驗證測量儀器的外部取向的方法

專利名稱：驗證測量儀器的外部取向的方法
驗證測量儀器的外部取向的方法
技術領域：
本發明涉及測量方法，尤其是涉及根據權利要求I的前序部分所述的驗證測量儀器的外部取向的方法以及被設計為執行本發明的方法的根據權利要求14的前序部分所述的測量儀器。
當設置諸如全站儀(total station)的測量儀器時，有必要確定測量儀器的取向。 通常，測量儀器的取向對應于測量儀器的對準(角度測量裝置的方向零)相對于北方向 (頭向)(即，根據通用大地測量慣例，相對于水平坐標系的X軸)的偏差。為了確定測量儀器的取向，測量從測量儀器到至少一個相對遠距離的參考物體(具有已知坐標數據)的角度。通常，這樣的參考物體的距離必須為至少1km。
這樣的參考物體的例子有教堂塔十字架、山頂上的十字架(山頂十字架)、高煙囪或者長距離外也可看見的其它明顯物體。這些參考物體的坐標數據通常由政府當局提供， 如瑞士的“Bundesamt fiir Landestopographie swisstopo，，。
基于圖I和圖2描述用于確定測量儀器的取向的現有技術的方法。為了確定測量儀器的取向，確定測量儀器的方向零與坐標系的X軸(通常對應于北方向)之間的角度O。 即，測量儀器的取向通常被定義為X軸(北方向)與測量儀器的方向零之間的角度。
如果測量儀器A和參考物體B的設置點的坐標數據已知，則從該坐標數據可計算取向方向角取向方向角是X軸與連接測量儀器和參考物體B的位置的線S之間的角度。在設置測量儀器之后，測量至參考物體的方向角r，即，測量儀器的方向零與連接測量儀器和參考物體B的位置的線之間的角度，取向角O被確定為
0=r0-r
在實地使用測量儀器時，可能發生測量儀器的外部取向由于多個原因而略微改變，例如，由于三腳架的一足陷入地面中，由于無意中推或撞到測量儀器上等。因此，可在開始測量任務一段時間之后在測量處理期間(即，在測量處理進行的狀態或隨后的狀態下) 驗證測量儀器的外部取向。這種取向驗證可確保測量儀器沒有改變，仍精確地處于初始確定的取向上，或者在取向改變的情況下，可指示必須重新確定測量儀器的外部取向。
為了驗證測量儀器的取向，一段時間之后，再次確定從測量儀器到參考物體B的方向角r2，然后將新的參考角與原來確定的方向角Γι進行比較。
Δ O=O2 - O1
= (r0-r2) - (r0 - T1)
=T1-T2
如果取向改變Λ0超過預定值，則需要重新確定測量儀器的取向。這里，需要注意的是，可在不知道絕對外部取向值O2和O1的情況下確定取向改變Λ0。然而，根據現有技術的方法，這種驗證方法必須完全手動進行，因此非常麻煩。另外，其可靠性取決于操作人員的技術。
舉例來說，WO 2009/106144 Al粗略描述了一種在實地測量活動期間檢查測量儀器的原來確定的取向是否改變的驗證程序，參見WO 2009/106144 Al的第25頁第25-33
“當在絕對坐標系中測量位置數據時，可能需要儀器相對于已知方向的取向。在該過程中，參考目標用來在測量活動開始時獲得全站儀的角度取向(例如在校準過程之后所獲得的角度取向)并且在結束測量活動之前檢查該參考目標。檢查參考目標相對于全站儀的角度取向的位置確保了全站儀在測量活動期間沒有移動。”
然而，WO 2009/106144 Al的上述段落中描述的驗證方法也必須完全手動進行，因此也非常麻煩。同樣，此類驗證的可靠性也取決于操作人員的技術。
WO 2009/106144 Al中根本沒有給出有關在實地用戶測量活動期間驗證測量儀器的取向的更多信息，實際上WO 2009/106144的主要技術教導涉及完全不同的主題，類似校準測量儀器的方法(參見，除了許多其它段落之外，WO 2009/106144 Al的第12頁第7_12 行)或(作為次要主題)搜索參考目標的方法(參見例如WO 2009/106144 Al的第23頁第20-27行)，其與在實地測量活動期間驗證測量儀器的外部取向的方法相比均形成完全不同的主題。
因此，需要一種改進的方法來在測量活動期間確定并驗證測量儀器的外部取向， 尤其其中所述方法可較容易進行，并且具有高可靠性(與操作員的技術無關)。
本發明的在測量處理期間驗證測量儀器的外部取向的方法適用于至少具有成像裝置以及用于檢測所述成像裝置相對于測量儀器的基座的內部拍攝方向的角度測量裝置的測量儀器。
這里，所述方法包括以下初始化步驟
-將成像裝置指向參考物體上并檢測成像裝置的第一拍攝方向，
-按照第一拍攝方向拍攝參考物體的第一圖像，
_存儲第一圖像和第一拍攝方向作為測量儀器的外部取向的指示(舉例來說，所檢測的第一拍攝方向可用作鏈接測量儀器的外部取向的測標(peg)以用于后續測量)。
根據本發明，在測量處理的進行狀態下(例如，在特定時間段之后并在測量任務的一部分已經執行之后，或者例如，在操作員無意中撞到測量儀器之后)，還執行以下驗證步驟以驗證測量儀器的外部取向(即，驗證測量儀器是否仍按照關于其設置的相同方式取向)
-將成像裝置重新指向參考物體上并檢測成像裝置的第二拍攝方向，
-按照第二拍攝方向拍攝參考物體的第二圖像，
-通過圖像處理比較第一圖像和第二圖像中的參考物體的第一成像位置與第二成像位置以及第一拍攝方向與第二拍攝方向，并基于第一成像位置和第二成像位置之間的差異和/或第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的差異驗證測量儀器的外部取向。
這里，具體地，所述驗證可按照以下方式/實施方式執行
根據方法的第一實施方式，可以執行所述重新指向步驟，使得第二拍攝方向與第一拍攝方向精確一致。這意味著，在開始驗證處理之后，首先，將成像裝置(尤其是集成有成像裝置的瞄準裝置/望遠鏡)驅動至第一拍攝方向的內部角度(即，將成像裝置精確地重新指向第一拍攝方向)。在按照第二拍攝方向拍攝參考物體的第二圖像之后，然后可基于第一成像位置和第二成像位置之間的差異驗證測量儀器的外部取向。
根據另選的第二實施方式，可以執行所述重新指向步驟，使得第二拍攝方向不同于第一拍攝方向。然后，可基于第一成像位置和第二成像位置之間的位置差異以及第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的方向差異驗證測量儀器的外部取向。這里，必須使位置差異和方向差異彼此相關。
因此，根據本發明方法的另選的第二實施方式，在開始初始化步驟之后沒有必要再次精確地接近第一拍攝方向，但是可以將成像裝置重新指向，使得第二拍攝方向與第一拍攝方向大致一致。這與第一實施方式相比是有利的，因為測量儀器的動力化通常難以再次以足夠的精度真正地精確接近望遠鏡的先前測量的角度(即，通常望遠鏡對準的動力化改變的精度會低于讀出的角度)。
然而，僅按照這樣的方式將成像裝置重新指向，使得在按照第二成像方向拍攝第二圖像時參考物體仍處于其視野(覆蓋范圍)內也可能足夠了。通過考慮第一圖像和第二圖像中的第一成像位置與第二成像位置之間的差以及第一拍攝方向與第二拍攝方向之間的差，可驗證外部取向是否改變。因此，使第一成像位置和第二成像位置之間的差與第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的差相關。例如，可從位置差異直接得到指向角度差，可將該指向角度差與第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的差異直接進行比較。在從位置差異得到的指向角度差偏離于第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的差異的情況下，表明測量儀器的外部取向改變。
根據進一步的第三實施方式，可以執行所述重新指向步驟，使得第二圖像(按照第二拍攝方向拍攝)中的參考物體的第二成像位置與第一圖像中的參考物體的第一成像位置精確一致。然后，可以(尤其是僅)基于第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的差異驗證測量儀器的外部取向，
針對第三實施方式舉例，可通過連續改變拍攝方向以及連續拍攝并處理圖像，直到參考物體的成像位置與第一成像位置精確一致為止，來反復執行所述重新指向步驟。
當然，本發明的方法還可根據仍落入本發明范圍內的其它未明確描述的實施方式 (例如，上述實施方式的組合)來實現。
因此，根據本發明，提供了用于核準、監測和檢查初始設置和給定測量儀器的取向的驗證方法，其可以按照半自動(例如，有操作員的指導)或者甚至全自動方式執行。
測量儀器具體地可構建為經緯儀或全站儀(特別是具有動力化)，并且還包括作為人機接口的操作裝置以及諸如數據處理單元的控制器，該控制器存儲有程序代碼以便能夠執行上述本發明方法的初始化和驗證步驟。
具體地，成像裝置可集成到具有(例如，30倍變焦的)變焦鏡頭的瞄準望遠鏡。這里，瞄準望遠鏡的鏡頭可限定瞄準軸，其中，拍攝方向可與瞄準軸共軸或至少基本上共軸。 例如，成像裝置可為同軸相機，其在望遠鏡的光路上設置在鏡頭之后。具體地，成像裝置應該針對瞄準望遠鏡的光學器件和瞄準軸校準。
根據測量儀器是否設置有用于改變成像裝置(可以例如集成到瞄準望遠鏡)的對準和觀察方向的動力化裝置，將成像裝置精確地重新指向第一拍攝方向的步驟可全自動地執行，或者可通過指導操作員以幫助將成像裝置例如精確地重新指向第一拍攝方向來執行 (參見描述的本發明方法的第一實施方式)。
關于本發明方法的另選的第二實施方式，將成像裝置重新指向參考物體上并檢測成像裝置的第二拍攝方向的驗證步驟也可全自動地執行，或者可通過指導操作員以幫助將成像裝置重新指向參考物體上并等待用于觸發檢測成像裝置的第二拍攝方向的用戶命令來執行。本發明方法的第三具體實施方式
可優選地(如所述)以反復的方式全自動地執行。
通常，測量儀器的角度測量裝置可被設計為用于檢測水平角度，并且尤其另外檢測垂直角度，作為成像裝置的內部拍攝方向。如果是這樣，比較第一成像位置與第二成像位置的步驟可更詳細地通過分別確定第一圖像和第二圖像中的第一成像位置與第二成像位置之間的水平像素偏移(尤其另外確定垂直像素偏移)來執行，并且可基于水平像素偏移 (尤其還基于垂直像素偏移)驗證測量儀器的水平外部取向(尤其另外驗證其傾斜(垂直對準))。
另外,根據執行本發明方法的方式,還可計算并確定取向偏離(disorientation) 量，所述取向偏離量具體地是水平和/或垂直位移角度。例如，關于驗證方法的第一實施方式，可從第一圖像和第二圖像中的第一成像位置與第二成像位置之間的像素偏移直接得到取向偏離量(例如，在測量期間(即，初始化處理和驗證處理之間)測量儀器的外部取向改變的水平偏移角度)(如稍后更詳細描述的，參見圖6)。關于第二實施方式，必須使像素偏移與第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的偏移相關。例如，可首先將像素偏移變換為角度偏移。然后，可直接得出取向改變量作為該角度偏移與第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的偏移之差。至少關于本發明方法的第一實施方式和第二實施方式，相機應該被很好地校準(即，相機常數應該已知)，以便將第一圖像和第二圖像中的成像位置之間的像素偏移直接變換/轉換為角度偏移。
關于第三實施方式，結合驗證，成像裝置被重新指向，使得(驗證圖像中的)第二成像位置精確等于(初始化·圖像中的)第一成像位置。因此，可直接得出(初始化處理和驗證處理之間實時發生的)取向改變量作為第一拍攝方向與第二拍攝方向之間的角度差。
通常，所得到的取向偏離量可用于校正當前測量儀器的外部取向的值。例如，作為取向偏離量，確定的水平位移角度可用于通過將所述水平位移角度與初始設定的取向相加來校正測量儀器的當前取向。在這種情況下，對于到來的測量結果，可以自動考慮改變的取向，用戶沒有必要進行其它測量來清除測量儀器的改變的取向。
可選地，如果取向偏離量超過預設值，則還可發出警告信號。在這種情況下，用戶獲得取向改變超過容許范圍的信息。因此，根據情況，用戶可以執行針對測量儀器的新的取向，或者他可以考慮其它測量來校正錯誤的取向。發出的信號可為光學信號、聽覺信號、振動信號或適于引起用戶注意的任何其它信號。
重新參照比較第一成像位置與第二成像位置的步驟，更詳細地舉例來說，所述步驟可通過邊緣提取方法來進行。這里，分別在兩個圖像中精確確定(尤其是)垂直邊緣，例如山頂十字架或教堂塔十字架的豎條，然后將兩個圖像中的所述邊緣之間的距離用作計算位移的基礎。
另選地，所述比較第一圖像和第二圖像中的參考物體的第一成像位置與第二成像位置的步驟還可通過模板匹配來進行。因此，第一圖像中的參考物體周圍的預定區域可以例如被定義為模板。然后，可在第二圖像中匹配所述模板以與第二圖像內的參考物體對應， 并且可確定模板在第一圖像和第二圖像中的位置之間的位移，所述位移指示測量儀器的取向偏尚量。
通常，所述測量儀器包括望遠鏡，其定義有瞄準軸并集成有所述成像裝置，其中， 十字準線疊加在圖像中以指示所述瞄準軸。在這種情況下，作為針對模板匹配程序的詳細例子，第一圖像中的十字準線周圍的預定區域可被定義為模板，表示第一圖像中的瞄準軸的十字準線的中心可被設定為模板的參考點。然后，可使模板在第二圖像內匹配，并可確定第二圖像中的十字準線的中心的位置與第二圖像中的匹配的模板的參考點的位置之間的像素偏移，以指示測量儀器的取向偏離。
這里，通常，十字準線并非必需顯示在圖像中(即，重疊/疊加在圖像上)，圖像中描繪的瞄準軸的位置可通過任何方式知道。在這種情況下，例如，可通過帶有十字線的目鏡來進行瞄準，并且可獨立于相機來利用描繪了瞄準點的已知位置來進行(根據本發明的) 取向驗證。因此，可確定第二圖像中的描繪瞄準點的位置與參考物體成像的位置之間的像素偏移，并從其得到角度偏移。
根據本發明的另一方面，代替結合初始化和驗證處理進行拍攝并存儲僅一個圖像，可收集一系列圖像(即，在短時間內連續采集若干圖像)，各系列圖像的概要分別取代第一圖像和第二圖像。
換言之，拍攝第一圖像和第二圖像的步驟可包括在較短的預定時間段內，分別按照第一拍攝方向連續采集多個圖像作為參考物體的第一系列圖像，按照第二拍攝方向連續采集多個圖像作為第二系列圖像(例如，直接連續大約5-20個圖像)，并對可從第一系列圖像和第二系列圖像得到的信息取平均，以取代可從第一圖像和第二圖像得到的信息。
具體地，對在第一系列圖像中的各個圖像中的參考物體的位置取平均，并對在第二系列圖像中的各個圖像中的參考物體的位置取平均，將平均位置作為第一成像位置和第二成像位置。
因此，例如，尤其在空氣輕拂的情況下，與僅處理單個采集圖像的情況相比，可提供從連續采集的各系列圖像中的參考物體的成像位置的平均得到的取向方向作為參考物體的“真實”取向方向的更精確的指示。
因此，以上述方式應用根據本發明的方法使得能夠清除差的能見度條件，例如熱天中發生的霧霾或空氣輕拂。
具體地結合初始化步驟,可通過經由多個已知參考物體參考測量儀器來在絕對坐標系中確定測量儀器的取向(可選地，還有其位置)，預先知道絕對坐標系中的參考物體的位置并測量至參考物體的相對方向和/或距離。另選地，例如，如果基于已知地理參考點進行設置，還可從地圖獲得測量儀器的位置。
具體地，如果本發明方法的各個上述步驟以至少兩個更多的參考物體進行重復， 則除了取向之外，可在特定時間段之后通過前方交會(intersection)步驟或通過后方交會(resection)步驟驗證測量儀器的位置。因此，除了取向之外，可類似地驗證測量儀器的位置，并且可確定測量儀器的位置改變或者通知該位置保持不變。
根據本發明的另一方面，可在自測量儀器的外部取向的初始確定起或自已經執行最后的取向驗證起過去預定時間段之后，發出提醒信號，并且可基于來自用戶的手動命令或在又一預定時間段過去之后自動執行驗證步驟。
另外，可在測量處理期間按照預定時間間隔重復驗證步驟，具體地其中，按照所述預定時間間隔以重復方式自動執行驗證步驟。
在這種情況下，結合各驗證步驟的完成，可確定取向偏離量，并且尤其通過回歸分析，特別是通過線性回歸，從所述取向偏離量得到時間的取向函數，其中，針對時間繪出測量儀器的外部取向。因此，可根據該取向函數，即，根據測量結果各自的收集時間點和所述得到的取向函數校正結合測量處理收集的測量結果。
本發明的方法有利地使得用戶能夠在利用測量儀器進行工作的同時了解測量儀器的取向是否改變。可自動地(即，在預定周期過去之后)執行驗證，或者另選地，可基于手動命令來執行。后者可在用戶意識到取向可能改變(例如，如果測量儀器經受碰撞)的情況下給出。
具體地，本發明的方法使得能夠驗證測量儀器的取向而無需預先確定測量儀器的位置。這后一種情況可在使用本地坐標系(未嵌入全球坐標系中)的情況下執行。這里， 任何顯著點可用作參考物體。因此，必須注意的是，執行并利用根據本發明的驗證方法沒有必要必須初始確定取向值。相反，本發明的基本點在于提供一種方法，利用該方法，測量站的設置中的取向改變(在測量期間有可能發生)可至少被記錄(尤其還確定其位移值)。
總而言之，根據本發明，可基于兩個圖像中的預定參考點的水平圖像坐標數據差來計算水平位移角。這里，根據第一實施方式，結合驗證步驟沒有必要再次測量從測量儀器至參考物體的水平角度，而僅精確地接近存儲的第一瞄準方向并拍攝第二圖像就足夠了。
另外，還可基于兩個圖像中的預定參考點的位置的垂直圖像坐標數據差來計算垂直位移角。從計算垂直位移角，除了水平和/或垂直位移之外，可確定測量儀器的傾斜的改變。
如上所述，為了驗證水平和/或垂直位移，第一圖像中的十字準線周圍的限定區域(例如，第一圖像的圖像部分)可被定義為模板。然后，可在模板中定義參考點，并且可在第二圖像中確定水平和/或垂直位移作為從第一圖像中定義的參考點至第二圖像中的十字準線位置的距離。在這種情況下，可在第二圖像中確定參考點的圖像坐標數據，并從該圖像坐標數據確定水平和/或垂直位移。
還如上所述，所述方法可按照預定間隔以重復方式自動執行。這確保測量儀器取向的經常性驗證，降低用戶忘記手動驗證取向的風險。另選地或另外地，用戶可在任何時間手動激活驗證。
另外，可在自取向的初始確定起或自最后的取向驗證起過去預定時間段之后發出提醒信號。然后，用于驗證測量儀器的取向的方法可基于用戶的手動命令來執行或在又一預定時間段過去之后自動執行。因此，不會中斷用戶當前的測量任務，而使用戶了解到應該執行取向驗證。然而，如果用戶忘記手動開始取向驗證，則可自動開始取向驗證。自動開始的取向驗證可直接在發出指示開始的另一警告信號之后(或略微有延遲)開始。
總而言之，根據本發明的測量儀器包括成像裝置(也稱為圖像采集裝置，例如相機)、用于使圖像采集裝置移動的旋轉裝置、水平角度測量裝置、垂直角度測量裝置、控制器以及用于手動操作測量儀器的操作裝置。控制器被設置為從參考物體在兩個圖像(在不同的時間拍攝，其中至少一個存儲在存儲器中)之間的位移計算水平位移角和/或垂直位移角，由此驗證第二時間的測量儀器的取向是否對應于第一時間的取向。
從目前技術水平可知，例如，還可通過無線鏈接至測量儀器主體的手持式數據記錄器以遠程方式控制測量儀器(數據記錄器因此用作遙控器，例如，提供與由直接附接至儀器主體的控制單元提供的功能相同的顯示(和控制)功能)。然而，另選地，例如，還可通過具有適當數據鏈接裝置(例如，還經由互聯網)的膝上型計算機、PC、PDA或智能電話來遠程控制測量儀器。
另外，本發明還涉及一種在機器可讀介質上存儲有程序代碼的計算機程序產品， 所述程序代碼被配置為自動執行并運行如上所述的用于驗證測量儀器的外部取向的本發明的方法，尤其在所述程序在測量儀器的控制單元上執行時。
將基于附圖
描述本發明的示例性實施方式。
圖I和圖2是用于總體說明測量儀器的取向的確定的圖示，
圖3a是在執行本發明的實施方式時采集的第一圖像的圖示，
圖3b是在執行本發明的實施方式時采集的對應第二圖像的圖示，
圖4a是在執行本發明的優選實施方式時采集的第一圖像的圖示，
圖4b是圖4a的細節，
圖5是在執行本發明的優選實施方式時采集的對應第二圖像的圖示，以及圖6在原理上示出圖像中的像素偏移可如何變換為方向/角度偏移。
將基于圖3至圖5描述本發明的示例性實施方式。
圖3a是當全站儀(根據本發明的測量儀器)指向預定角度(例如 100. OOOGon (IGon對應于整圓的1/400。因此，100. OOOGon對應于直角))時，通過安裝在全站儀上的相機采集的第一圖像的示意圖。
采集的圖像示出山頂十字架2，它是根據本發明的參考物體。圖像與測量的方向角一起存儲在提供在全站儀處的存儲器中。為此，全站儀的相機的十字準線I瞄準在山頂十字架2上，即，十字準線I精確瞄準在山頂十字架2的豎條的基點處。
另外，根據本發明方法的還預先確定測量儀器的全球定位的特定實施方式，同時確定全站儀的取向，即，利用山頂十字架2的已知坐標以及預先確定的全站儀坐標來確定全球坐標系的北方向(X軸)與測量儀器的方向零之間的角度。
為了確定全站儀的坐標，已知有多種可能的方法。例如，可通過將全站儀設置于預先測量的已知坐標的點上，通過利用諸如后方交會或前方交會的測量方法確定坐標，從地圖等獲得坐標，來確定位置。然而，需要指出的是，根據本發明的驗證方法并非必須初始確定取向值。相反，本發明的基本點在于提供一種方法，利用該方法在測量期間發生測量站的設置中的取向的改變。
在初始確定測量儀器的取向或僅根據實地或街道上的儀器的設置給出測量儀器的取向之后，用戶開始執行測量任務。然后，在預定時間段過去之后，設置有全站儀的控制器自動使得全站儀指向預先測量的水平角度(例如100. OOOGon)并拍攝圖3b示意性示出的第二圖像，以驗證全站儀的取向。
另選地，可基于用戶的手動命令開始相同的處理。這對于避免中斷當前測量任務尤其有用。尤其優選的是，控制器在預定時間段過去之后給出信號，基于該信號，用戶可完成當前測量任務，然后手動開始取向的自動驗證。如果用戶忘記開始取向的自動驗證，則控制器可發出另一提醒信號，或者甚至可在另一適當時間段過去之后開始自動驗證取向。
從圖3b可看出，十字準線I不再瞄準于山頂十字架2上，而是略微移位。因此，全站儀的取向明顯改變。可基于圖像中的參考點的位移來計算取向的改變，即水平位移或垂直位移以及傾斜的改變。
根據目前優選的實施方式，為了精確驗證全站儀的位移，進而驗證取向的改變，應用了模板匹配方法。將基于圖4a、圖4b和圖5來描述這種模板匹配方法。
在圖4a中，十字準線I瞄準山頂十字架的基點6。基點6對應于參考點。從圖4a 可看出，與圖4a中的十字準線周圍的區域對應的圖像部分5被定義為模板5。在首次確定全站儀的取向時定義該模板5。另外，模板5被存儲在提供在全站儀處的存儲器中。
圖4b示出模板5的精確細節。標號6對應于參考點，它是第一圖像中的十字準線 I的位置并且也存儲在所述存儲器中。
取向將在預定時間之后自動驗證，或者另選地，在執行取向驗證的提醒信號已發出之后基于來自用戶的命令手動驗證。然后，由電機(對應于根據本發明的旋轉裝置)驅動，全站儀自身指向確定取向和定義模板5時所采用的方向。即，全站儀采用與以前確定取向時相同的角度。在參照圖3a和圖3b提及的例子中，所述角度為100. OOOGon。然后，拍攝圖5所示的第二圖像，并且在圖5中確定與模板5對應的圖像部分以及參考點6。另外，在圖5的圖像中，確定參考點6的圖像坐標數據。
然后，基于參考點6的圖像坐標數據，可確定全站儀與初始取向相比的水平位移、 垂直位移以及可能發生的傾斜。另外，如果位移超過預定值(可由用戶設定)，則發出報警信號，并且用戶可采取對策。
作為一種可能的對策，例如，可將所述位移角與原始取向角相加。然后，后續測量任務可使用對應的經更新的取 向角。另一種可能的對策是重新確定取向，并利用新的取向繼續測量工作，或者使測量儀器返回初始取向。
盡管在該實施方式中描述了模板匹配作為用于確定位移的方法，但是需要指出的是，可應用任何其它合適的圖像分析方法。例如，可提取圖3a和圖3b的山頂十字架2的垂直邊緣并基于該邊緣提取確定位移。這尤其適用于僅確定水平取向位移就足夠的情況。
另外，盡管針對全站儀的坐標數據已知的情況描述了該實施方式，但是需要指出的是，實現本發明并非必須知道全站儀的位置的坐標數據。即，當在由用戶選擇的本地坐標系中工作時，任何任意選擇的物體可用作參考物體，執行本發明沒有必要知道其坐標數據。 同樣，本發明的基本點在于提供一種方法，利用該方法在測量期間發生測量站設置中的取向的改變。因此，對于根據本發明的驗證方法而言，并非必須初始確定外部取向的值(零方向)。
圖6在原理上示出圖像(利用相機傳感器IP拍攝)中的像素偏移(T’相對于H) 可如何變換為方向/角度偏移α (不知道至目標的距離或測量儀器的精確的絕對位置)。 這里，測量儀器的瞄準裝置(例如望遠鏡)的鏡頭可位于位置P，并可限定瞄準軸PA(在圖示情況下，瞄準軸PA與同軸相機傳感器IP的成像方向一致)。瞄準軸可投影到傳感器IP 上的位置H處。如果相機被校準(即，如果其相機常數已知)，則圖像中的(目標點投影在傳感器IP上的)位置Τ’相對于位置H的偏移可利用三角測量法直接變換(或轉換)為瞄準軸PA與從鏡頭P至目標點P給出的方向之間的方向偏移，那么所述方向偏移對應于位移角α。
盡管基于本發明的當前優選的實施方式描述了本發明，但是應該理解，本發明可以按照許多不同的方式執行。因此，將容易理解的是，所描述的實施方式不應理解為對本發明范圍的限制，本發明的范圍由所附權利要求的范圍限定。例如，可基于水平像素偏移執行水平取向的驗證，基于垂直像素偏移執行縱向傾斜(垂直對準)的驗證。然而，根據本發明，另外還可基于模板在第二圖像中相對于第一圖像的旋轉角度來驗證測量儀器的橫向傾斜。因此，根據本發明還可記錄測量儀器的設置的滾轉角度(橫向傾斜)的改變并進行補償。因此，不僅可比較參考物體在第一圖像和第二圖像中的成像位置，而且還可比較第一圖像和第二圖像中的成像的參考物體(或與成像的參考物體匹配的模板)的旋轉角度。
權利要求
1.一種用于在測量處理期間驗證測量儀器的外部取向的方法，其中，所述測量儀器至少設置有成像裝置以及用于檢測所述成像裝置相對于所述測量儀器的基座的內部拍攝方向的角度測量裝置，所述方法包括以下初始化步驟 -將所述成像裝置指向參考物體(2)上并檢測所述成像裝置的第一拍攝方向， -按照所述第一拍攝方向拍攝所述參考物體(2)的第一圖像， -存儲所述第一圖像和所述第一拍攝方向作為所述測量儀器的外部取向的指示， 并且，在所述測量處理的進行狀態下，所述方法還包括以下驗證步驟 -將所述成像裝置重新指向所述參考物體(2)上并檢測所述成像裝置的第二拍攝方向， -按照所述第二拍攝方向拍攝所述參考物體(2)的第二圖像， -通過圖像處理比較所述第一圖像和所述第二圖像中的所述參考物體(2)的第一成像位置與第二成像位置以及所述第一拍攝方向與所述第二拍攝方向，并基于所述第一成像位置與所述第二成像位置之間的差異和/或所述第一拍攝方向與所述第二拍攝方向之間的差異驗證所述測量儀器的外部取向。
2.根據權利要求I所述的方法，該方法的特征在于， -執行所述重新指向步驟，使得所述第二拍攝方向與所述第一拍攝方向精確一致，以及 -基于所述第一成像位置與所述第二成像位置之間的差異驗證所述測量儀器的外部取向。
3.根據權利要求I所述的方法，該方法的特征在于， -執行所述重新指向步驟，使得所述第二拍攝方向不同于所述第一拍攝方向，以及-基于所述第一成像位置與所述第二成像位置之間的差異并且基于所述第一拍攝方向與所述第二拍攝方向之間的差異驗證所述測量儀器的外部取向。
4.根據權利要求I所述的方法，該方法的特征在于， -執行所述重新指向步驟，使得按照所述第二拍攝方向拍攝的所述第二圖像中的所述參考物體(2)的所述第二成像位置與所述第一圖像中的所述參考物體(2)的所述第一成像位置精確一致，以及 -基于所述第一拍攝方向與所述第二拍攝方向之間的差異驗證所述測量儀器的外部取向， -尤其其中，通過連續改變拍攝方向以及連續拍攝并處理圖像，直到所述參考物體(2)的成像位置與所述第一成像位置精確一致為止，來反復執行所述重新指向步驟。
5.根據權利要求I至4中的任一項所述的方法，該方法的特征在于， -所述角度測量裝置被設計用于檢測水平角度，尤其另外地檢測垂直角度，作為所述成像裝置的內部拍攝方向， -比較所述第一成像位置與所述第二成像位置的步驟包括確定所述第一成像位置與所述第二成像位置之間的水平像素偏移，尤其另外地確定垂直像素偏移，以及 -基于所述水平像素偏移，尤其還基于所述垂直像素偏移，驗證所述測量儀器的水平外部取向，尤其另外地驗證所述測量儀器的垂直外部取向。
6.根據權利要求I至5中的任一項所述的方法，該方法的特征在于， -驗證所述測量儀器的外部取向的步驟還包括分別基于所述第一成像位置與所述第二成像位置之間的差異和/或所述第一拍攝方向與所述第二拍攝方向之間的差異確定所述測量儀器的取向偏離量，所述取向偏離量尤其是水平和/或垂直位移角度， -尤其其中，所述取向偏離量用于校正當前測量儀器的外部取向的值和/或如果所述取向偏離量超過預設值，則發出警告信號。
7.根據權利要求I至6中的任一項所述的方法，該方法的特征在于， -拍攝所述第一圖像和所述第二圖像的步驟包括按照所述第一拍攝方向采集所述參考物體(2)的第一系列圖像以及按照所述第二拍攝方向采集所述參考物體(2)的第二系列圖像，以及對能夠從所述第一系列圖像和所述第二系列圖像得到的信息取平均，以取代能夠從所述第一圖像和所述第二圖像得到的信息， -尤其其中，對所述第一系列圖像中的各個圖像中的所述參考物體(2)的位置取平均，并對所述第二系列圖像中的各個圖像中的所述參考物體(2)的位置取平均，將平均位置作為所述第一成像位置和所述第二成像位置。
8.根據權利要求I至7中的任一項所述的方法，該方法的特征在于， 比較所述第一圖像和所述第二圖像中的所述參考物體(2)的所述第一成像位置與所述第二成像位置的步驟是通過模板匹配進行的。
9.根據權利要求8所述的方法，該方法的特征在于， -所述第一圖像中的所述參考物體(2)周圍的預定區域被定義為模板(5)， -使所述模板(5)與所述第二圖像內的所述參考物體(2)匹配， -確定所述模板(5)在所述第一圖像和所述第二圖像中的位置之間的位移，尤其其中，從所述模板(5)的所述位移得到所述測量儀器的取向偏離量。
10.根據權利要求9所述的方法，該方法的特征在于， -所述測量儀器包括望遠鏡，其定義有瞄準軸并集成有所述成像裝置，其中，十字準線(I)能夠疊加在圖像中以指示所述瞄準軸， -所述第一圖像中的所述十字準線(I)周圍的所述預定區域被定義為所述模板(5)，表示所述第一圖像中的所述瞄準軸的所述十字準線(I)的中心被設定為所述模板(5)的參考點出)， -使所述模板(5)在所述第二圖像內匹配，以及 -確定所述第二圖像中的所述十字準線(I)的所述中心的位置與所述第二圖像中的所匹配的模板(5)的所述參考點(6)的位置之間的像素偏移，以指示所述測量儀器的取向偏離。
11.根據權利要求I至I中的任一項所述的方法，該方法的特征在于， 比較所述第一圖像和所述第二圖像中的所述參考物體(2)的所述第一成像位置與所述第二成像位置的步驟是通過邊緣提取方法來進行的。
12.根據權利要求I至11中的任一項所述的方法，該方法的特征在于， 在自所述測量儀器的外部取向的初始確定起或者自已經執行最后的取向驗證起過去預定時間段之后，發出提醒信號，并且基于來自用戶的手動命令或在過去又一預定時間段之后自動執行所述驗證步驟。
13.根據權利要求I至11中的任一項所述的方法，該方法的特征在于， 在所述測量處理期間按照預定時間間隔重復所述驗證步驟，尤其其中，按照所述預定時間間隔以重復方式自動執行所述驗證步驟， 尤其其中， -針對所述測量儀器的外部取向的各個驗證，確定取向偏離量，并且具體地通過回歸分析，特別是通過線性回歸，從所述取向偏離量得到時間的取向函數，其中，針對時間繪出所述測量儀器的外部取向，并且 -根據測量結果各自的收集時間點和所得到的取向函數來校正結合所述測量處理收集的所述測量結果。
14.一種測量儀器，尤其是經緯儀或全站儀，該測量儀器包括 -成像裝置， -角度測量裝置，其用于檢測所述成像裝置相對于所述測量儀器的基座的內部拍攝方向， -操作裝置， -控制單元， 該測量儀器的特征在于， 所述測量儀器設置有半自動或全自動功能以用于在測量處理期間驗證所述測量儀器的外部取向，因此所述控制單元被設置為執行以下初始化步驟 -將所述成像裝置指向參考物體(2)上并檢測所述成像裝置的第一拍攝方向， -按照所述第一拍攝方向拍攝所述參考物體(2)的第一圖像， -存儲所述第一圖像和所述第一拍攝方向作為所述測量儀器的外部取向的指示， 并且在所述測量處理的進行狀態下，所述控制單元還被設置為執行以下驗證步驟 -將所述成像裝置重新指向所述參考物體(2)上并檢測所述成像裝置的第二拍攝方向， -按照所述第二拍攝方向拍攝所述參考物體(2)的第二圖像，以及-通過圖像處理比較所述第一圖像和所述第二圖像中的所述參考物體(2)的第一成像位置與第二成像位置以及所述第一拍攝方向與所述第二拍攝方向，并基于所述第一成像位置與所述第二成像位置之間的差異和/或所述第一拍攝方向與所述第二拍攝方向之間的差異驗證所述測量儀器的外部取向， 尤其其中，所述控制單元被設置為執行根據權利要求I至13中的任一項所述的用于驗證所述測量儀器的外部取向的方法。
15.一種在機器可讀介質上存儲有程序代碼的計算機程序產品，所述程序代碼被配置為自動執行并運行根據權利要求I至13中的任一項所述的用于驗證測量儀器的外部取向的方法，尤其在所述程序在所述測量儀器的控制單元上執行時。
全文摘要
本發明涉及一種用于在測量處理期間驗證測量儀器的外部取向的方法。所述方法包括以下初始化步驟將測量儀器的成像裝置指向參考物體(2)上并檢測成像裝置的第一拍攝方向；按照第一拍攝方向拍攝參考物體(2)的第一圖像；存儲第一圖像和第一拍攝方向作為測量儀器的外部取向的指示。根據本發明，在測量處理的進行狀態下，執行以下驗證步驟(尤其按照自動的和預編程的方式)將成像裝置重新指向參考物體(2)上并檢測成像裝置的第二拍攝方向；按照第二拍攝方向拍攝參考物體(2)的第二圖像；通過圖像處理比較第一圖像和第二圖像中的參考物體(2)的第一成像位置與第二成像位置以及第一拍攝方向與第二拍攝方向，并基于第一成像位置和第二成像位置之間的差異和/或第一拍攝方向和第二拍攝方向之間的差異驗證測量儀器的外部取向。
文檔編號G01C15/00GK102947672SQ201180029457
公開日2013年2月27日 申請日期2011年6月10日 優先權日2010年6月18日
發明者伯恩哈德·麥茨勒 申請人:萊卡地球系統公開股份有限公司