相对于地面标志来定位勘测仪器的制作方法
专利名称：相对于地面标志来定位勘测仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在坐标系——例如地基(ground-based)坐标系——中定位
(localize)勘测仪器(surveying instrument)-诸如全站仪(total station)-的
方法。具体而言，本发明涉及一种用于确定勘测仪器——其具有包含至少一个摄影机的壳 体——相对于位于地平面(ground level)的标志(mark)的高度的方法，以及一种用于相 对于该标志来定位该勘测仪器的方法。
背景技术：
勘测技术涉及通过对角度和距离的测量来确定目标的未知位置、表面或体积。 为了进行这些测量，勘测仪器常常包括电子测距单元(EDM单元)——其可以集成在经纬 仪中，由此形成所谓的全站仪。全站仪结合了电子、光学及计算机技术，并且还设有带有 可写信息的计算机或控制单元，该可写信息用于控制待执行的测量以及用于存储在测量 期间获得的数据。典型的全站仪包括基座，其带有安装在三脚架(tripod)上的三脚台 (tribrach)；照准仪(alidade)，其安装在该基座上，用于绕竖直轴线旋转；以及中央单 元，其安装在该照准仪上，用于绕水平轴线旋转。该全站仪的中央单元包括用于瞄准觇标 (target)的望远镜和光学元件。特别地，该中央单元设有EDM单元，该EDM单元通常在该中 央单元的光学轴线方向上——即沿着视线——运行。在例如同一申请人的WO 2004/057269 中，更加详细地描述了这种全站仪。优选地，该全站仪计算觇标在坐标系——例如固定的地 基坐标系——中的位置。然而，由于该全站仪测量该觇标相对于该全站仪自身位置的位置， 所以需要知道该全站仪在该固定的地基坐标系中的位置(或地点(location))。根据第一个替代方案，可以通过被称为“自由设站(free stationing) ”的方法 来确定该全站仪在固定的地基坐标系中的位置。在这个方法中，该勘测仪器被放置在该坐 标系(例如在工地)中的任选地点。首先，执行校平程序(leveling procedure)，使得该 全站仪在安装到该三脚架上时不倾斜。特别地，确定该全站仪的竖直旋转轴线(最低点 (nadir))是否与铅垂(vertically plumbed)轴线对准，即该仪器的最低点是否竖直地延 伸。然后，测量到两个(或更多)觇标——其放置在该地基坐标系的两个(或更多)已知 点——的方向(即竖直角和水平角)以及可选地距离。这些已知点也可以被称为控制点。 该地基坐标系的控制点对应于位于地平面的参考点或参考标志，并且这些控制点在该地基 坐标系中的坐标是已知的。一俟获得这两个(或更多)控制点的方向，就可以确定该全站 仪在该地基坐标系中的地点——即该全站仪的地点坐标。自由设站的一个缺点在于如果 该全站仪需要被移至另一个位置然后移回初始位置以用于例如获取进一步的测量，那么就 很难重新获得该全站仪的初始位置。难以高精确度地在地面上对全站仪的位置作标记。根据另一个替代方案，该全站仪可以直接被置于该地基坐标系的某控制点上方。 然而，将该全站仪精确放置在这种控制点上方是十分冗长的程序。然后，将该全站仪安装在 该三脚架上，并通过透过光学对中器(optical plummet)的目镜(eye piece)观察来使该 全站仪对中(center)到该控制点上方。该目镜提供了带有中央标志的视野(view)，该中央标志允许将该全站仪直接对中到该控制点上方。最终的对中是根据迭代程序(iterative procedure)来执行的，在该迭代程序期间，勘测者使该全站仪在该三脚架上方滑动(例如 通过移动该三脚台)，直至该全站仪被对中到该控制点上方，即，从目镜中看到该中央标志 覆盖该控制点。一俟该全站仪被对中并校平，该全站仪就被稳固地附接至该三脚架。在这 个阶段，该全站仪在该地基坐标系中的坐标(X，y)是已知的，并且对应于该控制点的坐标。 然而，完全定位该全站仪还需要确定该全站仪所处的高度以及该全站仪所指方向的倾向 (orientation)。该高度一般是使用卷尺(measuring tape)或类似装置来确定的；然而，这 种测量的精确度通常是有限的，由此降低了该勘测仪器此后进行的测量的精确度。该全站 仪的倾向是通过这样的方式达成的使该勘测仪器的中央单元指向远离于该全站仪的另一 个控制点(其具有已知位置)，并确定该全站仪到这个控制点的水平角。总之，上述现有技术方法精确度有限、耗时、且不是使用者友好的。因此，需要提供克服这些问题的新的方法和系统。
发明内容
本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术的上述劣势和缺点，并提供相比 于上述技术和现有技术更高效的替代方案。更具体地，本发明的目的是提供一种用于相对于位于测地(geodetic)(或勘测) 仪器下方的地平面的标志(在下文中也称为地面标志(ground mark)或标志)来定位该仪 器的方法，以及相应的测地仪器。本发明的一个特定目的是提供这样的方法和勘测仪器，其便于测量该仪器在地面 上方的高度，特别是测量该仪器在位于地平面的标志上方的高度。本发明的另一个目的是提供这样的方法和勘测仪器，其便于相对于位于地平面的 标志来定位该勘测仪器，即，确定该勘测仪器的旋转中心相对于该地面标志的相对三维坐 标。本发明的另一个目的是提供这样的方法和勘测仪器，其用于减少在坐标系中定位 该勘测仪器所需的时间。该坐标系可以是地基坐标系或者通过GPS来确定参考点的坐标系。本发明的另一个目的是提供这样的方法和勘测仪器，其用于提高在坐标系中定位 该勘测仪器的精确度。本发明的另一个目的是提供这样的方法和勘测仪器，其便于在该勘测仪器被从该 仪器的位置移开之后重新获得所述位置。本发明的这些及其它目的是通过具有在独立权利要求中限定的特征的方法、勘测 仪器和计算机程序产品来实现的。本发明的优选实施方案由从属权利要求来表征。在本申请中，术语“测地仪器” “勘测仪器”和“全站仪”将被可互换地使用。进一 步，术语“位置”和“地点”也将被可互换地使用。因此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于定位勘测仪器——其具有包含至 少一个摄影机的壳体——的方法。该方法包括以下步骤在第一摄影机位置和倾向拍摄该 壳体下方的地面的第一图像，其中该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线； 在该第一图像中识别对应于该标志的目标点；以及测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标。该方法还包括以下步骤在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二 图像；在该第二图像中识别对应于该标志的目标点；以及测量该目标点在该第二图像中的 第二图像坐标。然后，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置 和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据(calibration data)，来确定该勘测仪器的 旋转中心在该标志上方的高度。根据本发明的第二方面，提供了一种测地仪器。该测地仪器包括至少一个摄影机， 其适于在第一摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第一图像，以及在第二摄影机位 置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二图像。该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直 旋转轴线。该勘测仪器还包括识别单元，其适于在所拍摄的图像中识别这样的目标点，该 目标点对应于位于该仪器下方的地平面的标志；测量单元，其适于测量该目标点在该第一 和第二图像中的第一和第二图像坐标；以及处理器，其适于基于该第一位置和倾向、该第一 图像坐标、该第二位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的 旋转中心在该标志上方的高度。根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序产品，其包括计算机程序代码部 分，该计算机程序代码部分当被加载到计算机中并运行时，适于执行根据本发明的第一方 面的方法。本发明利用了以下理解使用用于在两个已知摄影机位置和倾向拍摄两个图像的 至少一个摄影机的偏心度，以及在这两个图像中对目标点及其坐标的识别连同摄影机标定 数据，勘测仪器可以确定位于地平面的标志相对于该勘测仪器的旋转中心的相对坐标。本 发明也利用了以下理解对地面标志的相对坐标的非常精确的测量可以被用于测量该仪器 的高度，以及用于对勘测仪器进行设站。根据一个实施方案，本发明的方法还包括以下步骤基于该第一摄影机位置和倾 向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，以及/或者该第二摄影机位置和倾向、该第二图 像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于该标志的 相对二维坐标。换言之，在确定该仪器在该地面标志上方的高度之后，基于与这两个所拍摄 的图像中的至少一个关联的信息和数据，可以确定该仪器的旋转中心在水平平面内的二维 坐标。只要确定了该高度，根据关于这两个所拍摄的图像之一以及摄影机位置的信息，就足 以使用三角法(trigonometry)来确定该二维坐标。在这个语境中，比较这两个所拍摄的图 像的品质并选择在例如分辨率方面提供最高品质的所拍摄的图像可以是有利的。然而，这 两个图像也可以都被用来确定该仪器的旋转中心的二维坐标。结果是，确定了该仪器的旋 转中心相对于该地面标志的相对三维坐标。本发明基于三角测量(triangulation)来获得地面标志相对于该仪器的旋转中 心的相对坐标。在本发明中，用于三角测量的基线(baseline)是通过对应于该至少一个摄 影机的第一位置以及该至少一个摄影机的第二位置的点来获得的。在这个方面，应注意，该 基线的长度确定了测量该全站仪的高度和坐标的精确度，其中长的基线提供了比短的基线 更高的精确度。该基线的长度是通过标定得知的，因为该摄影机相对于该仪器的竖直旋转 轴线的位置是通过标定得知的，即，在该仪器被组装之后测得的。该摄影机相对于该基线的 角度倾向也被标定，并且可以在该仪器被组装之后被测量。这种标定数据可以被储存在该 仪器中。
根据一个实施方案，本发明的方法还包括以下步骤通过瞄准远离于该勘测仪器 的参考点，对该勘测仪器的水平指向进行定向，其中该参考点位于坐标系中的已知位置。该 勘测仪器到已知控制点的定向，连同该勘测仪器相对于该地面标志的相对三维坐标的确 定，导致在该坐标系中完全定位该勘测仪器。本发明的优势在于，它提供了用于确定全站仪相对于地面参考点的高度和/或坐 标的便宜且快速的方案。特别地，本发明的优势在于，该全站仪不需要在物理上以高精确度 放置在位于地平面的标志上方。事实上，将该全站仪以及安装有该全站仪的三脚架放置为 使得该标志被包括在该摄影机的视场(field of view)中就足够了。对该全站仪的放置的 要求降低了，因为如果该地面标志位于由处于第一位置和倾向的摄影机提供的视场以及由 处于第二位置和倾向的摄影机提供的视场的并集(union)中就足够了。这样，对应于该地 面标志的目标点就被包括在该摄影机所拍摄的图像中。在根据本发明的方法来确定该全站仪相对于该地面标志的相对位置时，该仪器的 最低点和该地面标志之间的任何错位(dislocation)在由该全站仪执行的测量期间被纳 入考量。结果是，勘测者不需要实施任何耗时的程序来使该全站仪的最低点与该地面标志 确切地对准。根据一个实施方案，该第二位置也偏心于该仪器的竖直旋转轴线，其优势在于便 于该仪器的组装，因为不需要沿着该仪器的最低点布置任何新的部件。然而，根据一个实施方案，该第二位置与该仪器的最低点同轴(coaxial)。根据本发明，借助于用于将该摄影机从该仪器壳体翻出(fold out)的机械布置， 该至少一个摄影机被安装得偏心于该全站仪的最低点的位置，使得该摄影机的视场覆盖该 仪器下方的区域。该至少一个摄影机的光学特性以及该第一和第二组位置和倾向被选择， 使得可以在该摄影机所拍摄的图像中看到该三脚架的支脚(leg)之间的位于地平面的区 域。由于提供了该三角架的支脚之间的区域的宽阔视野，所以将该至少一个摄影机布 置得远离于该仪器的最低点是有益的。该至少一个摄影机优选地被布置得，使得所拍摄的 图像提供如同从安装有该仪器的三脚架的支脚所限定的区域以外看到的地面视图。在这种 配置中，所拍摄的图像中对应于该三角架的支脚的目标点限定了这样的区域，对应于该地 面标志的目标点位于该区域中。尽管本发明的方法被限定为使用处于两个不同位置和倾向的两个图像，但应理 解，可以使用多于两个的图像来在坐标系中定位该全站仪，这在提高确定该仪器的高度和/ 或相对三维坐标的精确度方面是有利的。本发明的方法可以实施在，当该全站仪设立在已知参考点上方时，即当位于地平 面的标志在坐标系中的地点为已知时。在本实施方案中，本发明的方法被用来，基于该全站 仪相对于该已知的地面标志的相对坐标，来确定该全站仪在该坐标系中的地点。或者，如果已执行了自由设站，则勘测者在拆卸(setup disassembly)之前可能希 望相对于新的(未知的)地面标志来定位该全站仪。根据这个实施方案，勘测者以很小的 精确度将该新的地面标志置于该三脚架的支脚之间(即，在该仪器下方)，并根据本发明来 确定该全站仪的中心相对于该新的地面标志的坐标。然后，基于该全站仪的坐标——其是 通过自由设站而获得的——来确定该新的参考点的坐标。换言之，根据本实施方案，该勘测仪器被放置在坐标系中的已知位置，并且位于地平面的参考点的地点可以被确定。该新的 地面标志的坐标被记录，然后，如果有必要，该勘测者可以返回到该新的地面标志以执行进 一步的测量。这样，将该全站仪放置在该新的地面标志上方以使得该至少一个摄影机所拍 摄的图像包括该新的地面标志就足够了。并不要求该全站仪的最低点与该新的地面标志对 准。根据一个实施方案，该勘测仪器的壳体绕其旋转中心旋转，使得该至少一个摄影 机从该第一摄影机位置和倾向移动至该第二摄影机位置和倾向。尽管在拍摄该第二图像之 前进行了旋转，但当拍摄该第二图像时该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置，即，与拍 摄该第一图像时相同的位置。本实施方案的优势在于，只需要一个摄影机来实施本发明的 方法，由此降低该仪器的成本。例如，该仪器可以绕其旋转中心转过120度角，以用该摄影机拍摄地面的(在该三 脚架的支脚之间)对应于三组不同位置和倾向的三个不同图像。根据另一个实施方案，该勘测仪器包括至少两个摄影机，其中第一摄影机被布置 在第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被布置在第二摄影机位置和倾向。根据一个实施方 案，该第二摄影机可以被放置得偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线。然而，根据另一个实施方案，该第二摄影机可以沿着该仪器的最低点而放置(即， 与该仪器的最低点同轴)。在本实施方案中，沿着该最低点布置摄影机提供了该全站仪在水 平平面内相对于位于地平面的标志的相对位置。根据本实施方案，该方法还包括以下步骤 用沿着该最低点布置的图像传感器，来拍摄该仪器的壳体下方的地面的图像。确定该仪器 的旋转中心相对于该标志的相对位置包括以下步骤在所拍摄的图像中识别对应于该标志 的目标点；测量该目标点在所拍摄的图像中的坐标；以及基于所确定的高度、测得的该目 标点的坐标以及该图像传感器相对于该仪器的竖直旋转轴线的倾向和位置，来确定该仪器 的旋转中心相对于该标志的相对二维坐标。对于该第二摄影机与该仪器的最低点同轴的实施方案，可以通过以下方式来确定 表示与该图像传感器之关联的标定数据使用该图像传感器拍摄第一图像；使该仪器绕其 竖直轴线旋转至新的旋转位置；使用该图像传感器拍摄第二图像；以及处理该第一和第二 图像，以使该仪器的竖直旋转轴线的最低点与该图像传感器相互关联(correlate)。特别 地，该第一和第二图像可以以彼此基本呈180度的旋转位置而被拍摄。使用两个摄影机，可以同时拍摄该第一图像和该第二图像，其优势在于该仪器不 需要被旋转，由此确保了该仪器在图像拍摄期间的稳定性。本发明也提供了 一种全站仪，其包括用于执行上述方法的各种装置。另外，本发明可以以这样的计算机程序来实施，该计算机程序在运行时在勘测仪 器中执行本发明的方法。该计算机程序可以，例如，作为升级(upgrade)被下载到勘测仪器 中。应理解，可以使用软件、硬件或固件或其组合来针对勘测仪器实施本发明方法，视具体 情况而定。
在下文的详细描述中参考了附图，其中图1是根据本发明的一个实施方案的勘测仪器的侧视图2以二维示意性地示出了在本发明的方法中使用的勘测仪器的一些参数；图3示意性地示出了可以被该摄影机拍摄并呈现在该仪器的屏幕上的图像或视 频帧。图4是本发明方法的大体概括。图5是本发明方法的一个实施方式的概括。图6示意性地示出了根据本发明的测地仪器。
具体实施例方式图1示意性地示出了全站仪10，该全站仪包括放置在第一摄影机位置IOla和第二 摄影机位置IOIb的至少一个摄影机，其用于拍摄该仪器(或该全站仪的壳体)下方的地面 的图像。根据本发明，与位于地平面的标志关联的目标点一在图中以字母P表示一在 由该勘测仪器的摄影机拍摄的图像中被识别。参考图1和2，示出了至少一个摄影机传感器107，诸如CMOS摄影机或(XD，其用 于在第一位置IOla以第一摄影机轴线102a为中心来拍摄第一图像，以及用于在第二位置 IOlb以第二摄影机轴线102b为中心来拍摄第二图像。摄影机轴线102a、102b垂直于该摄影 机传感器或者该传感器上形成图像的平面。该图像借助于光学系统——诸如透镜106—— 形成在摄影机传感器107上。如图2所示，第一摄影机位置IOla和第二摄影机位置IOlb 限定了基线(baseline) 105，该基线的长度b对应于第一摄影机位置IOla与第二摄影机位 置IOlb之间的距离。第一摄影机位置IOla偏心于该仪器的竖直旋转轴线103，特别地，偏 心于图2中的沿着竖直旋转轴线103而定位的旋转中心104，并且该第一位置IOla的偏心 度是由到该竖直旋转轴线(或图2所示的旋转中心)的距离确定的，其等于图1和2所示 的实施方案中的基线的一半。应注意，尽管沿着该仪器的竖直旋转轴线而定位的该仪器的 旋转中心0在图2中被示为与该基线对准，但是旋转中心0并不必然沿着基线105而定位。尽管并非必要，第二摄影机位置IOlb也可以偏心于该仪器的竖直旋转轴线103， 并且第二位置IOlb的偏心度是由到该竖直旋转轴线的距离确定的，其也等于图1和2所示 的实施方案中的基线的一半。然而，第二摄影机位置IOlb也可以更接近于该竖直旋转轴 线，例如沿着该基线更接近于旋转中心104。根据一个实施方案，该第二摄影机位置与该仪 器的最低点103同轴。该摄影机传感器的特征也在于其在该第一和第二位置的倾向，即角度α a、α b。角 度α a是当该摄影机传感器处于该第一位置时形成在该第一摄影机的摄影机轴线102a与 基线105之间的角度，角度Cib是当该摄影机传感器处于该第二位置时形成在该第二摄影 机的摄影机轴线102b与基线105之间的角度。这些角度对应于该摄影机为观察定位于该 三脚架的支脚之间的区域而定向的角度。应注意，为简单起见，图1和2仅以二维示出了该勘测仪器的视图。然而，本领域 技术人员应理解，图1和2中所示的元件和特征可以被限定为不同于这些图中所示的角度。 例如，该摄影机的倾向也可以由摄影机传感器限定的图像平面与布置有该摄影机的臂形成 的角度来限定。或者，该摄影机的倾向可以相对于该仪器的竖直和水平轴线来限定。该摄影机光学轴线理想地应垂直于摄影机传感器107的平面，并且该光学系统应 没有失真(distortion)或像差(aberration)。然而，这不是实践中的情况，而这可以通过摄影机的标定而纳入考量。图3示意性地示出了该摄影机所拍摄的图像。这种图像可以被呈现给使用该勘测 仪器的操作员，使得该操作员可以通过点击该图像或者以其它方式指示期望目标点来选择 该标志的图像目标点。图4中概括了根据本发明的方法的大体步骤。该方法在包括至少一个摄影机的 勘测仪器中执行，并且开始自在步骤S401，使用处于第一摄影机位置和倾向的摄影机来 拍摄第一图像，该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线。在步骤S402，在 该第一图像中识别对应于地面标志的目标点，该第一图像可以是该摄影机所拍摄的快照 (snapshot)或者视频馈给(video feed)的一帧。例如，可以由操作员在显示有该摄影机所 拍摄的图像的屏幕上点击选择来识别该标志，或者以相对于所拍摄的图像指示该标志的任 何其它合适方式来识别该标志。也设想可以通过其它方式——诸如边缘检测或标志特征识 别——来识别该标志。在新的地面标志被置于该全站仪下方的情况下，该标志可以包括特 征诸如箭头，以便于在所拍摄的图像中识别该标志。一俟在步骤S402通过在该第一图像中 识别该目标点而选择了该标志，就在步骤S403测量该目标点在该第一图像中的第一图像 坐标。然后本方法继续，在步骤S404，使用处于第二摄影机位置和倾向的摄影机来拍摄 第二图像，之后在步骤S405在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点。例如， 可以由操作员在显示有该摄影机所拍摄的图像的屏幕上点击选择，或者优选地借助于数字 图像处理，来识别该标志。一俟在步骤S405在该第二图像中识别了该目标点，就在步骤S406测量该目标点 在该第二图像中的第二图像坐标。最后，在步骤S407，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影 机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该全站仪的旋转中心相对于 位于地平面的标志的高度。根据一个实施方案，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标以及摄影机 标定数据来确定该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于该标志的相对二维坐标。替代 地或附加地，基于该第二摄影机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据来确定 该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于该标志的二维坐标。尽管使用对应于单个位置 的数据(即，摄影机位置和倾向、图像坐标以及摄影机标定数据)中的至少一个就足够了， 但是也可以基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾向、该 第二图像坐标以及摄影机标定数据来确定该仪器的旋转中心的二维坐标。应注意，本发明的方法可以被执行，以如果位于地平面的标志被放置在坐标系中 的已知位置，则在该坐标系中定位该勘测仪器；或者，如果该勘测仪器被放置在该坐标系中 的已知位置，则在该坐标系中定位该标志。为了进一步定位该勘测仪器，本发明的方法还包括以下步骤通过瞄准远离于该 勘测仪器的参考点来对该勘测仪器的水平指向进行定向。用于对该指向进行定向的参考点 被放置在该坐标系中的已知位置。可以这样实现从该勘测仪器朝参考点的方向的定向使用该勘测仪器的望远镜或 者安装在该仪器的壳体上的摄影机，使得该摄影机的视场包括该参考点。从该摄影机到该参考点的方向可以被表达为从该摄影机轴线的水平角和竖直角(θχ，Θ0。为此，在该仪器 中(或在相关的控制单元中)提供了这样的函数，该函数通过基于该摄影机所拍摄的图像 或视频馈给中的像素坐标来计算该水平角和竖直角(θ χ，Θ y)，从而确定从该摄影机到参考 点或觇标的方向。因此，基于图像像素来计算该水平角和竖直角(θχ，θ)的函数f可以被 描述为(θχ, Θ0 = f(x, y,C)其中X、y是该摄影机的坐标系中的期望参考点或觇标的像素(或者更通常地，像 素坐标)的数量，C是待为每个坐标系确定的标定因子。标定因子C包括该摄影机的细节 信息，诸如但不局限于该摄影机到该全站仪的旋转中心的偏心度以及该摄影机的焦距。对 于如何基于该仪器中摄影机所拍摄的图像来计算该水平角和竖直角的大体描述，请参考上 文提到的 WO 2005/059473。根据一个实施方案，该勘测仪器包括仅一个摄影机。然后使该勘测仪器绕该旋转 中心旋转，使得该摄影机从该第一摄影机位置和倾向移动至该第二摄影机位置和倾向。该 第二摄影机位置也偏心于该勘测仪器的旋转中心。该第一摄影机位置由这样的摄影机标 定数据来给出该数据关于该摄影机中心到该仪器旋转中心的水平和竖直方向以及距离。 进一步，该第一摄影机倾向可以由这样的标定数据来给出该数据关于与该仪器的各轴线 (竖直和水平轴线)关联的角度或者与设有该摄影机的臂关联的角度。因此，通过将该摄影 机中心到该仪器旋转中心的水平和竖直方向以及距离——即以偏心度参数为形式的摄影 机标定数据——纳入考量，来确定该第一摄影机位置和倾向。根据另一个实施方案，该勘测仪器包括两个摄影机，其中第一摄影机被放置在该 第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被放置在该第二摄影机位置和倾向。通过将该摄影机 中心到该仪器旋转中心的水平和竖直方向以及距离——即以偏心度参数为形式的摄影机 标定数据——纳入考量，来确定该第一和第二组摄影机位置和倾向。优选地在在生产阶段组装该全站仪之后，标定该竖直旋转轴线(或图2所示的旋 转中心)与该摄影机位置之间的距离，以及该基线与处于该第一和第二位置的摄影机的图 像平面之间的角度。设想将该摄影机布置在臂上，该臂可以从该仪器或仪器壳体展开(或 翻出)，从而与该基线或壳体形成适宜的(well defined)角度，诸如图1所示。也设想，或 者，可以由勘测者选择数个适宜的角度，使得该摄影机的视场所覆盖的区域可以被调节。或 者，勘测者可以使布置有该摄影机的臂在水平平面内从该仪器的壳体中滑出。借助于例如伸缩臂(telescopic arm)，该摄影机位置也可以是可调节到该仪器的 旋转中心适宜的距离处的。然后，该仪器登记(register)对应于在拍摄图像时使用的该第一摄影机位置和 倾向以及该第二摄影机位置和倾向的角度和距离，并将这些数据纳入考量，用于确定该全 站仪相对于该地面标志的高度和/或相对坐标。进一步，可以考虑其他标定数据，例如独立于摄影机位置的参数，诸如所谓的摄影 机常数——其表示该摄影机中心与图像平面之间的距离，和/或失真参数——其依赖于该 图像位置。从该旋转连同摄影机标定数据，可以得出该第二摄影机位置和倾向。在图1和2中，示意性地示出了根据本发明的勘测仪器的一个实施方式。为简单 起见，该勘测仪器的侧视图以二维示出。
处于第一位置IOla的摄影机具有以0'指示的摄影机中心或投射中心，处于第二 位置IOlb的摄影机具有以0"指示的摄影机中心或投射中心。位置0'和0"偏心于该仪 器的旋转中心所在地点0。应注意，该勘测仪器被示为具有两个摄影机传感器107a、107b， 但本发明也可以用通过使该勘测仪器绕其旋转中心旋转而移动至不同位置的单个摄影机 来实施。当该摄影机中心位于第一摄影机位置0'——其偏心于该勘测仪器的旋转中心所 在地点0——并具有第一摄影机倾向时，该摄影机传感器拍摄第一图像。通过在该第一图像 中识别处于位置P'的目标点来选择位于地平面的标志。—俟通过在该第一图像中识别该目标点选择了该标志，就测量该目标点在该第一 图像中的第一图像坐标。然后，当该摄影机中心位于第二摄影机位置0"——其偏心于该勘测仪器的旋转 中心所在地点0——并具有第二摄影机倾向时，该摄影机传感器拍摄第二图像。在该第一图 像中被识别的目标点也在该第二图像中在位置P"被识别。—俟在该第二图像中识别了该目标点，就测量该目标点在该第二图像中在位置 P"的第二图像坐标。最后，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾 向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心0在地面上方—— 即相对于该地面标志——的高度。图5是在包括一个或两个摄影机——诸如在图1和2中示意性地公开的——的勘 测仪器中执行的本发明方法的一个实施方式的概括。输入到该方法的是包括摄影机和勘测 仪器参数的摄影机标定数据。该方法开始自在步骤S501，使用处于第一摄影机位置和倾 向的摄影机来拍摄该仪器下方的地面的第一图像，所述第一摄影机位置偏心于该勘测仪器 的旋转中心；之后，在步骤S502，通过在该第一图像中识别对应于位于地平面的标志的目 标点来选择该标志。例如，可以由操作员在显示有该摄影机所拍摄的或通过自动检测拍摄 的图像的屏幕上点击选择来识别该标志。此外，测量该目标点在该第一图像中的图像坐标。在识别了该目标点之后，就在步骤S503确定是否能使用图像处理和识别软件来 识别该目标点。如果不能，则确定邻近于该点的图案是否是可检测的。如果情况并非如此， 那么在步骤S505显示该不确定性，并在步骤S506使用合适的替代方法。在步骤S503，如果在第一图像中能检测到图案或者能通过软件识别该点，则可以 在步骤507使用该第一摄影机位置和倾向、该第二摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、第 一和第二摄影机标定数据、最小距离Dmin以及最大距离Dmax来计算所谓的核线(bipolar line)。然后，在步骤S508确定该核线是否完全处于该第二图像内。如果该核线部分地处于 该第二图像以外，则步骤S509b中的算法假定(assume)新的最大距离Dmax，其对应于该摄 影机传感器的尺寸，由此减小该核线的长度，从而使该核线被包括在该第二图像内。然后， 该算法沿着处于该第二图像内的该核线搜寻该目标点。该最大距离对应于该全站仪在地面 上方的可能高度，其例如可以为0. 5米至3米的量级。如果不能识别该点，则在步骤S510执 行旋转，该旋转是从核线数据、该第二摄影机位置和倾向以及第二摄影机标定数据算出的。 该旋转的效果有，该核线可以位于该第二图像内。将在经修正的(revised)第二摄影机位 置和倾向拍摄经修正的第二图像，使得在步骤S509c可以沿着新的核线来识别该目标。如果在步骤S508该核线完全处于第二图像内，则在步骤S509a通过在该第二图像中沿着该核 线搜索来识别该目标点。例如，可以由操作员在显示有该第二图像的屏幕上点击选择，或者 优选地借助于数字图像处理，来识别该目标点。一俟在该第二图像中识别了该目标点，就在步骤S511测量该目标点在该第二图 像中的第二坐标。基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾 向(或经修正的第二摄影机位置和倾向)、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该 标志相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标。即，该标志的相对坐标是相对于该勘测仪器的 旋转中心(或在该仪器的坐标系中)表达的。再一次参见图1和2，该勘测仪器包括两个摄影机，其中第一摄影机被放置在第一 摄影机位置和倾向，第二摄影机被放置在第二摄影机位置和倾向，或者，该勘测仪器包括单 个摄影机，其从第一摄影机位置和倾向旋转至第二摄影位置和倾向。每个摄影机都具有摄 影机中心或投射中心，其偏心于该仪器的竖直旋转轴线(特别地，该旋转中心所在地点0)， 如图所示。然而，如前文所述，该仪器也可以包括两个摄影机，其中第一摄影机被放置在偏 心于该仪器的竖直旋转轴线的第一摄影机位置，第二摄影机被放置在同轴于(或沿着)该 仪器的竖直旋转轴线的第二摄影机位置。当该第一摄影机中心位于第一位置0 ‘——其偏心于该勘测仪器的旋转中心所 在地点0—并且该第一摄影机具有第一摄影机倾向时，在该第一摄影机位置拍摄第一图 像。通过在该第一图像中在位置P' (x' ,y')识别该目标点来选择处于位置P的地面标
O该第一摄影机位置和该第二摄影机位置之间的距离可以被标示为b。在该第二摄 影机位置拍摄第二图像，该第二摄影机中心位于第二位置0〃——其偏心于该勘测仪器的 旋转中心所在地点0—并且该摄影机具有第二摄影机倾向。在第一图像中被识别的目标 点在第二图像中在位置P" (X〃，y〃)被识别。所谓的共线性(collinearity)方程被用来估计P相对于该仪器的旋转中心 的相对坐标。关于该共线性方程的推导以及该摄影机的标定的背景资料，请参考WO 2005/059473。测得的该第一图像中的坐标P'可以由下列方程定义 测得的该第二图像中的坐标P"可以由下列方程定义 下列参数从标定得知X0 ；Yci ；Z0 从摄影机位置的坐标，“ ’ ”表示第一图像；““”表示第二图像。1^:来自旋转矩阵(1 = 1...3;」=1...3)的元素，“'”表示第一图像；“〃，，表
示第二图像。x0 ;y0 从原点(principle point)的坐标(常数，独立于摄影机位置)cK 摄影机常数(常数，独立于摄影机位置)Δχ, Ay:失真参数。该失真已知为高阶多项式(polynomial of a higher degree)。该失真依赖于图像位置，且独立于摄影机位置。所有参数都被测得或从摄影机标定得知，除了 P的坐标X、Y、Z。因此，有三个未知 量和四个方程。可以用最小二乘法(least square method)确定X、Y、Ζ。应注意，对点P 所在地点的估计不限于两个图像，但至少两个图像是必要的。因此，可以使用两个或更多图像。然而，如上所述，一俟确定了该仪器在地面上方的高度，使用对应于这两个所拍摄 的图像和摄影机位置中的仅一个就足以确定该仪器的相对二维坐标。应注意，一俟通过在该第一图像中识别该目标点而选择了该标志，就可以确定从 该摄影机中心的第一位置0'到该标志的第一方向r'。使用这个第一方向r'，连同沿着该方向r'的最大距离Dmax(其可以为0. 5米至 3米的量级)以及最小距离Dmin(其可以被选为单个基线)，则r'的一段可以被变换成该 第二图像中的所谓的核线的一段，其中该目标点应位于该第二图像中。因此，如果在该第一 图像中在该目标点的位置P'周围辨识出了图案，则，通过在该第二图像中沿着该核线的这 一段搜索，或者在这一段周围的区域中搜索，就可以在该第二图像中辨识出这个图案，例如 借助于自动图像处理。如果，替代地，操作员想要在该第二图像中识别该标志，则在该第二 图像中的该核线的这一段的图形指示(graphical indication)可以简化该识别。在图6中，示出了根据本发明的全站仪的一个实施例。在许多方面，该全站仪包括 从早先的仪器得知的特征。例如，图6中示出的全站仪600包括安装在基座602上的照准仪 601，并具有三脚架603形式的安装支撑结构。照准仪601可以绕竖直向旋转轴线V旋转， 以使该仪器瞄准任何期望水平方向。在该照准仪中，布置有中央单元604，该中央单元可以 绕水平向旋转轴线H旋转，以使该仪器瞄准任何期望竖直方向。使用全站仪600进行的测 量通常关联于竖直向旋转轴线V和水平向旋转轴线H之交点处的坐标原点(origin)。为了使该照准仪绕该竖直向旋转轴线旋转以使该仪器瞄准任何期望水平方向，提 供了驱动装置605。借助于刻度盘(graduated disc)606和相应的角度编码器或传感器 607，对该照准仪601的旋转位置进行跟踪。为了使中央单元604绕该水平向旋转轴线旋转， 提供了类似的驱动装置608、刻度盘609以及传感器610。如上所述，该仪器的视线以该竖直旋转轴线和该水平旋转轴线之交点为中心，并 且在图中可以看到，这些轴线在中央单元604的望远镜613的中心相交。该仪器可以可选地包括用于显示该摄影机所拍摄的图像的显示器装置。该显示器 装置可以是该仪器的一体式部分(integral part)，但更优选地，该显示器装置被包含在可 移动控制面板中，该可移动控制面板可以用于经由近程无线电(short range radio)来对 该仪器进行远程控制。甚至可设想，该仪器是完全远程控制的，其中该显示器装置可以是远离于该全站仪的计算机屏幕的形式，并且其中去往及来自该仪器的信息是通过无线计算机 或无线电电话网络来传输的。该仪器也可以被手动地操作，以使用竖直运动伺服钮615和水平运动伺服钮616 朝远离于该仪器的期望觇标瞄准。根据本发明，该仪器还包括至少一个摄影机，其适于在第一摄影机位置和倾向拍 摄该壳体下方的地面的第一图像，以及在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的 第二图像；用于识别的装置或识别单元，其适于在所拍摄的图像中识别对应于地面标志的 目标点；测量装置或测量单元，其适于测量该目标点在该第一和第二图像中的第一和第二 图像坐标；以及处理器，其适于基于该第一位置和倾向、该第一图像坐标、该第二位置和倾 向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在该标志上方的 尚度。用于在所拍摄的图像中识别该目标点的装置可以采用光标(cursor)形式，该光 标可以在该显示器上移动。或者，该显示器可以是触摸显示器——其中通过在该显示器上 简单地点击或轻敲来识别该目标点。这优选地用于在该第一图像中识别该目标点。用于识别该目标点的装置可以包含以图像处理软件形式实施的进一步功能性 (further functionality)。在这种情况下，该进一步功能性是，可以基于所拍摄的图像中 的特定特征——例如位于期望地面标志处的标记(marker)或图案——来识别目标点。例 如，在第一图像中被识别的目标点可以，基于在该第一图像中被识别的图案，在第二图像中 被自动地识别。在该目标点被该仪器自动识别的情况下，在瞄准和测量程序之前或期间，可 以给予使用者选择权以确认该被识别的目标点是正确的。这优选地用于在该第二图像中识 别该目标点。进一步，为了便于选择该目标点，优选的是，在确定了该仪器的高度之后， 在该屏幕图像中指示对应于该仪器最低点的点，例如使用诸如图3所示的十字准线 (cross-hair)、圆点(dot)或类似物。应注意，该屏幕图像中的对应于该仪器最低点位置的 点取决于该仪器的高度。根据一个实施方案，可以在该标志上布置结构化的目标，以便于在所拍摄的图像 中识别该目标点。该结构化的目标可以是包括例如易识别(readily identifiable)图 案——诸如同心圆——的目标。或者，该结构化的目标可以为隅石(coin)，其也可以在所拍 摄的图像的对应于该标志的区域中提供具有增强的对比度的图像。由于该结构化的目标被 放置在该标志的顶部，所以当确定该仪器在地面上方的高度(相对于该标志)时将该结构 化的目标的厚度纳入考量。进一步，也设想，使用所拍摄的图像中的对应于围绕该标志的数个点的目标点，而 并不必然是对应于该标志的目标点，来确定该高度。用于测量该目标点在所显示的图像中的图像坐标的装置，以及用于确定该地面标 志相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标的装置，优选地以在处理器中运行的计算机程序代 码的形式来实施。然而，也可以在专用硬件中——诸如在专用微处理器或者数字信号处理 器(DSP)、固件(firmware)或类似物中——实施。用于旋转该仪器的装置优选地与用于该仪器的伺服控制系统联合实施，以进行驱 动电极605和608的受控启动(见图6)。
尽管已经描述了具体的实施方案，但是本领域技术人员应理解，在所附权利要求 书中限定的范围内，各种改型和替代方案都是可设想的。
权利要求
一种用于相对于位于地平面的标志来定位勘测仪器——其具有包含至少一个摄影机的壳体——的方法，所述方法包括在第一摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第一图像，所述第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线；在该第一图像中识别对应于该标志的目标点；测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标；在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二图像；在该第二图像中识别对应于该标志的目标点；测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标；以及基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在该标志上方的高度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像 坐标以及摄影机标定数据，以及/或者该第二摄影机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄 影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于所述标志的相对二维坐 标。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括通过瞄准远离于所述勘测仪器的参考点来对所述勘测仪器的水平指向进行定向，所述 参考点在坐标系中具有已知位置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中该位于地平面的标志和该勘测仪器中 的至少一个被放置在坐标系中的已知位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤使所述壳体绕该旋转中心旋转，使得该至少一个摄影机从该第一摄影机位置和倾向移 动至该第二摄影机位置和倾向，所述第二摄影机位置和倾向偏心于该勘测仪器的竖直旋转 轴线，而将该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述仪器包括至少两个摄影机，其中 第一摄影机被布置在所述第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被布置在所述第二摄影机位 置和倾向，所述第二摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述仪器包括至少两个摄影机，其中 第一摄影机被布置在所述第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被布置在所述第二摄影机位 置和倾向，所述第二摄影机位置同轴于该勘测仪器的竖直旋转轴线。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在该第二图像中识别在该第一图像中 被识别的目标点包括基于该第一摄影机位置和倾向、该第二摄影机位置和倾向、该第一图像坐标以及摄影 机标定数据，在该第二图像中确定核线，该目标点位于该核线上；以及在该第二图像中，沿着该核线，识别在该第一图像中被识别的目标点。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目 标点还包括在该第一图像中沿着该标志的成像射线，选择距该第一摄影机位置的最小距离和最大 距离，该标志位于该最小距离和该最大距离之间；基于该最大距离和该最小距离，在该第二图像中确定该核线的一段，该目标点位于这 一段上；以及在该第二图像中，沿着该核线的这一段，识别在第一图像中被识别的目标点。
10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括确定该核线是否完全处于该第二图像内。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括如果该核线没有完全处于该第二图像内，则基于核线数据、该第二摄影机位置和倾向 以及第二摄影机标定数据，使该勘测仪器绕该旋转中心旋转至经修正的第二摄影机位置和 倾向，以在经修正的第二图像内获得新的核线；使用处于该经修正的第二位置和倾向的摄影机来拍摄该经修正的第二图像；以及在该经修正的第二图像中，沿着该新的核线，识别在该第一图像中被识别的目标点。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于操作员选择或自动图像分析 来在该图像中识别该目标点。
13.一种计算机程序产品，其包括计算机程序代码部分，该计算机程序代码当被加载到 计算机中并运行时，适于执行权利要求1-12中任一项所述的方法。
14.一种勘测仪器，包括至少一个摄影机，其适于在第一摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第一图 像，以及在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二图像，所述第一摄影机位 置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线；识别单元，其适于在所拍摄的图像中识别这样的目标点，该目标点对应于位于所述仪 器下方的地平面的标志；测量单元，其适于测量该目标点在该第一和第二图像中的第一和第二图像坐标；以及处理器，其适于基于该第一位置和倾向、该第一图像坐标、该第二位置和倾向、该第二 图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在该标志上方的高度。
15.根据权利要求14所述的勘测仪器，其中所述处理器还适于基于该第一摄影机位 置和倾向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，以及/或者该第二摄影机位置和倾向、该 第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于所 述标志的相对二维坐标。
16.根据权利要求14或15所述的勘测仪器，其中所述处理器还适于相对于远离于所 述勘测仪器的参考点来对所述仪器的水平指向进行定向，所述参考点在坐标系中具有已知 位置。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的勘测仪器，其中该标志和该勘测仪器中的至 少一个被放置在坐标系中的已知位置。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的勘测仪器，还包括旋转单元，其适于，在将该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置的情况下，使该勘测 仪器绕该勘测仪器的旋转中心旋转，使得该摄影机从该第一摄影机位置和倾向移动至该第 二摄影机位置和倾向，所述第二摄影机位置偏心于该仪器的竖直旋转轴线。
19.根据权利要求14-17中任一项所述的勘测仪器，包括至少两个摄影机，其中第一摄 影机被布置在所述第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被布置在所述第二摄影机位置和倾向，所述第二摄影机位置偏心于该仪器的竖直旋转轴线。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的仪器，其中，使用图像处理软件或使用触摸显 示器一其中可以通过在该显示器上点击或轻敲来识别该目标点，该识别单元被实施为在 所显示的图像中可移动的光标。
全文摘要
公开了一种用于相对于位于地平面的标志来定位勘测仪器——其具有包含至少一个摄影机的壳体——的方法。该方法包括以下步骤在第一摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第一图像，其中该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线；在该第一图像中识别对应于该标志的目标点；测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标。该方法还包括以下步骤在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二图像；在该第二图像中识别对应于该标志的目标点；以及测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标。然后，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在该标志上方的高度。此外，公开了一种用于执行该方法的勘测仪器。
文档编号G01C15/00GK101932906SQ200880125829
公开日2010年12月29日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年2月12日
发明者S·斯瓦赫尔姆 申请人:特林布尔公司
技术领域：
本发明涉及一种用于在坐标系——例如地基(ground-based)坐标系——中定位
(localize)勘测仪器(surveying instrument)-诸如全站仪(total station)-的
方法。具体而言，本发明涉及一种用于确定勘测仪器——其具有包含至少一个摄影机的壳 体——相对于位于地平面(ground level)的标志(mark)的高度的方法，以及一种用于相 对于该标志来定位该勘测仪器的方法。
背景技术：
勘测技术涉及通过对角度和距离的测量来确定目标的未知位置、表面或体积。 为了进行这些测量，勘测仪器常常包括电子测距单元(EDM单元)——其可以集成在经纬 仪中，由此形成所谓的全站仪。全站仪结合了电子、光学及计算机技术，并且还设有带有 可写信息的计算机或控制单元，该可写信息用于控制待执行的测量以及用于存储在测量 期间获得的数据。典型的全站仪包括基座，其带有安装在三脚架(tripod)上的三脚台 (tribrach)；照准仪(alidade)，其安装在该基座上，用于绕竖直轴线旋转；以及中央单 元，其安装在该照准仪上，用于绕水平轴线旋转。该全站仪的中央单元包括用于瞄准觇标 (target)的望远镜和光学元件。特别地，该中央单元设有EDM单元，该EDM单元通常在该中 央单元的光学轴线方向上——即沿着视线——运行。在例如同一申请人的WO 2004/057269 中，更加详细地描述了这种全站仪。优选地，该全站仪计算觇标在坐标系——例如固定的地 基坐标系——中的位置。然而，由于该全站仪测量该觇标相对于该全站仪自身位置的位置， 所以需要知道该全站仪在该固定的地基坐标系中的位置(或地点(location))。根据第一个替代方案，可以通过被称为“自由设站(free stationing) ”的方法 来确定该全站仪在固定的地基坐标系中的位置。在这个方法中，该勘测仪器被放置在该坐 标系(例如在工地)中的任选地点。首先，执行校平程序(leveling procedure)，使得该 全站仪在安装到该三脚架上时不倾斜。特别地，确定该全站仪的竖直旋转轴线(最低点 (nadir))是否与铅垂(vertically plumbed)轴线对准，即该仪器的最低点是否竖直地延 伸。然后，测量到两个(或更多)觇标——其放置在该地基坐标系的两个(或更多)已知 点——的方向(即竖直角和水平角)以及可选地距离。这些已知点也可以被称为控制点。 该地基坐标系的控制点对应于位于地平面的参考点或参考标志，并且这些控制点在该地基 坐标系中的坐标是已知的。一俟获得这两个(或更多)控制点的方向，就可以确定该全站 仪在该地基坐标系中的地点——即该全站仪的地点坐标。自由设站的一个缺点在于如果 该全站仪需要被移至另一个位置然后移回初始位置以用于例如获取进一步的测量，那么就 很难重新获得该全站仪的初始位置。难以高精确度地在地面上对全站仪的位置作标记。根据另一个替代方案，该全站仪可以直接被置于该地基坐标系的某控制点上方。 然而，将该全站仪精确放置在这种控制点上方是十分冗长的程序。然后，将该全站仪安装在 该三脚架上，并通过透过光学对中器(optical plummet)的目镜(eye piece)观察来使该 全站仪对中(center)到该控制点上方。该目镜提供了带有中央标志的视野(view)，该中央标志允许将该全站仪直接对中到该控制点上方。最终的对中是根据迭代程序(iterative procedure)来执行的，在该迭代程序期间，勘测者使该全站仪在该三脚架上方滑动(例如 通过移动该三脚台)，直至该全站仪被对中到该控制点上方，即，从目镜中看到该中央标志 覆盖该控制点。一俟该全站仪被对中并校平，该全站仪就被稳固地附接至该三脚架。在这 个阶段，该全站仪在该地基坐标系中的坐标(X，y)是已知的，并且对应于该控制点的坐标。 然而，完全定位该全站仪还需要确定该全站仪所处的高度以及该全站仪所指方向的倾向 (orientation)。该高度一般是使用卷尺(measuring tape)或类似装置来确定的；然而，这 种测量的精确度通常是有限的，由此降低了该勘测仪器此后进行的测量的精确度。该全站 仪的倾向是通过这样的方式达成的使该勘测仪器的中央单元指向远离于该全站仪的另一 个控制点(其具有已知位置)，并确定该全站仪到这个控制点的水平角。总之，上述现有技术方法精确度有限、耗时、且不是使用者友好的。因此，需要提供克服这些问题的新的方法和系统。
发明内容
本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术的上述劣势和缺点，并提供相比 于上述技术和现有技术更高效的替代方案。更具体地，本发明的目的是提供一种用于相对于位于测地(geodetic)(或勘测) 仪器下方的地平面的标志(在下文中也称为地面标志(ground mark)或标志)来定位该仪 器的方法，以及相应的测地仪器。本发明的一个特定目的是提供这样的方法和勘测仪器，其便于测量该仪器在地面 上方的高度，特别是测量该仪器在位于地平面的标志上方的高度。本发明的另一个目的是提供这样的方法和勘测仪器，其便于相对于位于地平面的 标志来定位该勘测仪器，即，确定该勘测仪器的旋转中心相对于该地面标志的相对三维坐 标。本发明的另一个目的是提供这样的方法和勘测仪器，其用于减少在坐标系中定位 该勘测仪器所需的时间。该坐标系可以是地基坐标系或者通过GPS来确定参考点的坐标系。本发明的另一个目的是提供这样的方法和勘测仪器，其用于提高在坐标系中定位 该勘测仪器的精确度。本发明的另一个目的是提供这样的方法和勘测仪器，其便于在该勘测仪器被从该 仪器的位置移开之后重新获得所述位置。本发明的这些及其它目的是通过具有在独立权利要求中限定的特征的方法、勘测 仪器和计算机程序产品来实现的。本发明的优选实施方案由从属权利要求来表征。在本申请中，术语“测地仪器” “勘测仪器”和“全站仪”将被可互换地使用。进一 步，术语“位置”和“地点”也将被可互换地使用。因此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于定位勘测仪器——其具有包含至 少一个摄影机的壳体——的方法。该方法包括以下步骤在第一摄影机位置和倾向拍摄该 壳体下方的地面的第一图像，其中该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线； 在该第一图像中识别对应于该标志的目标点；以及测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标。该方法还包括以下步骤在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二 图像；在该第二图像中识别对应于该标志的目标点；以及测量该目标点在该第二图像中的 第二图像坐标。然后，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置 和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据(calibration data)，来确定该勘测仪器的 旋转中心在该标志上方的高度。根据本发明的第二方面，提供了一种测地仪器。该测地仪器包括至少一个摄影机， 其适于在第一摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第一图像，以及在第二摄影机位 置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二图像。该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直 旋转轴线。该勘测仪器还包括识别单元，其适于在所拍摄的图像中识别这样的目标点，该 目标点对应于位于该仪器下方的地平面的标志；测量单元，其适于测量该目标点在该第一 和第二图像中的第一和第二图像坐标；以及处理器，其适于基于该第一位置和倾向、该第一 图像坐标、该第二位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的 旋转中心在该标志上方的高度。根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序产品，其包括计算机程序代码部 分，该计算机程序代码部分当被加载到计算机中并运行时，适于执行根据本发明的第一方 面的方法。本发明利用了以下理解使用用于在两个已知摄影机位置和倾向拍摄两个图像的 至少一个摄影机的偏心度，以及在这两个图像中对目标点及其坐标的识别连同摄影机标定 数据，勘测仪器可以确定位于地平面的标志相对于该勘测仪器的旋转中心的相对坐标。本 发明也利用了以下理解对地面标志的相对坐标的非常精确的测量可以被用于测量该仪器 的高度，以及用于对勘测仪器进行设站。根据一个实施方案，本发明的方法还包括以下步骤基于该第一摄影机位置和倾 向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，以及/或者该第二摄影机位置和倾向、该第二图 像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于该标志的 相对二维坐标。换言之，在确定该仪器在该地面标志上方的高度之后，基于与这两个所拍摄 的图像中的至少一个关联的信息和数据，可以确定该仪器的旋转中心在水平平面内的二维 坐标。只要确定了该高度，根据关于这两个所拍摄的图像之一以及摄影机位置的信息，就足 以使用三角法(trigonometry)来确定该二维坐标。在这个语境中，比较这两个所拍摄的图 像的品质并选择在例如分辨率方面提供最高品质的所拍摄的图像可以是有利的。然而，这 两个图像也可以都被用来确定该仪器的旋转中心的二维坐标。结果是，确定了该仪器的旋 转中心相对于该地面标志的相对三维坐标。本发明基于三角测量(triangulation)来获得地面标志相对于该仪器的旋转中 心的相对坐标。在本发明中，用于三角测量的基线(baseline)是通过对应于该至少一个摄 影机的第一位置以及该至少一个摄影机的第二位置的点来获得的。在这个方面，应注意，该 基线的长度确定了测量该全站仪的高度和坐标的精确度，其中长的基线提供了比短的基线 更高的精确度。该基线的长度是通过标定得知的，因为该摄影机相对于该仪器的竖直旋转 轴线的位置是通过标定得知的，即，在该仪器被组装之后测得的。该摄影机相对于该基线的 角度倾向也被标定，并且可以在该仪器被组装之后被测量。这种标定数据可以被储存在该 仪器中。
根据一个实施方案，本发明的方法还包括以下步骤通过瞄准远离于该勘测仪器 的参考点，对该勘测仪器的水平指向进行定向，其中该参考点位于坐标系中的已知位置。该 勘测仪器到已知控制点的定向，连同该勘测仪器相对于该地面标志的相对三维坐标的确 定，导致在该坐标系中完全定位该勘测仪器。本发明的优势在于，它提供了用于确定全站仪相对于地面参考点的高度和/或坐 标的便宜且快速的方案。特别地，本发明的优势在于，该全站仪不需要在物理上以高精确度 放置在位于地平面的标志上方。事实上，将该全站仪以及安装有该全站仪的三脚架放置为 使得该标志被包括在该摄影机的视场(field of view)中就足够了。对该全站仪的放置的 要求降低了，因为如果该地面标志位于由处于第一位置和倾向的摄影机提供的视场以及由 处于第二位置和倾向的摄影机提供的视场的并集(union)中就足够了。这样，对应于该地 面标志的目标点就被包括在该摄影机所拍摄的图像中。在根据本发明的方法来确定该全站仪相对于该地面标志的相对位置时，该仪器的 最低点和该地面标志之间的任何错位(dislocation)在由该全站仪执行的测量期间被纳 入考量。结果是，勘测者不需要实施任何耗时的程序来使该全站仪的最低点与该地面标志 确切地对准。根据一个实施方案，该第二位置也偏心于该仪器的竖直旋转轴线，其优势在于便 于该仪器的组装，因为不需要沿着该仪器的最低点布置任何新的部件。然而，根据一个实施方案，该第二位置与该仪器的最低点同轴(coaxial)。根据本发明，借助于用于将该摄影机从该仪器壳体翻出(fold out)的机械布置， 该至少一个摄影机被安装得偏心于该全站仪的最低点的位置，使得该摄影机的视场覆盖该 仪器下方的区域。该至少一个摄影机的光学特性以及该第一和第二组位置和倾向被选择， 使得可以在该摄影机所拍摄的图像中看到该三脚架的支脚(leg)之间的位于地平面的区 域。由于提供了该三角架的支脚之间的区域的宽阔视野，所以将该至少一个摄影机布 置得远离于该仪器的最低点是有益的。该至少一个摄影机优选地被布置得，使得所拍摄的 图像提供如同从安装有该仪器的三脚架的支脚所限定的区域以外看到的地面视图。在这种 配置中，所拍摄的图像中对应于该三角架的支脚的目标点限定了这样的区域，对应于该地 面标志的目标点位于该区域中。尽管本发明的方法被限定为使用处于两个不同位置和倾向的两个图像，但应理 解，可以使用多于两个的图像来在坐标系中定位该全站仪，这在提高确定该仪器的高度和/ 或相对三维坐标的精确度方面是有利的。本发明的方法可以实施在，当该全站仪设立在已知参考点上方时，即当位于地平 面的标志在坐标系中的地点为已知时。在本实施方案中，本发明的方法被用来，基于该全站 仪相对于该已知的地面标志的相对坐标，来确定该全站仪在该坐标系中的地点。或者，如果已执行了自由设站，则勘测者在拆卸(setup disassembly)之前可能希 望相对于新的(未知的)地面标志来定位该全站仪。根据这个实施方案，勘测者以很小的 精确度将该新的地面标志置于该三脚架的支脚之间(即，在该仪器下方)，并根据本发明来 确定该全站仪的中心相对于该新的地面标志的坐标。然后，基于该全站仪的坐标——其是 通过自由设站而获得的——来确定该新的参考点的坐标。换言之，根据本实施方案，该勘测仪器被放置在坐标系中的已知位置，并且位于地平面的参考点的地点可以被确定。该新的 地面标志的坐标被记录，然后，如果有必要，该勘测者可以返回到该新的地面标志以执行进 一步的测量。这样，将该全站仪放置在该新的地面标志上方以使得该至少一个摄影机所拍 摄的图像包括该新的地面标志就足够了。并不要求该全站仪的最低点与该新的地面标志对 准。根据一个实施方案，该勘测仪器的壳体绕其旋转中心旋转，使得该至少一个摄影 机从该第一摄影机位置和倾向移动至该第二摄影机位置和倾向。尽管在拍摄该第二图像之 前进行了旋转，但当拍摄该第二图像时该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置，即，与拍 摄该第一图像时相同的位置。本实施方案的优势在于，只需要一个摄影机来实施本发明的 方法，由此降低该仪器的成本。例如，该仪器可以绕其旋转中心转过120度角，以用该摄影机拍摄地面的(在该三 脚架的支脚之间)对应于三组不同位置和倾向的三个不同图像。根据另一个实施方案，该勘测仪器包括至少两个摄影机，其中第一摄影机被布置 在第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被布置在第二摄影机位置和倾向。根据一个实施方 案，该第二摄影机可以被放置得偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线。然而，根据另一个实施方案，该第二摄影机可以沿着该仪器的最低点而放置(即， 与该仪器的最低点同轴)。在本实施方案中，沿着该最低点布置摄影机提供了该全站仪在水 平平面内相对于位于地平面的标志的相对位置。根据本实施方案，该方法还包括以下步骤 用沿着该最低点布置的图像传感器，来拍摄该仪器的壳体下方的地面的图像。确定该仪器 的旋转中心相对于该标志的相对位置包括以下步骤在所拍摄的图像中识别对应于该标志 的目标点；测量该目标点在所拍摄的图像中的坐标；以及基于所确定的高度、测得的该目 标点的坐标以及该图像传感器相对于该仪器的竖直旋转轴线的倾向和位置，来确定该仪器 的旋转中心相对于该标志的相对二维坐标。对于该第二摄影机与该仪器的最低点同轴的实施方案，可以通过以下方式来确定 表示与该图像传感器之关联的标定数据使用该图像传感器拍摄第一图像；使该仪器绕其 竖直轴线旋转至新的旋转位置；使用该图像传感器拍摄第二图像；以及处理该第一和第二 图像，以使该仪器的竖直旋转轴线的最低点与该图像传感器相互关联(correlate)。特别 地，该第一和第二图像可以以彼此基本呈180度的旋转位置而被拍摄。使用两个摄影机，可以同时拍摄该第一图像和该第二图像，其优势在于该仪器不 需要被旋转，由此确保了该仪器在图像拍摄期间的稳定性。本发明也提供了 一种全站仪，其包括用于执行上述方法的各种装置。另外，本发明可以以这样的计算机程序来实施，该计算机程序在运行时在勘测仪 器中执行本发明的方法。该计算机程序可以，例如，作为升级(upgrade)被下载到勘测仪器 中。应理解，可以使用软件、硬件或固件或其组合来针对勘测仪器实施本发明方法，视具体 情况而定。
在下文的详细描述中参考了附图，其中图1是根据本发明的一个实施方案的勘测仪器的侧视图2以二维示意性地示出了在本发明的方法中使用的勘测仪器的一些参数；图3示意性地示出了可以被该摄影机拍摄并呈现在该仪器的屏幕上的图像或视 频帧。图4是本发明方法的大体概括。图5是本发明方法的一个实施方式的概括。图6示意性地示出了根据本发明的测地仪器。
具体实施例方式图1示意性地示出了全站仪10，该全站仪包括放置在第一摄影机位置IOla和第二 摄影机位置IOIb的至少一个摄影机，其用于拍摄该仪器(或该全站仪的壳体)下方的地面 的图像。根据本发明，与位于地平面的标志关联的目标点一在图中以字母P表示一在 由该勘测仪器的摄影机拍摄的图像中被识别。参考图1和2，示出了至少一个摄影机传感器107，诸如CMOS摄影机或(XD，其用 于在第一位置IOla以第一摄影机轴线102a为中心来拍摄第一图像，以及用于在第二位置 IOlb以第二摄影机轴线102b为中心来拍摄第二图像。摄影机轴线102a、102b垂直于该摄影 机传感器或者该传感器上形成图像的平面。该图像借助于光学系统——诸如透镜106—— 形成在摄影机传感器107上。如图2所示，第一摄影机位置IOla和第二摄影机位置IOlb 限定了基线(baseline) 105，该基线的长度b对应于第一摄影机位置IOla与第二摄影机位 置IOlb之间的距离。第一摄影机位置IOla偏心于该仪器的竖直旋转轴线103，特别地，偏 心于图2中的沿着竖直旋转轴线103而定位的旋转中心104，并且该第一位置IOla的偏心 度是由到该竖直旋转轴线(或图2所示的旋转中心)的距离确定的，其等于图1和2所示 的实施方案中的基线的一半。应注意，尽管沿着该仪器的竖直旋转轴线而定位的该仪器的 旋转中心0在图2中被示为与该基线对准，但是旋转中心0并不必然沿着基线105而定位。尽管并非必要，第二摄影机位置IOlb也可以偏心于该仪器的竖直旋转轴线103， 并且第二位置IOlb的偏心度是由到该竖直旋转轴线的距离确定的，其也等于图1和2所示 的实施方案中的基线的一半。然而，第二摄影机位置IOlb也可以更接近于该竖直旋转轴 线，例如沿着该基线更接近于旋转中心104。根据一个实施方案，该第二摄影机位置与该仪 器的最低点103同轴。该摄影机传感器的特征也在于其在该第一和第二位置的倾向，即角度α a、α b。角 度α a是当该摄影机传感器处于该第一位置时形成在该第一摄影机的摄影机轴线102a与 基线105之间的角度，角度Cib是当该摄影机传感器处于该第二位置时形成在该第二摄影 机的摄影机轴线102b与基线105之间的角度。这些角度对应于该摄影机为观察定位于该 三脚架的支脚之间的区域而定向的角度。应注意，为简单起见，图1和2仅以二维示出了该勘测仪器的视图。然而，本领域 技术人员应理解，图1和2中所示的元件和特征可以被限定为不同于这些图中所示的角度。 例如，该摄影机的倾向也可以由摄影机传感器限定的图像平面与布置有该摄影机的臂形成 的角度来限定。或者，该摄影机的倾向可以相对于该仪器的竖直和水平轴线来限定。该摄影机光学轴线理想地应垂直于摄影机传感器107的平面，并且该光学系统应 没有失真(distortion)或像差(aberration)。然而，这不是实践中的情况，而这可以通过摄影机的标定而纳入考量。图3示意性地示出了该摄影机所拍摄的图像。这种图像可以被呈现给使用该勘测 仪器的操作员，使得该操作员可以通过点击该图像或者以其它方式指示期望目标点来选择 该标志的图像目标点。图4中概括了根据本发明的方法的大体步骤。该方法在包括至少一个摄影机的 勘测仪器中执行，并且开始自在步骤S401，使用处于第一摄影机位置和倾向的摄影机来 拍摄第一图像，该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线。在步骤S402，在 该第一图像中识别对应于地面标志的目标点，该第一图像可以是该摄影机所拍摄的快照 (snapshot)或者视频馈给(video feed)的一帧。例如，可以由操作员在显示有该摄影机所 拍摄的图像的屏幕上点击选择来识别该标志，或者以相对于所拍摄的图像指示该标志的任 何其它合适方式来识别该标志。也设想可以通过其它方式——诸如边缘检测或标志特征识 别——来识别该标志。在新的地面标志被置于该全站仪下方的情况下，该标志可以包括特 征诸如箭头，以便于在所拍摄的图像中识别该标志。一俟在步骤S402通过在该第一图像中 识别该目标点而选择了该标志，就在步骤S403测量该目标点在该第一图像中的第一图像 坐标。然后本方法继续，在步骤S404，使用处于第二摄影机位置和倾向的摄影机来拍摄 第二图像，之后在步骤S405在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目标点。例如， 可以由操作员在显示有该摄影机所拍摄的图像的屏幕上点击选择，或者优选地借助于数字 图像处理，来识别该标志。一俟在步骤S405在该第二图像中识别了该目标点，就在步骤S406测量该目标点 在该第二图像中的第二图像坐标。最后，在步骤S407，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影 机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该全站仪的旋转中心相对于 位于地平面的标志的高度。根据一个实施方案，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标以及摄影机 标定数据来确定该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于该标志的相对二维坐标。替代 地或附加地，基于该第二摄影机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据来确定 该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于该标志的二维坐标。尽管使用对应于单个位置 的数据(即，摄影机位置和倾向、图像坐标以及摄影机标定数据)中的至少一个就足够了， 但是也可以基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾向、该 第二图像坐标以及摄影机标定数据来确定该仪器的旋转中心的二维坐标。应注意，本发明的方法可以被执行，以如果位于地平面的标志被放置在坐标系中 的已知位置，则在该坐标系中定位该勘测仪器；或者，如果该勘测仪器被放置在该坐标系中 的已知位置，则在该坐标系中定位该标志。为了进一步定位该勘测仪器，本发明的方法还包括以下步骤通过瞄准远离于该 勘测仪器的参考点来对该勘测仪器的水平指向进行定向。用于对该指向进行定向的参考点 被放置在该坐标系中的已知位置。可以这样实现从该勘测仪器朝参考点的方向的定向使用该勘测仪器的望远镜或 者安装在该仪器的壳体上的摄影机，使得该摄影机的视场包括该参考点。从该摄影机到该参考点的方向可以被表达为从该摄影机轴线的水平角和竖直角(θχ，Θ0。为此，在该仪器 中(或在相关的控制单元中)提供了这样的函数，该函数通过基于该摄影机所拍摄的图像 或视频馈给中的像素坐标来计算该水平角和竖直角(θ χ，Θ y)，从而确定从该摄影机到参考 点或觇标的方向。因此，基于图像像素来计算该水平角和竖直角(θχ，θ)的函数f可以被 描述为(θχ, Θ0 = f(x, y,C)其中X、y是该摄影机的坐标系中的期望参考点或觇标的像素(或者更通常地，像 素坐标)的数量，C是待为每个坐标系确定的标定因子。标定因子C包括该摄影机的细节 信息，诸如但不局限于该摄影机到该全站仪的旋转中心的偏心度以及该摄影机的焦距。对 于如何基于该仪器中摄影机所拍摄的图像来计算该水平角和竖直角的大体描述，请参考上 文提到的 WO 2005/059473。根据一个实施方案，该勘测仪器包括仅一个摄影机。然后使该勘测仪器绕该旋转 中心旋转，使得该摄影机从该第一摄影机位置和倾向移动至该第二摄影机位置和倾向。该 第二摄影机位置也偏心于该勘测仪器的旋转中心。该第一摄影机位置由这样的摄影机标 定数据来给出该数据关于该摄影机中心到该仪器旋转中心的水平和竖直方向以及距离。 进一步，该第一摄影机倾向可以由这样的标定数据来给出该数据关于与该仪器的各轴线 (竖直和水平轴线)关联的角度或者与设有该摄影机的臂关联的角度。因此，通过将该摄影 机中心到该仪器旋转中心的水平和竖直方向以及距离——即以偏心度参数为形式的摄影 机标定数据——纳入考量，来确定该第一摄影机位置和倾向。根据另一个实施方案，该勘测仪器包括两个摄影机，其中第一摄影机被放置在该 第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被放置在该第二摄影机位置和倾向。通过将该摄影机 中心到该仪器旋转中心的水平和竖直方向以及距离——即以偏心度参数为形式的摄影机 标定数据——纳入考量，来确定该第一和第二组摄影机位置和倾向。优选地在在生产阶段组装该全站仪之后，标定该竖直旋转轴线(或图2所示的旋 转中心)与该摄影机位置之间的距离，以及该基线与处于该第一和第二位置的摄影机的图 像平面之间的角度。设想将该摄影机布置在臂上，该臂可以从该仪器或仪器壳体展开(或 翻出)，从而与该基线或壳体形成适宜的(well defined)角度，诸如图1所示。也设想，或 者，可以由勘测者选择数个适宜的角度，使得该摄影机的视场所覆盖的区域可以被调节。或 者，勘测者可以使布置有该摄影机的臂在水平平面内从该仪器的壳体中滑出。借助于例如伸缩臂(telescopic arm)，该摄影机位置也可以是可调节到该仪器的 旋转中心适宜的距离处的。然后，该仪器登记(register)对应于在拍摄图像时使用的该第一摄影机位置和 倾向以及该第二摄影机位置和倾向的角度和距离，并将这些数据纳入考量，用于确定该全 站仪相对于该地面标志的高度和/或相对坐标。进一步，可以考虑其他标定数据，例如独立于摄影机位置的参数，诸如所谓的摄影 机常数——其表示该摄影机中心与图像平面之间的距离，和/或失真参数——其依赖于该 图像位置。从该旋转连同摄影机标定数据，可以得出该第二摄影机位置和倾向。在图1和2中，示意性地示出了根据本发明的勘测仪器的一个实施方式。为简单 起见，该勘测仪器的侧视图以二维示出。
处于第一位置IOla的摄影机具有以0'指示的摄影机中心或投射中心，处于第二 位置IOlb的摄影机具有以0"指示的摄影机中心或投射中心。位置0'和0"偏心于该仪 器的旋转中心所在地点0。应注意，该勘测仪器被示为具有两个摄影机传感器107a、107b， 但本发明也可以用通过使该勘测仪器绕其旋转中心旋转而移动至不同位置的单个摄影机 来实施。当该摄影机中心位于第一摄影机位置0'——其偏心于该勘测仪器的旋转中心所 在地点0——并具有第一摄影机倾向时，该摄影机传感器拍摄第一图像。通过在该第一图像 中识别处于位置P'的目标点来选择位于地平面的标志。—俟通过在该第一图像中识别该目标点选择了该标志，就测量该目标点在该第一 图像中的第一图像坐标。然后，当该摄影机中心位于第二摄影机位置0"——其偏心于该勘测仪器的旋转 中心所在地点0——并具有第二摄影机倾向时，该摄影机传感器拍摄第二图像。在该第一图 像中被识别的目标点也在该第二图像中在位置P"被识别。—俟在该第二图像中识别了该目标点，就测量该目标点在该第二图像中在位置 P"的第二图像坐标。最后，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾 向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心0在地面上方—— 即相对于该地面标志——的高度。图5是在包括一个或两个摄影机——诸如在图1和2中示意性地公开的——的勘 测仪器中执行的本发明方法的一个实施方式的概括。输入到该方法的是包括摄影机和勘测 仪器参数的摄影机标定数据。该方法开始自在步骤S501，使用处于第一摄影机位置和倾 向的摄影机来拍摄该仪器下方的地面的第一图像，所述第一摄影机位置偏心于该勘测仪器 的旋转中心；之后，在步骤S502，通过在该第一图像中识别对应于位于地平面的标志的目 标点来选择该标志。例如，可以由操作员在显示有该摄影机所拍摄的或通过自动检测拍摄 的图像的屏幕上点击选择来识别该标志。此外，测量该目标点在该第一图像中的图像坐标。在识别了该目标点之后，就在步骤S503确定是否能使用图像处理和识别软件来 识别该目标点。如果不能，则确定邻近于该点的图案是否是可检测的。如果情况并非如此， 那么在步骤S505显示该不确定性，并在步骤S506使用合适的替代方法。在步骤S503，如果在第一图像中能检测到图案或者能通过软件识别该点，则可以 在步骤507使用该第一摄影机位置和倾向、该第二摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、第 一和第二摄影机标定数据、最小距离Dmin以及最大距离Dmax来计算所谓的核线(bipolar line)。然后，在步骤S508确定该核线是否完全处于该第二图像内。如果该核线部分地处于 该第二图像以外，则步骤S509b中的算法假定(assume)新的最大距离Dmax，其对应于该摄 影机传感器的尺寸，由此减小该核线的长度，从而使该核线被包括在该第二图像内。然后， 该算法沿着处于该第二图像内的该核线搜寻该目标点。该最大距离对应于该全站仪在地面 上方的可能高度，其例如可以为0. 5米至3米的量级。如果不能识别该点，则在步骤S510执 行旋转，该旋转是从核线数据、该第二摄影机位置和倾向以及第二摄影机标定数据算出的。 该旋转的效果有，该核线可以位于该第二图像内。将在经修正的(revised)第二摄影机位 置和倾向拍摄经修正的第二图像，使得在步骤S509c可以沿着新的核线来识别该目标。如果在步骤S508该核线完全处于第二图像内，则在步骤S509a通过在该第二图像中沿着该核 线搜索来识别该目标点。例如，可以由操作员在显示有该第二图像的屏幕上点击选择，或者 优选地借助于数字图像处理，来识别该目标点。一俟在该第二图像中识别了该目标点，就在步骤S511测量该目标点在该第二图 像中的第二坐标。基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾 向(或经修正的第二摄影机位置和倾向)、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该 标志相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标。即，该标志的相对坐标是相对于该勘测仪器的 旋转中心(或在该仪器的坐标系中)表达的。再一次参见图1和2，该勘测仪器包括两个摄影机，其中第一摄影机被放置在第一 摄影机位置和倾向，第二摄影机被放置在第二摄影机位置和倾向，或者，该勘测仪器包括单 个摄影机，其从第一摄影机位置和倾向旋转至第二摄影位置和倾向。每个摄影机都具有摄 影机中心或投射中心，其偏心于该仪器的竖直旋转轴线(特别地，该旋转中心所在地点0)， 如图所示。然而，如前文所述，该仪器也可以包括两个摄影机，其中第一摄影机被放置在偏 心于该仪器的竖直旋转轴线的第一摄影机位置，第二摄影机被放置在同轴于(或沿着)该 仪器的竖直旋转轴线的第二摄影机位置。当该第一摄影机中心位于第一位置0 ‘——其偏心于该勘测仪器的旋转中心所 在地点0—并且该第一摄影机具有第一摄影机倾向时，在该第一摄影机位置拍摄第一图 像。通过在该第一图像中在位置P' (x' ,y')识别该目标点来选择处于位置P的地面标
O该第一摄影机位置和该第二摄影机位置之间的距离可以被标示为b。在该第二摄 影机位置拍摄第二图像，该第二摄影机中心位于第二位置0〃——其偏心于该勘测仪器的 旋转中心所在地点0—并且该摄影机具有第二摄影机倾向。在第一图像中被识别的目标 点在第二图像中在位置P" (X〃，y〃)被识别。所谓的共线性(collinearity)方程被用来估计P相对于该仪器的旋转中心 的相对坐标。关于该共线性方程的推导以及该摄影机的标定的背景资料，请参考WO 2005/059473。测得的该第一图像中的坐标P'可以由下列方程定义 测得的该第二图像中的坐标P"可以由下列方程定义 下列参数从标定得知X0 ；Yci ；Z0 从摄影机位置的坐标，“ ’ ”表示第一图像；““”表示第二图像。1^:来自旋转矩阵(1 = 1...3;」=1...3)的元素，“'”表示第一图像；“〃，，表
示第二图像。x0 ;y0 从原点(principle point)的坐标(常数，独立于摄影机位置)cK 摄影机常数(常数，独立于摄影机位置)Δχ, Ay:失真参数。该失真已知为高阶多项式(polynomial of a higher degree)。该失真依赖于图像位置，且独立于摄影机位置。所有参数都被测得或从摄影机标定得知，除了 P的坐标X、Y、Z。因此，有三个未知 量和四个方程。可以用最小二乘法(least square method)确定X、Y、Ζ。应注意，对点P 所在地点的估计不限于两个图像，但至少两个图像是必要的。因此，可以使用两个或更多图像。然而，如上所述，一俟确定了该仪器在地面上方的高度，使用对应于这两个所拍摄 的图像和摄影机位置中的仅一个就足以确定该仪器的相对二维坐标。应注意，一俟通过在该第一图像中识别该目标点而选择了该标志，就可以确定从 该摄影机中心的第一位置0'到该标志的第一方向r'。使用这个第一方向r'，连同沿着该方向r'的最大距离Dmax(其可以为0. 5米至 3米的量级)以及最小距离Dmin(其可以被选为单个基线)，则r'的一段可以被变换成该 第二图像中的所谓的核线的一段，其中该目标点应位于该第二图像中。因此，如果在该第一 图像中在该目标点的位置P'周围辨识出了图案，则，通过在该第二图像中沿着该核线的这 一段搜索，或者在这一段周围的区域中搜索，就可以在该第二图像中辨识出这个图案，例如 借助于自动图像处理。如果，替代地，操作员想要在该第二图像中识别该标志，则在该第二 图像中的该核线的这一段的图形指示(graphical indication)可以简化该识别。在图6中，示出了根据本发明的全站仪的一个实施例。在许多方面，该全站仪包括 从早先的仪器得知的特征。例如，图6中示出的全站仪600包括安装在基座602上的照准仪 601，并具有三脚架603形式的安装支撑结构。照准仪601可以绕竖直向旋转轴线V旋转， 以使该仪器瞄准任何期望水平方向。在该照准仪中，布置有中央单元604，该中央单元可以 绕水平向旋转轴线H旋转，以使该仪器瞄准任何期望竖直方向。使用全站仪600进行的测 量通常关联于竖直向旋转轴线V和水平向旋转轴线H之交点处的坐标原点(origin)。为了使该照准仪绕该竖直向旋转轴线旋转以使该仪器瞄准任何期望水平方向，提 供了驱动装置605。借助于刻度盘(graduated disc)606和相应的角度编码器或传感器 607，对该照准仪601的旋转位置进行跟踪。为了使中央单元604绕该水平向旋转轴线旋转， 提供了类似的驱动装置608、刻度盘609以及传感器610。如上所述，该仪器的视线以该竖直旋转轴线和该水平旋转轴线之交点为中心，并 且在图中可以看到，这些轴线在中央单元604的望远镜613的中心相交。该仪器可以可选地包括用于显示该摄影机所拍摄的图像的显示器装置。该显示器 装置可以是该仪器的一体式部分(integral part)，但更优选地，该显示器装置被包含在可 移动控制面板中，该可移动控制面板可以用于经由近程无线电(short range radio)来对 该仪器进行远程控制。甚至可设想，该仪器是完全远程控制的，其中该显示器装置可以是远离于该全站仪的计算机屏幕的形式，并且其中去往及来自该仪器的信息是通过无线计算机 或无线电电话网络来传输的。该仪器也可以被手动地操作，以使用竖直运动伺服钮615和水平运动伺服钮616 朝远离于该仪器的期望觇标瞄准。根据本发明，该仪器还包括至少一个摄影机，其适于在第一摄影机位置和倾向拍 摄该壳体下方的地面的第一图像，以及在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的 第二图像；用于识别的装置或识别单元，其适于在所拍摄的图像中识别对应于地面标志的 目标点；测量装置或测量单元，其适于测量该目标点在该第一和第二图像中的第一和第二 图像坐标；以及处理器，其适于基于该第一位置和倾向、该第一图像坐标、该第二位置和倾 向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在该标志上方的 尚度。用于在所拍摄的图像中识别该目标点的装置可以采用光标(cursor)形式，该光 标可以在该显示器上移动。或者，该显示器可以是触摸显示器——其中通过在该显示器上 简单地点击或轻敲来识别该目标点。这优选地用于在该第一图像中识别该目标点。用于识别该目标点的装置可以包含以图像处理软件形式实施的进一步功能性 (further functionality)。在这种情况下，该进一步功能性是，可以基于所拍摄的图像中 的特定特征——例如位于期望地面标志处的标记(marker)或图案——来识别目标点。例 如，在第一图像中被识别的目标点可以，基于在该第一图像中被识别的图案，在第二图像中 被自动地识别。在该目标点被该仪器自动识别的情况下，在瞄准和测量程序之前或期间，可 以给予使用者选择权以确认该被识别的目标点是正确的。这优选地用于在该第二图像中识 别该目标点。进一步，为了便于选择该目标点，优选的是，在确定了该仪器的高度之后， 在该屏幕图像中指示对应于该仪器最低点的点，例如使用诸如图3所示的十字准线 (cross-hair)、圆点(dot)或类似物。应注意，该屏幕图像中的对应于该仪器最低点位置的 点取决于该仪器的高度。根据一个实施方案，可以在该标志上布置结构化的目标，以便于在所拍摄的图像 中识别该目标点。该结构化的目标可以是包括例如易识别(readily identifiable)图 案——诸如同心圆——的目标。或者，该结构化的目标可以为隅石(coin)，其也可以在所拍 摄的图像的对应于该标志的区域中提供具有增强的对比度的图像。由于该结构化的目标被 放置在该标志的顶部，所以当确定该仪器在地面上方的高度(相对于该标志)时将该结构 化的目标的厚度纳入考量。进一步，也设想，使用所拍摄的图像中的对应于围绕该标志的数个点的目标点，而 并不必然是对应于该标志的目标点，来确定该高度。用于测量该目标点在所显示的图像中的图像坐标的装置，以及用于确定该地面标 志相对于该勘测仪器的旋转中心的坐标的装置，优选地以在处理器中运行的计算机程序代 码的形式来实施。然而，也可以在专用硬件中——诸如在专用微处理器或者数字信号处理 器(DSP)、固件(firmware)或类似物中——实施。用于旋转该仪器的装置优选地与用于该仪器的伺服控制系统联合实施，以进行驱 动电极605和608的受控启动(见图6)。
尽管已经描述了具体的实施方案，但是本领域技术人员应理解，在所附权利要求 书中限定的范围内，各种改型和替代方案都是可设想的。
权利要求
一种用于相对于位于地平面的标志来定位勘测仪器——其具有包含至少一个摄影机的壳体——的方法，所述方法包括在第一摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第一图像，所述第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线；在该第一图像中识别对应于该标志的目标点；测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标；在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二图像；在该第二图像中识别对应于该标志的目标点；测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标；以及基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在该标志上方的高度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像 坐标以及摄影机标定数据，以及/或者该第二摄影机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄 影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于所述标志的相对二维坐 标。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括通过瞄准远离于所述勘测仪器的参考点来对所述勘测仪器的水平指向进行定向，所述 参考点在坐标系中具有已知位置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中该位于地平面的标志和该勘测仪器中 的至少一个被放置在坐标系中的已知位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤使所述壳体绕该旋转中心旋转，使得该至少一个摄影机从该第一摄影机位置和倾向移 动至该第二摄影机位置和倾向，所述第二摄影机位置和倾向偏心于该勘测仪器的竖直旋转 轴线，而将该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述仪器包括至少两个摄影机，其中 第一摄影机被布置在所述第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被布置在所述第二摄影机位 置和倾向，所述第二摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述仪器包括至少两个摄影机，其中 第一摄影机被布置在所述第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被布置在所述第二摄影机位 置和倾向，所述第二摄影机位置同轴于该勘测仪器的竖直旋转轴线。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在该第二图像中识别在该第一图像中 被识别的目标点包括基于该第一摄影机位置和倾向、该第二摄影机位置和倾向、该第一图像坐标以及摄影 机标定数据，在该第二图像中确定核线，该目标点位于该核线上；以及在该第二图像中，沿着该核线，识别在该第一图像中被识别的目标点。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在该第二图像中识别在该第一图像中被识别的目 标点还包括在该第一图像中沿着该标志的成像射线，选择距该第一摄影机位置的最小距离和最大 距离，该标志位于该最小距离和该最大距离之间；基于该最大距离和该最小距离，在该第二图像中确定该核线的一段，该目标点位于这 一段上；以及在该第二图像中，沿着该核线的这一段，识别在第一图像中被识别的目标点。
10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括确定该核线是否完全处于该第二图像内。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括如果该核线没有完全处于该第二图像内，则基于核线数据、该第二摄影机位置和倾向 以及第二摄影机标定数据，使该勘测仪器绕该旋转中心旋转至经修正的第二摄影机位置和 倾向，以在经修正的第二图像内获得新的核线；使用处于该经修正的第二位置和倾向的摄影机来拍摄该经修正的第二图像；以及在该经修正的第二图像中，沿着该新的核线，识别在该第一图像中被识别的目标点。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于操作员选择或自动图像分析 来在该图像中识别该目标点。
13.一种计算机程序产品，其包括计算机程序代码部分，该计算机程序代码当被加载到 计算机中并运行时，适于执行权利要求1-12中任一项所述的方法。
14.一种勘测仪器，包括至少一个摄影机，其适于在第一摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第一图 像，以及在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二图像，所述第一摄影机位 置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线；识别单元，其适于在所拍摄的图像中识别这样的目标点，该目标点对应于位于所述仪 器下方的地平面的标志；测量单元，其适于测量该目标点在该第一和第二图像中的第一和第二图像坐标；以及处理器，其适于基于该第一位置和倾向、该第一图像坐标、该第二位置和倾向、该第二 图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在该标志上方的高度。
15.根据权利要求14所述的勘测仪器，其中所述处理器还适于基于该第一摄影机位 置和倾向、该第一图像坐标以及摄影机标定数据，以及/或者该第二摄影机位置和倾向、该 第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在水平平面内相对于所 述标志的相对二维坐标。
16.根据权利要求14或15所述的勘测仪器，其中所述处理器还适于相对于远离于所 述勘测仪器的参考点来对所述仪器的水平指向进行定向，所述参考点在坐标系中具有已知 位置。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的勘测仪器，其中该标志和该勘测仪器中的至 少一个被放置在坐标系中的已知位置。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的勘测仪器，还包括旋转单元，其适于，在将该勘测仪器的旋转中心保持在固定的位置的情况下，使该勘测 仪器绕该勘测仪器的旋转中心旋转，使得该摄影机从该第一摄影机位置和倾向移动至该第 二摄影机位置和倾向，所述第二摄影机位置偏心于该仪器的竖直旋转轴线。
19.根据权利要求14-17中任一项所述的勘测仪器，包括至少两个摄影机，其中第一摄 影机被布置在所述第一摄影机位置和倾向，第二摄影机被布置在所述第二摄影机位置和倾向，所述第二摄影机位置偏心于该仪器的竖直旋转轴线。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的仪器，其中，使用图像处理软件或使用触摸显 示器一其中可以通过在该显示器上点击或轻敲来识别该目标点，该识别单元被实施为在 所显示的图像中可移动的光标。
全文摘要
公开了一种用于相对于位于地平面的标志来定位勘测仪器——其具有包含至少一个摄影机的壳体——的方法。该方法包括以下步骤在第一摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第一图像，其中该第一摄影机位置偏心于该勘测仪器的竖直旋转轴线；在该第一图像中识别对应于该标志的目标点；测量该目标点在该第一图像中的第一图像坐标。该方法还包括以下步骤在第二摄影机位置和倾向拍摄该壳体下方的地面的第二图像；在该第二图像中识别对应于该标志的目标点；以及测量该目标点在该第二图像中的第二图像坐标。然后，基于该第一摄影机位置和倾向、该第一图像坐标、该第二摄影机位置和倾向、该第二图像坐标以及摄影机标定数据，来确定该勘测仪器的旋转中心在该标志上方的高度。此外，公开了一种用于执行该方法的勘测仪器。
文档编号G01C15/00GK101932906SQ200880125829
公开日2010年12月29日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年2月12日
发明者S·斯瓦赫尔姆 申请人:特林布尔公司
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