本發(fā)明涉及一種目標物寬度測量方法，具體地說涉及一種基于單反相機測量目標物寬度的方法。
背景技術(shù)：
目標物寬度的測量是日常生活、科學研究和工程中經(jīng)常碰到的問題。日常生活中較常用的寬度測量方法是傳統(tǒng)接觸式測量方法，即利用皮尺進行寬度測量。工程中較常用的寬度測量方法是皮尺測寬、經(jīng)緯儀測寬、全站儀測寬。
皮尺測寬屬于傳統(tǒng)的接觸式測量方法，是使用皮尺在物體上直接測量。該種測量方法的優(yōu)點在于：在皮尺量程范圍內(nèi)可以保證良好的測量精度，操作簡單快捷，適用于小型目標物的測量工作。該種方法的缺點在于：對于寬度較大的目標物需進行分段測量，人工分段會給測量帶來誤差；對于無法直接接觸的物體或者物體表面崎嶇凸起嚴重的，測量難度大。
采用經(jīng)緯儀測量目標物寬度時一般需進行如下步驟：首先標定測站點，在測站點上安置經(jīng)緯儀，然后進行對中整平工作，運用測回法或者全圓方向觀測法，進行瞄準測量出測站點至目標物兩端的夾角。運用皮尺或者視距法測量測站點至目標物兩端的距離，通過余弦定理計算即可得到目標物寬度。該種測量方法的優(yōu)勢在于不需要接觸到目標物、對目標物寬度較大的情況適用性強、測量精度較高。該方法的主要缺點：經(jīng)緯儀及三腳架重量較大，攜帶不便；架設的地面需要硬質(zhì)地面，不然會引起經(jīng)緯儀沉降且不穩(wěn)定，對于軟土或者沙灘等特殊環(huán)境適應性不足；架設時需要對中調(diào)平，對于要進行多點測量的情況，需要花費大量時間做準備工作，而且對操作人員的專業(yè)性要求強。
采用全站儀測量目標物寬度時一般需進行的步驟如下：首先在目標物兩端放置棱鏡，在合適的位置架設全站儀，運用對邊測量功能，直接瞄準兩端棱鏡，即可輸出平距，即目標物的寬度。該種方法的優(yōu)點在于：減少了人為誤差、精度高、數(shù)據(jù)的讀取與處理更加方便，但仍存在儀器重量大、對架設地面要求高、操作復雜、對操作人員要求高等缺點。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
目的：為了克服現(xiàn)有的測量技術(shù)中儀器質(zhì)量大、操作復雜、對操作環(huán)境要求高等問題，本發(fā)明提供一種基于單反相機測量目標物寬度的方法，適用范圍廣、儀器質(zhì)量小、操作方便快捷、對環(huán)境適應性強，可廣泛運用于日常生活、科學研究和工程測量中。
技術(shù)方案：一種基于單反相機測量目標物寬度的方法，包括以下步驟：
一種基于單反相機測量目標物寬度的方法，包括以下步驟：
步驟一，確定測站點：根據(jù)目標物的寬度，選擇在離目標物一定距離的位置處作為測站點，并在測站點上架設三腳架，把單反相機放置在三腳架上，測站點與目標物之間距離的選取以單反相機完整的拍下目標物為準；
步驟二，布置參考點：以三腳架的中點為起點向目標物引兩條直接，并分別在兩個直線上布置3個參考點，其中距離三腳架最近的為第一參考點，距離三角架最遠的為第三參考點，第一參考點和第三參考點之間的為第二參考點；
步驟三，拍攝照片：利用單反相機將6個參考點和代表目標物寬度的兩端點A點、B點拍攝于同一張照片中；
步驟四，參考點的實際距離測量：利用皮尺分別測量三腳架中點到每個參考點之間的距離、三腳架頂部到地面的垂直距離、兩條直線上第三參考點之間的距離；
步驟五，照片中的像素距離測量：利用讀圖軟件分別測量每條直線上的第一參考點和第二參考點之間的像素距離、第一參考點和第三參考點之間的像素距離、第一參考點沿該直線到目標物之間的像素距離、測量目標物寬度AB的像素距離；
步驟六，目標物寬度計算：步驟四和步驟五測量的數(shù)據(jù)輸入編寫的目標物寬度計算程序，計算得到目標物的寬度。
所述步驟二中，兩條直線與目標物的交點E點、F點均在拍攝照片內(nèi)，其中E點靠近A點，F(xiàn)點靠近B點。以三腳架中點向目標物所引的兩條直線之間的夾角不宜過大，要求兩條直線與目標物的交點(靠近A的點記為E，靠近B的點記為F)在攝影照片內(nèi)。
所述步驟五中，若AB和EF在同一條直線上，還需要測量AE和BF的像素距離；若AB和EF不在同一條直線上，過A點向EF作垂線，與EF的交點為M點，過B點向EF作垂線，與EF的交底為N點，則還需要測量AM、BN、MN、EM、FN的像素距離。
所述步驟六中的目標物寬度計算程序，根據(jù)單反相機成像原理推導實際距離與像素距離的立體幾何關(guān)系，由立體幾何關(guān)系編寫計算程序；在計算程序中對于復雜三角函數(shù)不能解析求解的難點問題，提出了循環(huán)迭代的數(shù)值求解方法。
所述步驟六中的目標物寬度計算程序，根據(jù)單反相機成像原理推導實際距離與像素距離的立體幾何關(guān)系，由立體幾何關(guān)系編寫計算程序。
其中，目標物寬度計算程序：如圖1所示，根據(jù)實際情況建立數(shù)學模型，設光線的集中點為P，通過實際距離與照片距離的比例關(guān)系，進行相似三角形計算，求得P點距離地面的高度(設為PO)，進而計算出O點到E，F(xiàn)的距離，通過已知的測量數(shù)據(jù)，可以求出EF的距離；根據(jù)照片中AE，BF的像素距離，通過相似三角形關(guān)系計算出實際的AE，BF距離，最終可求得AB的實際距離，即目標物的寬度；將計算過程編入程序，得到測量寬度的程序；具體的計算過程如下：
根據(jù)實測數(shù)據(jù)與照片像素距離測量，可知在下圖中PO、OC1、OC2、OC3、OD1、OD2、OD3、C3D3、C1’C2’、C1’C3’、C1’E’、D1’D2’、D1’D3’、D1’F’、E’F’、E’A’、B’F’；
記∠O′PC1′＝θ1、∠O′PC2′＝θ2、∠O′PC3′＝θ3、∠O′PE′＝θ4、∠O′PD1′＝γ1、∠O′PD2′＝γ2、∠O′PD3′＝γ3、∠O′PF′＝γ4、∠PO’E’′＝β1、∠PO’F’＝β2,
首先需要求出OE與OF，由于求的方法相似，下面以求OE為例，根據(jù)正弦定理可得：
由(1)、(2)、(3)式得
由正弦定理可得：
由(7)、(8)、(9)式可得：
由于(11)式中僅有一個未知量即β1，因此可以通過上式求出其解析解，但是通過(11)式直接給出β1的解析解有困難，可以采用數(shù)值方法計算β1：β1在0°至90°之間間隔0.01°取值，將使得(11)式誤差最小的β1作為(11)式的解；
由(7)、(8)式得：
由(10)、(11)、(12)可得到O’C1’、β1、PO’，所以由正弦定理有：
由(13)式可得：
又由正弦定理得：
所以：
OE＝PO·tanθ4 (16)
同理可求得
OF＝PO·tanγ4 (17)
根據(jù)余弦定理可得
由余弦定理可得
所以
故在三角形PEF中，根據(jù)余弦定理可得
由(10)、(11)、(12)可得到O’C1’、β1、PO’，因此可得
O'E'＝O'C1'+C1'E'
同理可求得：
在三角形PE’F’中，由余弦定理可得：
所以∠PE'A'＝180°-∠PE'F'
在三角形PE’A’中，根據(jù)余弦定理可得
在上述計算中可知三角形PEF是已知的，由余弦定理可得
所以∠PEA＝180°-∠PEF
在三角形PAE中，由余弦定理可得
由上式可得：
同理可求得BF
則AB＝AE+EF+BF。
該方法可以測量目標物任意方向的寬度，“基于單反相機測量目標物高度的方法”根據(jù)單反相機成像原理推導實際距離與像素距離的平面幾何關(guān)系，由平面幾何關(guān)系編寫計算程序，該方法只能測量垂直方向的高度，不能測量任意方向的寬度。
有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明提供的基于單反相機測量目標物寬度的方法，使用的測量儀器包括單反相機、皮尺，實驗儀器均是生活常用的，易于獲得。由于采用的照攝測量，因此對于目標物無法接觸，寬度大的情況具有較強的適用性。由于使用的測量設備是單反相機，因此儀器的重量輕，便于攜帶。由于在實際的測量操作過程中，并不需要經(jīng)緯儀、全站儀的調(diào)平對中等操作，只需要將儀器架設在三腳架上即可，因此操作方便快捷，即使非專業(yè)人員也能夠使用。由于較小的重量，因此即使在土壤或者沙灘上也不會發(fā)生較大沉降，對于測量環(huán)境的要求低。由于單反相機的成像質(zhì)量高，因此照片中相關(guān)距離的量取精度較好。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例的原理示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。
本發(fā)明提供一種基于單反相機測量目標物寬度的方法，包括以下步驟：
步驟一，確定測站點：根據(jù)目標物的寬度，選擇在離目標物一定距離的位置處作為測站點，并在測站點上架設三腳架，把單反相機放置在三腳架上，測站點與目標物之間距離的選取以單反相機完整的拍下目標物為準；
步驟二，布置參考點：以三腳架的中點為起點向目標物引兩條直接，并分別在兩個直線上布置3個參考點，其中距離三腳架最近的為第一參考點，距離目標物最近的為第三參考點，第一參考點和第三參考點之間的為第二參考點；兩條直線與目標物的交點E點、F點均在拍攝照片內(nèi)，其中E點靠近A點，F(xiàn)點靠近B點；
步驟三，拍攝照片：利用單反相機將6個參考點和代表目標物寬度的兩端點A點、B點拍攝與同一張照片中；
步驟四，參考點實際距離的測量：利用皮尺分別測量三腳架中點到每個參考點之間的距離、三腳架頂部到地面的垂直距離、兩條直線上第三參考點之間的距離；
步驟五，照片中像素距離測量；分別測量每條直線上的第一參考點和第二參考點之間的像素距離、第一參考點和第三參考點之間的像素距離、第一參考點沿該直線到目標物之間的像素距離，測量目標物寬度AB的像素距離；若AB和EF在同一條直線上，則還需要測量AE和BF的像素距離；若AB和EF不在同一條直線上，過A點向EF作垂線，與EF的交點為M點，過B點向EF作垂線，與EF的交底為N點，則還需要測量AM、BN、MN、EM、FN的像素距離；
步驟六，目標物寬度計算：將步驟四和步驟五測量的數(shù)據(jù)輸入目標物寬度計算程序，計算得到目標物的寬度。
其中，目標物寬度計算程序：如圖1所示，根據(jù)實際情況建立數(shù)學模型，設光線的集中點為P，通過實際距離與照片距離的比例關(guān)系，進行相似三角形計算，求得P點距離地面的高度(設為PO)，進而計算出O點到E，F(xiàn)的距離，通過已知的測量數(shù)據(jù)，可以求出EF的距離。根據(jù)照片中AE，BF的像素距離，通過相似三角形關(guān)系計算出實際的AE，BF距離，最終可求得AB的實際距離，即目標物的寬度。將計算過程編入程序，得到測量寬度的程序。具體的計算過程如下：
根據(jù)實測數(shù)據(jù)與照片像素距離測量，可知在下圖中PO、OC1、OC2、OC3、OD1、OD2、OD3、C3D3、C1’C2’、C1’C3’、C1’E’、D1’D2’、D1’D3’、D1’F’、E’F’、E’A’、B’F’。
記∠O′PC1′＝θ1、∠O′PC2′＝θ2、∠O′PC3′＝θ3、∠O′PE′＝θ4、∠O′PD1′＝γ1、∠O′PD2′＝γ2、∠O′PD3′＝γ3、∠O′PF′＝γ4、∠PO’E’′＝β1、∠PO’F’＝β2,
首先需要求出OE與OF，由于求的方法相似，下面以求OE為例，根據(jù)正弦定理可得：
由(1)、(2)、(3)式得
由正弦定理可得：
由(7)、(8)、(9)式可得：
由于(11)式中僅有一個未知量即β1，因此可以通過上式求出其解析解，但是通過(11)式直接給出β1的解析解有困難，可以采用數(shù)值方法計算β1：β1在0°至90°之間間隔0.01°取值，將使得(11)式誤差最小的β1作為(11)式的解。
由(7)、(8)式得：
由(10)、(11)、(12)可得到O’C1’、β1、PO’，所以由正弦定理有：
由(13)式可得：
又由正弦定理得：
所以：
OE＝PO·tanθ4 (16)
同理可求得
OF＝PO·tanγ4 (17)
根據(jù)余弦定理可得
由余弦定理可得
所以
故在三角形PEF中，根據(jù)余弦定理可得
由(10)、(11)、(12)可得到O’C1’、β1、PO’，因此可得
O'E'＝O'C1'+C1'E'
同理可求得：
在三角形PE’F’中，由余弦定理可得：
所以∠PE'A'＝180°-∠PE'F'
在三角形PE’A’中，根據(jù)余弦定理可得
在上述計算中可知三角形PEF是已知的，由余弦定理可得
所以∠PEA＝180°-∠PEF
在三角形PAE中，由余弦定理可得
由上式可得：
同理可求得BF
則AB＝AE+EF+BF。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。