[发明专利]利用图像处理测定倾斜角和倾斜方向

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年2月15日申请的美国专利申请第13/397,445号的优先权，针对全部目的将所述专利申请的公开内容以引用其全文的方式并入本文。

技术领域

本发明的实施方案大体上涉及利用图像处理技术测定倾斜角和倾斜方向的方法和仪器。所述方法和仪器可用于勘测应用，诸如测定点的位置。

背景技术

控制勘测仪器的倾斜是勘测员的一项主要工作。需花费大量时间和劳力以确保勘测仪器水平。使勘测仪器水平化的惯用方法包括利用气泡水平仪使勘测仪器与局部重力矢量对齐。常见勘测程序包括在进行测量前使勘测仪器水平化，以使数据几乎不存在倾斜误差。

当今的勘测仪器通常包括光学系统和全球导航卫星系统（GNSS）（或称为全球定位系统（GPS））。惯用GNSS勘测仪器一般包括耦接到标杆末端的位置测量装置，而惯用光学勘测仪器（例如，光学全站仪）一般使用三脚架支撑系统。由于携带简便，所以当需要许多数据点时，GNSS型勘测仪器被用于测定一般位于地面上的受关注点的位置。将标杆的底或尖端放置在受关注点处，通过气泡水平仪指示维持垂直位置，并获得位置测量。水平化确保位置测量装置的测量中心（例如，天线相位中心）尽可能接近正好位于受关注点上方的位置。这十分重要，因为如果测量中心并非正好位于受关注点上方，那么将会引入误差。例如，两米长且离垂直线倾斜两度的标杆可导致多达两厘米的测量误差。即是说，位置测量装置的测量中心可能向受关注点的一侧偏离多达两厘米。

如果可以缩短或消除使勘测仪器水平化所需的时间，那么勘测员便可以更高效，从而在指定时间内实现更多测量。因此，需不断改进方法和仪器以减少使勘测仪器水平化所需的时间和劳力。这适用于GNSS勘测仪器、光学勘测仪器、手持式勘测仪器和使用水平化方法的任何其它类型的勘测仪器。

发明内容

本发明的实施方案提供利用图像处理技术测定测量仪器的倾斜角和倾斜方向的改进方法和仪器。所述倾斜角和倾斜方向可用于勘测应用中以测定点的位置。例如，在一些实施方案中，利用跟踪图像处理技术测定耦接到勘测仪器的成像装置的姿态。如本文中所使用，跟踪在广义上指的是可以用于从一个或多个图像提取信息（诸如照相机姿态）的软件应用程序。可以使用成像装置的姿态来测定勘测仪器的倾斜角和倾斜方向。此外，所述勘测仪器可包括位置测量装置，且可将倾斜角和倾斜方向用于被测量的位置以测定受关注点（例如标杆尖端处的点、利用手持式勘测仪器的激光指示器测定的点或类似点）的位置。下文详细描述这些和其它实施方案。

根据本发明的一个实施方案，勘测仪器包括具有第一末端和第二末端的支撑杆和耦接到所述支撑杆的第一末端且与所述支撑杆的第二末端具有已知空间关系的GNSS接收器。所述GNSS接收器可被构造来测定所述GNSS接收器的天线相位中心在参考系中的位置。所述勘测仪器还包括耦接到所述支撑杆的成像装置。所述成像装置可被构造来获得图像信息。所述勘测仪器还包括与所述GNSS接收器和所述成像装置电通信的处理器。所述处理器可被构造来从所述GNSS接收器接收天线相位中心的位置，从所述成像装置接收图像信息，利用所述图像信息测定成像装置的姿态，和测定支撑杆的倾斜角及支撑杆在参考系中的倾斜方向。可利用成像装置的姿态测定支撑杆的倾斜角和倾斜方向。所述处理器还可被构造来测定支撑杆的第二末端在参考系中的位置。可利用GNSS接收器的天线相位中心的位置和支撑杆的倾斜角及倾斜方向测定所述位置。

在一个实施方案中，图像信息包括当支撑杆实质上平行于局部重力矢量时在第一位置处拍摄的第一图像和在第二位置处拍摄的第二图像。可基于第一图像中的特征与第二图像中的特征的比较来测定成像装置的姿态。

在另一个实施方案中，参考局部重力矢量测定支撑杆的倾斜角。

在另一个实施方案中，图像信息包括多个图像，这些图像各自拍摄与这些多个图像中的另一图像共有的特征。这些多个图像中的至少一个图像可在支撑杆实质上平行于局部重力矢量时拍摄。处理器可被构造来利用这些多个图像之间的对应来处理图像信息。

在另一个实施方案中，处理器被构造来利用特征识别过程处理图像信息。所述图像信息可包括拍摄在参考系中具有已知位置的特征的至少一个图像。

在另一个实施方案中，成像装置与GNSS接收器的天线相位中心是以已知空间关系被布置。

在又一个实施方案中，成像装置的入射光瞳与GNSS接收器的天线相位中心和支撑杆的第二末端实质上同轴。