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彩屏WinCE智能脈沖全站儀在景觀測量方面的應用研究

發布時間:2020-03-30     來源:中國視覺網       訪問次數:2577


   摘 要:彩屏WinCE智能脈沖全站儀不僅融合了攝影測量與工程測量的雙重優勢,還實現了真正意義上的無接觸測量,在工程測量、變形監測、三維建模方面具有廣泛應用;本文在分析全站儀圖像采集系統及圖像處理系統的基本原理的基礎上運用實例對該全站儀在景觀測量方面應用進行了初步研究。

關鍵詞:攝影測量   三維模型   圖像全站儀   地形信息

0  前言

   彩屏WinCE智能脈沖全站儀是拓普康公司研制的新一代GPT-7000i系列全站儀,又稱圖像或攝影全站儀。該全站儀基于數字攝影測量基本原理,以WinCE操作系統為平臺,結合圖像處理系統完成圖像采集、圖像處理,最終建立三維虛擬模型;同時又獲得點、線、面等基礎地理信息。智能脈沖全站儀不僅融合了攝影測量和工程測量的雙重優勢,實現了空間屬性和物理屬性的同時獲取;還可以不在測量現場布設控制點,實現真正意義上的無接觸測量。對全站儀進行原理分析和應用研究具有重要意義。

1  原理分析

   彩屏WinCE智能脈沖全站儀基于近景攝影測量原理進行影像信息、地形信息的采集。近景攝影測量雖然與攝影測量在理論上是一致的,但近景、地面攝影測量與航空、航天攝影有很大差異【1】。

   如:攝影深度和高差,在近景攝影測量中,其量測的深度遠遠大于航空攝影測量的航高差;坡度的影響,在近景攝影測量中成90度的坡度在航空攝影測量中可能是平坦的地域;攝影條件的影響,在近景攝影測量中無論是遮擋還是測量地域的限制,問題都大的很多。

   因此,近景攝影測量在實際情況中所面臨的問題比航空航天攝影測量中復雜的多【2】。全站儀所采集的影像信息經過圖形處理,提取出空間數據和紋理數據,再將空間數據進行內插值構建成立體三角網,然后根據所記錄的空間數據和紋理數據的對應關系,在對應立體三角網格上貼上紋理,最終形成三維虛擬模型。

   彩屏WinCE智能脈沖全站儀集成了兩個成像芯片CMOS傳感器:一個直接構成廣角CCD相機,相機焦距為8mm;另一個與望遠鏡同軸,構成長焦CCD相機,相機焦距為248.46mm。全站儀在照準目標點的同時可拍攝周圍的影像信息。圖像全站儀無棱鏡時測距范圍為1.5~250m,精度為 5mm;有棱鏡時測距范圍是3000m,精度為 (2mm+2ppm)。該儀器采集影像信息時有兩種工作模式:①簡單測量模式:廣角CCD相機采取換測站方式進行拍攝像對,由于GPT-7000i上的CCD相機只有30萬象素,此時只能粗略測量。②標準測量模式:需要一臺高分辨率、大像幅的數碼相機。標準測量的實質是:無反射棱鏡的全站儀測定控制點的空間坐標X,Y,Z;用 CCD相機記錄控制點的點位影像;用大面陣、高分辨率的影像攝像機記錄影像。在進行攝影測量時必須將CCD相機記錄下控制點點位的影像與高分辨率的影像進行精確配準,這時才能利用控制點求得大幅面相片的外方位元素,從而進行測圖【3】。
    智能脈沖型圖像全站儀在獲取多組的像對后,便可進行影像信息處理。該過程是在Pi-3000lite軟件里進行的。Pi-3000lite軟件是基于OpenGL的透視成像原理與攝影測量成像機理一致性:

   其中,(x,y)為像方量測坐標;(x0,y0)為像主點偏心坐標;f為焦距;(X,Y,Z)為物方坐標;(XS,YS,ZS)為相機位置;(a1,b1,c1, a2,b2,c2, a3,b3,c3)為對應的系數矩陣建立的【4】。它將圖像全站儀采集的影像信息數據處理后,在OpenGL平臺里以三維模型顯示出來的。

2  全站儀相機校準

   校準的準確與否將影響攝影測量的精度。根據全站儀構造可知,廣角CCD相機位于望遠鏡頂部,攝影機與望遠鏡的光學系統不同軸,這就全站儀就會有三個坐標系:地面坐標系、全站儀坐標系與攝影機坐標系;攝影機坐標系與全站儀坐標系不重疊,它們之間的差異稱為圖像全站儀攝像機的偏置量【2】。由于廣角CCD和望遠鏡同軸CCD是鑲嵌固定在全站儀內的,因此偏置量應是個常數,所以說可以糾正,該糾正是在儀器里自動進行的,但是必須保證雙相機在準確校準的前提下。相機校準過程具體如下:

1.長焦相機校準:

   首先打開儀器到長焦影像 ,點擊[放大]或[縮小]改變影像放大系數為1.00。再通過望遠鏡瞄準校驗點,使望遠鏡十字絲精確位于校驗點中心,如圖1所示;然后檢查屏幕上長焦影像十字絲是否也精確位于校驗點中心。如果是,則無需檢校,直接進行廣角影像檢校;否則要通過點擊[向上][向下][向左][向右],移動屏幕上十字絲精確照準校驗點,點擊[設置]完成該次校正。


2.廣角相機校準:

   如圖2所示,在白紙上或者通過網格線的交點畫一個粗的十字交叉線,然后在粗水平線上方45mm處畫一條橫的粗的偏移線。廣角相機的檢查和校準過程與長焦相機校準步驟完全一致。唯一的區別在于:在廣角相機校準過程中,望遠鏡十字絲瞄準的是B點,而影像上十字絲要瞄準是上圖所示的偏移點。

3  實例運用

   下面以采集一塊面域信息并實現三維建模同時獲取基礎地理信息為例來介紹WinCE智能脈沖全站儀及圖像處理軟件在景觀測量中的應用:

3.1 準備工作
   本例選擇了某建筑物一墻壁為對象,利用GPT-7000i系列彩屏WinCE只能買中全站儀采集其面域信息并經圖像處理建立三維模型。相機校準關系到整個影像數據采集的精度,因此相機校準放在首位。相機校準分為長焦和廣角:長焦相機校準距離(儀器到校驗點的距離)至少要達到15m;廣角相機校準距離(儀器到標準校驗點的距離)約5m。具體校準過程參照第三部分。

3.2 地形觀測站的選取
   在測量之前,首先要建立坐標系即所測目標所處坐標系。測量坐標系通常采用的是高斯坐標系,建立坐標系的方法有兩種:一是從國家測繪部門購買坐標數據或GPS定位獲得數據,建立可接入國家標準地理網的坐標系;二是根據現場測量情況,建立獨立坐標系,此時需對初始測控站進行假設,同時利用指北針來確定方位角,從而建立獨立坐標系。這兩種方法均可得到逼真的三維虛擬模型,只是所得空間數據不同:前一種方法可得到國家地理網的數據,不足之處就是費用昂貴;后一種方法方便簡潔,不足之處就是不能得到國家標準地理網數據。由于無需介入國家標準地理網,本例采用的后一種坐標系建立方法。本例建立的坐標系為正北方為X方向,以東方為Y方向、高程H為Z方向的坐標,初始勘測點為S1(500.00,500.00,100.00)。

   地形觀測站的選取要求盡可能的觀測到所測目標的各個特征點(即地形變化比較明顯點等),同時通視性良好此點與普通全站儀的要求一致。基線(采用簡單工作模式時兩測站之間的距離)與所測目標的距離一般為1:5。由原理可知,智能脈沖全站儀有兩種工作式即簡易工作模式和標準工作模式,此處介紹使用方法,采用的是簡易工作模式即由兩個測控站實現拍攝像對的工作模式。

3.3 數據采集
   數據采集包括幾何數據和紋理數據的采集,此工作是同時進行的,數據的采集是利用圖像采集軟件Field Orientaiton 來完成。在數據采集之前,需知道一個已知的后視點,用來初始化影像測量。后視點一般選擇在各個觀測站都能通視到或已知空間坐標的點。在本例中,建立好坐標系后,后視點是通過測量來獲取的點b(X:504.8066,Y:496.8186,Z:100.1510)。進行完視點的初始化,就可進行數據的采集了。數據采集是全站儀在望遠鏡測量坐標數據同時廣角相機記錄影像信息,如此類推,在測控站一測量完所有的像點,就轉下測控站。在測控站二,測量前的工作與測控站一相同,不同的是測量控制站的坐標要換為新的坐標S2(X:499.9610,Y:492.9158,Z:100.0220),后視點不變。用同樣方法采集數據,在此站測量的像點與第一站測量一致,此時軟件會自動配成像對。依次采集信息數據同時進行影像配對。最后在從旁邊進行采集邊側數據記錄并連成線構成邊框線,以確保圖像像處理在此區域進行,提高測量準確度。標準測量模式與此不同的是在測量完第一個測控點后再用高分辨率的數碼相機拍攝紋理,在進行相片配對。

3.4 圖像數據處理與三維模型建立
   圖像脈沖全站儀采用了以WinCE智能操作系統為平臺的PDA移動存儲技術,可以把獲得數據信息直接存入到全站儀進行保存后可通過CF卡(PDA與計算機連接數據線或者RS232串口線)轉移到計算機上,導入到圖像處理軟件Pi-3000Lite里進行圖像處理。Pi-3000Lite圖像處理軟件將所測空間數據與紋理數據進行匹配,然后在OpenGL平臺里以三維顯示出來。圖像采集軟件將數據記錄為圖片和數據文檔兩種格式,圖片記錄的是目標點的影像信息,數據文檔記錄的是目標點的空間位置坐標和影像配對信息。圖像處理軟件將數據導入后,首先在像對上選擇理想的數據,建立初步的網格數據,再運用內插值算法進行插值,然后自動連接構成立體三角網,最后根據幾何數據和物理數據匹配信息,將紋理貼在對應的網格上,便可構成三維模型在OpenGL平臺顯示出來,如圖3所示。在三角網內插同時,計算出了所插入點的空間坐標信息,連線構成拓撲網絡,在該軟件里可以查詢出點、線、面等基礎地理信息。該軟件可進行二維圖形和三維模型的放大、縮小、旋轉等基本操作。


4  結論與展望

   本文對彩屏WinCE智能脈沖全站儀進行了原理的分析和應用的初步研究:該全站儀將CCD相機與全站儀結合起來,充分發揮了攝影測量和工程測量的雙重優勢;實現了真正意義上的無接觸測量。智能脈沖全站儀的運用,必將很大地推動數字攝影測量的發展,尤其是近景攝影測量的發展。該全站儀可廣泛運用于工程建筑測量、變形監測、城市虛擬,測量彈體運動速度與軌跡,彈著點定位,以及工業、生物醫學等。

參考文獻:

[1]  Mikhail.E.M,Bethel J.S. Meglone J.C.,Modern Photogrammetry[M],USA:JOHN WILEY & SONS.INC.2001.
[2]  張祖勛 論攝影測量與工程測量的結合 [J].   地理空間信息  2004.12 第02卷第6期
[3]  Topcon Corpration  Operation Manual for Imaging Total Station GPT-7000i Field Orientation Software  
[4] 張祖勛,蘇國中等 OpenGL成像機理及其與攝影測量方位元素的相關分析[J].  武漢大學學報 ? 信息科學版   2004.07  第29卷第7期
[5] 馮文灝  近景攝影測量——物體外形與運動狀態的攝影法測定   [M]   武漢大學出版社   2002.


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