專利名稱：基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了利用建筑物的空間直角關(guān)系進行單影像三維測量的方法，廣泛應用于計算機視覺、圖像測量和數(shù)碼城市建設(shè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
從20世紀90年代至今，很多學者對利用非量測相機單幅影像進行建筑物的三維測量作了研究，并取得了相當?shù)倪M展。但這個技術(shù)在數(shù)碼城市的建立中至今還沒有得到真正的實用(劉亞文，張祖勛，張劍清，吳軍.利用地圖與單影像進行建筑物三維重建的新途徑[J].武漢大學學報·信息科學版，2005年2月，146～149)。
《利用數(shù)碼像機進行房產(chǎn)測量與建筑物的精細三維重建》([博士學位論文]武漢武漢大學，2005)和《建筑場景三維重建中影像方位元素的獲取方法》(張祖勛，吳軍，張劍清.武漢大學學報·信息科學版，2003.6，28(3))提出了利用非量測相機單影像進行建筑物的三維重建，理論上分為以下幾個步驟①影像的內(nèi)、外方位元素的確定(f，x0，y0，XS，YS，ZS，φ，ω，κ)；②應用構(gòu)建實體幾何CSG(constructive solid geometry)理論重建建筑物的三維模型。其基本理論多是利用建筑物三組空間互相垂直的平行線的交點(∞點)與影像上對應的“滅點”確定影像的內(nèi)、外方位元素，并且一般選定建筑物的一個“角點”為物方坐標系的原點，該建筑物上的三組相互垂直的直線分別為物方坐標系的X、Y、Z軸。針對多棟不平行的建筑物，利用直接線性變換、單影像空間后方交會確定影像方位元素的初值；然后利用全部建筑物的直線(特別是建筑物的鉛垂線)來確定影像方位元素的精確值，以達到對多棟建筑物同時建模的目的。
可見，目前的研究主要利用建筑物在三個方向上的平行線來計算影像的方位元素，實現(xiàn)建筑物的單影像三維建模。然而，很多建筑物無法提供完整的三個方向的平行線，使得這種方法有很大的局限性。
城市三維建模技術(shù)的首要內(nèi)容在于大量的城市基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)包括地物目標的平面位置、地面高程、高度和地物紋理。目前的三維數(shù)據(jù)采集方法是利用攝影測量和遙感技術(shù)得到城市的數(shù)字地面模型、數(shù)字線劃地圖(Digital Line Graphic，縮寫DLG)、利用數(shù)碼相機實地獲取地物的紋理、建筑物高度數(shù)據(jù)來建立數(shù)碼城市模型。
建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取有很多方法，如三維激光掃描儀采集、數(shù)字立體攝影測量采集、全站儀或手持測距儀現(xiàn)場采集等，這些方法具有效率低、代價高、周期長的缺陷。目前商業(yè)數(shù)碼城市三維建模軟件都是根據(jù)建筑物層數(shù)來推算，其缺陷是很明顯的，由于高度數(shù)據(jù)是近似的，沒有做到真正意義上的城市三維模型。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測量方法。
本發(fā)明基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測量方法，其步驟如下 第一步拍攝建筑物的數(shù)碼照片；攝影時要求攝取到建筑物的一個房角點，以及由該房角點出發(fā)的三條互相垂直的完整墻角線；三條墻角線中的兩條為水平線、一條為垂直線；除房角點以外，三條墻角線各存在一個端點，三個端點稱為像控點； 第二步在數(shù)碼照片上測量房角點和三個像控點的圖像坐標(u，v)；圖像坐標系C0-uv是以數(shù)碼照片的左上角為原點、水平向右方向為X軸正方向、垂直向下方向為Y軸正方向； 第三步將房角點和像控點的圖像坐標(u，v)轉(zhuǎn)換成以數(shù)碼照片中心為原點的右手系像平面坐標系C1-xy坐標(x，y)，轉(zhuǎn)換關(guān)系如下 式中 (u，v)——圖像坐標系C0-uv坐標，單位為像素。
(x，y)——像平面坐標系C1-xy坐標，單位為像素。
width——數(shù)碼照片的寬度，單位為像素。
heigth——數(shù)碼照片的高度，單位為像素。
第四步以空間直角關(guān)系建立建筑物的物方坐標系，物方坐標系的原點為房角點，三個坐標軸分別對應于由房角點和三個像控點確定的三條墻角線，如圖2； 本發(fā)明涉及的物方坐標系是指建筑物的空間直角關(guān)系為坐標軸系的空間直角坐標。如圖2中，以房角點O為原點、以建筑物長度方向OA為X軸、以建筑物寬度方向OB為Y軸、以建筑物高方向OC為Z軸。
第五步根據(jù)建筑物的已測知邊長墻角線的邊長確定其對應像控點的物方坐標；估算其余墻角線邊長，確定其對應像控點的估算物方坐標； 第六步根據(jù)像控點的物方坐標、估算物方坐標和像平面坐標，計算未知點物方坐標值以及攝影位置和數(shù)碼照片的攝影焦距。其中攝影位置是指攝影瞬間物鏡中心在物方坐標系中的坐標； 根據(jù)三像控點中已知條件不同，分為兩種計算模式“二推一”模式和“一推二”模式； “二推一”模式是指三像控點中有兩個點的物方坐標是已知值，來計算另一個點的物方坐標的計算模式； “一推二”模式是指三像控點中有一個點的坐標是已知值，來計算另兩個點的物方坐標的計算模式； 如圖2，如果OA和OB兩個墻角線長度已知，計算OC的長度稱為“二推一”模式；如果墻角線OA已知，計算OB和OC的長度稱為“一推二”模式。
具體計算方法如下 S是攝影中心位置，數(shù)碼照片上任意兩個i、j點對應于空間目標的像控點I、J點。i、j點與S點構(gòu)成的夾角的余弦值為 其中 (xi，yi)——像點i的像平面坐標； (xj，yj)——像點j的像平面坐標； f——焦距 同樣，由像控點I、J與S點構(gòu)成的夾角余弦值為 其中 (XS，YS，ZS)——S的物方坐標； (XI，YI，ZI)——像控點I的物方坐標； (XJ，YJ，ZJ)——像控點J的物方坐標； SI2＝(XS-XI)2+(YS-YI)2+(ZS-ZI)2 SJ2＝(XS-XJ)2+(YS-YJ)2+(ZS-ZJ)2 建立方程式 F＝cos(ISJ)-cos(iSj)＝0 任意兩個像控點之間、房角點與像控點之間均建立一個這樣的方程式，四個點之間可以建立六個方程式； “二推一”模式 已知像控點A、B物方坐標，像控點C物方坐標(0，0，ZC)未知，則存在XS、YS、ZS、f、ZC五個未知數(shù)，誤差方程式通式為 用矩陣表示為 “一推二”模式 已知像控點A物方坐標，像控點B、C物方坐標(0，YB，0)、(0，0，ZC)未知，則存在XS、YS、ZS、f、YB、ZC六個未知數(shù)，誤差方程式通式為 用矩陣表示為 常數(shù)項均為 l＝cos(iSj)-cos(ISJ) 其中i、j可取o、a、b、c，i≠j I、J為與i、j相對應的O、A、B、C，I≠J 用間接平差的方法解方程計算出攝影位置、物鏡焦距和未知點的物方坐標。
本發(fā)明方法，利用建筑物的空間直角關(guān)系，通過建筑物單影像，就可得到建筑物三維數(shù)據(jù)，可以減少戶外測量工作量，對于由于建筑物戶外條件原因無法實測或測量困難的數(shù)據(jù)，可以用本發(fā)明方法求得。同時還能得知攝影位置和物鏡焦距，可應用于攝影測量和計算機視覺等領(lǐng)域。



圖1為圖像坐標系及其轉(zhuǎn)換示意圖； 圖2為空間直角關(guān)系的物方坐標系示意圖； 圖3為攝影中心、像控點及像控點像點空間關(guān)系示意圖；
具體實施例方式 下面結(jié)合具體實施例和附圖，對本發(fā)明方法作進一步詳細說明。
實施例如圖2所示， (1)已知數(shù)據(jù)對圖2中的建筑物進行實地測量，測量的結(jié)果為建筑物的長度OA＝54.73米，寬度OB＝17.67米，四層的高度值OC＝13.13米。在物方坐標系中，共包含四個點(房角點O、像控點A、B、C)，其三維坐標數(shù)據(jù)如表1。
表1 空間直角關(guān)系的觀測數(shù)據(jù)表
(2)圖像測量數(shù)據(jù) 用Visual C#.NET2003平臺進行圖像測量，對圖2中的O、A、B、C進行了10次測量，將測量得到的O、A、B、C圖像坐標換算成像平面坐標，O、A、B、C像平面坐標見表2。
表2 像點坐標測量結(jié)果(單位像素)
(3)“二推一”計算結(jié)果 利用“二推一”計算模型該建筑物進行計算，以建筑物的長度OA＝54.73米，寬度OB＝17.67米為已知數(shù)，以四層的高度OC作為未知值。
已知點A、B的物方坐標為(54.73，0，0)、(0，17.67，0)； 未知點C的估算物方坐標為(0，0，12)，其中12為估計數(shù)值。
用“二推一”計算模型計算的結(jié)果見表3。
表3“二推一”計算模型計算結(jié)果 將計算的C點坐標與實際測量結(jié)果相比，其差值為0.012米?？梢?，“二推一”計算模型都有較高的計算精度。
(4)“一推二”計算結(jié)果 以建筑物的長度OA＝54.73米為已知數(shù)，以建筑物寬度OB和四層的高度OC作為未知值。
已知點A的物方坐標為(54.73，0，0)； 未知點B、C的估算物方坐標為(0，17，0)、(0，0，12)。其中17、12為估計值。
計算結(jié)果見表4。
表4“一推二”計算模型計算結(jié)果 將計算的B、C點坐標與實際測量結(jié)果相比，其差值分別為0.64米和0.445米?？梢姡耙煌贫庇嬎隳Ｐ陀捎谟嬎阄粗獢?shù)較多，無法消除解算中的系統(tǒng)誤差，導致計算精度較低。
權(quán)利要求
1、一種基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測量方法，其步驟如下
第一步拍攝建筑物的數(shù)碼照片；攝影時要求攝取到建筑物的一個房角點，以及由該房角點出發(fā)的三條互相垂直的完整墻角線；三條墻角線中的兩條為水平線、一條為垂直線；除房角點以外，三條墻角線各存在一個端點，三個端點稱為像控點；
第二步在數(shù)碼照片上測量房角點和三個像控點的圖像坐標(u，v)；圖像坐標系C0-uv是以數(shù)碼照片的左上角為原點、水平向右方向為X軸正方向、垂直向下方向為Y軸正方向；
第三步將房角點和像控點的圖像坐標(u，v)轉(zhuǎn)換成以數(shù)碼照片中心為原點的右手系像平面坐標系C1-xy坐標(x，y)，轉(zhuǎn)換關(guān)系如下
式中
(u，v)——圖像坐標系C0-uv坐標，單位為像素
(x，y)——像平面坐標系C1-xy坐標，單位為像素
width——數(shù)碼照片的寬度，單位為像素
heigth——數(shù)碼照片的高度，單位為像素
第四步以空間直角關(guān)系建立建筑物的物方坐標系，物方坐標系的原點為房角點，三個坐標軸分別對應于由房角點和三個像控點確定的三條墻角線；
第五步根據(jù)建筑物的已測知邊長墻角線的邊長確定其對應像控點的物方坐標；估算其余墻角線邊長，確定其對應像控點的估算物方坐標；
第六步根據(jù)像控點的物方坐標、估算物方坐標和像平面坐標，計算未知點物方坐標值以及攝影位置和數(shù)碼照片的攝影焦距。其中攝影位置是指攝影瞬間物鏡中心在物方坐標系中的坐標；
根據(jù)三像控點中已知條件不同，計算未知點物方坐標值以及攝影位置和數(shù)碼照片的攝影焦距分為兩種計算模式“二推一”模式和“一推二”模式。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測量方法，其特征是所述第六步具體計算如下
S是攝影中心位置，數(shù)碼照片上任意兩個點i、j對應于空間目標的像控點I、J點；i、j點與S點構(gòu)成的夾角的余弦值為
其中
(xi，yi)——像點i的像平面坐標；
(xj，yj)——像點j的像平面坐標；
f——焦距；
同樣，由像控點I、J與S點構(gòu)成的夾角余弦值為
其中
(XS，YS，ZS)——S的物方坐標；
(XI，YI，ZI)——像控點I的物方坐標；
(XJ，YJ，ZJ)——像控點J的物方坐標；
SI2＝(XS-XI)2+(YS-YI)2+(ZS-ZI)2
SJ2＝(XS-XJ)2+(YS-YJ)2+(ZS-ZJ)2
建立方程式
F＝cos(ISJ)-cos(iSj)＝0
任意兩個像控點之間、房角點與像控點之間均建立一個上述的方程式，四個點之間可以建立六個方程式；
“二推一”模式如果已知像控點A、B物方坐標，像控點C物方坐標(0，0，ZC)未知，則存在XS、YS、ZS、f、ZC五個未知數(shù)，誤差方程式通式為
用矩陣表示為
“一推二”模式如果已知像控點A物方坐標，像控點B、C物方坐標(0，YB，0)、(0，0，ZC)未知，則存在XS、YS、ZS、f、YB、ZC六個未知數(shù)，誤差方程式通式為
用矩陣表示為
常數(shù)項均為
l＝cos(iSj)-cos(ISJ)
其中i、j＝o、a、b、c，i≠j
I、J為與i、j相對應的O、A、B、C，I≠J
用間接平差的方法解方程計算出攝影位置、物鏡焦距和未知點的物方坐標。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于空間直角關(guān)系的建筑物單影像三維測量方法，其步驟如下拍攝建筑物的數(shù)碼照片；攝影時要求攝取到建筑物的一個房角點，以及由該房角點出發(fā)的三條互相垂直的完整墻角線；三條墻角線中的兩條為水平線、一條為垂直線；除房角點以外，三條墻角線各存在一個端點，三個端點稱為像控點；在數(shù)碼照片上測量房角點和三個像控點的圖像坐標；將房角點和像控點的圖像坐標轉(zhuǎn)換成像平面坐標；建立建筑物的物方坐標系；根據(jù)建筑物的已測知邊長墻角線的邊長確定其對應像控點的物方坐標；估算其余墻角線邊長，確定其對應像控點的估算物方坐標；根據(jù)像控點的物方坐標、估算物方坐標和像平面坐標，計算未知點物方坐標值以及攝影位置和攝影焦距。
文檔編號G01C11/00GK101281034SQ20081009891
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者閭國年, 沙月進, 劉學軍 申請人:南京師范大學