CN109461190B - 测量数据处理装置及测量数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种与航空摄影测量有关且能够削减与标定用目标的设置有关的成本的技术。一种测量数据处理装置（400），具有：测位数据接受部（300），接受测位数据，所述测位数据是借助全站仪一边对搭载着摄像机和反射棱镜的航空器的前述反射棱镜进行跟踪一边对其位置进行测位而得到的；相互标定部（302），使用前述摄像机摄像的图像，借助相互标定求出前述摄像机的相对的外部标定要素；绝对标定部（303），借助基于前述测位数据和前述外部标定要素的绝对标定，对前述外部标定要素赋予实际尺度；以及测位数据修正部（305），是基于预先取得的前述摄像机与前述反射棱镜的位置关系对被赋予了前述实际尺度的前述外部标定要素进行修正的运算部。

Description

测量数据处理装置及测量数据处理方法
技术领域
本发明涉及求出搭载在航空器上的摄像机的外部标定要素的技术。
背景技术
已知有在航空摄影测量中使用无人航空器(UAV(Unmanned Aerial Vehicle))的技术。在该技术中，利用从UAV将地表等测量对象摄像的摄影图像制作测量对象的三维模型。在该技术中，首先使用摄像对象重复的多个摄影图像进行标定，求出UAV搭载的摄像机的外部标定要素(位置和姿势)，使用该外部标定要素进行有关三维模型的制作的处理。例如在日本特开2014―6148号公报中记载了航空摄影测量中的求出摄像机的外部标定要素的技术。
在以往的技术中，在地表上配置多个预先测定了位置的标定用目标，使用在航空摄影的图像中拍摄到的标定用目标，通过后方交会法进行与各图像对应的摄像机的外部标定要素的计算。在该技术中，与标定用目标的设置及测位有关的成本成为问题。此外，还有根据地形而标定用目标的设置有较困难的问题。
发明内容
在这样的背景下，本发明目的是得到一种与航空摄影测量有关且能够削减与标定用目标的设置有关的成本的技术。
技术方案1所述的发明是一种测量数据处理装置，具有测位数据接受部和运算部，所述测位数据接受部接受测位数据，所述测位数据是借助全站仪一边对搭载着摄像机和反射棱镜的航空器的前述反射棱镜进行跟踪一边对其位置进行测位而得到的，所述运算部使用前述摄像机摄像的图像，借助相互标定求出前述摄像机的相对的外部标定要素，借助基于前述测位数据和前述相对的外部标定要素的绝对标定，得到前述相对的外部标定要素的绝对值，基于预先取得的前述摄像机与前述反射棱镜的位置关系，对前述外部标定要素的前述绝对值进行修正。
技术方案2所述的发明在技术方案1所述的发明中，其特征在于，在前述绝对标定中，将在前述相互标定中得到的相对于前述摄像机的摄像对象的前述摄像机的相对的移动路径坐标变换为基于前述测位数据的前述摄像机的移动路径，从而对于前述相对的外部标定要素赋予前述绝对值。
技术方案3所述的发明在技术方案1或2所述的发明中，其特征在于，在前述相互标定中制作相对三维模型，所述相对三维模型决定在前述图像中拍摄的摄像对象与前述图像的摄像时的前述摄像机的外部标定要素的相对关系；在前述绝对标定中，进行前述三维模型的缩尺的调整、平行移动、旋转，以使前述相对三维模型中的前述摄像机的相对的移动路径匹配于基于前述测位数据的前述摄像机的移动路径。
技术方案4所述的发明在技术方案1～3的任一项所述的发明中，其特征在于，具有测位数据修正部，所述测位数据修正部基于来自前述全站仪的测距光及跟踪光相对于前述反射棱镜的入射角度，对前述反射棱镜的测位数据进行修正。
技术方案5所述的发明是一种测量数据处理装置，处置测位数据，所述测位数据是借助全站仪一边对搭载着反射棱镜的航空器的前述反射棱镜进行跟踪一边对其位置进行测位而得到的，所述测量数据处理装置具有测位数据修正部，所述测位数据修正部基于来自前述全站仪的测距光及跟踪光相对于前述反射棱镜的入射角度，对前述反射棱镜的测位数据进行修正。
技术方案6所述的发明在技术方案4或5所述的发明中，其特征在于，基于前述全站仪的指向方向，进行前述测位数据的修正。技术方案7所述的发明在技术方案6所述的发明中，其特征在于，除了前述全站仪的前述指向方向以外，还基于前述摄像机的姿势，进行前述测位数据的修正。
技术方案8所述的发明是一种测量数据处理方法，接受测位数据，所述测位数据是借助全站仪一边对搭载着摄像机和反射棱镜的航空器的前述反射棱镜进行跟踪一边对其位置进行测位而得到的；使用前述摄像机摄像的图像，借助相互标定求出前述摄像机的相对的外部标定要素，借助基于前述测位数据和前述相对的外部标定要素的绝对标定，得到前述相对的外部标定要素的绝对值，基于预先取得的前述摄像机与前述反射棱镜的位置关系，对前述外部标定要素的前述绝对值进行修正。
技术方案9所述的发明是一种测量数据处理用程序，是使计算机读取并执行的程序，使计算机执行下述动作：接受测位数据，所述测位数据是借助全站仪一边对搭载着摄像机和反射棱镜的航空器的前述反射棱镜进行跟踪一边对其位置进行测位而得到的；使用前述摄像机摄像的图像，借助相互标定求出前述摄像机的相对的外部标定要素；借助基于前述测位数据和前述相对的外部标定要素的绝对标定，计算出前述相对的外部标定要素的绝对值；以及基于预先取得的前述摄像机与前述反射棱镜的位置关系，对前述外部标定要素的前述绝对值进行修正。
根据本发明，能得到与航空摄影测量有关且能够削减与标定用目标的设置有关的成本的技术。
附图说明
图1是实施方式的整体概念图。
图2是表示标定的原理的示意图。
图3是表示标定的原理的示意图。
图4是表示反射棱镜的TS的铅直角与反射点的铅直方向上的位置的关系的图表。
图5是表示反射棱镜的TS的铅直角与反射点的水平方向上的位置的关系的图表。
图6是实施方式的测量数据处理装置的框图。
图7是表示处理的次序的一例的流程图。
图8是说明起因于入射角的差异而在反射棱镜中发生的反射点的变位(偏移)的示意图。
具体实施方式
1.第1实施方式(概要)
在图1中表示实施方式的概要的整体图。在图1中，表示了利用TS(全站仪)100、UAV200、PC(个人计算机)构成的测量数据处理装置400。UAV200一边飞行一边进行由摄像机201对于地上的摄像。UAV200被TS(全站仪)100追踪，并且其三维位置被依次测定。由TS100进行的UAV200的追踪通过用跟踪光跟踪搭载在UAV200上的反射棱镜202来进行的。由TS100进行的UAV200的测位是通过借助以反射棱镜202为对象的激光测距求出从TS100观察的UAV200的方向和距离来进行的。
TS100被设置在绝对坐标系上的已知的三维位置，通过计测从TS100观察的UAV200的方向和距离，确定绝对坐标系中的UAV200的三维位置。
所谓绝对坐标系，是处置地图信息的被固定在地上的坐标系，也可以称作地图坐标系。通常，在GNSS中使用的坐标系是绝对坐标系(地图坐标系)。作为绝对坐标系中的坐标系的表述，可以举出纬度、经度、标高(距平均海平面的高度)。作为绝对坐标系的坐标轴的朝向，可以举出X轴为东的方向、Y轴为北的方向、Z轴为铅直上方的方向的例子。
TS(全站仪)100使用能够在市场中获得的装置。关于TS100，例如在日本特开2009－229192号公报、日本特开2012－202821号公报中记载。关于借助TS100将UAV200追踪、测位的技术，例如在日本特愿2016－247917号、日本特愿2017－002419号等中记载。此外，例如在日本特许第5124319号公报中记载了由TS进行的目标(反射棱镜202)的检测及追踪的技术。
UAV200是在市场销售的产品上安装了摄像机201和反射棱镜202的结构。UAV200具备飞行控制装置、IMU(惯性计测装置)、存储飞行计划、飞行日志等的存储装置、无线通信装置、GNSS位置确定装置。这里，预先调查并已经知道了摄像机201、反射棱镜202、IMU、GNSS位置确定装置的位置及姿势的关系。
UAV200按照预先决定的飞行计划飞行，此时由摄像机201将测量对象(例如地表)摄像。将摄像以每1秒或每2秒这样的时间间隔进行，沿着飞行路径摄像许多摄像对象重复并各稍稍偏移的图像。将摄像机201摄像的图像数据与摄像时刻、在摄像时刻由IMU计测出的UAV200的姿势(摄像机201的姿势)、在摄像时刻由GNSS位置确定装置计测出的UAV200的位置(摄像机201的位置)的数据一起保存到飞行日志中。将飞行日志的数据在飞行结束后回收，用测量数据处理装置400进行处理。
为了提高航空摄影测量的精度，各图像的摄像时的摄像机201的外部标定要素(位置和姿势)的精度变得重要。在本实施方式中，借助以下的次序来提高摄像机201的外部标定要素的精度。
(处理流程的概略)
(1)相互标定
进行基于航空摄影图像的任意尺度的相对三维模型的制作，确定在多个图像间确定的特征点与各图像的摄像时的摄像机201的位置及姿势的相对关系。
(2)绝对标定
使用TS100测位出的摄像机201的位置(利用反射棱镜的位置)对在上述(1)的相互标定中制作出的相对三维模型赋予尺度(实际的值)，求出摄像机201的绝对坐标系中的外部标定要素的绝对值。
(3)调整计算1
同时进行束(bundle)调整计算及考虑到反射棱镜位置与摄像机位置的关系的调整计算，进行特征点的位置及摄像机的外部标定用要素的最优化。
(4)调整计算2
再次进行考虑到依存于来自TS100的测距光及跟踪光的入射角的反射棱镜202的反射点位置的偏差的(3)的调整计算1，进一步推进特征点的位置及摄像机的外部标定用要素的最优化。
(各处理的详细)
(1)相互标定
以下，为了使说明变得简洁，对使用将重复的对象从不同的位置摄像的两张图像(以下称作立体图像)的相互标定进行说明。UAV200一边飞行一边用摄像机201将地表连续地摄像，得到许多航空摄影图像。这里，选择在时间轴上接近、摄像范围重复的两张航空摄影图像作为立体图像。由于UAV200一边飞行一边时时刻刻进行摄像，所以上述的立体图像为视点的位置不同且拍摄了重复的对象的两张图像。
图2是表示时刻t1的摄像机200的摄像机201a、表示时刻t2(t1＜t2)的摄像机200的摄像机201b将地表的重复的区域摄像的情况下的示意图。
在该处理中，首先从由摄像机201a摄像的第1图像和由摄像机201b摄像的第2图像的各自进行特征点的提取，再进行第1图像和第2图像中的特征点的对应关系的确定。关于该技术，例如在日本特开2013－186816号公报、日本特开2013－178656号公报中记载。另外，在日本特开2013－186816号公报中，对于特征点的提取、两个图像间的特征点的相配、交会法、各种标定、特征点的三维位置的计算、束调整等，详细地记载。
在图2中，表示了从上述第1及第2图像提取出的共通的特征点Pj。另外，提取了许多对两个图像共通的特征点，但这里为了使说明变得简洁，在图2中仅图示了1点的特征点Pj。
在相互标定中，探索(调整)摄像机201a和201b的朝向以将由摄像机201a摄像的第1图像和由摄像机201b摄像的第2图像之间的特征点的偏移消除，求出摄像机201a及201b的相对的外部标定要素(位置和姿势)。在该阶段中，没有赋予实际尺度(绝对坐标系中的坐标值、姿势的值)，该阶段中的外部标定要素为摄像机201a与201b的相对位置关系和相对的姿势(朝向)的关系。
就图2的情况而言，通过相互标定，求出摄像机201a、201b、特征点Pj的相对的位置关系、和以摄像机201a、201b、特征点Pj为顶点的三角形的形状(两个角的角度)。但是，由于没有赋予实际尺度，所以上述三角形的大小没有决定，为相对性的图形。
以摄像机201摄像的可利用的全部的图像为对象进行相互标定，得到与各图像对应的各视点位置处的摄像机201的相对的外部标定要素。在上述的说明中，说明了使用两张图像作为立体图像的相互标定的例子，但实际上使用拍摄有重复的对象的3张以上的图像进行相互标定。
关于与许多图像对应的摄像机位置求出上述相对的位置与姿势的关系，从而得到确定了许多特征点和摄像机的位置及姿势的相对的关系的相对三维模型。在图3中，概念性地表示制作确定了有关多个图像的各摄像机的位置与朝向的相对关系、和在多个图像中共通的特征点的位置的相对关系的相对三维模型的原理。该相对三维模型没有被赋予实际尺度，与绝对坐标系的关系在相互标定的阶段中不知道，是未知的。
(2)绝对标定
假如知道图3中的多个特征点的绝对坐标系中的位置，则对图3的相对模型赋予实际尺度，此外也确定了摄像机201的绝对坐标系中的朝向。这是以往以来进行的使用标定用目标的绝对标定的原理。
在本实施方式中，不使用标定用目标而对于通过相互标定得到的相对三维模型赋予实际尺度，使得能够在绝对坐标系上记述图3所示的相对三维模型。以下，对于本实施方式的绝对标定进行说明。
在该处理中，着眼于图3中例示的相对三维模型中的摄像机201的移动轨迹。如图1所示，在本实施方式中，对于UAV200的摄像机201(反射棱镜202)的移动轨迹，借助TS100进行追踪及测位，在绝对坐标系上判明了其轨迹。
所以，将反射棱镜202的位置看作摄像机201的位置，进行相对三维模型的缩尺调整、平行移动、旋转移动，以使相对三维模型上的摄像机201的移动轨迹与由TS100测位出的绝对坐标系上的摄像机201的移动轨迹匹配。
通过使相对三维模型中的摄像机201的移动轨迹(追随了各时刻的位置的轨迹)匹配于TS100的测位数据，相对三维模型中的摄像机201的移动轨迹能够在绝对坐标系上记述。这样，对相对三维模型中的摄像机位置赋予实际尺度(实际的值)。通过赋予相对三维模型中的各摄像机位置，既能得到相对三维模型中的各摄像机的姿势也能得到绝对坐标系中的值。此外，也赋予该相对三维模型中的各特征点的实际位置。这样赋予通过相互标定得到的相对三维模型中的各参数的绝对坐标系上的实际的值(绝对值)。
在本说明书中，将绝对坐标系上的实际的值作为绝对值处置。例如，纬度、经度、标高成为位置的绝对值。此外，以北方为X轴、以东方为Y轴、以铅直上方为Z轴的XYZ坐标系中的航线的朝向成为姿势的绝对值。另外，也可以代替绝对坐标系而采用以TS100为原点的坐标系(TS坐标系)。在此情况下，特征点、摄像机201的外部标定要素的绝对值为TS坐标系中的值。
另外，通过图3的原理得到的相对三维模型包含误差，此外，在上述绝对标定中，也有起因于将摄像机201的位置看作反射棱镜201的位置的误差，所以上述绝对标定中的摄像机位置的轨迹的匹配不完全，而包含误差。由此，通过绝对标定得到的特征点和摄像机201的外部标定要素的值也包含误差。
如以上所述，在本实施方式的绝对标定中，将摄像机201的移动轨迹作为立足点，对在相互标定中使用的相对三维模型中的摄像机201的移动轨迹赋予绝对坐标系中的值，对该相对三维模型赋予实际尺度。即，将在相互标定中使用的相对三维模型坐标变换为在TS100中实测的摄像机位置，在绝对坐标系上确定该相对三维模型的尺度和朝向。
通过上述绝对标定，求出各图像中的特征点的三维位置、与各图像对应的摄像机201的外部标定要素(位置和姿势)。
(3)调整计算1
通过上述(2)的绝对标定得到的特征点的位置及外部标定要素包含误差。为了减小该误差，进行以下说明的调整计算。在该调整计算中，建立数式1和数式2的观测方程式，进行通过最小二乘法的各参数(特征点(Xj，Yj，Zj)及外部标定要素(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i(旋转矩阵)))的最优化。
[数式1]
c：画面距离(焦点距离)
(Xj，Yj，Zj)：着目的特征点的三维坐标
(xij，yij)：图像i上的点j的图像上的坐标(Xoi，Yoi，Zoi)：摄影i的摄像时的摄像机201的位置(a11i～a33i)：表示摄影i的摄像时的摄像机201的姿势的旋转矩阵。
[数式2]
(Xpi，Ypi，Zpi)：将图像i摄像的时刻的反射棱镜202的位置(LX，LY，LZ)：摄像机位置(投影中心)与反射棱镜反射点的离开距离。
在上述的数式1中，(Xj，Yj，Zj)的初始值使用在上述绝对标定中得到的三维模型(绝对坐标系上的三维模型)中的特征点的三维坐标。(Xoi，Yoi，Zoi)的初始值使用在绝对标定中得到的三维模型中的摄像机201的位置。(a11i～a33i)的初始值使用表示在绝对标定中得到的三维模型中的摄像机201的姿势的旋转矩阵的值。(Xpi，Ypi，Zpi)使用TS100测位的反射棱镜202的位置数据。
数式1是用来进行束调整计算的观测方程式。在束调整计算中，基于将测量对象物的特征点、图像上的点、投影中心这3点连结的光束(束)必须在同一直线上的共线条件，对各图像的每1条光束建立数式1的观测方程式，通过最小二乘法进行特征点的坐标(Xj，Yj，Zj)和外部标定要素的参数(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)的同时调整。
数式2是用来进行将摄像机201和反射棱镜202的位置的偏移放入考虑的调整计算的观测方程式。(LX，LY，LZ)是决定被固定在UAV200上的坐标系中的摄像机201与反射棱镜202的位置关系的已知的参数。
在使用数式1和数式2的调整计算中，以特征点(Xj，Yj，Zj)及外部标定要素(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i(表示姿势的旋转矩阵))为参数，计算数式1及数式2的残差。此时，通过最小二乘法探索上述残差收敛那样的(Xj，Yj，Zj)、(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)的组合。具体而言，反复执行对各参数(Xj，Yj，Zj)、(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)加上修正量而进行数式1及数式2的同时计算以使在数式1及数式2中表示的残差变小的处理。并且，求出数式1及数式2满足收敛条件的未知参数(Xj，Yj，Zj)、(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)的组合。作为收敛条件，使用残差足够小且从前次的计算的残差的变动足够小(计算结果的变动收敛的状态)这一条件。
(4)调整计算2(考虑到棱镜反射位置的修正)
进行调整计算1，如果得到了满足收敛条件的(Xj，Yj，Zj)、(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)，则进行考虑到反射棱镜202的反射位置的偏移的调整计算2。在调整计算2中使用的观测方程式是与调整计算1相同的数式1及数式2。
在调整计算2中，作为数式2中的(Xpi，Ypi，Zpi)的值，使用考虑到反射棱镜202的上述反射位置的偏移的值。以下，对反射棱镜202的反射位置的偏移进行说明。
理想地讲，反射棱镜202上的反射点的位置是不变的，与入射方向无关，总是在相同的位置发生反射，但实际上根据向反射棱镜202的入射光的入射角，而在反射点的位置上发生偏移。对于该现象及与其对应的技术，例如在日本特愿2016－193216号中记载。
例如，作为反射棱镜，为了与较大的入射角度范围对应，有将四角锥(金字塔型)形状的反射棱镜组合多个的构造。在此情况下，由于四角锥形状的各反射棱镜各自的反射原点的位置不一致，所以在原理上根据入射角而在反射点位置上发生偏移。此外，在上述情况以外，也可能有起因于反射棱镜的材质、构造而根据入射角在反射点位置上发生偏移的情况。这些反射点位置的偏移也给外部标定要素的精度带来影响。
图4是表示由TS进行了反射棱镜的测距的情况下的从TS观察的反射棱镜的方向的铅直角(铅直方向上的距水平面的角度)和铅直方向上的反射点的位置的变位的关系的一例的图表。图5是表示铅直角与水平方向上的反射点的位置的变位的关系的一例的图表。
如图4及图5所示，虽然较小，但根据向反射棱镜入射的测距光的角度，在反射点的测位数据中发生误差。图8是概念性地表示此时的误差的发生的示意图。在图8中，概念性地表示了如果TS100的收存有测距部的光学***的可动部101的铅直角变化、则向反射棱镜202的测距光及跟踪光的入射角变化、由此反射棱镜202上的实际的反射点从设计上的位置偏移的状况。上述反射点的偏移成为由数式1及数式2调整的Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i，Xj，Yj，Zj的误差的原因。
所以，根据向反射棱镜202的测距光及跟踪光的入射角预测上述反射位置的偏移，将反射棱镜202上的反射点的偏移的影响修正。例如，在使用将四角锥的反射棱镜组合了多个的复合反射棱镜的情况下，事前取得入射角(跟踪部的光学***的铅直角、水平角)与反射点的偏移的关系，制作上述的校正数据。并且，在实际的测位时进行基于该校正数据的测位数据的修正。该方法在采用其他形态的反射棱镜的情况下也相同。
在该处理中，预先测定反射位置相对于向反射棱镜202的铅直方向上的入射角θV的偏移、以及反射位置相对于水平方向上的入射角θH的偏移，作为修正用数据。根据该修正用数据，预先求出铅直方向的修正量Δv与水平方向的修正量Δh(θV，θH)的关系，即(Δv，Δh)＝f(θV，θH)。(Δv，Δh)＝f(θV，θH)既可以是表格数据，也可以是校正曲线，也可以是计算用的函数。另外，将θV和θH定义为距预先决定的反射棱镜的基准轴的角度。
并且，将摄像了图像i的时刻的反射棱镜202的位置(Xpi，Ypi，Zpi)如以下这样修正。首先，根据图像i的摄像时的旋转矩阵a11i～a33i，计算反射棱镜202的绝对坐标系中的姿势。根据该反射棱镜202的姿势和图像i的摄像时的TS100的指向方向的水平角及铅直角，计算该时刻的来自TS100的测距光及跟踪光向反射棱镜202的入射角的铅直方向成分θV和水平方向成分θH。
这里，对于TS100的指向方向的水平角，设北为0°，作为从那里顺时针转方向的角度(例如，东是90°)而进行计测。对于TS100的指向方向的铅直角，设水平方向为0°，设仰角方向为+角度，设俯角方向为－角度而进行计测。当然，这是一例，也可以采用其他的定义。
并且，根据上述预先准备的(Δv，Δh)＝f(θV，θH)的关系，取得与(θV，θH)对应的反射位置的修正值(Δv，Δh)。并且，使用该取得的(Δv，Δh)将(Xpi，Ypi，Zpi)的值修正。使用该(Xpi，Ypi，Zpi)的修正值，进行使用数式1和数式2的计算调整2，进行Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i，Xj，Yj，Zj的进一步的最优化(进一步提高精度的处理)。
例如，考虑将铅直角作为距水平面的仰角(+)、俯角(－)计测，作为水平角而设北方为0°、用顺时针转方向的角度来计测的情况。这里，将图像i摄像的时刻的TS100的铅直角是45°，水平角是0°，根据旋转矩阵a11i～a33i求出的反射棱镜202的姿势以铅直角捕捉是0°(即水平)、水平角是180°(南方)的情况下，测距光及跟踪光向反射棱镜202的入射角在铅直角上为－45°，在水平角上为0°。
(其他)
在上述的方法中，能够不利用标定用目标而取得航空摄影测量中的摄像机的外部标定要素。在该技术中，也可以将标定用目标配置在地表，添加对于从图像提取出的特征点的约束条件。在此情况下，在数式1及数式2的同时计算中，添加数式3的约束条件。
[数式3]
(XGj，YGj，ZGj)：设置在地上的标定用目标的位置(标定点)。
(硬件的结构)
在图6中，表示进行上述的(1)相互标定、(2)绝对标定、(3)调整计算1、(4)调整计算2的测量数据处理装置400的框图。测量数据处理装置400作为计算机发挥功能。将测量数据处理装置400使用PC(个人计算机)或WS(工作站)构成。
也可以将测量数据处理装置400用专用的电子电路构成。例如，也可以使用FPGA等电子电路构成测量数据处理装置400的一部分或全部。在使用PC或WS构成测量数据处理装置400的情况下，用户使用该PC或WS的用户接口(GUI(图形用户接口)等)进行测量数据处理装置400的操作。测量数据处理装置400具备测位数据接受部300、图像数据接受部301、相互标定部302、绝对标定部303、调整计算执行部304、测位数据修正部305、处理控制部308、三维模型制作部309、通信部310、存储部311。
测位数据接受部300接受TS100测位的UAV200的位置数据(反射棱镜202的位置数据)。该位置数据是将图像i摄像的时刻的反射棱镜202的绝对坐标系中的位置(Xpi，Ypi，Zpi)。
图像数据接受部301接受摄像机201摄像的图像的图像数据。将该图像数据与摄像时刻的数据建立了关联。另外，也可以是由图像数据接受部301接受摄像机201摄像的图像数据、和在UAV200侧取得的摄像时的摄像机201的位置和姿势的数据的形态。
相互标定部302从图像数据接受部301接受的图像数据之中，提取摄像有重复的对象的多个图像，以其为对象，进行前述的相互标定。在该处理中，制作确定了从连续摄像了许多张的各图像提取出的许多特征点与将各图像摄像的摄像机201的外部标定要素的相对关系的相对三维模型，计算与各图像对应的摄像机的相对的外部标定要素。
绝对标定部303使用由相互标定部302进行的相互标定的结果，进行上述的绝对标定。在该处理中，将在相互标定中得到的相对三维模型中的摄像机201的移动路径S与TS100跟踪的UAV200(反射棱镜202)的移动路径S’比较，进行相对三维模型的缩尺调整、平行移动、旋转移动，以使移动路径S与移动路径S’的差成为最小。在上述的差成为最小的阶段中，对于相对三维模型赋予实际尺度，此外绝对坐标系(记述移动路径S的绝对坐标系)中的朝向被决定。
调整计算执行部304进行调整计算1和调整计算2的处理。在该处理中，进行数式1的束调整计算、和数式2的使起因于摄像机位置与反射棱镜的位置的差异的误差最小化的调整计算。将数式1和数式2同时进行，将从图像中提取出的特征点的三维坐标、与各图像对应的摄像机201的外部标定要素最优化。
测位数据修正部305进行将由反射棱镜202中的入射光的入射角度的差异带来的反射位置(反射点)的差异(偏移)修正的处理。具体而言，首先在设向反射棱镜202的铅直方向上的入射角为θV，水平方向上的入射角为θH，反射点的铅直方向的修正量为Δv，水平方向的修正量为Δh的情况下，预先求出(Δv，Δh)＝f(θV，θH)，使该数据存储到存储部311或适当的存储区域中。并且，在实际的测位中，基于上述预先取得的(Δv，Δh)＝f(θV，θH)，根据(θV，θH)计算(Δv，Δh)，将TS100的测位数据修正。由测位数据修正部305进行该处理。
这里，根据TS100的测距部的指向方向(铅直方向角和水平角)及摄像机201(反射棱镜202)的姿势(根据旋转矩阵a11i～a33i求出)，来计算(θV，θH)。
处理控制部308控制由测量数据处理装置400进行的处理的次序及时机。处理控制部308的功能由构成测量数据处理装置400的硬件(例如，PC或WS)具备的CPU承担。三维模型制作部309使用进行了调整计算的结果得到的特征点的三维坐标，进行基于摄像机201摄像的图像的三维模型的制作。对于基于图像的三维模型的制作，例如在特开WO2011/070927号公报、日本特开2012－230594号公报、日本特开2014－35702号公报等中记载。
通信部310在与外部的设备之间进行通信。在使用PC或WS构成测量数据处理装置400的情况下，通信部310使用所利用的PC或WS的接口功能或通信功能而构成。存储部311存储有在测量数据处理装置400的动作中需要的程序、数据、测量数据处理装置400的动作的结果得到的数据等。在使用PC或WS构成测量数据处理装置400的情况下，作为存储部311，使用所利用的PC或WS的半导体存储器或硬盘装置。
(处理的次序的一例)
图7是表示由测量数据处理装置400进行的处理的一例的流程图。执行图7的处理的程序被存储在测量数据处理装置400的存储部311中，由处理控制部308执行。该程序也可以是被存储在适当的存储介质中而被从那里提供的形态。
如果开始处理，则基于从UAV200摄像的图像，进行无尺度的三维模型(相对三维模型)的制作(步骤S101)。在该处理中进行相互标定，求出与各图像对应的摄像机201的相对的外部标定要素。
接着，进行相对三维模型的缩尺调整、平行移动、旋转移动，以使在步骤101中制作出的相对三维模型中的摄像机201的移动路径S匹配于TS100测位的反射棱镜202的位置的移动路径S’，对相对三维模型实施以反射棱镜202的位置为基准的坐标变换(步骤S102)。由此，在步骤101中制作出的相对三维模型成为在绝对坐标系上记述的三维模型，得到了绝对坐标系中的各图像的特征点的三维坐标(Xj，Yj，Zj)、以及与图像i对应的绝对坐标系中的摄像机的外部标定要素(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)。
接着，进行调整计算1及2(步骤S103)。在该处理中，通过计算数式1及数式2的最小二乘解，进行(Xj，Yj，Zj)、(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)的最优化。这里，进行步骤S104的判定，在满足收敛条件的情况下结束处理，确定特征点的三维坐标(Xj，Yj，Zj)及外部标定要素(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)的值。在不满足收敛条件的情况下，将未知参数((Xj，Yj，Zj)、(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i))更新(步骤S105)，再次进行调整计算。实际上，将未知参数的更新多次反复进行，在满足收敛条件的阶段，确定(Xj，Yj，Zj)、(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)的值。
(优越性)
借助相互标定，制作记述摄像机201的移动路径S的相对三维模型。另一方面，将UAV200搭载的反射棱镜202用TS100测位，确定其绝对坐标系上的移动路径S’作为实测值。
在相互标定后，进行绝对标定。在绝对标定中，进行相对三维模型的缩尺调整、平行移动、旋转，以使相对三维模型上的移动路径S匹配于绝对坐标系上的作为实测值的移动路径S’。在绝对坐标系上，通过移动路径S匹配于移动路径S’，给出在相互标定中得到的相对三维模型的绝对坐标系上的朝向和实际尺度。
在该方法中，不利用标定用目标，而得到与各图像对应的摄像机201的外部标定要素。
在绝对标定后，同时进行数式1和数式2的调整计算(调整计算1)，进行摄像对象的特征点的三维坐标(Xj，Yj，Zj)及摄像机201的外部标定要素(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)的最优化。此时，通过与数式1的束调整计算同时进行数式2的调整计算，减小起因于摄像机201和反射棱镜202的位置的偏移的误差对各参数的影响。
在调整计算1收敛的阶段中，进行调整计算2。在调整计算2中，与调整计算1同样地进行纳入了反射位置的偏差的信息的调整计算，所述反射位置的偏差依存于来自TS100的测距光及跟踪光向反射棱镜202的入射角。借助该处理，进一步进行摄像对象的特征点的三维坐标(Xj，Yj，Zj)、以及摄像机201的外部标定要素(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)的最优化。
通过进行调整计算2，减小了因测距光及跟踪光向反射棱镜202的入射角的差异带来的测位误差的影响，以更高的精度得到(Xj，Yj，Zj)和(Xoi，Yoi，Zoi，a11i～a33i)。由此，能够提高使用UAV100的航空摄影测量的精度，得到精度较高的有关测量对象的三维模型。
(发明的其他应用)
基于测距光及跟踪光向反射棱镜202的入射角进行的测位位置的修正可以普遍应用到将飞行的UAV200用TS100测位的技术中。例如，在由TS100跟踪以空摄目的进行飞行的UAV200的情况下，可以利用上述测位位置的修正技术。

Claims (5)

1.一种测量数据处理装置，其特征在于，
具有：
测位数据接受部，接受测位数据，所述测位数据是借助全站仪一边对搭载着摄像机和反射棱镜的航空器的前述反射棱镜进行跟踪一边对其位置进行测位而得到的；
运算部，使用前述摄像机摄像的图像，借助相互标定求出前述摄像机的相对的外部标定要素，借助基于前述测位数据和前述相对的外部标定要素的绝对标定，得到前述相对的外部标定要素的绝对值，基于预先取得的前述摄像机与前述反射棱镜的位置及姿势的关系，对前述外部标定要素的前述绝对值进行修正；以及
测位数据修正部，基于来自前述全站仪的测距光相对于前述反射棱镜的入射角，对前述反射棱镜的测位数据进行修正，
前述摄像机与前述反射棱镜的位置及姿势的关系是已知的，
前述反射棱镜依存于向该反射棱镜的入射光的角度而在实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置产生偏移，
在将铅直方向上的、测距光向前述反射棱镜的入射角设为θV、
将水平方向上的、测距光向前述反射棱镜的入射角设为θH、
将铅直方向上的、前述实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置的偏移设为Δv、将水平方向上的、前述实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置的偏移设为Δh的情况下，(θV，θH)与(Δv，Δh)的关系是已知的，
前述测位数据修正部基于由前述摄像机进行的特定的图像i的摄像时的前述摄像机的姿势和前述图像i的摄像时的前述全站仪的指向方向，计算前述摄像时的前述(θV，θH)，
基于该计算结果和前述(θV，θH)与(Δv，Δh)的关系，计算前述(Δv，Δh)，
基于该计算出的(Δv，Δh)，进行前述运算部中的前述外部标定要素的前述绝对值的修正。
2.如权利要求1所述的测量数据处理装置，其特征在于，
在前述绝对标定中，将在前述相互标定中得到的相对于前述摄像机的摄像对象的前述摄像机的相对的移动路径坐标变换为基于前述测位数据的前述摄像机的移动路径，从而对于前述相对的外部标定要素赋予前述绝对值。
3.如权利要求1或2所述的测量数据处理装置，其特征在于，
在前述相互标定中制作相对三维模型，所述相对三维模型决定在前述图像中拍摄的摄像对象与前述图像的摄像时的前述摄像机的外部标定要素的相对关系，
在前述绝对标定中，进行前述三维模型的缩尺的调整、平行移动、旋转，以使前述相对三维模型中的前述摄像机的相对的移动路径匹配于基于前述测位数据的前述摄像机的移动路径。
4.一种测量数据处理方法，其特征在于，
接受测位数据，所述测位数据是借助全站仪一边对搭载着摄像机和反射棱镜的航空器的前述反射棱镜进行跟踪一边对其位置进行测位而得到的，
使用前述摄像机摄像的图像，借助相互标定求出前述摄像机的相对的外部标定要素，借助基于前述测位数据和前述相对的外部标定要素的绝对标定，得到前述相对的外部标定要素的绝对值，基于预先取得的前述摄像机与前述反射棱镜的位置及姿势的关系，对前述外部标定要素的前述绝对值进行修正，
基于来自前述全站仪的测距光相对于前述反射棱镜的入射角，进行前述反射棱镜的测位数据的修正，
前述摄像机与前述反射棱镜的位置及姿势的关系是已知的，
前述反射棱镜依存于向该反射棱镜的入射光的角度而在实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置产生偏移，
在将铅直方向上的、测距光向前述反射棱镜的入射角设为θV、
将水平方向上的、测距光向前述反射棱镜的入射角设为θH、
将铅直方向上的、前述实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置的偏移设为Δv、将水平方向上的、前述实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置的偏移设为Δh的情况下，(θV，θH)与(Δv，Δh)的关系是已知的，
基于由前述摄像机进行的特定的图像i的摄像时的前述摄像机的姿势和前述图像i的摄像时的前述全站仪的指向方向，计算前述摄像时的前述(θV，θH)，
基于该计算结果和前述(θV，θH)与(Δv，Δh)的关系，计算前述(Δv，Δh)，
基于该计算出的(Δv，Δh)，进行前述外部标定要素的前述绝对值的修正。
5.一种存储介质，存储有使计算机读取并执行的测量数据处理用程序，其特征在于，
前述测量数据处理用程序使计算机执行下述动作：
接受测位数据，所述测位数据是借助全站仪一边对搭载着摄像机和反射棱镜的航空器的前述反射棱镜进行跟踪一边对其位置进行测位而得到的；
使用前述摄像机摄像的图像，借助相互标定求出前述摄像机的相对的外部标定要素；
借助基于前述测位数据和前述相对的外部标定要素的绝对标定，计算出前述相对的外部标定要素的绝对值；
基于预先取得的前述摄像机与前述反射棱镜的位置及姿势的关系，对前述外部标定要素的前述绝对值进行修正；以及
基于来自前述全站仪的测距光相对于前述反射棱镜的入射角，进行前述反射棱镜的测位数据的修正，
前述摄像机与前述反射棱镜的位置及姿势的关系是已知的，
前述反射棱镜依存于向该反射棱镜的入射光的角度而在实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置产生偏移，
在将铅直方向上的、测距光向前述反射棱镜的入射角设为θV、
将水平方向上的、测距光向前述反射棱镜的入射角设为θH、
将铅直方向上的、前述实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置的偏移设为Δv、将水平方向上的、前述实际的反射点的位置与设计上的反射点的位置的偏移设为Δh的情况下，(θV，θH)与(Δv，Δh)的关系是已知的，
基于由前述摄像机进行的特定的图像i的摄像时的前述摄像机的姿势和前述图像i的摄像时的前述全站仪的指向方向，计算前述摄像时的前述(θV，θH)，
基于该计算结果和前述(θV，θH)与(Δv，Δh)的关系，计算前述(Δv，Δh)，
基于该计算出的(Δv，Δh)，进行前述外部标定要素的前述绝对值的修正。
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