[發明專利]一種直接傳感器定向的攝影測量相機

在審

• 申請號: 202010386721.6
• 申請日: 2020-05-09
• 公開（公告）號: CN111536948A
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 張振;高林;劉海韻;李嘉輝;劉博遠;吳芋航;黃昱霖;李龍
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01C11/02
• 分類號: G01C11/02;G01B11/00;G01B11/02;H04N5/225
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 王安琪

本發明公開了一種直接傳感器定向的攝影測量相機，包括：相機外殼、圖像傳感器模塊、姿態傳感器模塊、測距傳感器模塊以及電源和通信模塊；電源和通信模塊通過USB線纜和上位機通信并為系統供電，各傳感器模塊剛性固連，通過系統集成檢校獲得相機的內方位元素和偏心分量，上位機通過軟件控制各傳感器同時采集圖像、姿態角和待測平面的斜距，并對數據進行時間戳對齊，進而根據集成檢校結果修正相機的外方位元素，最終利用直接傳感器定向的攝影測量模型解算物方坐標，實現免像控的平面攝影測量。本發明免像控、易檢校，低成本，模塊化、易集成，便攜易用。

技術領域

本發明涉及近景攝影測量技術領域，尤其是一種直接傳感器定向的攝影測量相機。

背景技術

攝影測量技術是隨著計算機視覺技術的發展而形成的一門非接觸式測量技術，相比傳統測量手段具有量測范圍大、獲取測量信息多、受工作環境限制小、不干擾測量對象等優點。其中利用單臺相機拍攝的單幅圖像進行物體幾何尺寸或空間位置測量的技術在近景攝影測量領域和機器視覺領域分別被稱為單相機攝影測量或單目視覺測量。由于具有結構簡單、易于標定、操作便捷等優點，被廣泛應用于工業檢測及測繪工程中的非接觸式平面測量。然而，單幅圖像由于成像過程中深度信息的缺失，造成三維世界坐標到二維圖像坐標的映射關系是不可逆的，通常需要附加共面約束條件來建立像方平面和物方平面間可逆的坐標變換關系。

在近景攝影測量領域，現有技術大多依靠現場布設的像控點來建立坐標變換關系。對于河流水面、建筑物外立面等場景，像控點的布設不僅存在極大安全風險且費時費力，而且其數量和布設方式還會直接影響測量結果的精度。在機器視覺領域，現有免像控的測量方法主要依賴于圖像中規則的平行線、圓形等幾何特征信息，通常只適用于特定的場景，對于特征過于復雜或缺失的情況難以適用，或者需要重新標定。

隨著傳感器及信息融合技術的發展，利用定位定向系統實時測量相機位置和姿態進而用于坐標解算的直接傳感器定向(Direct Sensor Orientation，DSO)或(DirectSensor Georeferencing，DSG)技術在航空攝影測量領域近年來已得到探索性應用，可實現數平方公里范圍的免像控測量，精度達到分米級，顯著提高測量的效率和安全性。目前技術的主要瓶頸是傳感器高動態測量精度的不足使得載荷平臺的高機動運動誤差過大。通常要求慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)的橫滾角和俯仰角誤差不得大于0.01°，航向角誤差不得大于0.02°，記錄頻率要高于50Hz；全球定位系統(GPS)的定位精度要達到厘米級，最小采樣間隔一般在1s以內，因此接收機通常采用高精度動態載波相位差分模式(DGPS)。現有航空攝影測量系統中高精度的POS不僅使得系統成本和體積大大提高，多傳感器的六個自由度(外方位元素)也給系統的集成檢校帶來了更高的復雜性，通常需要利用地面布設的檢校場進行定期在航檢校。

在近景攝影測量領域，諸如水面流場測量、地面目標定位及測速、建筑物立面尺寸測量等應用中，相機位置和姿態通常固定，且測量對象為平面。這類單相機平面的相對坐標和距離測量應用無需獲取物點相對于大地坐標系的絕對坐標，僅關心其相對位置關系。因此可以對現有直接傳感器定向攝影測量系統進行優化，提高其實用性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于，提供一種直接傳感器定向的攝影測量相機，免像控、易檢校，低成本，模塊化、易集成，便攜易用。

為解決上述技術問題，本發明提供一種直接傳感器定向的攝影測量相機，包括：相機外殼、圖像傳感器模塊、姿態傳感器模塊、測距傳感器模塊以及電源和通信模塊；電源和通信模塊通過USB線纜和上位機通信并為系統供電，各傳感器模塊剛性固連，通過系統集成檢校獲得相機的內方位元素和偏心分量，集成校驗將系統中個模塊集成組裝在一起后對模塊及模塊間的參數進行檢校，上位機通過軟件控制各傳感器同時采集圖像、姿態角和待測平面的斜距，并對數據進行時間戳對齊，進而根據集成檢校結果修正相機的外方位元素，最終利用直接傳感器定向的攝影測量模型解算物方坐標，實現免像控的平面攝影測量。