在計(jì)算中通過量測(cè)影像二維坐標(biāo)計(jì)算出目標(biāo)的三維幾何數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)目
標(biāo)的面測(cè)量。 其中，在工作流程中也應(yīng)用了新的理論與方法 1)能按區(qū)域?qū)λ鶖z影像進(jìn)行整體處理，而不再按傳統(tǒng)的近景攝影測(cè)量單模型的處 理方式； 2)直接輸入外方位元素，進(jìn)行空間前方交會(huì)。將GPS測(cè)得的攝站坐標(biāo)作為外方位 線元素值，經(jīng)緯儀測(cè)得角度值作為初始值，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到外方位角元素值后，進(jìn)行自由 網(wǎng)平差； 3)采用了新的匹配系統(tǒng)，可以接受較大遠(yuǎn)景與近景之差，其結(jié)果優(yōu)于基于"松弛 法"的匹配算法； 4)與激光掃描儀相似，新的匹配系統(tǒng)能夠產(chǎn)生密集的點(diǎn)云，這對(duì)土方測(cè)量、邊坡測(cè)量等很有意義，也對(duì)后續(xù)的模型重建非常重要。 本實(shí)用新型提供的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)是集空間定位技術(shù)、近景攝影測(cè)量技 術(shù)、串口通信技術(shù)于一身的數(shù)據(jù)快速獲取平臺(tái)。該系統(tǒng)打破傳統(tǒng)測(cè)量先控制后碎部的作業(yè) 模式，充分利用先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近景攝影測(cè)量野外作業(yè)一體化，即控制測(cè)量和碎部測(cè) 量同時(shí)進(jìn)行，測(cè)前無需布設(shè)控制點(diǎn)，測(cè)后無需保留控制點(diǎn)，快速獲取測(cè)區(qū)內(nèi)物體的三維坐 標(biāo)和紋理影像，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程測(cè)量的自動(dòng)化程度與效率，實(shí)現(xiàn)被攝對(duì)象的三維建 模，滿足用戶可視化、數(shù)字化和信息化的需要。 上述模塊可以分布于一個(gè)裝置，也可以分布于多個(gè)裝置。上述模塊可以合并為一 個(gè)模塊，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子模塊。 通過以上的實(shí)施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本實(shí)用新型可 以通過硬件實(shí)現(xiàn)，也可以借助軟件加必要的通用硬件平臺(tái)的方式來實(shí)現(xiàn)?；谶@樣的理解， 本實(shí)用新型的完整技術(shù)方案是通過硬件產(chǎn)品與軟件產(chǎn)品共同實(shí)現(xiàn)的，其軟件產(chǎn)品可以存儲(chǔ) 在一個(gè)非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)(可以是CD-R0M， U盤，移動(dòng)硬盤等)中，包括若干指令用以使得 一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施 例所述的方法。 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流 程并不一定是實(shí)施本實(shí)用新型所必須的。 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解實(shí)施例中的裝置中的模塊可以按照實(shí)施例描述進(jìn)行分
布于實(shí)施例的裝置中，也可以進(jìn)行相應(yīng)變化位于不同于本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)裝置中。上
述實(shí)施例的模塊可以合并為一個(gè)模塊，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子模塊。 上述本實(shí)用新型實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。 以上公開的僅為本實(shí)用新型的幾個(gè)具體實(shí)施例，但是，本實(shí)用新型并非局限于此，
任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，包括門柱、電子經(jīng)緯儀，數(shù)碼相機(jī)，全球定位系統(tǒng)GPS和個(gè)人數(shù)字助理PDA，其特征在于，所述電子經(jīng)緯儀、所述數(shù)碼相機(jī)、所述GPS通過通訊線纜分別與所述PDA相連接；所述數(shù)碼相機(jī)、所述電子經(jīng)緯儀和GPS分別通過固定裝置集成于門柱上，所述數(shù)碼相機(jī)的物鏡與所述電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡通過同步連動(dòng)部件相連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述門柱具有一托盤， 所述數(shù)碼相機(jī)通過固定裝置連接所述門柱的托盤，固定在所述門柱的托盤上，所述托盤通 過固定裝置固定在所述門柱的側(cè)壁上，所述托盤可以繞所述固定裝置的連接點(diǎn)B在豎直方向上旋轉(zhuǎn)。
3. 如權(quán)利要求1所述的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述GPS設(shè)置于所述門 柱的頂端，通過固定裝置與所述門柱相連接。
4. 如權(quán)利要求1所述的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述電子經(jīng)緯儀設(shè)置 于所述門柱的下方，并與所述數(shù)碼相機(jī)在豎直方向上相距有一固定距離。
5. 如權(quán)利要求1所述的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)通過固定裝置 與三腳架連接，固定在三腳架的托板上。
6. 如權(quán)利要求1所述的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)碼相機(jī)與所述 電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡呈同步連動(dòng)結(jié)構(gòu)，相機(jī)與經(jīng)緯儀之間的偏心量通過檢?？梢垣@得。
7. 如權(quán)利要求1所述的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)碼相機(jī)與連接 件的連接點(diǎn)A、所述數(shù)碼相機(jī)與所述托盤的連接點(diǎn)B、所述電子經(jīng)緯儀與門柱的連接點(diǎn)C以 及望遠(yuǎn)鏡與連接件的連接點(diǎn)D，這四個(gè)連接點(diǎn)在豎直方向上組成一個(gè)平行四邊形連動(dòng)結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求1所述的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，其特征在于，在豎直方向上，所述數(shù) 碼相機(jī)的物鏡后節(jié)點(diǎn)中心Op經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)中心02以及GPS天線的豎直中軸位于同 一條直線上。
9. 如權(quán)利要求l-8任一項(xiàng)所述的無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述固定裝 置為螺栓。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種無控制數(shù)字近景攝影系統(tǒng)，包括門柱、電子經(jīng)緯儀，數(shù)碼相機(jī)，全球定位系統(tǒng)GPS和個(gè)人數(shù)字助理PDA，所述電子經(jīng)緯儀、所述數(shù)碼相機(jī)、所述GPS通過通訊線纜分別與所述PDA相連接；所述數(shù)碼相機(jī)、所述電子經(jīng)緯儀和GPS分別通過固定裝置集成于門柱上，所述數(shù)碼相機(jī)的物鏡與所述電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡通過同步連動(dòng)部件相連接。該系統(tǒng)是集空間定位技術(shù)、近景攝影測(cè)量技術(shù)、串口通信技術(shù)于一身的數(shù)據(jù)快速獲取平臺(tái)，打破傳統(tǒng)測(cè)量先控制后碎部的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)近景攝影測(cè)量野外作業(yè)一體化，即控制測(cè)量和碎部測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，快速獲取測(cè)區(qū)內(nèi)物體的三維坐標(biāo)和紋理影像，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程測(cè)量的自動(dòng)化程度與效率，快速實(shí)現(xiàn)被攝對(duì)象的三維建模。
文檔編號(hào)G01C11/00GK201488732SQ20092014493
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者丁曉波, 李明, 李英成, 薛艷麗 申請(qǐng)人:中測(cè)新圖(北京)遙感技術(shù)有限責(zé)任公司