CN103115612B - 结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统及复合式被测目标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可有效改善因空气扰动对数字摄影测量准确度带来不利影响的结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统及复合式被测目标。该系统使用了至少一台分别与各数字摄影测量仪标定了相对位置的激光跟踪仪，由该激光跟踪仪所跟踪的反射器固定在被测目标点阵中并与其中的至少一个被测目标物建立有确定的相对位置；并且，由与反射器建立有确定相对位置的被测目标物所标记的目标点即为数字摄影测量该被测目标点阵中各目标点的基准点，该数字摄影测量系统所得各目标点的坐标值均以基准点与激光跟踪仪之间的相对位置确定。复合式被测目标包括支撑本体和同时安装在支撑本体上的被测目标物和反射器，被测目标物和反射器之间建立有确定的相对位置。

Description

结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统及复合式被测目标

技术领域

本发明涉及数字摄影测量技术，尤其涉及结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统及复合式被测目标。

背景技术

近年来，数字摄影测量技术因其测量速度快等特点，在非地形测量和工业测量中得到了广泛的应用。然而，在大尺度、远距离的测量场合，空气扰动带给摄影测量准确度的不利影响始终未能很好地克服。具体而言，当被测目标点阵（即由多个分别经被测目标物标记的目标点组成，且这些被测目标物根据待测定物的形状进行布置）的范围较宽且距离数字摄影测量仪较远时，测量环境中的空气扰动就会造成被测目标点阵中的各目标点的测量坐标值整体偏移这些目标点的实际坐标值，而目前通常采取长时间多次测量以求解各目标点坐标的平均值的方式来减小空气扰动带来的测量误差，但这种方式降低了数字摄影测量的工作效率，不适用于要求快速测量的场合。

授权公告号为CN101694370B的发明专利（下称参考文献）提供了一种大尺寸工业摄影测量系统的空间误差场获取方法，该方法使用了一种基准装置，并先后通过摄影测量系统和激光跟踪仪对该基准装置中多个相同的目标点进行测量，从而得到的空间测量场和空间基准场，并由此获得摄影测量系统的空间误差场，最后再根据由空间误差场建立的空间误差场模型对摄影测量系统进行误差补偿。根据其说明书的记载，该参考文献实际上是利用激光跟踪仪较高的测量精度来帮助确定摄影测量系统的像面、基线等误差，这些误差主要与测量环境的照明条件、摄影测量系统的现场测量方案和测量布局的因素有关，但并不涉及空气扰动的因素。并且，空气扰动对摄影测量准确度的影响是在对待测定物（如大型设备、工件等）进行实际测量时才会考虑，对基准装置的测量并不能准确反映实际测量时的空气扰动情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效改善因空气扰动对数字摄影测量准确度带来不利影响的结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统及复合式被测目标。

本发明的一种结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，包括：被测目标点阵，所述被测目标点阵由多个分别经被测目标物标记的目标点组成，且这些被测目标物根据待测定物的形状进行布置；数字摄影测量仪，所述数字摄影测量仪的数量为至少两台，并能同时观测所述被测目标点阵中所有的目标点；该系统使用了至少一台分别与所述各数字摄影测量仪标定了相对位置的激光跟踪仪，由该激光跟踪仪所跟踪的反射器固定在被测目标点阵中并与其中的至少一个被测目标物建立有确定的相对位置；并且，由这至少一个与反射器建立有确定相对位置的被测目标物所标记的目标点即为数字摄影测量该被测目标点阵中各目标点的基准点，该数字摄影测量系统所得各目标点的坐标值均以基准点与激光跟踪仪之间的相对位置确定。

本发明的测量系统与参考文献的主要区别在于：第一，本发明实际是对待测定物进行测量，而参考文献是对其专用基准装置进行测量。其中，“待测定物”的含义是指，通过测量能够了解其几何情况，并根据所了解的几何情况能够对其使用进行评价的物体。然而，参考文献并不对基准装置的使用进行评价，采用该基准装置只是为了获得摄影测量系统本身的测量误差。因此，所述待测定物与基准装置是不同的概念。第二，本发明将被测目标点阵中的至少一个目标点作为数字摄影测量该被测目标点阵中各目标点的基准点，该数字摄影测量系统所得各目标点的坐标值均以基准点与激光跟踪仪之间的相对位置确定。这样设定的原因在于，实际测量环境中的空气扰动会造成被测目标点阵中的各目标点的测量坐标值整体偏移这些目标点的实际坐标值，因此，对于空气扰动的影响，只要控制最少一个目标点（基准点）的坐标偏移，就能对其他目标点的的坐标偏移进行约束。

从上述区别可知，本发明的数字摄影测量系统能够根据实测环境中的空气扰动情况对各目标点的数字摄影测量进行实时地调整，从而有效改善因空气扰动对数字摄影测量准确度带来不利影响。

进一步的，本发明上述数字摄影测量系统对所述被测目标点阵中各目标点的坐标值最好按以下方式确定：首先，标定激光跟踪仪在测量坐标系下的坐标值；其次，通过激光跟踪仪标定反射器，并根据该反射器与相应基准点之间的相对位置换算得到所述基准点相对激光跟踪仪的坐标值；其次，以基准点为坐标原点建立基准坐标系，通过数字摄影测量所述被测目标点阵中各目标点在该基准坐标系下的坐标值；其次，将所述各目标点在基准坐标系下的坐标值换算为各目标点在测量坐标系下的坐标值。

由此，通过各台数字摄影测量仪只测量所述被测目标点阵中各目标点对于基准点的相对坐标，从而可减小数字摄影测量误差。

进一步的，本发明上述数字摄影测量系统中所述被测目标点阵中最好设有1至3个基准点。

进一步的，本发明上述数字摄影测量系统还使用了若干组参考点，每组参考点均由至少三个分别经参考目标物所标记的参考点组成；并且，每台数字摄影测量仪在其特定观测方位上均能够观测到至少一组参考点，且每台数字摄影测量仪在其特定观测方位上所能观测到的至少一组参考点中的任意两个参考点之间的基准距离是已知的；并且，每台数字摄影测量仪在其特定观测方位上通过对其变焦镜头进行焦距矫正以使该数字摄影测量仪测量到的所述至少一组参考点中任意两个参考点之间的实测距离趋近于这两个参考点之间的已知基准距离。

本发明的另一种结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，包括：被测目标群，所述被测目标群划分为至少两处被测目标点阵，每处被测目标点阵均由多个分别经被测目标物标记的目标点组成，且这些被测目标物根据待测定物的形状进行布置；数字摄影测量仪，所述数字摄影测量仪具有使该数字摄影测量仪得以观测到所述被测目标群内至少两处被测目标点阵中所有目标点的二维旋转伺服系统，该二维旋转伺服系统具有测量水平转角和俯仰转角的角度传感器，并且，任意一处被测目标点阵中所有的目标点均能被至少两台所述的数字摄影测量仪所同时观测；该数字摄影测量系统使用了一定数量且分别与所述各数字摄影测量仪标定了相对位置的激光跟踪仪，每一处被测目标点阵中均固定有与该被测目标点阵中的至少一个被测目标物建立有确定相对位置的反射器，且每一个反射器均能被至少一台激光跟踪仪所跟踪；并且，在每一处被测目标点阵中，由与固定在该被测目标点阵中的反射器建立有确定相对位置的被测目标物所标记的目标点即为数字摄影测量该被测目标点阵中各目标点的基准点，该数字摄影测量系统所得的所述各目标点的坐标值均以该基准点与对应激光跟踪仪之间的相对位置确定。

本发明上述第二种数字摄影测量系统相比于第一种数字摄影测量系统主要区别在于增加了使数字摄影测量仪进行水平旋转和俯仰旋转的二维旋转伺服系统，并且二维旋转伺服系统中具有测量水平转角和俯仰转角的角度传感器，这样，就能够提高数字摄影测量仪的观测范围，使数字摄影测量系统能够对大尺度的被测目标群进行测量。

进一步的，本发明上述第二种数字摄影测量系统对所述各被测目标点阵中各目标点的坐标值最好按以下方式确定：首先，标定激光跟踪仪在测量坐标系下的坐标值；其次，通过激光跟踪仪标定相应反射器，并根据该反射器与相应基准点之间的相对位置换算得到所述基准点相对激光跟踪仪的坐标值；其次，以基准点为坐标原点建立基准坐标系，通过数字摄影测量相应被测目标点阵中各目标点在该基准坐标系下的坐标值；其次，将所述各目标点在基准坐标系下的坐标值换算为各目标点在测量坐标系下的坐标值。

进一步的，本发明上述第二种数字摄影测量系统中各被测目标点阵中设有1至3个基准点。

进一步的，本发明上述第二种数字摄影测量系统中，若任意一台数字摄影测量仪中的感光元件对该数字摄影测量仪转动角度的分辨精度高于二维旋转伺服系统中的角度传感器对该转动角度的分辨精度，则，该数字摄影测量系统还使用有经固定目标物标记的固定点；并使所述数字摄影测量仪在观测该固定目标物的同时由二维旋转伺服系统驱动分别沿水平方向和竖直方向转动一定角度，若设二维旋转伺服系统的角度传感器检测到的该水平转角为α₁度、竖直转角为β₁度，而通过感光元件检测到的该水平转角为α₂度、竖直转角为β₂度，则将对所述角度传感器测量信号的补偿量确定为：水平转角的角度补偿量为(α₂-α₁)度，竖直转角的角度补偿量为(β₂-β₁)度。

进一步的，本发明上述第二种数字摄影测量系统还使用了若干组参考点，每组参考点均由至少三个分别经参考目标物所标记的参考点组成；并且，每台数字摄影测量仪在其特定观测方位上均能够观测到至少一组参考点，且每台数字摄影测量仪在其特定观测方位上所能观测到的至少一组参考点中的任意两个参考点之间的基准距离是已知的；并且，每台数字摄影测量仪在其特定观测方位上通过对其变焦镜头进行焦距矫正以使该数字摄影测量仪测量到的所述至少一组参考点中任意两个参考点之间的实测距离趋近于这两个参考点之间的已知基准距离。

本发明提供的用于上述数字摄影测量系统的复合式被测目标，包括支撑本体和同时安装在所述支撑本体上的被测目标物和反射器，所述反射器与被测目标物间隔开一定距离以使反射器不会妨碍数字摄影测量系统对所述被测目标物的观测，且所述被测目标物和反射器之间建立有确定的相对位置。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的数字摄影测量系统的组成示意图。

图2为本发明实施例的数字摄影测量系统的平面布置示意图。

图3为本发明通过感光元件对数字摄影测量仪的转动角度进行分辨的原理图。

图4为数字摄影测量仪中角度传感器测量误差对数字摄影测量误差的影响示意图。

图5为数字摄影测量仪中变焦镜头的焦距误差对数字摄影测量误差的影响示意图。

图6为本发明具体实施方式所使用的一种数字摄影测量仪的具体结构示意图。

图7为本发明具体实施方式所使用的一种数字摄影测量仪的工作原理图。

具体实施方式

本发明的第一种数字摄影测量系统如图1所示，包括：被测目标点阵300，所述被测目标点阵300由多个分别经被测目标物310标记的目标点组成，且这些被测目标物310根据待测定物的形状进行布置；数字摄影测量仪100，所述数字摄影测量仪100的数量为四台，并能同时观测所述被测目标点阵300中所有的目标点；此外，该系统使用了一台分别与所述各数字摄影测量仪100标定了相对位置的激光跟踪仪200，由该激光跟踪仪200所跟踪的反射器400固定在所述被测目标点阵300中并与其中的一个被测目标物310建立有确定的相对位置；由这个与反射器400建立有确定相对位置的被测目标物310所标记的目标点为数字摄影测量该被测目标点阵300中各目标点的基准点301，该数字摄影测量系统所得各目标点的坐标值均以基准点301与激光跟踪仪200之间的相对位置确定。

图1所示的数字摄影测量系统包括了三个坐标系，第一个是测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W），该数字摄影测量系统最终所要得到的即是被测目标点阵300中各目标点在该测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值，当激光跟踪仪200分别与图中的四台数字摄影测量仪100标定了相对位置后，该激光跟踪仪200以及四台数字摄影测量仪100在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）的机械坐标原点即被确定。第二个是激光跟踪仪200的机械坐标系U（X_U，Y_U，Z_U），当激光跟踪仪200标定反射器400后，由于反射器400与基准点301建立有确定的相对位置，因此该基准点301在所述机械坐标系U（X_U，Y_U，Z_U）下的坐标值即被确定。第三个是基准坐标系D（X_D，Y_D，Z_D），该基准坐标系D（X_D，Y_D，Z_D）是以基准点301为坐标原点建立。以往，由于空气扰动的影响，仅由上述四台数字摄影测量仪100所测量到的被测目标点阵300中各目标点在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值整体发生了偏移。

为了消除空气扰动的影响，图1所示的数字摄影测量系统可以通过将所述基准点301在机械坐标系U（X_U，Y_U，Z_U）下的坐标值以及激光跟踪仪200在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值进行换算从而得到该基准点301在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值；之后，再通过将激光跟踪仪200测量下的该基准点301在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值与四台数字摄影测量仪100测量下的该基准点301在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值进行对比，然后，将对四台数字摄影测量仪100测量下的各目标点在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值整体进行偏移从而使激光跟踪仪200测量下的该基准点301在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值与四台数字摄影测量仪100测量下的该基准点301在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值相互吻合。这样，就使得该数字摄影测量系统所测得的各目标点的坐标值均通过了基准点301与激光跟踪仪200之间的相对位置来确定，由于激光跟踪仪200的测量不受空气扰动的影响，因此，本发明的数字摄影测量系统实际上就克服了空气扰动问题。

然而，由于本发明的上述数字摄影测量系统仍然要通过四台数字摄影测量仪100测量被测目标点阵300中各目标点在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值，因此还存在各台数字摄影测量仪100在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）中标定精度等问题。因此，本发明建议将被测目标点阵300中各目标点的坐标值按以下方式确定：首先，标定激光跟踪仪200在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值；其次，通过激光跟踪仪200标定反射器400，并根据该反射器400与相应基准点301之间的相对位置换算得到该基准点301在所述机械坐标系U（X_U，Y_U，Z_U）下的坐标值；其次，通过数字摄影测量所述被测目标点阵300中各目标点在基准坐标系D（X_D，Y_D，Z_D）下的坐标值；其次，将所述各目标点在基准坐标系D（X_D，Y_D，Z_D）下的坐标值换算为各目标点在测量坐标系W（X_W，Y_W，Z_W）下的坐标值。显然，这种方式将进一步提高数字摄影测量系统的测量精度。当然，由于该方式仍基于坐标融合，因此，所述激光跟踪仪200实际上仍视为与各台数字摄影测量仪100标定了相对位置。可见，本发明的术语“标定”实际是指存在相对位置关系的意思。

为了便于在反射器400与对应被测目标物310之间建立确定的相对位置，本发明的上述数字摄影测量系统还使用了一复合式被测目标700。具体如图1所示，该复合式被测目标700包括支撑本体710和同时安装在所述支撑本体710上的被测目标物310和反射器400，所述反射器400与被测目标物310间隔开一定距离以使反射器400不会妨碍数字摄影测量系统对所述被测目标物310的观测，且所述被测目标物310和反射器400之间建立有确定的相对位置。具体的，为了较好的避免反射器400妨碍数字摄影测量系统对所述被测目标物310的观测，该反射器400最好固定在对应被测目标物310的下方。

在本发明的第一种数字摄影测量系统的基础上，本发明还提供了第二种数字摄影测量系统。所述的第二种数字摄影测量系统的测量范围可以比第一种数字摄影测量系统的测量范围更宽。如图1、2所示，所述第二种数字摄影测量系统包括：被测目标群600，所述被测目标群600划分为至少两处被测目标点阵300，每处被测目标点阵300均由多个分别经被测目标物310标记的目标点组成，且这些被测目标物310根据待测定物的形状进行布置；数字摄影测量仪100，所述数字摄影测量仪100具有使该数字摄影测量仪100得以观测到所述被测目标群600内至少两处被测目标点阵300中所有目标点的二维旋转伺服系统120，该二维旋转伺服系统120具有测量水平转角和俯仰转角的角度传感器，并且，任意一处被测目标点阵300中所有的目标点均能被至少两台所述的数字摄影测量仪100所同时观测；该数字摄影测量系统还使用了一定数量且分别与所述各数字摄影测量仪100标定了相对位置的激光跟踪仪200，每一处被测目标点阵300中均固定有与该被测目标点阵300中的至少一个被测目标物310建立有确定相对位置的反射器400，且每一个反射器400均能被至少一台激光跟踪仪200所跟踪；并且，在每一处被测目标点阵300中，由与固定在该被测目标点阵300中的反射器400建立有确定相对位置的被测目标物310所标记的目标点即为数字摄影测量该被测目标点阵300中各目标点的基准点301，该数字摄影测量系统所得的所述各目标点的坐标值均以该基准点301与对应激光跟踪仪200之间的相对位置确定。

本发明的第二种数字摄影测量系统的具体示例如图2所示：被测目标群600划分为四处被测目标点阵300（图2中每一处被测目标点阵300的范围均使用了一个的矩形虚线框表示），按照图2的顺时针方向将这四处被测目标点阵300依次命名为第一被测目标点阵300A、第二被测目标点阵300B、第三被测目标点阵300C、第四被测目标点阵300D，在所述这四处被测目标点阵300中的被测目标物310均呈矩形阵列，且相邻被测目标物310之间的间隔距离相等；此外，所述这四处被测目标点阵300中均设有一部前述的复合式被测目标700。在被测目标群600的四周共布置有八台数字摄影测量仪100，同样以顺时针方向依次命名为第一数字摄影测量仪100A、第二数字摄影测量仪100B、第三数字摄影测量仪100C、第四数字摄影测量仪100D、第五数字摄影测量仪100E、第六数字摄影测量仪100F、第七数字摄影测量仪100G和第八数字摄影测量仪100H；每台数字摄影测量仪100的测量范围101覆盖除距离该数字摄影测量仪100最近的两行或两列的被测目标物310外被测目标群600中其他所有的被测目标物310，例如，图2中，第一数字摄影测量仪100A的测量范围101覆盖除B1-B2两列被测目标物310外被测目标群600中其他所有的被测目标物310，第二数字摄影测量仪100B的测量范围101覆盖除B1-B2两列列端处的几个被测目标物310外被测目标群600中其他所有的被测目标物310，第三数字摄影测量仪100C的测量范围101覆盖除A1-A2两行被测目标物310外被测目标群600中其他所有的被测目标物310，其他数字摄影测量仪100的测量范围101以此类推。在被测目标群600的外围还布置有两台激光跟踪仪200，分别命名为第一激光跟踪仪200A和第二激光跟踪仪200B，第一激光跟踪仪200A的测量范围201覆盖第一被测目标点阵300A和第四被测目标点阵300D中的复合式被测目标700，第二激光跟踪仪200B的测量范围201覆盖第二被测目标点阵300B和第三被测目标点阵300C中的复合式被测目标700。

下面以第一被测目标点阵300A和第二被测目标点阵300B的测量对本发明的第二种数字摄影测量系统的工作方式进行说明。首先，八台数字摄影测量仪100分别对准第一被测目标点阵300A，此时，第一数字摄影测量仪100A、第二数字摄影测量仪100B、第六数字摄影测量仪100F、第七数字摄影测量仪100G和第八数字摄影测量仪100H的观测范围的交集将覆盖第一数字摄影测量仪100A中所有的目标点；由与上述这些数字摄影测量仪分别标定了相对位置的第一激光跟踪仪200A对第一被测目标点阵300A中的复合式被测目标700上的基准点301进行标定；通过第一数字摄影测量仪100A、第二数字摄影测量仪100B、第六数字摄影测量仪100F、第七数字摄影测量仪100G和第八数字摄影测量仪100H测量出第一被测目标点阵300A中所有目标点相对基准点301的坐标，最后再通过换算得到第一被测目标点阵300A中所有目标点在测量坐标系下的坐标值。

此后，八台数字摄影测量仪100分别在各自的二维旋转伺服系统120的驱动下继续向第二被测目标点阵300B转动，此时，第一数字摄影测量仪100A、第二数字摄影测量仪100B、第三数字摄影测量仪100C、第四数字摄影测量仪100D和第八数字摄影测量仪100H的观测范围的交集将覆盖第二被测目标点阵300B中所有的目标点；由与上述这些数字摄影测量仪分别标定了相对位置的第二激光跟踪仪200B对第二被测目标点阵300B中的复合式被测目标700上的基准点301进行标定；通过第一数字摄影测量仪100A、第二数字摄影测量仪100B、第三数字摄影测量仪100C、第四数字摄影测量仪100D和第八数字摄影测量仪100H测量出第二被测目标点阵300B中所有目标点相对基准点301的坐标，最后再通过换算得到第二被测目标点阵300B中所有目标点在测量坐标系下的坐标值。

由于每台数字摄影测量仪100中的二维旋转伺服系统120均具有测量水平转角和俯仰转角的角度传感器，因此，只要通过角度传感器测出各台数字摄影测量仪100的水平转角α和竖直转角为β，就能够计算出该数字摄影测量仪100旋转后在测量坐标系下的更新位置，从而将数字摄影测量仪100转动前测量到的各目标点的坐标值与数字摄影测量仪100转动后测量到的各目标点的坐标值统一起来。根据水平转角α和竖直转角为β进行坐标值的换算属于本领域常规技术手段，在激光跟踪技术、全站仪技术中均有使用，本发明对此不再进行赘述。

本发明还的第二种数字摄影测量系统使用了二维旋转伺服系统120，由此带来了角度传感器测量误差的问题。如图4所示，当旋转后的数字摄影测量仪100对某一被测目标点阵中的三个目标点P1、P2、P3进行观测时，如果该数字摄影测量仪100中的角度传感器对之前的水平转角α和竖直转角为β的测量角度有误，就会使数字摄影测量仪100得到的图像矢量V1、V2、V3（V1、V2、V3分别对应P1、P2、P3）整体偏移，且偏移矢量一致。解决角度传感器测量误差的通常方法是利用精度更高的测角装置进行误差补偿。

本发明建议对角度传感器的测量误差采取的补偿方法为：若所述任意一台数字摄影测量仪100中的感光元件140对该数字摄影测量仪100转动角度的分辨精度高于二维旋转伺服系统120中的角度传感器对该转动角度的分辨精度，则，该数字摄影测量系统还使用有经固定目标物800标记的固定点；并使所述数字摄影测量仪100在观测该固定目标物800的同时由二维旋转伺服系统120驱动分别沿水平方向和竖直方向转动一定角度，若设二维旋转伺服系统120的角度传感器检测到的该水平转角为α₁度、竖直转角为β₁度，而通过感光元件140检测到的该水平转角为α₂度、竖直转角为β₂度，则将对所述角度传感器测量信号的补偿量确定为：水平转角的角度补偿量为(α₂-α₁)度，竖直转角的角度补偿量为(β₂-β₁)度。

上述建议的补偿方法基于图3所示的原理。图3中，当数字摄影测量仪在二维旋转伺服系统的驱动下分别沿水平和竖直方向旋转一定角度时，固定目标物在感光元件140（例如CCD传感器、CMOS器件等）上的成像800’将沿图3中箭头所示的方向横向移动像素X且纵向移动像素Y，显然，像素X对应数字摄影测量仪的水平转角α，像素Y则对应数字摄影测量仪的竖直转角β。如果感光元件140具有足够高的分辨率，则感光元件140上每一个像素的尺寸将很小，例如可达到5um，同时，目前的算法水平又可以将成像800’的中心位置精确到十分之一像素，即0.5um，则相对于100mm的镜头焦距，该感光元件140对数字摄影测量仪转动角度的分辨精度达到一个角秒（1/3600度），远高于现有的角度传感器对转动角度的分辨精度。这时，通过感光元件140对数字摄影测量仪转动角度的测量值对角度传感器的测量误差进行补偿，从而降低角度传感器的测量误差。将图3中的像素X和像素Y换算为水平转角α和竖直转角β的具体计算方法同样属于本领域常规技术手段，例如，在激光跟踪仪中就采用了将CCD（或PSD）上检测到的位移信号转变为二维码盘的转角控制信号的技术。

在本发明的第二种数字摄影测量系统中所使用的数字摄影测量仪100的具体结构如图1所示。它包括一个具有一定深度的机座，在该机座的上端经二维旋转伺服系统120安装有反光镜110，机座内由上至下安装有镜头130和感光元件140，当所述反光镜110在二维旋转伺服系统120的驱动下运动至一定方位时，指向该反光镜110的外界光线可在该反光镜110的反射下通过镜头130被感光元件140所接收。然而，除上述结构的数字摄影测量仪100以外，本发明的第二种数字摄影测量系统中所使用的数字摄影测量仪100也可以采用与“摄影全站仪”类似的结构(关于“摄影全站仪”，可参考“论摄影测量和工程测量的结合，张祖勋，地理空间信息，第02卷第6期，2004年12月”)。

下面对图1所示的数字摄影测量仪100的结构、其工作原理以及优点作具体说明。如图6所示，数字摄影测量仪100中的二维旋转伺服系统120包括水平码盘121和俯仰码盘122，所述反光镜110安装在俯仰码盘122的俯仰转轴EL上并能够由电机驱动绕该俯仰转轴EL旋转，所述俯仰转轴EL又通过支架安装在水平码盘121上并能够由电机驱动绕水平转轴AZ旋转。由此，就使得该反光镜110既能够绕俯仰转轴EL旋转，又能够绕水平转轴AZ旋转，即实现反光镜110水平旋转和俯仰旋转的二维旋转功能。由于指向该反光镜110的外界光线可在该反光镜110的反射下通过镜头130被感光元件140所接收，从而实现摄影测量功能。对于图1、6所示的数字摄影测量仪100，由于其将镜头130和感光元件140一并固定在机座内，起到对镜头130和感光元件140的保护作用；二维旋转伺服系统120仅用于驱动反光镜110，极大的简化了数字摄影测量仪100的结构和体积。

关于对数字摄影测量仪100的工作原理，如图7所示，先以数字摄影测量仪100的机座上某一基准点为坐标原点建立数字摄影测量仪100的基准坐标系F0（X，Y，Z），设由镜头130和感光元件140所组成的相机的坐标系为F5（X，Y，Z），则在数字摄影测量仪100的设计和安装过程中，相机坐标系F5（X，Y，Z）与基准坐标系F0（X，Y，Z）之间的相对位置就可以标定出来。测量时，反光镜110的镜面分别绕水平转轴AZ和俯仰转轴EL旋转到一定的方位上，这时，反光镜110的镜面在基准坐标系F0（X，Y，Z）中的方位根据所检测到的水平转角和俯仰转角计算得到。从相机坐标系F5（X，Y，Z）发出指向位于反光镜110上的被测目标点的矢量V，该矢量V在基准坐标系F0（X，Y，Z）中的起点和方向根据相机坐标系F5（X，Y，Z）与基准坐标系F0（X，Y，Z）之间的相对位置以及相机本身的测量数据求得），然后将该矢量V通过反光镜110的镜面进行镜像后可得到镜像矢量V’，该镜像矢量V’在基准坐标系F0（X，Y，Z）中的起点和方向，即为数字摄影测量仪100对外界被测目标点（通过被测目标物310所标记）的测量值。

为使本发明的数字摄影测量系统在测量远距离目标点和测量近距离目标点时有接近的测量精度，本发明具体实施方式中的第一种数字摄影测量系统中的数字摄影测量仪100和第二种数字摄影测量系统中的数字摄影测量仪100最好使用变焦镜头130。如图5所示，当数字摄影测量仪100对某一被测目标点阵中的三个目标点P1、P2、P3进行观测时，这三个目标点P1、P2、P3两两连线形成一个空间三角形，如果该数字摄影测量仪100的变焦镜头130的焦距存在误差，那么该数字摄影测量仪100得到的图像矢量V1、V2、V3的终点的两两连线所形成的空间三角形（如图5中虚线所示）的大小将相对于由目标点P1、P2、P3两两连线形成一个空间三角形的大小进行等比例缩放。

以本发明的第二种数字摄影测量系统为例，说明本发明解决变焦镜头焦距误差的方式。如图2所示，本发明的第二种数字摄影测量系统还使用了若干组参考点，每组参考点均由至少三个分别经参考目标物500所标记的参考点组成；并且，每台数字摄影测量仪100在其特定观测方位上均能够观测到至少一组参考点，且每台数字摄影测量仪100在其特定观测方位上所能观测到的至少一组参考点中的任意两个参考点之间的基准距离是已知的；并且，每台数字摄影测量仪100在其特定观测方位上通过对其变焦镜头130进行焦距矫正以使该数字摄影测量仪100测量到的所述至少一组参考点中任意两个参考点之间的实测距离趋近于这两个参考点之间的已知基准距离。

图2中，仅为了便于说明本发明的技术方案而只在第一被测目标点阵300A中布置了三个参考目标物500；显然，为了对各台数字摄影测量仪100的变焦镜头进行焦距矫正，还应该在其他的被测目标点阵300布置至少三个参考目标物500，以使每一台数字摄影测量仪100均能够观测到至少一组参考点。

下面以第一数字摄影测量仪100A进行说明。在第一被测目标点阵300A中布置的三个参考目标物500所标记的参考点构成一空间三角形（如虚线所示），首先通过激光跟踪仪标定这三个参考点以及第一数字摄影测量仪100A，这样，就可确定出这三个参考点在第一数字摄影测量仪100A观测下的基准坐标值，当第一数字摄影测量仪100A在某一角度下观测这三个参考点时，这三个参考点中任意两个参考点之间的基准距离的也可以通过计算得到；然后，将第一数字摄影测量仪100A转动到上面设定好的观测角度下，并通过对其变焦镜头的焦距进行调整以使从该第一数字摄影测量仪100A测量到的这三个参考点的中任意两个参考点之间的实测距离趋于上述基准距离，从而就完成了变焦镜头的焦距矫正。

当然，上述使用的参考目标物500也可以由被测目标点阵300中的被测目标物310来兼作。因为，通常会依据设定好的间隔距离来安放被测目标物310，换言之，被测目标物310之间的间隔距离在其安装时就已经确定好了；同时，被测目标点阵300中又有与激光跟踪仪建立了相对位置的至少一个被测目标物310，且该激光跟踪仪也与数字摄影测量仪建立了相对位置，因此，该数字摄影测量仪在其特定观测方位上所能观测到的三个被测目标物310中的任意两个之间的基准距离也可通过计算得到。

Claims (8)

1.结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，包括：

被测目标点阵(300)，所述被测目标点阵(300)由多个分别经被测目标物(310)标记的目标点组成，且这些被测目标物(310)根据待测定物的形状进行布置；

数字摄影测量仪(100)，所述数字摄影测量仪(100)的数量为至少两台，并能同时观测所述被测目标点阵(300)中所有的目标点；

其特征在于，

该系统使用了至少一台分别与所述各数字摄影测量仪(100)标定了相对位置的激光跟踪仪(200)，由该激光跟踪仪(200)所跟踪的反射器(400)固定在所述被测目标点阵(300)中并与其中的至少一个被测目标物(310)建立有确定的相对位置；并且

由所述这至少一个与反射器(400)建立有确定相对位置的被测目标物(310)所标记的目标点即为数字摄影测量该被测目标点阵(300)中各目标点的基准点(301)，该数字摄影测量系统所得各目标点的坐标值均以基准点(301)与激光跟踪仪(200)之间的相对位置确定；

所述被测目标点阵(300)中各目标点的坐标值按以下方式确定：

首先，标定激光跟踪仪(200)在测量坐标系下的坐标值；其次

通过激光跟踪仪(200)标定反射器(400)，并根据该反射器(400)与相应基准点(301)之间的相对位置换算得到所述基准点(301)相对激光跟踪仪(200)的坐标值；其次

以基准点(301)为坐标原点建立基准坐标系，通过数字摄影测量所述被测目标点阵(300)中各目标点在该基准坐标系下的坐标值；其次

将所述各目标点在基准坐标系下的坐标值换算为各目标点在测量坐标系下的坐标值。

2.如权利要求1所述的结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，其特征在于：所述被测目标点阵(300)中设有1至3个基准点(301)。

3.如权利要求1或2所述的结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，其特征在于：该数字摄影测量系统还使用了若干组参考点，每组参考点均由至少三个分别经参考目标物(500)所标记的参考点组成；并且

每台数字摄影测量仪(100)在其特定观测方位上均能够观测到至少一组参考点，且每台数字摄影测量仪(100)在其特定观测方位上所能观测到的至少一组参考点中的任意两个参考点之间的基准距离是已知的；并且

每台数字摄影测量仪(100)在其特定观测方位上通过对其变焦镜头(130)进行焦距矫正以使该数字摄影测量仪(100)测量到的所述至少一组参考点中任意两个参考点之间的实测距离趋近于这两个参考点之间的已知基准距离。

4.结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，包括：

被测目标群(600)，所述被测目标群(600)划分为至少两处被测目标点阵(300)，每处被测目标点阵(300)均由多个分别经被测目标物(310)标记的目标点组成，且这些被测目标物(310)根据待测定物的形状进行布置；

数字摄影测量仪(100)，所述数字摄影测量仪(100)具有使该数字摄影测量仪(100)得以观测到所述被测目标群(600)内至少两处被测目标点阵(300)中所有目标点的二维旋转伺服系统(120)，该二维旋转伺服系统(120)具有测量水平转角和俯仰转角的角度传感器，并且

任意一处被测目标点阵(300)中所有的目标点均能被至少两台所述的数字摄影测量仪(100)所同时观测；

其特征在于，

该数字摄影测量系统使用了一定数量且分别与所述各数字摄影测量仪(100)标定了相对位置的激光跟踪仪(200)，每一处被测目标点阵(300)中均固定有与该被测目标点阵(300)中的至少一个被测目标物(310)建立有确定相对位置的反射器(400)，且每一个反射器(400)均能被至少一台激光跟踪仪(200)所跟踪；并且

在每一处被测目标点阵(300)中，由与固定在该被测目标点阵(300)中的反射器(400)建立有确定相对位置的被测目标物(310)所标记的目标点即为数字摄影测量该被测目标点阵(300)中各目标点的基准点(301)，该数字摄影测量系统所得的所述各目标点的坐标值均以该基准点(301)与对应激光跟踪仪(200)之间的相对位置确定。

5.如权利要求4所述的结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，其特征在于：所述各被测目标点阵(300)中各目标点的坐标值按以下方式确定：

首先，标定激光跟踪仪(200)在测量坐标系下的坐标值；其次

通过激光跟踪仪(200)标定相应反射器(400)，并根据该反射器(400)与相应基准点(301)之间的相对位置换算得到所述基准点(301)相对激光跟踪仪(200)的坐标值；其次

以基准点(301)为坐标原点建立基准坐标系，通过数字摄影测量相应被测目标点阵(300)中各目标点在该基准坐标系下的坐标值；其次

将所述各目标点在基准坐标系下的坐标值换算为各目标点在测量坐标系下的坐标值。

6.如权利要求4所述的结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，其特征在于：所述各被测目标点阵(300)中设有1至3个基准点(301)。

7.如权利要求4所述的结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，其特征在于：若所述任意一台数字摄影测量仪(100)中的感光元件(140)对该数字摄影测量仪(100)转动角度的分辨精度高于二维旋转伺服系统(120)中的角度传感器对该转动角度的分辨精度，则

该数字摄影测量系统还使用有经固定目标物(800)标记的固定点；并使

所述数字摄影测量仪(100)在观测该固定目标物(800)的同时由二维旋转伺服系统(120)驱动分别沿水平方向和竖直方向转动一定角度，若设

二维旋转伺服系统(120)的角度传感器检测到的该水平转角为α₁度、竖直转角为β₁度，而通过感光元件(140)检测到的该水平转角为α₂度、竖直转角为β₂度，则将

对所述角度传感器测量信号的补偿量确定为：水平转角的角度补偿量为(α₂-α₁)度，竖直转角的角度补偿量为(β₂-β₁)度。

8.如权利要求4、5、6或7所述的结合激光跟踪技术的数字摄影测量系统，其特征在于：该数字摄影测量系统还使用了若干组参考点，每组参考点均由至少三个分别经参考目标物(500)所标记的参考点组成；并且

每台数字摄影测量仪(100)在其特定观测方位上均能够观测到至少一组参考点，且每台数字摄影测量仪(100)在其特定观测方位上所能观测到的至少一组参考点中的任意两个参考点之间的基准距离是已知的；并且

每台数字摄影测量仪(100)在其特定观测方位上通过对其变焦镜头(130)进行焦距矫正以使该数字摄影测量仪(100)测量到的所述至少一组参考点中任意两个参考点之间的实测距离趋近于这两个参考点之间的已知基准距离。