专利名称：位置测量方法和位置测量仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置测量方法和一种位置测量仪器，由此即使当不能通过 GPS(全球定位系统)执行位置测量时，在GPS中测量位置也是可能的。
背景技术：
近年来，使用GPS的位置测量已经普及。例如，当计划通过使用土木工程和建筑机 械例如推土机执行土木工程操作时，操作位置即推土机的位置是通过GPS确定的，并且操 作位置得以确认。或者，如在汽车导航仪的情形中，电子地图信息被与通过GPS获得的位置 数据相关联。然后，车辆的目前位置被反映于电子地图上并且被转换成图像，并且在图像显 示装置上显示这个图像。因此，移动目标的位置能够得以实时地测量。然而，GPS在位置测量中使用来自卫星的无线电波。因为来自卫星的无线电波被 障碍物例如山或者建筑物中断，所以经常存在无线电波不能到达的场所(遮蔽处)。或者， 类似其位置测量范围未被清楚地确定的汽车导航仪的情形，经常存在无线电波不能到达的 遮蔽处。对于不能通过GPS执行位置测量的范围，在过去已经如此实施，即必须通过使用 传统类型的测绘仪器而利用人力测绘操作继续位置测量。在被安设于移动目标上的汽车导航仪等的情形中，不能在遮蔽部分上执行位置测 量，并且不能作为位置测量仪器实现令人满意的功能。在这方面，JP-A-2007-171048公开了一种当不能通过GPS执行位置测量时的位置 数据插值方法。根据在JP-A-2007-171048中公开的插值方法，对于不能通过GPS执行位置 测量的范围，在其中移动目标被移动的过程期间，作为数字图像连续地拍摄周围环境中的 风景。然后，在如此获取的数字图像中产生跟踪点。在被连续地获取的图像中描绘出跟踪 点。在所获取的图像上顺序地识别跟踪点。然后，根据在第一点处和在第二点处的跟踪点 的定向结果并且根据在第一点处和在第二点处的位置数据(它们是通过GPS位置测量已知 的)，跟踪点的三维位置数据得以确定(前方交会方法(intersection))。基于在第三点处 获取的跟踪点的定向结果并且基于跟踪点的三维位置数据，第三点的位置得以顺序地确定 (后方交会(resection)方法)。利用根据JP-A-2007-171048的位置数据插值方法，在其中GPS位置测量不能完成 的情形中执行位置测量是可能的。在另一方面，根据JP-A-2007-171048的位置数据插值方法是基于连续图像能够 得以获取、在图像之间的点的跟踪能够得以实现并且图像测绘能够得以执行的情况。然而， 在实际位置测量操作中，可能获取不到连续图像。例如，在其中沿着道路存在建筑物的情况 下的位置测量中，如果在建筑物之间存在空间或者如果建筑物缺失，则不能在不存在建筑 物的地点上获取图像，并且对于图像的跟踪不能得以实现。或者，即使当在图像中获得了跟 踪点时，跟踪点的三维位置数据也不存在连续性，或者三维位置数据可以大范围地改变。结 果，可能发生这样的麻烦，即在图像中根据三维位置数据获得的第三点的位置测量的准确
3度将被极度地降低。此外，存在以下的属性，S卩，在通过重复前方交会方法和后方交会方法执行位置测 量的过程中，测量误差可能得到积累。因此，在其中GPS位置测量不能被长时间地执行的情 况下，测量可靠性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种位置测量方法和一种位置测量仪器，由此当GPS位置 测量不能得以执行时并且在其中连续图像不能得以获取的情况下，连续地执行位置测量而 不降低测量准确度是可能的。为了实现以上目的，本发明提供一种用于测量移动图像拾取位置和用于从图像拾 取位置测量图像拾取目标的位置测量方法，其中前方交会方法和后方交会方法被交替地和 反复地执行，使用前方交会方法以连续地拍摄数字图像，在图像中产生跟踪点，在移动图像 上执行跟踪，并且通过计算从被用作已知点的图像拾取位置的坐标测量跟踪点的坐标，后 方交会方法被用于从通过计算获得的跟踪点的坐标测量在移动之后的图像拾取位置，包括 与数字图像的图像拾取并行地通过激光测绘而实际上测量到图像拾取目标的距离的步骤、 比较通过计算获得的跟踪点的坐标与通过实际测量获得的距离的步骤，和在通过计算获得 的计算坐标相对于实际测得距离在预定误差极限内的情形中获取计算坐标以作为跟踪点 的坐标值的步骤。而且，本发明提供如上所述的位置测量方法，进一步包括在执行激光测绘时沿着 从上到下的方向移动多个点的步骤，和设置用于执行移动图像跟踪的测量范围的步骤。此 外，本发明提供如上所述的位置测量方法，进一步包括在待被拍摄的移动图像的一部分中 包括道路表面或者地表面的步骤、还从道路表面或者地表面的图像提取跟踪点的步骤，和 当图像拾取目标并不存在时利用道路表面或者地表面的图像继续跟踪移动图像的步骤。而且，本发明提供一种位置测量仪器，包括GPS位置检测装置、用于连续地拍摄数 字图像的图像拾取装置、激光距离测量装置，和测量仪器主单元，其中GPS位置检测装置测 量在第一点和第二点处的位置数据，图像拾取装置在其中图像拾取装置从是已知点的第一 点经由第二点移动到是未知点的第三点的过程期间连续地对于周围环境中的风景拍摄数 字图像，激光距离测量装置与图像拾取装置进行的图像拾取并行地测量到图像拾取目标的 距离，并且测量仪器主单元从在第一点处获得的图像产生跟踪点，从在将被连续地获取的 图像上产生的点的描绘顺序地识别跟踪点，从在第一点和第二点处的位置数据计算在第一 点处获取的图像和在第二点处获取的图像的跟踪点的三维位置数据，比较计算结果与通过 激光距离测量装置的距离测量结果，采用相对于测量结果在预定误差极限内的计算结果作 为跟踪点的位置数据，以及从跟踪点的位置数据计算第三点的位置数据。此外，本发明提供如上所述的位置测量仪器，其中激光距离测量装置能够同时地 或者几乎同时地在从上到下的方向上对于多个点执行测量。而且，本发明提供如上所述的 位置测量仪器，其中所述激光距离测量装置投射多个脉冲激光束，所述脉冲激光束在从上 到下的方向上以它们之间具有预定距离沿线排列，并且对于每一个激光束和对于每一个激 光束的每一个脉冲执行距离测量。此外，本发明提供如上所述的位置测量仪器，其中激光距 离测量装置在从上到下的方向上往复地投射单脉冲激光束以进行扫描，并且对于每一个脉
4冲测量距离。而且，本发明提供如上所述的位置测量仪器，其中测量仪器主单元基于通过激 光距离测量装置的测量结果设置测量范围并且执行对于移动图像的跟踪和对于测量范围 的测量。本发明提供一种用于测量移动图像拾取位置和用于从图像拾取位置测量图像拾 取目标的位置测量方法，其中前方交会方法和后方交会方法被交替地和反复地执行，使用 前方交会方法以连续地拍摄数字图像，在图像中产生跟踪点，在移动图像上执行跟踪，并且 通过计算从被用作已知点的图像拾取位置的坐标测量跟踪点的坐标，后方交会方法被用于 从通过计算获得的跟踪点的坐标测量在移动之后的图像拾取位置，包括与数字图像的图像 拾取并行地通过激光测绘而实际上测量到图像拾取目标的距离的步骤、比较通过计算获得 的跟踪点的坐标与通过实际测量获得的距离的步骤，和在通过计算获得的计算坐标相对于 实际测得距离在预定误差极限内的情形中获取计算坐标作为跟踪点的坐标值的步骤。结 果，通过计算获得的跟踪点的坐标的、具有低准确度的数据得以排除，并且能够防止测量准 确度降低。此外，能够防止在前方交会方法和后方交会方法中发生累积误差，并且增加位置 测量的准确度并且改进可靠性是可能的。而且，本发明提供如上所述的位置测量方法，进一步包括在执行激光测绘时在从 上到下的方向上移动多个点的步骤，和设置用于执行移动图像跟踪的测量范围的步骤。结 果，消除这种类型的测量操作是可能的，所述测量操作是无用的或者是不重要的，并且增加 测量效率并且减轻位置测量仪器的负担是可能的。此外，本发明提供如上所述的位置测量方法，进一步包括在待被拍摄的移动图像 的一部分中包括道路表面或者地表面的步骤，还从道路表面或者地表面的图像提取跟踪点 的步骤，和当图像拾取目标并不存在时利用道路表面或者地表面的图像继续移动图像跟踪 的步骤。结果，即使当图像拾取目标可能并不存在时，可能防止由于跟踪点的错误识别而发 生测量误差，或者防止测量中断，并且测量效率得以改进。而且，本发明提供如上所述的位置测量仪器，包括GPS位置检测装置、用于连续地 拍摄数字图像的图像拾取装置、激光距离测量装置，和测量仪器主单元，其中GPS位置检测 装置测量在第一点和第二点处的位置数据，图像拾取装置在其中图像拾取装置从是已知点 的第一点经由第二点移动到是未知点的第三点的过程期间连续地对于周围环境中的风景 拍摄数字图像，激光距离测量装置与通过图像拾取装置进行的图像拾取并行地测量到图像 拾取目标的距离，并且测量仪器主单元从在第一点处获得的图像产生跟踪点，从在将被连 续地获取的图像上产生的点的描绘顺序地识别跟踪点，从在第一点和第二点处的位置数据 计算在第一点处获取的图像和在第二点处获取的图像的跟踪点的三维位置数据，比较计算 结果与通过激光距离测量装置的距离测量结果，采用相对于测量结果在预定误差极限内的 计算结果作为跟踪点的位置数据，和，从跟踪点的位置数据计算第三点的位置数据。结果， 如通过计算获得的有关跟踪点的位置数据的、具有低准确度的数据能够得以排除，并且能 够防止测量准确度降低。同时，能够防止累积误差的发生，并且增加位置测量中的准确度并 且改进可靠性是可能的。此外，本发明提供如上所述的位置测量仪器，其中激光距离测量装置能够同时地 或者几乎同时地在从上到下的方向上对于多个点执行测量。结果，执行到待被测量的目标 的距离的测量并且识别待被测量的目标的表面是可能的。
而且，本发明提供如上所述的位置测量仪器，其中所述激光距离测量装置投射多 个脉冲激光束，所述脉冲激光束在从上到下的方向上以它们之间具有预定距离沿线排列， 并且对于每一个激光束和对于每一个激光束的每一个脉冲执行距离测量。因为能够在从上 到下的方向上同时测量多个点，所以到待被测量的目标目标的距离能够得以确定并且待被 测量的目标的表面能够得以识别。此外，本发明提供如上所述的位置测量仪器，其中激光距离测量装置在从上到下 的方向上往复地投射单脉冲激光束以进行扫描，并且对于每一个脉冲测量距离。因为能够 在从上到下的方向上几乎同时地测量多个点，所以到待被测量的目标的距离能够得以确定 并且待被测量的目标的表面能够得以识别。而且，本发明提供如上所述的位置测量仪器，其中测量仪器主单元基于通过激光 距离测量装置的测量结果设置测量范围并且执行对于移动图像的跟踪和对于测量范围的 测量。结果，消除这种类型的测量操作是可能的，所述测量操作是无用的或者不重要的，并 且增加测量效率并且减轻位置测量仪器的负担是可能的。
图1是示出根据本发明的实施例的位置测量仪器的示意图；图2是解释其中本发明实施例得以执行的情况的示意3是根据本发明实施例的位置测量仪器的示意框图；图4是示出在本发明实施例中的操作的流程图；图5是解释在位置测量仪器的图像跟踪操作中的图像拾取情况的绘图；图6(A)和图6(B)每一个均代表示出所获得的图像的绘图；图7是解释在本发明实施例中基于前方交会方法和基于后方交会方法的测量情 况的绘图。图8(A)是解释根据所获得的图像通过前方交会方法的、用于跟踪点的位置测量 的绘图，并且图8(B)是解释基于所获得的图像通过后方交会方法的、用于图像拾取点的位 置测量的绘图。图9是解释在本发明实施例中通过前方交会方法和后方交会方法的测量的操作 的流程图；图10代表解释单一照相定向的绘图和等式；图11是用于解释在本发明实施例中在图像跟踪和距离测量之间的关系的图示；图12示出用于解释在本发明实施例中在图像跟踪和距离测量之间的关系的附 图；并且图13是解释如在本发明实施例中获得的、待被测量的目标和对其进行测量的移 动目标的测量点的轨迹的绘图。
具体实施例方式将在下面通过参考附图而对于本发明的实施例给出说明。首先，参考图1到图3，将对于根据本发明的位置测量仪器给出说明。图1是示出位置测量仪器1的总体特征的示意图。位置测量仪器1主要包括测量
6仪器主单元2、位置检测装置3、操作单元4，和显示单元5。位置检测装置3被安设于提供 良好视野的位置处，例如移动目标25例如推土机、汽车的驾驶舱的顶上。测量仪器主单元 2、操作单元4和显示单元5被安设于操作员或者驾驶员在此处能够容易地操作并且能够在 视觉上辨识图像的位置例如驾驶舱处。操作单元4可以被设计成触摸面板，或者可以与显 示单元5集成在一起。图2示出其中位置检测装置3被安设于汽车，即移动目标25的示例的顶上的情 形。位置检测装置3包括在检测装置主单元6的上表面上安设的GPS位置检测装置7、 激光距离测量装置8、在检测装置主单元6的侧表面上安设的图像拾取装置9，和在检测装 置主单元6中结合的方位角传感器10。激光距离测量装置8的距离测量方向和图像拾取装 置9的光轴预先得到校准。优选的是激光距离测量装置8和图像拾取装置9在校准状态下 被集成到一起。例如，在图像拾取装置9中结合激光距离测量装置8。激光距离测量装置8被如此布置，使得多个点激光束以它们之间具有预定距离地 在从上到下的方向上排列并且被以脉冲投射，并且使得能够对于每一个激光束和对于每一 个脉冲测量在激光距离测量装置8 (即图像拾取装置9)和图像拾取目标之间的距离。激光 距离测量装置8可以被设计成往复地并且竖直地投射脉冲激光束以在预定范围内扫描并 且对于每一个脉冲测量距离从而能够同时地或者几乎同时地在从上到下的方向上测量多
个占
I ；^ O图像拾取装置9被如此设计成在两侧上并且垂直于移动目标25的行进方向拍摄 移动图像。以全向方向(360° )拍摄照片的全向照相机可以被用作图像拾取装置9。图像 拾取装置9是数字图像拾取装置例如数字照相机、数字摄影机等，并且图像拾取装置9能够 输出如此拍摄的图像作为数字图像数据。图像拾取装置9包括由多个像素构成的图像拾取 元件，例如CCD传感器、CMOS传感器等。图像拾取元件的一个帧的图像数据是作为每一个像 素的信号的组合构成的。通过识别将对应于信号的像素，图像中的位置能够得以识别。在 图像拾取装置9和方位角传感器10之间的机械关系是固定的。当方位角传感器10检测到 方位角时，每一个图像拾取装置9的图像拾取方向(方位角)能够被唯一地确定。GPS位置检测装置7包括方位角传感器10、GPS天线11和GPS运算单元12 (见图 3)，并且经由GPS天线11接收来自多个卫星的信号，并且基于所接收的结果，GPS运算单元 12鉴于三维几何形状而计算在卫星和接收点之间的距离，并且三维位置测量得以执行。作 为位置测量，有单一位置测量、干涉位置测量等。优选的是采用RTK(实时动态)位置测量， 由此能够在移动时在短时间内进行测量。图像拾取装置9通过为移动图像照相而拾取图像或者以预定时间间隔拾取图像 (例如30图像帧/秒)。与图像拾取同步，为每一个图像帧执行通过GPS位置检测装置7 的位置测量。与用于每一个预定帧的图像拾取时间间隔的时间间隔要求次数同步地(例如 以每一个均处于30秒的时间间隔)，通过GPS位置检测装置7的位置测量得以执行。已拾 取图像的所捕捉图像的图像数据被与当图像得以拍摄时在位置检测装置3处获得的位置 数据相关联，并且结果被发送到测量仪器主单元2并且在数据存储单元18中存储该结果。在激光距离测量装置8处获得的距离测量的结果与在与距离测量时间相同的瞬 间拍摄的图像帧匹配(相关联)，并且结果被发送到测量仪器主单元2并且被存储于数据存储单元18中。图像拾取装置9的图像拾取的时间间隔(或者预定帧间隔)被设为如此时间间 隔，使得已拍摄图像中的大部分在时间上相邻的图像帧之间交迭并且使得图像连续性在整 体上并未失去。如果移动目标25的速度是高的，则缩短图像拾取的时间间隔，并且如果移 动目标25的速度是缓慢的，则图像拾取的时间间隔可以更长。或者，可以如此布置，使得图 像拾取的时间间隔是固定的从而时间间隔对应于移动目标25的最大速度。类似地，当移动目标25的速度是高的时，如上所述的捕捉时间间隔被设为例如15 秒间隔，并且当移动目标25的速度是缓慢的时，时间间隔被设为例如45秒间隔，并且捕捉 时间间隔可以得到调节。如将在以后描述地，如此捕捉的图像被用于图像测绘。参考图3，将对于测量仪器主单元2给出说明。测量仪器主单元2主要包括输入/输出控制单元13、通常由CPU代表的控制运算 单元14、由HD等代表的存储单元15，和通信控制单元16等。存储单元15是记忆卡、HD、FD或者MO等并且被并入或者被以可移除方式附接。存 储单元15具有程序存储单元17和数据存储单元18。在程序存储单元17中存储各种类型 的程序。这些程序包括用于控制装置的操作的序列程序、用于从所获得的图像提取跟踪点 的图像处理程序、用于在多个图像之间执行图像匹配和用于在多个图像之间执行跟踪点的 跟踪的计算程序、用于利用前方交会方法基于如由位置检测装置3获得的两个三维位置数 据计算图像中的未知点的位置和用于利用后方交会方法从两个图像的每一个中的至少两 个已知点计算位置检测装置3的位置的测绘程序、用于向外部装置例如数据收集装置等传 输所获得的测量结果的传输控制程序、用于在显示单元5上显示位置测量的结果的显示程 序和其它程序。 在数据存储单元18中，数据得以存储，例如由图像拾取装置9获取的图像数据、当 图像得以拍摄时位置检测装置3的位置数据，和如由激光距离测量装置8测量的距离测量 数据。如上所述，位置数据和距离测量数据被与图像数据相关联，并且图像数据是时间序列 数据。下面，参考图4，将对于本发明实施例的操作的总体概况给出说明。在能够由GPS位置检测装置7测量位置的情形中，根据通过GPS位置检测装置7 的位置检测的结果，移动目标25的目前位置得以测量和识别。此外，与通过GPS位置检测 装置7的位置信息获取(步骤00)并行地，在垂直于行进方向(即在沿路线的方向上)的 方向的图像被图像拾取装置9连续地拍摄(步骤01)。在通过图像拾取装置9的图像拾取 范围中，包括包括沿着路线的建筑物的风景，和如在图像的下部中看到的、在此处驱动移 动目标25的道路(道路表面)。此外，与通过GPS位置检测装置7的测量并且与通过图像拾取装置9的图像拾取 并行地，激光距离测量装置8在图像拾取装置9的图像拾取方向上对图像拾取目标执行距 离测量(步骤11)。图像拾取目标包括沿着路线定位的目标。例如，图像拾取目标是建筑， 例如在城区的情形中的建筑物和在郊区的情形中的提岸等。如上所述，激光距离测量装置8投射多个点激光束，所述点激光束在从上到下的 方向上以它们之间具有预定距离地排列并且作为脉冲投射，并且对于每一个激光束和对于 每一个脉冲执行距离测量。因此，当移动目标25被驱动时，能够在以带状形状连续的范围中进行测量，所述范围具有等于所需要的高度的宽度。在由图像拾取装置9拍摄的图像上，通过图像处理提取特征点。通过在图像帧之 间跟踪所提取的特征点，图像跟踪得以执行，并且与当利用位置测量仪器1执行测量时的 时间段一样长地执行图像跟踪(步骤02)基于如由GPS位置检测装置7获得的、移动目标25的两点位置数据，在所提取的 特征点上利用前方交会方法而通过计算获得了三维位置数据(步骤03)。当在特征点(即待被测量的目标的测量点)上获得三维位置数据时，基于特征点 的三维位置数据并且基于移动目标25的位置数据计算在移动目标25和特征点之间的距 离。然后，计算距离被与如由激光距离测量装置8确定的、到特征点的距离相比较(步骤 04)。即使当如由激光距离测量装置8测量的测量点不与特征点的位置完好地一致时， 如果待被测量的目标是建筑物的壁表面，则对于距离测量的准确度也几乎没有影响。当计算距离和由激光距离测量装置8实际测得的、到特征点的距离(在下文中称 作“实际测得距离”)彼此一致时或者当计算距离和实际测得距离在预定误差极限内例如 在10%内时，如由前方交会方法获得的特征点的位置坐标被视为是正确的，并且位置坐标 被与图像一起地存储于数据存储单元18中。当特征点在建筑物之间的空间中时，或者当因为建筑物不存在而不能获得图像 时，即当图像拾取目标并不存在时或者即使当图像能够得以拍摄但是距离大范围地改变 时，即使当能够获得图像时，特征点也不能得以提�。⑶腋偈遣怀晒Φ模⑶姨卣鞯憧� 能被错误地辨识。即便跟踪是成功的，准确度也被极度地降低。在这种情况下，在其中将计 算距离和实际测得距离相互比较的情形中，值是极度不同的或者实际测得距离不能得以获 得。在这种情形中，特征点和计算距离因为脱离测量目标而被移除(步骤05)。在距如由 激光距离测量装置8测量的实际测得距离所期距离范围(例如在20m内；能够被自由地设 定)内不存在特征点的情形中或者当认为不存在计算距离时，也能够移除特征点和计算距 罔。因此，将不存在包括误差的特征点，这将是通过将在以后描述的后方交会方法计 算的基础。结果，累积错误的发生得以防止，并且通过后方交会方法的位置测量的准确度和 可靠性得以改进。下面，通过基于所获取的特征点并且还基于与实际测得值相比在误差极限内的、 特征点的三维坐标进行计算，能够通过后方交会方法获得在移动之后的移动目标25的三 维坐标。具体地，不能利用GPS位置检测装置7对其测量位置的移动目标25的位置能够得 以确定(步骤06)。如上所述，通过前方交会方法获得了特征点(即待被测量的目标的测量点)的三 维位置数据。此外，处于根据所获取的特征点的三维坐标移动的下一位置的移动目标25的 位置坐标通过后方交会方法而得以确定。通过重复前方交会方法和后方交会方法，即使当 不能在GPS位置检测装置7处实现位置测量时，执行移动目标25的位置测量也是可能的， 并且此外，将由图像拾取装置9拍摄的图像与位置数据相关联是可能的。再次，当转向其中GPS位置检测装置7能够从卫星接收信号的情况时，位置测量模 式被改变为通过GPS位置检测装置7的位置测量模式。
下面，参考图5和图6，将对于步骤02中的图像跟踪给出更加具体的说明。基于图像处理程序，控制运算单元14对于测量位置P1 (在下文中，测量位置P被 简称为P)的图像数据I1执行图像处理例如边缘处理，并且以所需数目提取是图像中的特 征点的角部部分或者交点作为跟踪点(A1, A2，A3,......)(由图6㈧中的开口圆示出)。提取跟踪点，使得跟踪点在整个图像之上分散，并且还在包括于图像的下部中的 道路表面上提取特征点。如在图5中在P1处拍摄的图像在图6(A)中由图像I1示出，并且在于图5中从P1 移动到P2时连续地拍摄的P2的图像在图6 (B)中由图像I2示出。在此情形中，利用由方位角传感器10检测到的方位角获得了图像数据I1的中心 偏离P1的方位角，并且能够从图像数据I1中的像素位置(相对于图像中心在图像拾取元件 上的位置)计算偏离跟踪点(A1, A2, A3,......)中的每一个的方位角。在从P1到己的过程中，图像被图像拾取装置9连续地拍摄并且在相邻图像之间跟 踪在每一个图像中产生的跟踪点。在图像拾取元件上被设为跟踪目标的跟踪点的位置被记录为检索中心位置。在如 随着时间随后接着获取的、随后的图像数据上，以检索中心的位置作为中心来设定检索范 围，并且在如已被设定的检索范围上在随后的图像数据中检索跟踪点。如上所述，在移动期 间图像被连续地拍摄，并且前一图像数据与随后的图像数据的偏差是轻微的。跟踪点是存 在于随后的图像数据的检索范围内的，并且在随后的图像数据中的跟踪点能够被即刻地识 别。对于在检索范围内的检索，采用SSDA(序贯相似性检测算法)或者区域相关方法等。跟踪点在随后的图像数据上被识别为检索目标并且通过反向匹配 (back-matching)检查前一图像数据的跟踪点。当通过反向匹配获得的跟踪点并不与已经 获得的跟踪点一致时，这个跟踪点被删除。通过执行反向匹配，闭塞或者障碍能够得以避 免。当在3个或者更多图像数据上确定跟踪点时，通过基于多个图像的束调整计算而反复 地检查坐标，并且移除具有低准确度的跟踪点。通过移除具有低准确度的跟踪点，改进识别 跟踪点的准确度是可能的。通过比较前一图像数据与随后的图像数据，如在以上给出的跟踪点根据时间序列 而被顺序地检索。通过图像处理的跟踪点的提取和跟踪点的跟踪被连续地执行，而与是否在每一个 P处从位置检测装置3输入了位置数据无关。已经为其完成跟踪点的跟踪过程的、在过去的 图像数据(即在这些P之间拍摄的图像数据)可以被从数据存储单元18擦除以减少记录量。当图像跟踪得以执行时，优选的是，在图像帧之间存在共有目标。当在建筑物之间 存在空间或者建筑物缺失时，不存在共有目标。结果，可以停止图像跟踪，否则所被跟踪的 跟踪点可能被错误地辨识。在本实施例中，在图像的一部分中包括道路表面，并且在图像上的道路表面的连 续性能够得以保持。此外，在道路表面上产生了跟踪点。因此，通过将从道路表面上的图像 提取的跟踪点视为图像跟踪目标，即使当在建筑物之间存在空间时或者当建筑物缺失时， 图像跟踪也能够可靠地得以继续。接着，当移动目标25移动到建筑物后面或者移动到隧道中时，来自卫星的无线电
10波并不能达到，并且通过GPS位置检测装置7的位置测量不能得以执行。然后，通过前方交 会方法和后方交会方法的位置测量被连续地执行。现在，参考图7到图10，将对于其中通过顺序地重复前方交会方法和后方交会方 法而执行移动目标25的位置测量的情形给出具体说明。图7示出其中移动目标25在障碍物20和障碍物21之间移动的情况，并且位置检 测装置3从第一点(点P1)移动到第六点(点P6)(在下文中，点P被简称为P)。在点P1和 P2处，能够经由GPS天线11接收来自卫星的信号，而在点P3到P5处，因为障碍物20和21 而不能接收来自卫星的信号，并且在点P6处，来自卫星的信号能够被再次接收。 在移动目标25移动时的时间段期间，周围环境中的图像即障碍物20和21的图像 被图像拾取装置9连续地拍摄，并且执行如上所述的图像跟踪。每一个点P表示移动目标 25在预先设定的每一个时间间隔处或者在预定的图像帧间隔处的位置。在点P之间的距离 是将在以后描述的照相基线长度B。当移动目标25来到点P1时，控制运算单元14获取在GPS位置检测装置7处测量 的位置数据(步骤21)。因此，点P1具有已知的坐标。接着，在点P2上，由GPS位置检测装置7执行位置测量。从位置检测装置3输入在 点P2上的位置测量数据(步骤23)，并且点P2和在点P2处拍摄的图像I2的位置测量数据 被存储于数据存储单元18中(见图6)。在图像I2上执行图像处理，并且通过跟踪识别跟
踪点(A1, A2, A3,......)中的每一个。能够根据通过方位角传感器10的、在图像拾取方向
上的方位角的检测和根据跟踪点(A1, A2, A3,......)中的每一个的图像I2的位置(场角)
计算在此情形中跟踪点(A1,A2,A3,......)中的每一个相对于点P2的方位角(见图8(A))。接着，基于是已知点的点P1和P2的位置数据，并且还基于跟踪点(A1, A2,
A3,......)中的每一个的方位角角度，能够通过前方交会方法计算跟踪点(A1, A2,
A3,......)中的每一个的三维位置数据(步骤23和步骤03)(见图8(A)和图4)。如已经描述地，关于这个计算出的三维位置数据，通过与通过激光距离测量装置8 的距离测量结果进行比较，判定计算结果是否是有效的，和此外是应该进一步获得还是应 该排除计算结果(步骤05 ；见图4)。如果判定计算结果是有效的并且判定获取计算结果，则跟踪点(A1,A2,A3,......)
将是已知点。在图8中，仅仅示出有限数目的跟踪点，而实际上多个跟踪点得以提取。因此， 即使当跟踪点的一部分被排除时，也能够利用其余的跟踪点执行图像跟踪。例如，利用在道 路表面上的图像上提取的跟踪点，图像跟踪能够得以执行。跟踪点(A1, A2, A3,......)中的每一个的位置数据被与图像I1和I2的图像数据
相关联并且被存储于数据存储单元18中。对于跟踪点，作为跟踪点(A1, A2, A3,......)执
行图像I1和I2的相对定向，并且图像I1和I2被转换成包括三维位置数据的图像(立体图 像)。当移动目标25被移动到点P3时，来自卫星的无线电波被障碍物20中断。在位置 检测装置3上不能执行位置测量，并且来自位置检测装置3的测量位置未被输入。当判定 不存在来自位置检测装置3的输入时，控制运算单元14改变为基于后方交会方法计算位置测量。直到移动目标25被移动到点P3,通过图像拾取装置9的图像拾取操作和在图像数据中的跟踪点的跟踪操作被连续地执行(步骤24)。具体地，基于已经获得的跟踪点(A1, A2, A3,......)中的每一个的位置数据并且
还基于在点P3处获取的图像I3中的跟踪点(A1, A2, A3,......)的方位角数据，并且基于P3
的方位角数据(在图像拾取方向上的方位角和场角)，通过后方交会方法，在点P3处的位置 数据得以计算(步骤25和06)(见图8(B)和图4)。当移动目标25被移动到点Pi、P2、P3......并且图像拾取的范围被移动时，在已拾
取图像中顺序地产生了新的跟踪点。例如，参考图8(A)和图8(B)，在图像I2上产生了跟踪 点A4并且在图像I3上产生了跟踪点A5和A6。还在新产生的跟踪点上执行跟踪操作(步骤 n-1)，并且此外，通过前方交会方法，位置数据顺序地得以计算和测量。通过后方交会方法，点P3被转换成已知点，并且基于点P3和P2的位置数据并且还 基于相对于从点P3和P2新产生的跟踪点的方位角数据，通过前方交会方法，新产生的跟踪 点的位置得以计算(步骤η)。从图像中的跟踪点的位置数据，通过后方交会方法，Pn的位置得以计算和测量。此 外，基于该图像，通过前方交会方法，从现在已知的数据Pfa-D和Pn新产生的跟踪点的位置 得以计算和确定。即使当不能获得来自卫星的无线电波并且不能由位置检测装置3执行点 P的位置测量时，也能够通过交替地执行前方交会方法和后方交会方法而连续地进行点P 的位置测量。接着，当移动目标25到达点P6时，能够接收到来自卫星的无线电波，并且能够由 位置检测装置3测量点P6的位置。当由位置检测装置3测量的位置数据被输入控制运算 单元14时，控制运算单元14判断存在位置数据的输入，并且停止通过后方交会方法的计 算。由图像拾取装置9获取的图像数据利用图像数据提取的跟踪点和所提取的跟踪点的方 位角数据被与点P6的位置数据相关联，并且相关联的数据被存储于数据存储单元18中。因此，直到来自位置检测装置3的位置信息得以输入为止，采用在位置检测装置3 处测量的结果作为P的位置测量数据。当来自位置检测装置3的位置信息被中断时，采用 通过前方交会方法和后方交会方法计算的点P的位置信息，并且点P的位置无中断地被连 续测量。在不能由位置检测装置3进行位置测量的情形中，作为图像数据和跟踪点的数 据，如果在三个点P即最新的点P1^P在过去的至少两个点Pfo-D和Ρ(η-2)上存在数据，则这将 是足够的。比Ρ(η-3)更早的数据可以被顺序地擦除以减少记录量。根据已被跟踪的、所要求的数目的跟踪点，在两个相邻测量点处，例如在P2和P3上 捕捉图像，对于在P2和P3处获取的图像，基于跟踪点在过去的点上执行相对定向。如果在 P2和P3处捕捉的图像被视为包括三维位置数据的图像(即立体图像)，获得每一个像素的 位置数据和方位角数据以从该图像构成其它图像是可能的，并且加速计算处理是可能的。在如以上给出的说明中，在图7中在移动目标25的右侧上在障碍物上拍摄图像， 并且在P上执行位置测量。在不能在右侧上从障碍物获取适当的图像以获得跟踪点的情形 中，可以在左侧上从障碍物获取图像，并且可以根据将被获取的图像上的障碍物的情况在 图像处理阶段中作出适当的选择。在步骤04和步骤25中，通过后方交会方法获得了测量位置P，而在本实施例中，通 过单一照相定向对已知点(测量点)的坐标和对图像进行匹配，并且测量位置P得以测量。
参考图10，将在下面对于通过单一照相定向的、测量点的坐标测量给出说明。这里假设包括测量点的空间的坐标是目标空间坐标(X，Y，Z)，在图像上的图像坐 标是(X，y)，图像拾取装置9的焦距是f，图像拾取装置9的照相位置的坐标是(Xtl, Y0, Z0)， 并且照相机的旋转元素(倾斜)是(1，m，η)。贝U，目标空间坐标(X，Y，Ζ)和图像坐标(χ， y)由以下等式表达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，如果存在两个或者更多(或者，更加优选地三个或者更多)已知目标空间坐 标(X，Y，Z)，则图像拾取装置9的照相位置的坐标(Xtl, Y0, Z0)的三维坐标能够得以测量。下面，参考图11到图13，将对于在本发明实施例中的图像跟踪和距离测量的总体 特征给出说明。在图11到图13每一个中示出的示例中，在移动目标25的顶上安设检测装置主单 元6，移动目标25是车辆，并且在填充地(铺在地上的泥土)23上执行测量。在移动目标25围绕填充地23移动时执行测量。由检测装置主单元6拍摄填充地 23的移动图像，并且由激光距离测量装置8执行距离测量。如在图12中所示，在填充地23 的这一侧上的地表面也被包括于移动图像中。从激光距离测量装置8，脉冲投射多个激光束24，所述激光束在从上到下的方向 上以它们之间具有预定距离沿线排列。利用脉冲激光束，对于每一个激光束并且对于每一 个脉冲测量距离。因为在投射沿线排列的激光束24时移动目标25被移动，所以测量范围 是在从上到下的方向具有宽度的带状形状。激光距离测量装置8可以在从上到下的方向上往复地投射单脉冲激光束以进行 扫描的从而对于每一个脉冲测量距离，同时，通过使用多个脉冲激光束来测量距离，不仅到 目标的距离能够得以测量，而且待被测量的平面还能够得以识别。通过从激光距离测量装 置8的距离测量的结果确定测量范围，省去不必要部分的测量是可能的，并且测量效率得 以改进。而且，能够减轻在测量期间位置测量仪器1的负担。如在图12中所示，在图像跟踪得以执行时，对于每一个预定时间间隔或者对于每 一个预定帧间隔捕捉图像。所捕捉的图像被与在图像捕捉时由激光距离测量装置8测量的 距离测量数据相关联并且被存储。在所捕捉的图像之间的时间差期间移动目标25的移动 距离将是照相基线长度B。如在图10中所示，在此情形中照相距离H对应于Z。在图13中，在填充地23上的测得点表示为多个点组。数字26代表如在本实施例 中测量的移动目标25的行进轨迹。对于图13所示的行进轨迹26的测量，利用GPS位置检 测装置7的位置测量未被执行。根据本发明，从由激光距离测量装置8测量的距离数据，用于执行图像跟踪的测 量范围得以设定，并且如由图像拾取装置9从图像跟踪获得的目标的三维坐标得以检查， 并且在这个范围内的数据得以检测。结果，工作效率能够得以改进，并且测量准确度和可靠 性也能够得以改进。通过使用实际测量的距离数据，仅仅能够获得在适当的照相距离处测量的三维位 置数据。通过使用利用摄影机的后方交会方法，能够以高的准确度确定摄影机的外部定向 元素(位置和倾斜)而不受到由于目标构形引起的照相距离的影响。
13
此外，即使在由于表面不规则性的隐藏或者目标非连续性而不能检测待被测量的 目标的情形中，也能够通过限定测量表面而从图像跟踪的结果消除三维位置数据的误差， 并且由于后方交会方法引起的、在摄影机的外部定向元素中的误差能够得以防止。通过预先对于激光距离测量装置8和摄影机执行校准，从由激光距离测量装置8 获得的三维坐标并且从对应于该坐标的图像数据，摄影机透镜的自校准能够得以简单地执 行。结果，改进通过摄影机跟踪的准确度是可能的。在不能执行图像跟踪的情形中，例如在夜间，激光距离测量装置8能够对三维测 量进行内插。
权利要求
一种用于测量移动图像拾取位置和用于从图像拾取位置测量图像拾取目标的位置测量方法，其中前方交会方法和后方交会方法被交替地和反复地执行，使用所述前方交会方法以连续地拍摄数字图像、在图像中产生跟踪点、在移动图像上执行跟踪，并且通过计算从被用作已知点的图像拾取位置的坐标测量所述跟踪点的坐标，所述后方交会方法被用于从通过计算获得的跟踪点的坐标测量在移动之后的图像拾取位置，包括与数字图像的图像拾取并行地通过激光测绘而实际上测量到图像拾取目标的距离的步骤、比较通过计算获得的所述跟踪点的坐标与通过实际测量获得的距离的步骤，和在通过计算获得的所述计算坐标相对于实际测得距离在预定误差极限内的情形中获取计算坐标作为跟踪点的坐标值的步骤。
2.根据权利要求1的位置测量方法，进一步包括在执行激光测绘时在从上到下的方向 上移动多个点的步骤，和设置用于执行移动图像跟踪的测量范围的步骤。
3.根据权利要求1的位置测量方法，进一步包括在待被拍摄的移动图像的一部分中包 括道路表面或者地表面的步骤、还从所述道路表面或者所述地表面的图像提取跟踪点的步 骤，和当图像拾取目标并不存在时利用所述道路表面或者所述地表面的图像继续移动图像 跟踪的步骤。
4.一种位置测量仪器，包括GPS位置检测装置、用于连续地拍摄数字图像的图像拾取 装置、激光距离测量装置，和测量仪器主单元，其中所述GPS位置检测装置测量在第一点和 第二点处的位置数据，所述图像拾取装置在其中图像拾取装置从是已知点的第一点经由第 二点移动到是未知点的第三点的过程期间连续地对于周围环境中的风景拍摄数字图像，所 述激光距离测量装置与通过所述图像拾取装置的图像拾取并行地测量到图像拾取目标的 距离，并且所述测量仪器主单元从在第一点处获得的图像产生跟踪点，从在将被连续地获 取的图像上产生的点的描绘顺序地识别所述跟踪点，从在第一点和第二点处的位置数据计 算在第一点处获取的图像和在第二点处获取的图像的跟踪点的三维位置数据，比较计算结 果与通过所述激光距离测量装置的距离测量结果，采用相对于所述测量结果在预定误差极 限内的计算结果作为所述跟踪点的位置数据，和，从所述跟踪点的位置数据计算所述第三 点的位置数据。
5.根据权利要求4的位置测量仪器，其中所述激光距离测量装置能够同时地或者几乎 同时地在从上到下的方向上对于多个点执行测量。
6.根据权利要求4的位置测量仪器，其中所述激光距离测量装置投射多个脉冲激光 束，所述脉冲激光束在从上到下的方向上以它们之间具有预定距离沿线排列，并且对于每 一个激光束和对于每一个激光束的每一个脉冲执行距离测量。
7.根据权利要求4的位置测量仪器，其中所述激光距离测量装置在从上到下的方向上 往复地投射单脉冲激光束以进行扫描，并且对于每一个脉冲测量距离。
8.根据权利要求5到7之一的位置测量仪器，其中所述测量仪器主单元基于通过所述 激光距离测量装置的测量结果设置测量范围并且执行对于移动图像的跟踪和对于所述测 量范围的测量。
全文摘要
本发明涉及位置测量方法和位置测量仪器。本发明提供一种位置测量仪器，包括GPS位置检测装置(7)、用于连续地拍摄数字图像的图像拾取装置(9)、激光距离测量装置(8)，和测量仪器主单元(2)。
文档编号G01S19/42GK101957197SQ20101023233
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月16日 优先权日2009年7月17日
发明者大谷仁志, 熊谷薰 申请人:株式会社拓普康
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
