基于普通数码相机的旋转全景摄影测量方法

梅文胜; 胡帅朋; 李谋思; 祁洪宇; 徐芳

doi:10.13203/j.whugis20140994

基于普通数码相机的旋转全景摄影测量方法

武汉大学测绘学院, 湖北武汉, 430079

基金项目:

国家自然科学基金 No. 41071292

详细信息

作者简介:
梅文胜,博士,教授,主要从事精密工程测量、自动化测量系统等方面的教学与科研工作。wshmei@sgg.whu.edu.cn

中图分类号: P232;P258
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2015-08-22
- 发布日期: 2017-02-04

Rotation Panorama Photogrammetry Method Based on Digital Camera

School of Geodesy and Geomatic, Wuhan University, Wuhan 430079, China

Funds:

The National Natural Science Foundation of China No. 41071292

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Author Bio:
MEI Wensheng，PhD, professor, specializes in the precise engineering surveying and automatic measurement system.wshmei@sgg.whu.edu.cn

摘要

摘要: 普通数码相机固定在高精度旋转平台上可集成为旋转全景相机，水平旋转多位置拍摄，可获取全景影像。给出了旋转全景相机的成像几何关系模型，实现了旋转全景相机的标定，利用稀疏分布的少量控制点（最少3个），即可解算出平台旋转中心坐标与起始方位角，及每张像片的外方位元素，再利用多站旋转拍摄的影像进行前方交会就可获得物方点坐标。实验结果表明，本文提出的方法在实际摄影测量中可少受视野和控制点数量的限制，通过较少的控制点即可解算出物方点坐标，且测量精度较好。该方法是在困难场景进行近景摄影测量的一种新的有效手段。
- 旋转全景相机 /
- 中心偏移 /
- 相对姿态 /
- 外方位元素传递 /
- 稀少控制点
Abstract: Rotating panoramic camera is a common digital camera mounted on a rotating platform of high accuracy. A panoramic image is got with the camera horizontally rotating to shoot image in multi-location. The paper presents the imaging geometry model of rotating panoramic camera. We calibrate the rotating panoramic camera parameters. With few control points(more than 3), the coordinates of the rotating center, the rotating initial azimuth, and exterior orientation elements of each image are calculated. The object coordinates are got by space intersection of multi-station rotating images. The experiments show that the method is less restricted by vision and numbers of control point in actual photogrammetry. The precision of object coordinates is good with few control points. The method is a new effective means of close range photogrammetry in difficult scenes.
- rotating panoramic camera /
- center offset /
- relative attitude /
- exterior orientation elements pass /
- few control points

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图 1 全景相机的坐标系统

Figure 1. Panoramic Camera Coordinate Systems

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图 2 旋转相机在第1摄站拍摄的5张影像

Figure 2. Five Images of Rotation Camera at First Station

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图 3 摄站与后方交会控制点分布

Figure 3. Camera Station and Resection Control Point Distribution

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表 1 相机检校的内方位元素及畸变参数

Table 1 Interior Orientation Parameters and Distortion Parameters of Camera Calibration

内方位元素(pixel)			畸变参数
x₀	-11.771 9	k₁	1.98674139417986E-08
y₀	-6.896 3	k₂	2.50443892171322E-15
f_x	2 409.478 9	p₁	-1.17294883186375E-07
f_y	2 408.963 7	p₂	5.38090559320636E-08

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表 2 像空间坐标系与旋转坐标系相对位置与姿态

Table 2 Relative Position and Attitude of the Image Space Coordinate System and the Rotation Coordinate System

摄站	线元素/mm			摄站	角元素/(°′″)
摄站	U_S	V_S	W_S	摄站	φ	ω	κ
1	-23.98	308.44	-51.57	1	0 52 44.00	0 35 10.00	-0 18 09.00
2	-24.16	308.35	-51.64	2	0 52 46.00	0 35 20.00	-0 18 15.00
3	-23.66	308.24	-51.48	3	0 52 26.00	0 35 17.00	-0 18 12.00
4	-23.28	307.84	-51.35	4	0 52 15.00	0 35 32.00	-0 18 09.00

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表 3 旋转中心坐标对比/mm

Table 3 Comparison of Rotation Center Coordinates/mm

摄站	线元素	全站仪后交结果	全站仪后交精度	摄影测量后交结果	差值
1	X_O Y_O Z_O	-6 907.75 10 165.37 -10 176.51	0.03 0.15 0.08	-6 907.48 10 165.71 -10 176.45	-0.27 -0.34 -0.06
2	X_O Y_O Z_O	-8 573.91 10 173.51 -10 620.16	0.03 0.12 0.09	-8 573.36 10 173.80 -10 619.91	-0.55 -0.29 -0.25
3	X_O Y_O Z_O	-6 397.54 10 179.18 14 462.56	0.03 0.05 0.10	-6 397.13 10 178.69 -14 463.82	-0.43 0.49 1.26
4	X_O Y_O Z_O	-8 669.62 10 177.03 -14 175.53	0.03 0.04 0.07	-8 669.35 10 176.87 -14 175.97	-0.27 0.16 0.44

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表 4 多站旋转摄影前方交会精度统计/mm

Table 4 Intersection Precision Statistics of Multi-station Rotary Photography /mm

	东墙(103点)			西墙(30点)			南墙(21点)			北墙(33点)
	X	Y	Z	X	Y	Z	X	Y	Z	X	Y	Z
最大差值	1.05	0.92	2.25	2.15	0.68	2.48	3.14	1.84	1.47	2.76	1.35	0.28
最小差值	-1.02	-0.76	-2.95	-0.48	-2.52	-1.76	0.07	-1.58	-1.47	-0.66	-1.33	-3.07
中误差	0.41	0.35	1.52	0.97	0.91	1.35	1.73	0.94	0.96	1.19	0.75	1.32
平均摄影距离6 2005 1003 3001 900
平均相对误差	1/15 100	1/17 700	1/4 100	1/5 200	1/5 600	1/3 800	1/1 900	1/3 500	1/3 400	1/1 600	1/2 500	1/1 400

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表 5 单片后方交会与全站仪推算摄影中心坐标对比/mm

Table 5 Photography Center Coordinates Comparison Resection with Total Station/mm

摄站	线元素	全站仪推算值	单片后方交会	差值
1	X_O Y_O Z_O	-6 930.19 10 473.95 -10 228.36	-6 936.47 10 470.28 -10 228.06	6.28 3.67 -0.30
2	X_O Y_O Z_O	-8 595.80 10 482.03 -10 671.93	-8 591.85 10 481.68 -10 672.12	-3.95 0.35 0.08
3	X_O Y_O Z_O	-6 418.94 10 487.15 -14 515.61	-6 419.01 10 488.76 -14 515.85	0.07 -1.61 0.24
4	X_O Y_O Z_O	-8 693.64 10 485.11 -14 227.15	-8 695.53 10 484.14 -14 228.28	1.89 0.97 1.13

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表 6 多基线前方交会精度统计/mm

Table 6 Intersection Precision Statistics of Multi-Baseline/mm

位置	控制点覆盖范围内(61点)			控制点覆盖范围外(42点)
位置	X	Y	Z	X	Y	Z
最大差值	0.54	0.44	1.37	0.91	0.98	0.92
最小差值	-0.59	-0.74	-3.65	-3.73	-1.83	-11.22
中误差	0.22	0.24	1.42	1.82	0.69	5.88
平均摄影距离6 2006 200
平均相对误差	1/28 400	1/25 700	1/4 400	1/3 400	1/9 000	1/1 100

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参考文献(13)

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