[发明专利]一种直接传感器定向的摄影测量相机

说明书

本发明公开了一种直接传感器定向的摄影测量相机，包括：相机外壳、图像传感器模块、姿态传感器模块、测距传感器模块以及电源和通信模块；电源和通信模块通过USB线缆和上位机通信并为系统供电，各传感器模块刚性固连，通过系统集成检校获得相机的内方位元素和偏心分量，上位机通过软件控制各传感器同时采集图像、姿态角和待测平面的斜距，并对数据进行时间戳对齐，进而根据集成检校结果修正相机的外方位元素，最终利用直接传感器定向的摄影测量模型解算物方坐标，实现免像控的平面摄影测量。本发明免像控、易检校，低成本，模块化、易集成，便携易用。

技术领域

本发明涉及近景摄影测量技术领域，尤其是一种直接传感器定向的摄影测量相机。

背景技术

摄影测量技术是随着计算机视觉技术的发展而形成的一门非接触式测量技术，相比传统测量手段具有量测范围大、获取测量信息多、受工作环境限制小、不干扰测量对象等优点。其中利用单台相机拍摄的单幅图像进行物体几何尺寸或空间位置测量的技术在近景摄影测量领域和机器视觉领域分别被称为单相机摄影测量或单目视觉测量。由于具有结构简单、易于标定、操作便捷等优点，被广泛应用于工业检测及测绘工程中的非接触式平面测量。然而，单幅图像由于成像过程中深度信息的缺失，造成三维世界坐标到二维图像坐标的映射关系是不可逆的，通常需要附加共面约束条件来建立像方平面和物方平面间可逆的坐标变换关系。

在近景摄影测量领域，现有技术大多依靠现场布设的像控点来建立坐标变换关系。对于河流水面、建筑物外立面等场景，像控点的布设不仅存在极大安全风险且费时费力，而且其数量和布设方式还会直接影响测量结果的精度。在机器视觉领域，现有免像控的测量方法主要依赖于图像中规则的平行线、圆形等几何特征信息，通常只适用于特定的场景，对于特征过于复杂或缺失的情况难以适用，或者需要重新标定。

随着传感器及信息融合技术的发展，利用定位定向系统实时测量相机位置和姿态进而用于坐标解算的直接传感器定向(Direct Sensor Orientation，DSO)或(DirectSensor Georeferencing，DSG)技术在航空摄影测量领域近年来已得到探索性应用，可实现数平方公里范围的免像控测量，精度达到分米级，显著提高测量的效率和安全性。目前技术的主要瓶颈是传感器高动态测量精度的不足使得载荷平台的高机动运动误差过大。通常要求惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)的横滚角和俯仰角误差不得大于0.01°，航向角误差不得大于0.02°，记录频率要高于50Hz；全球定位系统(GPS)的定位精度要达到厘米级，最小采样间隔一般在1s以内，因此接收机通常采用高精度动态载波相位差分模式(DGPS)。现有航空摄影测量系统中高精度的POS不仅使得系统成本和体积大大提高，多传感器的六个自由度(外方位元素)也给系统的集成检校带来了更高的复杂性，通常需要利用地面布设的检校场进行定期在航检校。

在近景摄影测量领域，诸如水面流场测量、地面目标定位及测速、建筑物立面尺寸测量等应用中，相机位置和姿态通常固定，且测量对象为平面。这类单相机平面的相对坐标和距离测量应用无需获取物点相对于大地坐标系的绝对坐标，仅关心其相对位置关系。因此可以对现有直接传感器定向摄影测量系统进行优化，提高其实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种直接传感器定向的摄影测量相机，免像控、易检校，低成本，模块化、易集成，便携易用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种直接传感器定向的摄影测量相机，包括：相机外壳、图像传感器模块、姿态传感器模块、测距传感器模块以及电源和通信模块；电源和通信模块通过USB线缆和上位机通信并为系统供电，各传感器模块刚性固连，通过系统集成检校获得相机的内方位元素和偏心分量，集成校验将系统中个模块集成组装在一起后对模块及模块间的参数进行检校，上位机通过软件控制各传感器同时采集图像、姿态角和待测平面的斜距，并对数据进行时间戳对齐，进而根据集成检校结果修正相机的外方位元素，最终利用直接传感器定向的摄影测量模型解算物方坐标，实现免像控的平面摄影测量。