專利名稱：位置測量方法和位置測量儀器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種位置測量方法和一種位置測量儀器，由此即使當不能通過 GPS(全球定位系統)執行位置測量時，在GPS中測量位置也是可能的。
背景技術：
近年來，使用GPS的位置測量已經普及。例如，當計劃通過使用土木工程和建筑機 械例如推土機執行土木工程操作時，操作位置即推土機的位置是通過GPS確定的，并且操 作位置得以確認。或者，如在汽車導航儀的情形中，電子地圖信息被與通過GPS獲得的位置 數據相關聯。然后，車輛的目前位置被反映于電子地圖上并且被轉換成圖像，并且在圖像顯 示裝置上顯示這個圖像。因此，移動目標的位置能夠得以實時地測量。然而，GPS在位置測量中使用來自衛星的無線電波。因為來自衛星的無線電波被 障礙物例如山或者建筑物中斷，所以經常存在無線電波不能到達的場所(遮蔽處)。或者， 類似其位置測量范圍未被清楚地確定的汽車導航儀的情形，經常存在無線電波不能到達的 遮蔽處。對于不能通過GPS執行位置測量的范圍，在過去已經如此實施，即必須通過使用 傳統類型的測繪儀器而利用人力測繪操作繼續位置測量。在被安設于移動目標上的汽車導航儀等的情形中，不能在遮蔽部分上執行位置測 量，并且不能作為位置測量儀器實現令人滿意的功能。在這方面，JP-A-2007-171048公開了一種當不能通過GPS執行位置測量時的位置 數據插值方法。根據在JP-A-2007-171048中公開的插值方法，對于不能通過GPS執行位置 測量的范圍，在其中移動目標被移動的過程期間，作為數字圖像連續地拍攝周圍環境中的 風景。然后，在如此獲取的數字圖像中產生跟蹤點。在被連續地獲取的圖像中描繪出跟蹤 點。在所獲取的圖像上順序地識別跟蹤點。然后，根據在第一點處和在第二點處的跟蹤點 的定向結果并且根據在第一點處和在第二點處的位置數據(它們是通過GPS位置測量已知 的)，跟蹤點的三維位置數據得以確定(前方交會方法(intersection))。基于在第三點處 獲取的跟蹤點的定向結果并且基于跟蹤點的三維位置數據，第三點的位置得以順序地確定 (后方交會(resection)方法)。利用根據JP-A-2007-171048的位置數據插值方法，在其中GPS位置測量不能完成 的情形中執行位置測量是可能的。在另一方面，根據JP-A-2007-171048的位置數據插值方法是基于連續圖像能夠 得以獲取、在圖像之間的點的跟蹤能夠得以實現并且圖像測繪能夠得以執行的情況。然而， 在實際位置測量操作中，可能獲取不到連續圖像。例如，在其中沿著道路存在建筑物的情況 下的位置測量中，如果在建筑物之間存在空間或者如果建筑物缺失，則不能在不存在建筑 物的地點上獲取圖像，并且對于圖像的跟蹤不能得以實現。或者，即使當在圖像中獲得了跟 蹤點時，跟蹤點的三維位置數據也不存在連續性，或者三維位置數據可以大范圍地改變。結 果，可能發生這樣的麻煩，即在圖像中根據三維位置數據獲得的第三點的位置測量的準確
3度將被極度地降低。此外，存在以下的屬性，S卩，在通過重復前方交會方法和后方交會方法執行位置測 量的過程中，測量誤差可能得到積累。因此，在其中GPS位置測量不能被長時間地執行的情 況下，測量可靠性降低。
發明內容
本發明的目的在于提供一種位置測量方法和一種位置測量儀器，由此當GPS位置 測量不能得以執行時并且在其中連續圖像不能得以獲取的情況下，連續地執行位置測量而 不降低測量準確度是可能的。為了實現以上目的，本發明提供一種用于測量移動圖像拾取位置和用于從圖像拾 取位置測量圖像拾取目標的位置測量方法，其中前方交會方法和后方交會方法被交替地和 反復地執行，使用前方交會方法以連續地拍攝數字圖像，在圖像中產生跟蹤點，在移動圖像 上執行跟蹤，并且通過計算從被用作已知點的圖像拾取位置的坐標測量跟蹤點的坐標，后 方交會方法被用于從通過計算獲得的跟蹤點的坐標測量在移動之后的圖像拾取位置，包括 與數字圖像的圖像拾取并行地通過激光測繪而實際上測量到圖像拾取目標的距離的步驟、 比較通過計算獲得的跟蹤點的坐標與通過實際測量獲得的距離的步驟，和在通過計算獲得 的計算坐標相對于實際測得距離在預定誤差極限內的情形中獲取計算坐標以作為跟蹤點 的坐標值的步驟。而且，本發明提供如上所述的位置測量方法，進一步包括在執行激光測繪時沿著 從上到下的方向移動多個點的步驟，和設置用于執行移動圖像跟蹤的測量范圍的步驟。此 外，本發明提供如上所述的位置測量方法，進一步包括在待被拍攝的移動圖像的一部分中 包括道路表面或者地表面的步驟、還從道路表面或者地表面的圖像提取跟蹤點的步驟，和 當圖像拾取目標并不存在時利用道路表面或者地表面的圖像繼續跟蹤移動圖像的步驟。而且，本發明提供一種位置測量儀器，包括GPS位置檢測裝置、用于連續地拍攝數 字圖像的圖像拾取裝置、激光距離測量裝置，和測量儀器主單元，其中GPS位置檢測裝置測 量在第一點和第二點處的位置數據，圖像拾取裝置在其中圖像拾取裝置從是已知點的第一 點經由第二點移動到是未知點的第三點的過程期間連續地對于周圍環境中的風景拍攝數 字圖像，激光距離測量裝置與圖像拾取裝置進行的圖像拾取并行地測量到圖像拾取目標的 距離，并且測量儀器主單元從在第一點處獲得的圖像產生跟蹤點，從在將被連續地獲取的 圖像上產生的點的描繪順序地識別跟蹤點，從在第一點和第二點處的位置數據計算在第一 點處獲取的圖像和在第二點處獲取的圖像的跟蹤點的三維位置數據，比較計算結果與通過 激光距離測量裝置的距離測量結果，采用相對于測量結果在預定誤差極限內的計算結果作 為跟蹤點的位置數據，以及從跟蹤點的位置數據計算第三點的位置數據。此外，本發明提供如上所述的位置測量儀器，其中激光距離測量裝置能夠同時地 或者幾乎同時地在從上到下的方向上對于多個點執行測量。而且，本發明提供如上所述的 位置測量儀器，其中所述激光距離測量裝置投射多個脈沖激光束，所述脈沖激光束在從上 到下的方向上以它們之間具有預定距離沿線排列，并且對于每一個激光束和對于每一個激 光束的每一個脈沖執行距離測量。此外，本發明提供如上所述的位置測量儀器，其中激光距 離測量裝置在從上到下的方向上往復地投射單脈沖激光束以進行掃描，并且對于每一個脈
4沖測量距離。而且，本發明提供如上所述的位置測量儀器，其中測量儀器主單元基于通過激 光距離測量裝置的測量結果設置測量范圍并且執行對于移動圖像的跟蹤和對于測量范圍 的測量。本發明提供一種用于測量移動圖像拾取位置和用于從圖像拾取位置測量圖像拾 取目標的位置測量方法，其中前方交會方法和后方交會方法被交替地和反復地執行，使用 前方交會方法以連續地拍攝數字圖像，在圖像中產生跟蹤點，在移動圖像上執行跟蹤，并且 通過計算從被用作已知點的圖像拾取位置的坐標測量跟蹤點的坐標，后方交會方法被用于 從通過計算獲得的跟蹤點的坐標測量在移動之后的圖像拾取位置，包括與數字圖像的圖像 拾取并行地通過激光測繪而實際上測量到圖像拾取目標的距離的步驟、比較通過計算獲得 的跟蹤點的坐標與通過實際測量獲得的距離的步驟，和在通過計算獲得的計算坐標相對于 實際測得距離在預定誤差極限內的情形中獲取計算坐標作為跟蹤點的坐標值的步驟。結 果，通過計算獲得的跟蹤點的坐標的、具有低準確度的數據得以排除，并且能夠防止測量準 確度降低。此外，能夠防止在前方交會方法和后方交會方法中發生累積誤差，并且增加位置 測量的準確度并且改進可靠性是可能的。而且，本發明提供如上所述的位置測量方法，進一步包括在執行激光測繪時在從 上到下的方向上移動多個點的步驟，和設置用于執行移動圖像跟蹤的測量范圍的步驟。結 果，消除這種類型的測量操作是可能的，所述測量操作是無用的或者是不重要的，并且增加 測量效率并且減輕位置測量儀器的負擔是可能的。此外，本發明提供如上所述的位置測量方法，進一步包括在待被拍攝的移動圖像 的一部分中包括道路表面或者地表面的步驟，還從道路表面或者地表面的圖像提取跟蹤點 的步驟，和當圖像拾取目標并不存在時利用道路表面或者地表面的圖像繼續移動圖像跟蹤 的步驟。結果，即使當圖像拾取目標可能并不存在時，可能防止由于跟蹤點的錯誤識別而發 生測量誤差，或者防止測量中斷，并且測量效率得以改進。而且，本發明提供如上所述的位置測量儀器，包括GPS位置檢測裝置、用于連續地 拍攝數字圖像的圖像拾取裝置、激光距離測量裝置，和測量儀器主單元，其中GPS位置檢測 裝置測量在第一點和第二點處的位置數據，圖像拾取裝置在其中圖像拾取裝置從是已知點 的第一點經由第二點移動到是未知點的第三點的過程期間連續地對于周圍環境中的風景 拍攝數字圖像，激光距離測量裝置與通過圖像拾取裝置進行的圖像拾取并行地測量到圖像 拾取目標的距離，并且測量儀器主單元從在第一點處獲得的圖像產生跟蹤點，從在將被連 續地獲取的圖像上產生的點的描繪順序地識別跟蹤點，從在第一點和第二點處的位置數據 計算在第一點處獲取的圖像和在第二點處獲取的圖像的跟蹤點的三維位置數據，比較計算 結果與通過激光距離測量裝置的距離測量結果，采用相對于測量結果在預定誤差極限內的 計算結果作為跟蹤點的位置數據，和，從跟蹤點的位置數據計算第三點的位置數據。結果， 如通過計算獲得的有關跟蹤點的位置數據的、具有低準確度的數據能夠得以排除，并且能 夠防止測量準確度降低。同時，能夠防止累積誤差的發生，并且增加位置測量中的準確度并 且改進可靠性是可能的。此外，本發明提供如上所述的位置測量儀器，其中激光距離測量裝置能夠同時地 或者幾乎同時地在從上到下的方向上對于多個點執行測量。結果，執行到待被測量的目標 的距離的測量并且識別待被測量的目標的表面是可能的。
而且，本發明提供如上所述的位置測量儀器，其中所述激光距離測量裝置投射多 個脈沖激光束，所述脈沖激光束在從上到下的方向上以它們之間具有預定距離沿線排列， 并且對于每一個激光束和對于每一個激光束的每一個脈沖執行距離測量。因為能夠在從上 到下的方向上同時測量多個點，所以到待被測量的目標目標的距離能夠得以確定并且待被 測量的目標的表面能夠得以識別。此外，本發明提供如上所述的位置測量儀器，其中激光距離測量裝置在從上到下 的方向上往復地投射單脈沖激光束以進行掃描，并且對于每一個脈沖測量距離。因為能夠 在從上到下的方向上幾乎同時地測量多個點，所以到待被測量的目標的距離能夠得以確定 并且待被測量的目標的表面能夠得以識別。而且，本發明提供如上所述的位置測量儀器，其中測量儀器主單元基于通過激光 距離測量裝置的測量結果設置測量范圍并且執行對于移動圖像的跟蹤和對于測量范圍的 測量。結果，消除這種類型的測量操作是可能的，所述測量操作是無用的或者不重要的，并 且增加測量效率并且減輕位置測量儀器的負擔是可能的。
圖1是示出根據本發明的實施例的位置測量儀器的示意圖；圖2是解釋其中本發明實施例得以執行的情況的示意3是根據本發明實施例的位置測量儀器的示意框圖；圖4是示出在本發明實施例中的操作的流程圖；圖5是解釋在位置測量儀器的圖像跟蹤操作中的圖像拾取情況的繪圖；圖6(A)和圖6(B)每一個均代表示出所獲得的圖像的繪圖；圖7是解釋在本發明實施例中基于前方交會方法和基于后方交會方法的測量情 況的繪圖。圖8(A)是解釋根據所獲得的圖像通過前方交會方法的、用于跟蹤點的位置測量 的繪圖，并且圖8(B)是解釋基于所獲得的圖像通過后方交會方法的、用于圖像拾取點的位 置測量的繪圖。圖9是解釋在本發明實施例中通過前方交會方法和后方交會方法的測量的操作 的流程圖；圖10代表解釋單一照相定向的繪圖和等式；圖11是用于解釋在本發明實施例中在圖像跟蹤和距離測量之間的關系的圖示；圖12示出用于解釋在本發明實施例中在圖像跟蹤和距離測量之間的關系的附 圖；并且圖13是解釋如在本發明實施例中獲得的、待被測量的目標和對其進行測量的移 動目標的測量點的軌跡的繪圖。
具體實施例方式將在下面通過參考附圖而對于本發明的實施例給出說明。首先，參考圖1到圖3，將對于根據本發明的位置測量儀器給出說明。圖1是示出位置測量儀器1的總體特征的示意圖。位置測量儀器1主要包括測量
6儀器主單元2、位置檢測裝置3、操作單元4，和顯示單元5。位置檢測裝置3被安設于提供 良好視野的位置處，例如移動目標25例如推土機、汽車的駕駛艙的頂上。測量儀器主單元 2、操作單元4和顯示單元5被安設于操作員或者駕駛員在此處能夠容易地操作并且能夠在 視覺上辨識圖像的位置例如駕駛艙處。操作單元4可以被設計成觸摸面板，或者可以與顯 示單元5集成在一起。圖2示出其中位置檢測裝置3被安設于汽車，即移動目標25的示例的頂上的情 形。位置檢測裝置3包括在檢測裝置主單元6的上表面上安設的GPS位置檢測裝置7、 激光距離測量裝置8、在檢測裝置主單元6的側表面上安設的圖像拾取裝置9，和在檢測裝 置主單元6中結合的方位角傳感器10。激光距離測量裝置8的距離測量方向和圖像拾取裝 置9的光軸預先得到校準。優選的是激光距離測量裝置8和圖像拾取裝置9在校準狀態下 被集成到一起。例如，在圖像拾取裝置9中結合激光距離測量裝置8。激光距離測量裝置8被如此布置，使得多個點激光束以它們之間具有預定距離地 在從上到下的方向上排列并且被以脈沖投射，并且使得能夠對于每一個激光束和對于每一 個脈沖測量在激光距離測量裝置8 (即圖像拾取裝置9)和圖像拾取目標之間的距離。激光 距離測量裝置8可以被設計成往復地并且豎直地投射脈沖激光束以在預定范圍內掃描并 且對于每一個脈沖測量距離從而能夠同時地或者幾乎同時地在從上到下的方向上測量多
個占
I ；^ O圖像拾取裝置9被如此設計成在兩側上并且垂直于移動目標25的行進方向拍攝 移動圖像。以全向方向(360° )拍攝照片的全向照相機可以被用作圖像拾取裝置9。圖像 拾取裝置9是數字圖像拾取裝置例如數字照相機、數字攝影機等，并且圖像拾取裝置9能夠 輸出如此拍攝的圖像作為數字圖像數據。圖像拾取裝置9包括由多個像素構成的圖像拾取 元件，例如CCD傳感器、CMOS傳感器等。圖像拾取元件的一個幀的圖像數據是作為每一個像 素的信號的組合構成的。通過識別將對應于信號的像素，圖像中的位置能夠得以識別。在 圖像拾取裝置9和方位角傳感器10之間的機械關系是固定的。當方位角傳感器10檢測到 方位角時，每一個圖像拾取裝置9的圖像拾取方向(方位角)能夠被唯一地確定。GPS位置檢測裝置7包括方位角傳感器10、GPS天線11和GPS運算單元12 (見圖 3)，并且經由GPS天線11接收來自多個衛星的信號，并且基于所接收的結果，GPS運算單元 12鑒于三維幾何形狀而計算在衛星和接收點之間的距離，并且三維位置測量得以執行。作 為位置測量，有單一位置測量、干涉位置測量等。優選的是采用RTK(實時動態)位置測量， 由此能夠在移動時在短時間內進行測量。圖像拾取裝置9通過為移動圖像照相而拾取圖像或者以預定時間間隔拾取圖像 (例如30圖像幀/秒)。與圖像拾取同步，為每一個圖像幀執行通過GPS位置檢測裝置7 的位置測量。與用于每一個預定幀的圖像拾取時間間隔的時間間隔要求次數同步地(例如 以每一個均處于30秒的時間間隔)，通過GPS位置檢測裝置7的位置測量得以執行。已拾 取圖像的所捕捉圖像的圖像數據被與當圖像得以拍攝時在位置檢測裝置3處獲得的位置 數據相關聯，并且結果被發送到測量儀器主單元2并且在數據存儲單元18中存儲該結果。在激光距離測量裝置8處獲得的距離測量的結果與在與距離測量時間相同的瞬 間拍攝的圖像幀匹配(相關聯)，并且結果被發送到測量儀器主單元2并且被存儲于數據存儲單元18中。圖像拾取裝置9的圖像拾取的時間間隔(或者預定幀間隔)被設為如此時間間 隔，使得已拍攝圖像中的大部分在時間上相鄰的圖像幀之間交迭并且使得圖像連續性在整 體上并未失去。如果移動目標25的速度是高的，則縮短圖像拾取的時間間隔，并且如果移 動目標25的速度是緩慢的，則圖像拾取的時間間隔可以更長。或者，可以如此布置，使得圖 像拾取的時間間隔是固定的從而時間間隔對應于移動目標25的最大速度。類似地，當移動目標25的速度是高的時，如上所述的捕捉時間間隔被設為例如15 秒間隔，并且當移動目標25的速度是緩慢的時，時間間隔被設為例如45秒間隔，并且捕捉 時間間隔可以得到調節。如將在以后描述地，如此捕捉的圖像被用于圖像測繪。參考圖3，將對于測量儀器主單元2給出說明。測量儀器主單元2主要包括輸入/輸出控制單元13、通常由CPU代表的控制運算 單元14、由HD等代表的存儲單元15，和通信控制單元16等。存儲單元15是記憶卡、HD、FD或者MO等并且被并入或者被以可移除方式附接。存 儲單元15具有程序存儲單元17和數據存儲單元18。在程序存儲單元17中存儲各種類型 的程序。這些程序包括用于控制裝置的操作的序列程序、用于從所獲得的圖像提取跟蹤點 的圖像處理程序、用于在多個圖像之間執行圖像匹配和用于在多個圖像之間執行跟蹤點的 跟蹤的計算程序、用于利用前方交會方法基于如由位置檢測裝置3獲得的兩個三維位置數 據計算圖像中的未知點的位置和用于利用后方交會方法從兩個圖像的每一個中的至少兩 個已知點計算位置檢測裝置3的位置的測繪程序、用于向外部裝置例如數據收集裝置等傳 輸所獲得的測量結果的傳輸控制程序、用于在顯示單元5上顯示位置測量的結果的顯示程 序和其它程序。 在數據存儲單元18中，數據得以存儲，例如由圖像拾取裝置9獲取的圖像數據、當 圖像得以拍攝時位置檢測裝置3的位置數據，和如由激光距離測量裝置8測量的距離測量 數據。如上所述，位置數據和距離測量數據被與圖像數據相關聯，并且圖像數據是時間序列 數據。下面，參考圖4，將對于本發明實施例的操作的總體概況給出說明。在能夠由GPS位置檢測裝置7測量位置的情形中，根據通過GPS位置檢測裝置7 的位置檢測的結果，移動目標25的目前位置得以測量和識別。此外，與通過GPS位置檢測 裝置7的位置信息獲取(步驟00)并行地，在垂直于行進方向(即在沿路線的方向上)的 方向的圖像被圖像拾取裝置9連續地拍攝(步驟01)。在通過圖像拾取裝置9的圖像拾取 范圍中，包括包括沿著路線的建筑物的風景，和如在圖像的下部中看到的、在此處驅動移 動目標25的道路(道路表面)。此外，與通過GPS位置檢測裝置7的測量并且與通過圖像拾取裝置9的圖像拾取 并行地，激光距離測量裝置8在圖像拾取裝置9的圖像拾取方向上對圖像拾取目標執行距 離測量(步驟11)。圖像拾取目標包括沿著路線定位的目標。例如，圖像拾取目標是建筑， 例如在城區的情形中的建筑物和在郊區的情形中的提岸等。如上所述，激光距離測量裝置8投射多個點激光束，所述點激光束在從上到下的 方向上以它們之間具有預定距離地排列并且作為脈沖投射，并且對于每一個激光束和對于 每一個脈沖執行距離測量。因此，當移動目標25被驅動時，能夠在以帶狀形狀連續的范圍中進行測量，所述范圍具有等于所需要的高度的寬度。在由圖像拾取裝置9拍攝的圖像上，通過圖像處理提取特征點。通過在圖像幀之 間跟蹤所提取的特征點，圖像跟蹤得以執行，并且與當利用位置測量儀器1執行測量時的 時間段一樣長地執行圖像跟蹤(步驟02)基于如由GPS位置檢測裝置7獲得的、移動目標25的兩點位置數據，在所提取的 特征點上利用前方交會方法而通過計算獲得了三維位置數據(步驟03)。當在特征點(即待被測量的目標的測量點)上獲得三維位置數據時，基于特征點 的三維位置數據并且基于移動目標25的位置數據計算在移動目標25和特征點之間的距 離。然后，計算距離被與如由激光距離測量裝置8確定的、到特征點的距離相比較(步驟 04)。即使當如由激光距離測量裝置8測量的測量點不與特征點的位置完好地一致時， 如果待被測量的目標是建筑物的壁表面，則對于距離測量的準確度也幾乎沒有影響。當計算距離和由激光距離測量裝置8實際測得的、到特征點的距離(在下文中稱 作“實際測得距離”)彼此一致時或者當計算距離和實際測得距離在預定誤差極限內例如 在10%內時，如由前方交會方法獲得的特征點的位置坐標被視為是正確的，并且位置坐標 被與圖像一起地存儲于數據存儲單元18中。當特征點在建筑物之間的空間中時，或者當因為建筑物不存在而不能獲得圖像 時，即當圖像拾取目標并不存在時或者即使當圖像能夠得以拍攝但是距離大范圍地改變 時，即使當能夠獲得圖像時，特征點也不能得以提取，并且跟蹤是不成功的，并且特征點可 能被錯誤地辨識。即便跟蹤是成功的，準確度也被極度地降低。在這種情況下，在其中將計 算距離和實際測得距離相互比較的情形中，值是極度不同的或者實際測得距離不能得以獲 得。在這種情形中，特征點和計算距離因為脫離測量目標而被移除(步驟05)。在距如由 激光距離測量裝置8測量的實際測得距離所期距離范圍(例如在20m內；能夠被自由地設 定)內不存在特征點的情形中或者當認為不存在計算距離時，也能夠移除特征點和計算距 罔。因此，將不存在包括誤差的特征點，這將是通過將在以后描述的后方交會方法計 算的基礎。結果，累積錯誤的發生得以防止，并且通過后方交會方法的位置測量的準確度和 可靠性得以改進。下面，通過基于所獲取的特征點并且還基于與實際測得值相比在誤差極限內的、 特征點的三維坐標進行計算，能夠通過后方交會方法獲得在移動之后的移動目標25的三 維坐標。具體地，不能利用GPS位置檢測裝置7對其測量位置的移動目標25的位置能夠得 以確定(步驟06)。如上所述，通過前方交會方法獲得了特征點(即待被測量的目標的測量點)的三 維位置數據。此外，處于根據所獲取的特征點的三維坐標移動的下一位置的移動目標25的 位置坐標通過后方交會方法而得以確定。通過重復前方交會方法和后方交會方法，即使當 不能在GPS位置檢測裝置7處實現位置測量時，執行移動目標25的位置測量也是可能的， 并且此外，將由圖像拾取裝置9拍攝的圖像與位置數據相關聯是可能的。再次，當轉向其中GPS位置檢測裝置7能夠從衛星接收信號的情況時，位置測量模 式被改變為通過GPS位置檢測裝置7的位置測量模式。
下面，參考圖5和圖6，將對于步驟02中的圖像跟蹤給出更加具體的說明。基于圖像處理程序，控制運算單元14對于測量位置P1 (在下文中，測量位置P被 簡稱為P)的圖像數據I1執行圖像處理例如邊緣處理，并且以所需數目提取是圖像中的特 征點的角部部分或者交點作為跟蹤點(A1, A2，A3,......)(由圖6㈧中的開口圓示出)。提取跟蹤點，使得跟蹤點在整個圖像之上分散，并且還在包括于圖像的下部中的 道路表面上提取特征點。如在圖5中在P1處拍攝的圖像在圖6(A)中由圖像I1示出，并且在于圖5中從P1 移動到P2時連續地拍攝的P2的圖像在圖6 (B)中由圖像I2示出。在此情形中，利用由方位角傳感器10檢測到的方位角獲得了圖像數據I1的中心 偏離P1的方位角，并且能夠從圖像數據I1中的像素位置(相對于圖像中心在圖像拾取元件 上的位置)計算偏離跟蹤點(A1, A2, A3,......)中的每一個的方位角。在從P1到己的過程中，圖像被圖像拾取裝置9連續地拍攝并且在相鄰圖像之間跟 蹤在每一個圖像中產生的跟蹤點。在圖像拾取元件上被設為跟蹤目標的跟蹤點的位置被記錄為檢索中心位置。在如 隨著時間隨后接著獲取的、隨后的圖像數據上，以檢索中心的位置作為中心來設定檢索范 圍，并且在如已被設定的檢索范圍上在隨后的圖像數據中檢索跟蹤點。如上所述，在移動期 間圖像被連續地拍攝，并且前一圖像數據與隨后的圖像數據的偏差是輕微的。跟蹤點是存 在于隨后的圖像數據的檢索范圍內的，并且在隨后的圖像數據中的跟蹤點能夠被即刻地識 別。對于在檢索范圍內的檢索，采用SSDA(序貫相似性檢測算法)或者區域相關方法等。跟蹤點在隨后的圖像數據上被識別為檢索目標并且通過反向匹配 (back-matching)檢查前一圖像數據的跟蹤點。當通過反向匹配獲得的跟蹤點并不與已經 獲得的跟蹤點一致時，這個跟蹤點被刪除。通過執行反向匹配，閉塞或者障礙能夠得以避 免。當在3個或者更多圖像數據上確定跟蹤點時，通過基于多個圖像的束調整計算而反復 地檢查坐標，并且移除具有低準確度的跟蹤點。通過移除具有低準確度的跟蹤點，改進識別 跟蹤點的準確度是可能的。通過比較前一圖像數據與隨后的圖像數據，如在以上給出的跟蹤點根據時間序列 而被順序地檢索。通過圖像處理的跟蹤點的提取和跟蹤點的跟蹤被連續地執行，而與是否在每一個 P處從位置檢測裝置3輸入了位置數據無關。已經為其完成跟蹤點的跟蹤過程的、在過去的 圖像數據(即在這些P之間拍攝的圖像數據)可以被從數據存儲單元18擦除以減少記錄量。當圖像跟蹤得以執行時，優選的是，在圖像幀之間存在共有目標。當在建筑物之間 存在空間或者建筑物缺失時，不存在共有目標。結果，可以停止圖像跟蹤，否則所被跟蹤的 跟蹤點可能被錯誤地辨識。在本實施例中，在圖像的一部分中包括道路表面，并且在圖像上的道路表面的連 續性能夠得以保持。此外，在道路表面上產生了跟蹤點。因此，通過將從道路表面上的圖像 提取的跟蹤點視為圖像跟蹤目標，即使當在建筑物之間存在空間時或者當建筑物缺失時， 圖像跟蹤也能夠可靠地得以繼續。接著，當移動目標25移動到建筑物后面或者移動到隧道中時，來自衛星的無線電
10波并不能達到，并且通過GPS位置檢測裝置7的位置測量不能得以執行。然后，通過前方交 會方法和后方交會方法的位置測量被連續地執行。現在，參考圖7到圖10，將對于其中通過順序地重復前方交會方法和后方交會方 法而執行移動目標25的位置測量的情形給出具體說明。圖7示出其中移動目標25在障礙物20和障礙物21之間移動的情況，并且位置檢 測裝置3從第一點(點P1)移動到第六點(點P6)(在下文中，點P被簡稱為P)。在點P1和 P2處，能夠經由GPS天線11接收來自衛星的信號，而在點P3到P5處，因為障礙物20和21 而不能接收來自衛星的信號，并且在點P6處，來自衛星的信號能夠被再次接收。 在移動目標25移動時的時間段期間，周圍環境中的圖像即障礙物20和21的圖像 被圖像拾取裝置9連續地拍攝，并且執行如上所述的圖像跟蹤。每一個點P表示移動目標 25在預先設定的每一個時間間隔處或者在預定的圖像幀間隔處的位置。在點P之間的距離 是將在以后描述的照相基線長度B。當移動目標25來到點P1時，控制運算單元14獲取在GPS位置檢測裝置7處測量 的位置數據(步驟21)。因此，點P1具有已知的坐標。接著，在點P2上，由GPS位置檢測裝置7執行位置測量。從位置檢測裝置3輸入在 點P2上的位置測量數據(步驟23)，并且點P2和在點P2處拍攝的圖像I2的位置測量數據 被存儲于數據存儲單元18中(見圖6)。在圖像I2上執行圖像處理，并且通過跟蹤識別跟
蹤點(A1, A2, A3,......)中的每一個。能夠根據通過方位角傳感器10的、在圖像拾取方向
上的方位角的檢測和根據跟蹤點(A1, A2, A3,......)中的每一個的圖像I2的位置(場角)
計算在此情形中跟蹤點(A1,A2,A3,......)中的每一個相對于點P2的方位角(見圖8(A))。接著，基于是已知點的點P1和P2的位置數據，并且還基于跟蹤點(A1, A2,
A3,......)中的每一個的方位角角度，能夠通過前方交會方法計算跟蹤點(A1, A2,
A3,......)中的每一個的三維位置數據(步驟23和步驟03)(見圖8(A)和圖4)。如已經描述地，關于這個計算出的三維位置數據，通過與通過激光距離測量裝置8 的距離測量結果進行比較，判定計算結果是否是有效的，和此外是應該進一步獲得還是應 該排除計算結果(步驟05 ；見圖4)。如果判定計算結果是有效的并且判定獲取計算結果，則跟蹤點(A1,A2,A3,......)
將是已知點。在圖8中，僅僅示出有限數目的跟蹤點，而實際上多個跟蹤點得以提取。因此， 即使當跟蹤點的一部分被排除時，也能夠利用其余的跟蹤點執行圖像跟蹤。例如，利用在道 路表面上的圖像上提取的跟蹤點，圖像跟蹤能夠得以執行。跟蹤點(A1, A2, A3,......)中的每一個的位置數據被與圖像I1和I2的圖像數據
相關聯并且被存儲于數據存儲單元18中。對于跟蹤點，作為跟蹤點(A1, A2, A3,......)執
行圖像I1和I2的相對定向，并且圖像I1和I2被轉換成包括三維位置數據的圖像(立體圖 像)。當移動目標25被移動到點P3時，來自衛星的無線電波被障礙物20中斷。在位置 檢測裝置3上不能執行位置測量，并且來自位置檢測裝置3的測量位置未被輸入。當判定 不存在來自位置檢測裝置3的輸入時，控制運算單元14改變為基于后方交會方法計算位置測量。直到移動目標25被移動到點P3,通過圖像拾取裝置9的圖像拾取操作和在圖像數據中的跟蹤點的跟蹤操作被連續地執行(步驟24)。具體地，基于已經獲得的跟蹤點(A1, A2, A3,......)中的每一個的位置數據并且
還基于在點P3處獲取的圖像I3中的跟蹤點(A1, A2, A3,......)的方位角數據，并且基于P3
的方位角數據(在圖像拾取方向上的方位角和場角)，通過后方交會方法，在點P3處的位置 數據得以計算(步驟25和06)(見圖8(B)和圖4)。當移動目標25被移動到點Pi、P2、P3......并且圖像拾取的范圍被移動時，在已拾
取圖像中順序地產生了新的跟蹤點。例如，參考圖8(A)和圖8(B)，在圖像I2上產生了跟蹤 點A4并且在圖像I3上產生了跟蹤點A5和A6。還在新產生的跟蹤點上執行跟蹤操作(步驟 n-1)，并且此外，通過前方交會方法，位置數據順序地得以計算和測量。通過后方交會方法，點P3被轉換成已知點，并且基于點P3和P2的位置數據并且還 基于相對于從點P3和P2新產生的跟蹤點的方位角數據，通過前方交會方法，新產生的跟蹤 點的位置得以計算(步驟η)。從圖像中的跟蹤點的位置數據，通過后方交會方法，Pn的位置得以計算和測量。此 外，基于該圖像，通過前方交會方法，從現在已知的數據Pfa-D和Pn新產生的跟蹤點的位置 得以計算和確定。即使當不能獲得來自衛星的無線電波并且不能由位置檢測裝置3執行點 P的位置測量時，也能夠通過交替地執行前方交會方法和后方交會方法而連續地進行點P 的位置測量。接著，當移動目標25到達點P6時，能夠接收到來自衛星的無線電波，并且能夠由 位置檢測裝置3測量點P6的位置。當由位置檢測裝置3測量的位置數據被輸入控制運算 單元14時，控制運算單元14判斷存在位置數據的輸入，并且停止通過后方交會方法的計 算。由圖像拾取裝置9獲取的圖像數據利用圖像數據提取的跟蹤點和所提取的跟蹤點的方 位角數據被與點P6的位置數據相關聯，并且相關聯的數據被存儲于數據存儲單元18中。因此，直到來自位置檢測裝置3的位置信息得以輸入為止，采用在位置檢測裝置3 處測量的結果作為P的位置測量數據。當來自位置檢測裝置3的位置信息被中斷時，采用 通過前方交會方法和后方交會方法計算的點P的位置信息，并且點P的位置無中斷地被連 續測量。在不能由位置檢測裝置3進行位置測量的情形中，作為圖像數據和跟蹤點的數 據，如果在三個點P即最新的點P1^P在過去的至少兩個點Pfo-D和Ρ(η-2)上存在數據，則這將 是足夠的。比Ρ(η-3)更早的數據可以被順序地擦除以減少記錄量。根據已被跟蹤的、所要求的數目的跟蹤點，在兩個相鄰測量點處，例如在P2和P3上 捕捉圖像，對于在P2和P3處獲取的圖像，基于跟蹤點在過去的點上執行相對定向。如果在 P2和P3處捕捉的圖像被視為包括三維位置數據的圖像(即立體圖像)，獲得每一個像素的 位置數據和方位角數據以從該圖像構成其它圖像是可能的，并且加速計算處理是可能的。在如以上給出的說明中，在圖7中在移動目標25的右側上在障礙物上拍攝圖像， 并且在P上執行位置測量。在不能在右側上從障礙物獲取適當的圖像以獲得跟蹤點的情形 中，可以在左側上從障礙物獲取圖像，并且可以根據將被獲取的圖像上的障礙物的情況在 圖像處理階段中作出適當的選擇。在步驟04和步驟25中，通過后方交會方法獲得了測量位置P，而在本實施例中，通 過單一照相定向對已知點(測量點)的坐標和對圖像進行匹配，并且測量位置P得以測量。
參考圖10，將在下面對于通過單一照相定向的、測量點的坐標測量給出說明。這里假設包括測量點的空間的坐標是目標空間坐標(X，Y，Z)，在圖像上的圖像坐 標是(X，y)，圖像拾取裝置9的焦距是f，圖像拾取裝置9的照相位置的坐標是(Xtl, Y0, Z0)， 并且照相機的旋轉元素(傾斜)是(1，m，η)。貝U，目標空間坐標(X，Y，Ζ)和圖像坐標(χ， y)由以下等式表達X = -^l1 (X-X 0) +Iii1 (Y-Y 0) +H1 (Z-Z0) ] / [ 13 (X-X 0) +m3 (Y-Y0) +n3 (Z-Z0)]y = -f[l2 (X-X0) +m2 (Y-Y0) +η 2 (Z-Z0) ] / [I3 (X-X0) +m3 (Y-Y0) +n3 (Z-Z0)]因此，如果存在兩個或者更多(或者，更加優選地三個或者更多)已知目標空間坐 標(X，Y，Z)，則圖像拾取裝置9的照相位置的坐標(Xtl, Y0, Z0)的三維坐標能夠得以測量。下面，參考圖11到圖13，將對于在本發明實施例中的圖像跟蹤和距離測量的總體 特征給出說明。在圖11到圖13每一個中示出的示例中，在移動目標25的頂上安設檢測裝置主單 元6，移動目標25是車輛，并且在填充地(鋪在地上的泥土)23上執行測量。在移動目標25圍繞填充地23移動時執行測量。由檢測裝置主單元6拍攝填充地 23的移動圖像，并且由激光距離測量裝置8執行距離測量。如在圖12中所示，在填充地23 的這一側上的地表面也被包括于移動圖像中。從激光距離測量裝置8，脈沖投射多個激光束24，所述激光束在從上到下的方向 上以它們之間具有預定距離沿線排列。利用脈沖激光束，對于每一個激光束并且對于每一 個脈沖測量距離。因為在投射沿線排列的激光束24時移動目標25被移動，所以測量范圍 是在從上到下的方向具有寬度的帶狀形狀。激光距離測量裝置8可以在從上到下的方向上往復地投射單脈沖激光束以進行 掃描的從而對于每一個脈沖測量距離，同時，通過使用多個脈沖激光束來測量距離，不僅到 目標的距離能夠得以測量，而且待被測量的平面還能夠得以識別。通過從激光距離測量裝 置8的距離測量的結果確定測量范圍，省去不必要部分的測量是可能的，并且測量效率得 以改進。而且，能夠減輕在測量期間位置測量儀器1的負擔。如在圖12中所示，在圖像跟蹤得以執行時，對于每一個預定時間間隔或者對于每 一個預定幀間隔捕捉圖像。所捕捉的圖像被與在圖像捕捉時由激光距離測量裝置8測量的 距離測量數據相關聯并且被存儲。在所捕捉的圖像之間的時間差期間移動目標25的移動 距離將是照相基線長度B。如在圖10中所示，在此情形中照相距離H對應于Z。在圖13中，在填充地23上的測得點表示為多個點組。數字26代表如在本實施例 中測量的移動目標25的行進軌跡。對于圖13所示的行進軌跡26的測量，利用GPS位置檢 測裝置7的位置測量未被執行。根據本發明，從由激光距離測量裝置8測量的距離數據，用于執行圖像跟蹤的測 量范圍得以設定，并且如由圖像拾取裝置9從圖像跟蹤獲得的目標的三維坐標得以檢查， 并且在這個范圍內的數據得以檢測。結果，工作效率能夠得以改進，并且測量準確度和可靠 性也能夠得以改進。通過使用實際測量的距離數據，僅僅能夠獲得在適當的照相距離處測量的三維位 置數據。通過使用利用攝影機的后方交會方法，能夠以高的準確度確定攝影機的外部定向 元素(位置和傾斜)而不受到由于目標構形引起的照相距離的影響。
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此外，即使在由于表面不規則性的隱藏或者目標非連續性而不能檢測待被測量的 目標的情形中，也能夠通過限定測量表面而從圖像跟蹤的結果消除三維位置數據的誤差， 并且由于后方交會方法引起的、在攝影機的外部定向元素中的誤差能夠得以防止。通過預先對于激光距離測量裝置8和攝影機執行校準，從由激光距離測量裝置8 獲得的三維坐標并且從對應于該坐標的圖像數據，攝影機透鏡的自校準能夠得以簡單地執 行。結果，改進通過攝影機跟蹤的準確度是可能的。在不能執行圖像跟蹤的情形中，例如在夜間，激光距離測量裝置8能夠對三維測 量進行內插。
權利要求
一種用于測量移動圖像拾取位置和用于從圖像拾取位置測量圖像拾取目標的位置測量方法，其中前方交會方法和后方交會方法被交替地和反復地執行，使用所述前方交會方法以連續地拍攝數字圖像、在圖像中產生跟蹤點、在移動圖像上執行跟蹤，并且通過計算從被用作已知點的圖像拾取位置的坐標測量所述跟蹤點的坐標，所述后方交會方法被用于從通過計算獲得的跟蹤點的坐標測量在移動之后的圖像拾取位置，包括與數字圖像的圖像拾取并行地通過激光測繪而實際上測量到圖像拾取目標的距離的步驟、比較通過計算獲得的所述跟蹤點的坐標與通過實際測量獲得的距離的步驟，和在通過計算獲得的所述計算坐標相對于實際測得距離在預定誤差極限內的情形中獲取計算坐標作為跟蹤點的坐標值的步驟。
2.根據權利要求1的位置測量方法，進一步包括在執行激光測繪時在從上到下的方向 上移動多個點的步驟，和設置用于執行移動圖像跟蹤的測量范圍的步驟。
3.根據權利要求1的位置測量方法，進一步包括在待被拍攝的移動圖像的一部分中包 括道路表面或者地表面的步驟、還從所述道路表面或者所述地表面的圖像提取跟蹤點的步 驟，和當圖像拾取目標并不存在時利用所述道路表面或者所述地表面的圖像繼續移動圖像 跟蹤的步驟。
4.一種位置測量儀器，包括GPS位置檢測裝置、用于連續地拍攝數字圖像的圖像拾取 裝置、激光距離測量裝置，和測量儀器主單元，其中所述GPS位置檢測裝置測量在第一點和 第二點處的位置數據，所述圖像拾取裝置在其中圖像拾取裝置從是已知點的第一點經由第 二點移動到是未知點的第三點的過程期間連續地對于周圍環境中的風景拍攝數字圖像，所 述激光距離測量裝置與通過所述圖像拾取裝置的圖像拾取并行地測量到圖像拾取目標的 距離，并且所述測量儀器主單元從在第一點處獲得的圖像產生跟蹤點，從在將被連續地獲 取的圖像上產生的點的描繪順序地識別所述跟蹤點，從在第一點和第二點處的位置數據計 算在第一點處獲取的圖像和在第二點處獲取的圖像的跟蹤點的三維位置數據，比較計算結 果與通過所述激光距離測量裝置的距離測量結果，采用相對于所述測量結果在預定誤差極 限內的計算結果作為所述跟蹤點的位置數據，和，從所述跟蹤點的位置數據計算所述第三 點的位置數據。
5.根據權利要求4的位置測量儀器，其中所述激光距離測量裝置能夠同時地或者幾乎 同時地在從上到下的方向上對于多個點執行測量。
6.根據權利要求4的位置測量儀器，其中所述激光距離測量裝置投射多個脈沖激光 束，所述脈沖激光束在從上到下的方向上以它們之間具有預定距離沿線排列，并且對于每 一個激光束和對于每一個激光束的每一個脈沖執行距離測量。
7.根據權利要求4的位置測量儀器，其中所述激光距離測量裝置在從上到下的方向上 往復地投射單脈沖激光束以進行掃描，并且對于每一個脈沖測量距離。
8.根據權利要求5到7之一的位置測量儀器，其中所述測量儀器主單元基于通過所述 激光距離測量裝置的測量結果設置測量范圍并且執行對于移動圖像的跟蹤和對于所述測 量范圍的測量。
全文摘要
本發明涉及位置測量方法和位置測量儀器。本發明提供一種位置測量儀器，包括GPS位置檢測裝置(7)、用于連續地拍攝數字圖像的圖像拾取裝置(9)、激光距離測量裝置(8)，和測量儀器主單元(2)。
文檔編號G01S19/42GK101957197SQ20101023233
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月16日 優先權日2009年7月17日
發明者大谷仁志, 熊谷薰 申請人:株式會社拓普康