CN103424104A - 一种近景大幅面数字摄影测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近景大幅面数字摄影测量***及方法，其中***包括矩形采集平台、导轨、相机、三维检校板和二维控制场；三维检校板包括多个均匀分布的检校标志；检校标志包括圆柱型木棒和设置在圆柱型木棒顶面上的圆形木板；每个检校标志的圆柱型木棒的高度不同，且位于三维检校板中心的检校标志的圆柱型木棒高度高于位于三维检校板四周的检校标志的圆柱型木棒高度；二维控制场包括分布在矩形采集平台边缘端面上的多个控制点标志；多个控制点标志构成二维控制场的控制点；每个控制点标志包括圆形木板。本发明提供的近景大幅面数字摄影测量***及方法，使影像能够达到高精度几何信息的保真。

Description

一种近景大幅面数字摄影测量***及方法

技术领域

本发明涉及航空摄影测量技术领域，尤其涉及一种近景大幅面数字摄影测量***及方法。

背景技术

静态平面文化资源是指不同介质上平整的静态不可动的二维书画作品。主要是指馆藏书画，如书法、油画、绢画、纸画、版画、剪纸、拓印品等。这类静态二维平面文化资源是国家文化资源的重要构成部分，承载着中国几千年的历史以及民族和地区的文化基因。利用近景摄影测量技术对平面文化资源进行扫描数字化、存档对文化资源的传承、共享以及发扬光大有及其深远的历史意义。

在进行静态平面文化资源高精度数字化仪器设备研制过程中，现有技术中摄影测量***没有针对近景大幅面摄影的设备和方法，其中比较困难的技术就是如何保障图像的几何保真度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近景大幅面数字摄影测量***及方法，以解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种近景大幅面数字摄影测量***，包括矩形采集平台、导轨、相机、三维检校板和二维控制场，其中：

所述相机设置在所述导轨上；所述矩形采集平台顶面上设置有二维控制场和三维检校板；

所述三维检校板包括多个均匀分布的检校标志；所述检校标志包括圆柱型木棒和设置在所述圆柱型木棒顶面上的圆形木板；每个检校标志的圆柱型木棒的高度不同，且位于所述三维检校板中心的检校标志的圆柱型木棒高度高于位于三维检校板四周的检校标志的圆柱型木棒高度；

所述二维控制场包括分布在矩形采集平台边缘端面上的多个控制点标志；多个所述控制点标志构成所述二维控制场的控制点；每个所述控制点标志包括圆形木板；

所述控制点标志及检校标志上的圆形木板上表面中心均喷有白色油漆，周围喷有黑色油漆；喷有白色油漆的部分为圆形，且喷有白色油漆的圆形中心刻划亚毫米级十字丝。

相应地，本发明还提供了一种近景大幅面数字摄影测量方法，包括如下步骤：

相机拍摄获取目标物的原始影像；

通过三维检校板的检校标志，获取检校所述相机的内方位元素和光学畸变系数；

根据矩形采集平台上的控制点标志，求解二维控制场内每个控制点的局部坐标系坐标；根据内方位元素和光学畸变系数纠正原始影像并得到几何畸变纠正后的影像；根据几何畸变纠正后的影像的相对应的控制点像方坐标以及求解出每个控制点的局部坐标系坐标，计算求解出多项式模型系数；

根据所述多项式模型系数以及控制点像方坐标求解出影像上控制点之外的每个点的局部坐标系坐标；

在进行空中三角测量时，进行光束法区域网平差，根据影像上每个点的局部坐标系坐标，从相邻两幅影像的重叠范围内选取均匀分布的明显特征点，并对多个特征点中的一对以上同名连接点进行影像匹配，将匹配后多个影像拼接成图像。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

本发明提供的一种近景大幅面数字摄影测量方法，包括如下步骤：

首先，相机拍摄获取目标物的原始影像；然后，通过三维检校板的检校标志，获取检校所述相机的内方位元素和光学畸变系数；

三维检校板用于对所述相机进行几何标定，同时进行几何检校是后续得到高精度影像的基础。其中：三维检校板及二维控制场是专门设计的适用于近景大幅面数字摄影测量***的结构，三维检校板具有标准控制格网（包括多个检校标志）。检校是控制点单相片后方交会解算高精度的影像的基础。根据矩形采集平台上的控制点标志，求解二维控制场内每个控制点的局部坐标系坐标；显然分析上述检校标志和控制点标志结构可以知道，这种检校标志主要由圆形木板组成，同时这种木板中的上表面中心设有白色圆形，圆形***为黑色，且圆形中心刻有亚毫米级的十字丝，显然这种高精度的十字丝保障了近距离检校的效果，进而保证了相机的几何精度。这样校正后的内方位元素和光学畸变精度都是非常高的。

然后，根据内方位元素和光学畸变系数纠正原始影像并得到几何畸变纠正后的影像；根据几何畸变纠正后的影像的相对应的控制点像方坐标以及求解出每个控制点的局部坐标系坐标，计算求解出多项式模型系数；

然后，根据所述多项式模型系数以及控制点像方坐标求解出影像上控制点之外的每个点的局部坐标系坐标；在进行空中三角测量时，进行光束法区域网平差，根据影像上每个点的局部坐标系坐标，从相邻两幅影像的重叠范围内选取均匀分布的明显特征点，并对多个特征点中的一对以上同名连接点进行影像匹配，将匹配后多个影像拼接成图像。

显然在上述实现摄影测量的过程中，相机镜头光学畸变的改正（配以标准控制格网板）以及二维控制场控制，使影像能够达到高精度几何信息的保真。

附图说明

图1为本发明实施例提供的近景大幅面数字摄影测量***的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的近景大幅面数字摄影测量***中的三维检校板主视图；

图3为图2中本发明实施例提供的近景大幅面数字摄影测量***中的三维检校板侧视图；

图4为本发明实施例提供的近景大幅面数字摄影测量***中二维控制场的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的近景大幅面数字摄影测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图1，本发明实施例提供了一种近景大幅面数字摄影测量***，包括矩形采集平台10、导轨20、相机30、三维检校板和二维控制场，其中：

所述相机30设置在所述导轨20上；所述矩形采集平台10顶面上设置有三维检校板和二维控制场；

参见图2和图3，所述三维检校板40包括多个均匀分布的检校标401；所述检校标志包括圆柱型木棒和设置在所述圆柱型木棒顶面上的圆形木板；每个检校标志的圆柱型木棒的高度不同，且位于所述三维检校板中心的检校标志的圆柱型木棒高度高于位于三维检校板四周的检校标志的圆柱型木棒高度；

参见图4，所述二维控制场50包括分布在矩形采集平台边缘端面上的多个控制点标志501；多个所述控制点标志构成所述二维控制场的控制点；每个所述控制点标志包括圆形木板；

所述控制点标志及检校标志上的圆形木板上表面中心均喷有白色油漆，周围喷有黑色油漆（即图2中剖面线状的圆环形代表黑色的油漆部分）；喷有白色油漆的部分为圆形（即图2中小圆形），且喷有白色油漆的圆形中心刻划亚毫米级十字丝。

需要说明的是：所述三维检校板用于对所述相机进行几何标定；

每个所述控制点标志均设有一一对应的编号；所述二维控制场用于对采集目标做控制以及几何精度纠正。

较佳地，所述检校标志及所述控制点标志上的圆形木板直径均为3cm；

所述圆形木板上喷有白色油漆的圆形的直径等于1cm。

较佳地，所述检校标志的圆柱型木棒直径小于3cm；

每两个相邻的所述控制点标志的间距为30cm。

本发明实施例所提供的摄影测量***设计的专门用于相机检校的三维检校板，其中：三维检校板的大小以及上面三维方向标志点的大小都是经过计算得出的。

本发明实施例采用标准格网对扫描物（即静态平面文化资源，例如：字画）做控制，通过摄影测量中空三平差的方法对扫描后影像做几何精校正，从而使其影像精度能够达到亚毫米级的精度，解决了扫面物高精度扫描中精度较低的难题。

对于安装的相机首先通过研制的三维检校板进行几何标定，而后采用标定后的相机进行静态平面文化资源的拍摄，基于几何标定参数对数字化的产品进行畸变校正，而后通过矩形采集平台上布设的二维标准格网控制场对畸变校正过的静态平面数字化资源数字产品进行几何精校正，最后进行图像无缝拼接，从而形成了静态平面文化资源的几何高保真的数字化资源。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种近景大幅面数字摄影测量方法，由于此方法解决问题的原理与前述一种近景大幅面数字摄影测量基础上设计的，因此该方法的实施可以参见前述***的功能实现，重复之处不再赘述。

参见图5，本发明实施例提供了一种近景大幅面数字摄影测量方法，包括如下步骤：

步骤S100、相机拍摄获取目标物的原始影像；

步骤S200、通过三维检校板的检校标志，获取检校所述相机的内方位元素和光学畸变系数；

步骤S300、根据矩形采集平台上的控制点标志，求解二维控制场内每个控制点的局部坐标系坐标；根据内方位元素和光学畸变系数纠正原始影像并得到几何畸变纠正后的影像；根据几何畸变纠正后的影像的相对应的控制点像方坐标以及求解出每个控制点的局部坐标系坐标，计算求解出多项式模型系数；

步骤S400、根据所述多项式模型系数以及控制点像方坐标求解出影像上控制点之外的每个点的局部坐标系坐标；

步骤S500、在进行空中三角测量时，进行光束法区域网平差，根据影像上每个点的局部坐标系坐标，从相邻两幅影像的重叠范围内选取均匀分布的明显特征点，并对多个特征点中的一对以上同名连接点进行影像匹配，将匹配后多个影像拼接成图像。

较佳地，所述相机的内方位元素包括相机的焦距和像主点坐标。

在本发明实施例中，首先，相机拍摄获取目标物的原始影像；然后，通过三维检校板的检校标志，获取检校所述相机的内方位元素和光学畸变系数；

三维检校板用于对所述相机进行几何标定，同时进行几何检校是后续得到高精度影像的基础。其中：三维检校板及二维控制场是专门设计的适用于近景大幅面数字摄影测量***的结构，三维检校板具有标准控制格网（包括多个检校标志）。检校是控制点单相片后方交会解算高精度的影像的基础。根据矩形采集平台上的控制点标志，求解二维控制场内每个控制点的局部坐标系坐标；显然分析上述检校标志和控制点标志结构可以知道，这种检校标志主要由圆形木板组成，同时这种木板中的上表面中心设有白色圆形，圆形***为黑色，且圆形中心刻有亚毫米级的十字丝，显然这种高精度的十字丝保障了近距离检校的效果，进而保证了相机的几何精度。这样校正后的内方位元素和光学畸变***精度都是非常高的。

然后，根据内方位元素和光学畸变系数纠正原始影像并得到几何畸变纠正后的影像；根据几何畸变纠正后的影像的相对应的控制点像方坐标以及求解出每个控制点的局部坐标系坐标，计算求解出多项式模型系数；

最后，根据所述多项式模型系数以及控制点像方坐标求解出影像上控制点之外的每个点的局部坐标系坐标；在进行空中三角测量时，进行光束法区域网平差，根据影像上每个点的局部坐标系坐标，从相邻两幅影像的重叠范围内选取均匀分布的明显特征点，并对多个特征点中的一对以上同名连接点进行影像匹配，将匹配后多个影像拼接成图像。

显然在上述实现摄影测量的过程中，相机镜头光学畸变的改正（配以标准控制格网板）以及二维控制场控制，使影像能够达到高精度几何信息的保真。

本发明提供的近景大幅面数字摄影测量***及方法，通过高精度设计结构的三维检校板和二维检校场的引入，可以得到平台检校参数（内方位元素和光学畸变系数），从而建立单相机多项式模型系数（即旋转矩阵），保障了影像拼接精度。

进一步地，在步骤S100之前（即在所述相机拍摄获取目标物的原始影像之前），还包括如下步骤：

步骤R100、在矩形采集平台上调节被扫描目标物的平整度；

进一步地，在步骤R100之前（即矩形采集平台上调节被扫描目标物的平整度之前），还包括如下步骤：

步骤A100、根据数字摄影测量精度需求，选择相应配置参数的相机。

较佳地，在步骤S300中，所述根据矩形采集平台上的控制点标志，求解二维控制场内每个控制点的局部坐标系坐标，包括如下步骤：

步骤S310、选择矩形采集平台上任意两个控制点标志，（利用尺子）测量出两个控制点标志之间的直线距离，选择任意第三个控制点标志，利用全站仪测定第三个控制点标志，选择上述三个控制点标志作为固定控制点，经过多次测定得到矩形采集平台上全部的控制点标志的坐标，根据所有控制点标志的坐标迭代平差求解得到每个控制点的局部坐标系坐标。

下面举个具体的例子，对本发明实施例提供的近景大幅面数字摄影测量方法的上述各个步骤进行详细说明：

相机可调整：

在静态平面文化资源数字化仪研制中，传感器采用相机，相机可根据数字化要求不同，选择适合数字化产品的相机。

相机精确几何标定：

在进行数字化静态平面文化资源时，即可采用量测相机，又可采用非量测相机，在对相机标定时，必须确认相机机械结构坚固稳定，同时其光学、电子结构稳定可靠。

相机标定方法采用基于直接线性变换的相机检校方法，该方法既可用于非量测相机检校又可用于量测相机检校。检校时采用实验场检校，实验场内控制点人工布设且要求分布规则，地面精度要求高，易于观测，在影像上能够清晰可见。

静态平面文化资源压平：

为保证静态平面文化资源数字化产品几何精度，要求拍摄时必须保证一定的平整度，本提案采用抽气泵抽负压的形式置平字画，并在四角辅以镇纸辅助压平。

标准格网控制：

由于数字化产品的对象是静态平面文化资源是二维对象，因此在矩形采集平台上布设二维控制场，即标准格网，每个格网点都根据空三计算出精确的控制点坐标。

控制点标志大小计算方法如下：

每个相机都有超焦距，其计算方法为

其中，F为摄影机的焦距，k为光圈号数，E为模糊圈直径，则H就是超焦点距离，又称无穷远起点，超焦距以外的目标点的距离都认为是无穷远，且构象清晰。对于哈苏HC35/3.5相机镜头来说,其光圈号数k的范围为3.5～32，检校焦距为35.8mm，由上面超焦距的计算公式可知最大超焦距为12.2米,因此在检校时,距离定为15m在超焦点距离之外，可当做无穷远处，成像清晰。

根据焦距以及拍摄距离,其比例尺为

即

一般数字摄影测量时，检校圆形标志大小以覆盖6～10个像素数为宜，也就是419×10×6÷1000=33mm=3.3cm，419×6×6÷1000=15mm=1.5cm,因此制作圆形标志的直径定为3cm。

控制点制作时,制作直径四厘米的木质圆形小木板,上表面喷黑色油漆,中心喷白色油漆,直径为1厘米的圆形,中心刻划亚毫米级十字丝。

控制点布设在需数字化目标的平台四周,并且每个控制点右侧都有编号,每个控制点布设的间距大约为30厘米左右。

根据上述制作的标准控制格网，首先需要求解出标准控制格网上每个控制点的局部坐标系坐标，控制点坐标求解方法如下：先根据钢尺量出两个点之间的距离，采用多次测量求均值的方法测定，而后根据这两点建立局部坐标***，用全站仪进行坐标测定其余点的坐标，最后将所有点的坐标代入LPS迭代平差，在平差过程中，固定三个点坐标，其余点放开，最后根据迭代求解出来的坐标作为最终结果。

而后采用多项式模型对数字化产品做几何精校正，根据几何畸变纠正后的影像的相对应的控制点像方坐标以及求解出的局部坐标系坐标，求解出多项式模型系数，而后根据系数以及像方坐标求解出影像上每个点的局部坐标系坐标。

空三后处理：

由于静态平面文化资源幅面较大，一般情况下，都需要多次拍摄进行拼接，显然拼接时必须考虑误差，为此采用摄影测量中的理论严密的光束法区域网空中三角测量的方式进行后处理，在进行空中三角测量时，考虑到目标为静态平面文化资源，因此其高程值均为0。通过特征点提取影像匹配将所有图像拼接成一幅完整的数字产品。

对于大幅面多面阵数码相机而言，要获得较高的检校精度，应采用控制场检校的方法，通过检校可以达到获取子影像内方位元素和其他畸变系数的目的。通过检校可以确定数码相机的误差（即包括光学误差、机械误差和电学误差等），从而进行后续的处理。

本领域技术人员应该可以理解，本发明实施例提供的近景大幅面数字摄影测量***及方法，相机镜头光学畸变的改正（配以标准控制格网板）以及二维控制场控制，可以使影像能够达到高精度几何信息的保真，进而保障得到拼接处理后的图像的几何保真度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种近景大幅面数字摄影测量***，其特征在于，包括矩形采集平台、导轨、相机、三维检校板和二维控制场，其中：

所述相机设置在所述导轨上；所述矩形采集平台顶面上设置有二维控制场和三维检校板；

所述三维检校板包括多个均匀分布的检校标志；所述检校标志包括圆柱型木棒和设置在所述圆柱型木棒顶面上的圆形木板；每个检校标志的圆柱型木棒的高度不同，且位于所述三维检校板中心的检校标志的圆柱型木棒高度高于位于三维检校板四周的检校标志的圆柱型木棒高度；

所述二维控制场包括分布在矩形采集平台边缘端面上的多个控制点标志；多个所述控制点标志构成所述二维控制场的控制点；每个所述控制点标志包括圆形木板；

所述控制点标志及检校标志上的圆形木板上表面中心均喷有白色油漆，周围喷有黑色油漆；喷有白色油漆的部分为圆形，且喷有白色油漆的圆形中心刻划亚毫米级十字丝。

2.如权利要求1所述的近景大幅面数字摄影测量***，其特征在于，

所述检校标志及所述控制点标志上的圆形木板直径均为3cm；

所述圆形木板上喷有白色油漆的圆形的直径等于1cm。

3.如权利要求2所述的近景大幅面数字摄影测量***，其特征在于，

所述检校标志的圆柱型木棒直径小于3cm；

每两个相邻的所述控制点标志的间距为30cm。

4.一种近景大幅面数字摄影测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

相机拍摄获取目标物的原始影像；

通过三维检校板的检校标志，获取检校所述相机的内方位元素和光学畸变系数；

根据矩形采集平台上的控制点标志，求解二维控制场内每个控制点的局部坐标系坐标；根据内方位元素和光学畸变系数纠正原始影像并得到几何畸变纠正后的影像；根据几何畸变纠正后的影像的相对应的控制点像方坐标以及求解出每个控制点的局部坐标系坐标，计算求解出多项式模型系数；

根据所述多项式模型系数以及控制点像方坐标求解出影像上控制点之外的每个点的局部坐标系坐标；

在进行空中三角测量时，进行光束法区域网平差，根据影像上每个点的局部坐标系坐标，从相邻两幅影像的重叠范围内选取均匀分布的明显特征点，并对多个特征点中的一对以上同名连接点进行影像匹配，将匹配后多个影像拼接成图像。

5.如权利要求4所述的近景大幅面数字摄影测量方法，其特征在于，

所述相机的内方位元素包括相机的焦距和像主点坐标。

6.如权利要求4所述的近景大幅面数字摄影测量方法，其特征在于，

所述相机拍摄获取目标物的原始影像之前，还包括如下步骤：

在矩形采集平台上调节被扫描目标物的平整度。

7.如权利要求6所述的近景大幅面数字摄影测量方法，其特征在于，

在矩形采集平台上调节被扫描目标物的平整度之前，还包括如下步骤：

根据数字摄影测量精度需求，选择相应配置参数的相机。

8.如权利要求7所述的近景大幅面数字摄影测量方法，其特征在于，

所述根据矩形采集平台上的控制点标志，求解二维控制场内每个控制点的局部坐标系坐标，包括如下步骤：

选择矩形采集平台上任意两个控制点标志，测量出两个控制点标志之间的直线距离，选择任意第三个控制点标志，利用全站仪测定第三个控制点标志，选择上述三个控制点标志作为固定控制点，经过多次测定得到矩形采集平台上全部的控制点标志的坐标，根据所有控制点标志的坐标迭代平差求解得到每个控制点的局部坐标系坐标。

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