CN102341812B - 用于确定点的角度和位置的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于确定目标点的方位角的设备。所述设备包括支撑结构和耦合到支撑结构并被配置为提供图像数据的成像装置。所述设备还包括定位测量装置，其耦合到所述支撑结构并被配置为确位置置信息；以及处理器，其与所述成像装置和所述定位测量装置电通信。所述处理器被配置为：从所述成像装置接收所述图像数据；从所述定位测量装置接收所述定位信息；确定第一定位与第二定位之间的基线；确定重叠图像之间的取向；以及计算所述目标点相对于所述基线的所述方位角。

Description

用于确定点的角度和位置的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年1月8日提交的美国临时申请61/143,361的优先权，并通过引用将其所有内容并入到本文中以用于所有目的。

技术领域

本发明通常涉及用于确定目标点的角度和位置的方法和系统。仅仅以实例的形式，本发明的实施例提供了使用图像来确定目标点的角度和位置的方法。可以在例如测绘应用中使用这样的实施例。然而，本发明的实施例不局限于该特定应用，而是可用于各种测量系统。

背景技术

测绘的现有技术涉及使用角度和距离的测量来确定未知定位。例如，在一些测绘操作中，测量参考点与目标点之间的水平和竖直角度与距离。在其他测绘操作中，通过多于一个定位测量参考点与目标点之间的水平和竖直角度。在上述任一情况下，可使用测量的数据计算目标点的位置。

经纬仪是通常用于测量水平和竖直角度的测量设备。经纬仪典型地包括被安装为围绕水平轴和竖直轴旋转的望远镜。经纬仪可包括用于测量望远镜的角位置的标度盘。从标度盘读出水平角度(即，偏航)和竖直角度(即，俯仰)以确定目标相对于参考定位的偏航以及目标相对于局部重力矢量的俯仰。一些现代电子经纬仪利用角度编码器替代标度以自动进行角度测量。

经纬仪通常包括电子距离测量(EDM)单元以测量从经纬仪到目标的距离。这样的集成系统通常称为全站仪(total station)。全站仪通常包括计算机或控制单元以控制测量和存储测量数据。

尽管使用了经纬仪和全站仪，但仍需要用于确定点的角度和位置的改善的方法和系统。

发明内容

本发明提供了用于确定目标点的角度和/或位置的改善的方法和系统。仅仅以实例的方式，本发明的实施例提供了使用图像来确定目标点的角度和位置的方法。可以在例如测绘应用中使用实施例。然而，本发明的实施例不局限于该特定应用，而是可以用于各种测量系统。

根据本发明的实施例，用于确定目标点的方位角的设备包括支撑结构和耦合到支撑结构并被配置为提供图像数据的成像装置。该设备还包括定位测量装置，其耦合到所述支撑结构并被配置为确定定位信息；以及处理器，其与所述成像装置和所述定位测量装置电通信。所述处理器被配置为：从所述成像装置接收所述图像数据；从所述定位测量装置接收所述定位信息；确定第一定位与第二定位之间的基线；确定重叠图像之间的取向；以及计算所述目标点相对于所述基线的方位角。

根据本发明的另一实施例，一种确定目标点的方位角的方法包括：将成像装置定位在第一位置处；相对于参考定位定向所述成像装置；从所述第一位置获得表面的第一图像；确定所述第一位置的定位。所述方法还包括，相对于所述目标点定向所述成像装置；从所述第一位置获得表面的第二图像，其中所述第一图像的一部分与所述第二图像的一部分重叠；确定所述第一图像相对于所述第二图像的取向；以及确定所述目标点相对于所述参考定位的方位角。

根据本发明的另一实施例，一种确定目标点在局部坐标框架中的坐标的方法包括：计算作为第一位置和第二位置的函数的基线；使用成像装置从所述第二位置获得表面的第一图像；相对于所述基线定向所述第一图像。所述方法还包括：将所述成像装置与所述目标点对准；在所述成像装置与所述目标点对准的情况下，从所述第二位置获得表面的第二图像；确定所述第二图像相对于所述第一图像的取向。所述方法还包括：计算所述目标点的方位角；确定从所述第二位置到所述目标点的距离；以及计算所述目标点在所述局部坐标框架中的坐标。

根据本发明的又一实施例，一种确定在基本平坦表面上的目标点在局部坐标框架中的坐标的方法包括：使用校准的成像装置从第一位置获得表面的第一图像并确定所述第一位置在所述局部坐标框架中的定位。所述方法还包括：使用所述校准的成像装置从第二位置获得所述基本平坦表面的第二图像，其中所述第二图像包括所述目标点。所述第一位置不同于所述第二位置，并且所述第一图像的一部分与所述第二图像的一部分重叠。所述方法还包括：确定所述第二位置在所述局部坐标框架中的定位；计算所述第二图像的方位角；以及计算所述目标点在所述局部坐标框架中的坐标。

相对于常规技术，使用本发明的实施例可以实现多种有益效果。例如，根据本发明的实施例提供了测量目标点的角度和位置的不昂贵的设备。在特定实施例中，提供了相对小和不昂贵的设备，该设备不需要测量水平角度的昂贵的标度或编码器。替代地，可以使用重叠的图像之间的相对取向来测量水平角度。同样，可以确定在图像内部和外部的目标点的位置或坐标。如下面更详细解释的，可以使用校准的成像装置来确定在被成像的基本平坦表面上的图像内的目标点的位置。可以使用水平角度与距离测量装置的距离和竖直角度来确定在图像外部的目标点的位置。

依赖于实施例，会有这些有益效果中的一个或多个。这些和其他的有益效果通过说明书在下面更具体地进行描述。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的用于确定目标点的角度和/或位置的设备的简化图；

图2A-2C为根据本发明的另一实施例的用于确定目标点的角度和/或位置的设备的简化图；

图3A-3C为示例了根据本发明的实施例的测量方法的简化图；

图4为示例了当确定图像中的点的位置时由不平坦表面引入的测量误差的简化图；

图5A-5C为示例了根据本发明的另一实施例的测量方法的简化图；

图6为示例了根据本发明的实施例的确定目标点的位置的方法的简化流程图；

图7为示例了根据本发明的另一实施例的确定目标点的位置的方法的简化流程图；

图8为示例了根据本发明的实施例的测量方法的简化侧视图；

图9为示例了根据本发明的另一实施例的测量方法的简化侧视图；

图10为示例了根据本发明的实施例的测量方法的简化平面视图；

图11为根据本发明的另一实施例的用于确定目标点的角度和/或位置的设备的简化顶视图；以及

图12为示例了根据本发明的另一实施例的测量方法的简化测试图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了用于确定目标点的角度和/或位置的方法和系统。在特定的实施例中，使用重叠的图像之间的相对取向来确定目标点相对于参考位置的水平角度或方位角。在一些实施例中，还使用图像来确定位于图像内的基本上平坦的表面上的目标点的位置或坐标。与常规经纬仪相同，应用使位置与真实坐标系(即，局部坐标框架)相关联的约束。在另一实施例中，使用测量定位与目标点之间的距离以及距离测量装置的竖直角度来确定在图像之外的点的位置。下面更详细地描述本发明的这些和其他实施例。

图1为根据本发明的实施例的用于确定目标点的角度和/或位置的设备的简化图。如图1所示，测量设备100包括成像装置102。成像装置102为数码照相机或其他能够使用图像传感器捕捉图像的适宜装置。图像传感器典型地包括以阵列方式设置的预定数目的感光元件。例如，图像传感器可以为能够从入射在元件上的光信号产生图像信息的元件的二维阵列。图像中的像素的数目通常对应于阵列中的元件数目。该阵列可以是电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器阵列。包含感光元件的其他适宜阵列同样包含在本发明的范围内。

仅仅以实例的形式，在本发明的实施例中可以使用具有1600x1200个传感器元件的两兆像素阵列。在一些实施例中，成像装置120利用广角透镜来增加成像装置102和使用该成像装置102获得的图像的视场(FOV)112。例如，特定的实施例使用具有151.8°的对角视场的反折射直线广角透镜。这样的透镜可从韩国的Nanophotonics有限公司获得。本领域的技术人员将理解，存在适用于本发明的成像装置102的各种广角透镜。

本发明的一些实施例利用经校准的成像装置。校准可包括内部校准和外部校准。内部的校准的目的在于确定图像传感器的每个元件与进入成像装置并入射在该元件上的光信号的角度之间的角关系。内部校准还用于修正光畸变。基本上，校准提供了每个图像传感器元件与进入成像装置并入射在该元件上的光线的角度之间的映射(mapping)。可以根据公知技术进行校准过程。一旦确定了该角度关系，该角度关系便与通过图像传感器产生的图像的像素或元素相关联。

外部校准的目的在于确定在支撑结构坐标框架中的支撑结构与成像装置之间的关系。外部校准包括成像装置在支撑结构坐标框架中的偏移矢量和三个旋转角。根据公知技术，可以将支撑结构坐标框架中的坐标转换到局部坐标框架中的坐标。

外部校准还包括在支撑结构坐标框架中的倾斜传感器与电子距离测量(EDM)单元之间的关系。下面将更详细地描述倾斜传感器和EDM。

如图1所示，成像装置102被耦合到支撑结构104。支撑结构104可为测绘杆、三脚架或适用于支撑成像装置102的相似结构。在本发明一个实施例中，成像装置102在被成像的表面上方的已知高度106处被耦合到支撑结构104。

本发明的一些实施例还包括耦合到支撑结构104的倾斜传感器110。倾斜传感器110为气泡水准仪、电子倾斜传感器或其他能够确定支撑结构104和成像装置102相对于局部重力矢量的竖直对准的适宜装置。倾斜传感器110包括双轴倾斜传感器和罗盘以确定相对于局部重力矢量和磁北的倾斜的幅值和方向。该幅值和方向可用于确定成像装置102的位置和支撑结构104的顶端的位置。

本发明的一些实施例还包括耦合到支撑结构104的距离测量装置108。距离测量装置108可以为EDM单元并包括激光指示器以突出目标点。一些实施例利用可见激光来用于该目的。其他实施例通过摄像机和显示器利用不可见激光器将EDM导向目标点。再一实施例利用光学/机械瞄准装置或十字准线或其他符号的图形显示来识别目标点。在一些实施例中，距离测量装置108包括竖直角度传感器或其他能够确定距离测量装置108相对于支撑结构104的竖直角度的适宜装置。距离测量装置108被用于确定到目标点的距离。

根据公知技术，使用耦合到支撑结构104和全站仪(未示出)的反射性目标(未示出)来确定测量设备在局部坐标框架中的定位。

耦合到支撑结构104的诸如成像装置102、倾斜传感器110以及距离测量装置108的部件可与计算装置114通信。计算装置114与每个单独的部件直接通信以发送和/或接收数据，或该通信通过图1示例的中间通信装置116进行。该通信通过有线或无线连接。计算装置114为手持装置，如图1所示，或适用于发送和/或接收数据并进行计算以确定目标点的角度和/或位置的任何其他计算装置。计算装置114典型地包括用于存储数据的存储器和用于进行计算的处理器。

在图1中，成像装置102的视场(FOV)112通常向下并包括围绕支撑结构104的底部的区域。本发明的实施例对成像装置102的这样的取向没有要求，然而，其他实施例包括不同的取向以及由此的不同FOV。

图2A为根据本发明的另一实施例的用于确定目标点的角度和/或位置的设备的简化图。图2A中示例的测量设备200与图1中示例的测量设备100分享共同的部件，上述关于图1提供的描述可应用于图2A。例如，测量设备200包括成像装置202、支撑结构204、倾斜传感器210以及距离测量装置208，这些装置中的每一个都相似于上述关于图1描述的对应部件。

如图2A所示，本发明的一些实施例还包括耦合到支撑结构204的定位测量装置220。该定位测量装置220包括诸如全球位置系统(GPS)的全球导航卫星系统，或能够确定定位测量装置220在局部坐标框架中的定位的其他适宜装置。此外，在一些实施例中，图2A中示例的测量设备200与诸如图1中示例的计算装置114的计算装置通信。本领域的技术人员将能够想到适用于确定测量设备200的定位的许多变化、修改以及备选。

在一些实施例中，倾斜传感器210包括罗盘或适用于在支撑结构不水平时确定相对于局部重力矢量和磁北的倾斜幅值和方向的装置。可使用倾斜传感器210与定位测量装置220来确定成像装置202在局部坐标框架中的位置。

在图2A中，成像装置202的FOV 218通常是向前和向下的。本文中，向前被限定为远离支撑结构204。然而，如在上面解释的，本发明的实施例对成像装置202的这样的取向没有要求。其他实施例可包括不同的取向以及由此的不同FOV。

图2B为根据本发明的另一实施例的用于确定目标点的角度和/或位置的设备的简化图。图2B中示例的测量设备240与图2A中示例的测量设备200相似。然而，在图2B中，定位测量装置220位于成像装置202之上。成像装置202和定位测量装置220被设置为成像装置202的光学中心与定位测量装置220的天线相位中心沿竖直轴对准。由此，当支撑结构204水平或与局部重力矢量对齐时，成像装置202的光学中心与定位测量装置220的天线相位中心偏移固定的竖直距离。

图2C为根据本发明的另一实施例的用于确定目标点的角度和/或位置的设备的简化图。图2C中示例的测量设备250与图2A中示例的测量设备200和图2B中示例的测量设备240相似。然而，测量设备250包括耦合到成像装置254的定位测量装置252。备选地，定位测量装置252与成像装置254集成。在又一实施例中，定位测量装置252和成像装置254二者与支撑结构204的竖直轴对准。成像装置254和定位测量装置252被设置为当支撑结构204水平时，成像装置254的光学中心和定位测量装置252的天线相位中心与局部重力矢量对准并偏移固定的竖直距离。

图2C还示例了这样的实施例，其中成像装置254的FOV 256被导向下并离开支撑结构204。通过使FOV 256指向离开支撑结构204，距离测量装置208和倾斜传感器210不会干扰正被成像的表面。然而，FOV 256不受该特定取向的限制，并且其他实施例可以包括不同的取向以及由此的不同的FOV。

图3A-3B为示例了根据本发明的实施例的测量方法的简化图。使用该测量方法来测量目标点的角度和/或位置。

图3A为简化平面图，其示出了使用诸如上述的测量设备100、200、240或250的测量设备获得的三个图像或该三个图像的FOV。在图3A示例的实施例中，将测量设备设置在第一位置330，并获得具有FOV 334的第一图像。确定第一位置330在局部坐标框架中的定位。例如，使用上述的GNSS或全站仪确定该定位。局部坐标框架可以表示真实坐标系统或者可以参照特定的物体或已知点。根据公知技术使用倾斜传感器以在该局部坐标框架中确定成像装置的定位或成像装置的光学中心的定位。第一位置330可以为测量设备与表面之间的接触点，或第一位置330可以为该表面上的与成像装置对准或位于成像装置之下的点。在一些实施例中，确定该定位并同时获得图像。

将测量设备设置在第二位置332并获得具有FOV 336的第二图像。如上面解释的那样确定第二位置332在局部坐标框架中的定位。确定从第一位置330到第二位置332的基线346。使用第一和第二图像的重叠部分340中的公共特征，可以通过利用公知的特征提取技术相对于基线346来定向图像。例如，可以使用诸如SIFT(尺度不变特征转换)或SURF(加速鲁棒特征)的公知计算机视觉算法。作为使用图像的重叠部分中的公共特征的备选，可以通过在捕获第一和第二图像时用已知点来定向测量设备，从而用基线346来定向图像。可选地，通过在捕获第二图像时用第一测量定位330来定向测量设备，可以使第二图像相对于基线346定向。这些方法中的每一种都提供了自第二定位332的角度测量的零方位角。

从第二位置332，测量设备被旋转并对准或定向到目标点342，并获得具有FOV 338的第三图像。可以使用激光指示器、光学/机械瞄准装置、使用十字准线的图形显示或其他适宜方式，来对准测量设备。确定从第二位置332到目标点342的距离344。使用之前解释的距离测量装置来确定距离344。使用倾斜传感器和竖直角传感器来确定距离测量装置相对于支撑结构的角度。

使用图像336、338的重叠部分和公知的计算机视觉技术，确定目标点342相对于基线346的角度或方位角。例如，可以确定第二和第三图像的相对取向，并使用该相对取向与第二图像相对于基线346的取向来确定方位角。

可以使用公知技术确定目标点342在局部坐标框架中的位置或坐标。例如，使用第一和第二位置330、332、图像334、336、338以及第一和第二图像的重叠部分340中的特征，可以计算从第二位置332延伸到目标点342的EDM束的方位角。利用公知的测绘技术，可以使用第二位置332、计算的方位角和竖直角、倾斜的幅值和方向以及距离来计算目标点342在局部坐标框架中的位置。

还可以计算第二目标点360在局部坐标框架中的位置或坐标。例如，使用第一和第二位置330、332、第一和第二图像334、336以及第一和第二图像的重叠部分340中的至少两个特征，便可以计算第一和第二图像334和336在局部坐标框架中的方位角。假设目标点342在诸如面的几何基元上并且该面与位置332的关系是已知的，便可以计算图像中的目标点360的位置。该关系可以被表达为位置332在该面上方的高度以及该面的斜度和取向矢量。例如，如果该面关于重力是水平的，则该高度为从支持结构的顶端到支撑结构坐标框架的原点的距离。通过将图像336投影到该面上并使用成像装置的校准数据，可以计算目标点360的位置。

图3B为示出了在图3A示例的第二位置332处的测量设备的简化透视图。图3A和3B包括几个共同特征，例如，第二位置332、FOV 338、距离344以及目标点342。如图3B所示，测量设备与目标点342对准，FOV338对应于上述关于图3A描述的第三图像中包含的区域。在图3B中还示出了具有成像装置354、定位测量装置358、倾斜传感器356以及距离测量装置350的支撑结构348。如图3B所示，在该实施例中，相对于成像装置354确定第二位置332。图3B还示例了距离测量装置350的竖直角度362。如之前所示解释的那样，确定目标点342在局部坐标框架中的位置或坐标。使用这些方法，便可以使用EDM确定位于任意位置(在图像内或远离图像)的点的位置。

图3C为同样示出了在图3A示例的第二位置332处的测量设备的简化透视图。图3C示出了在成像装置354的FOV 338内的第二目标点360。在FOV 338被投射到基本平坦的表面352的情况下，可以如之前解释的那样，确定第二目标点360在该表面上的位置。基本上平坦的表面352可以为平坦表面或适于本文中的计算的表面。作为实例，基本平坦的表面352可以为道路或停产场。本发明的一些实施例允许在不必物理到达一地点的情况下测量点的角度和/或位置。这在点难以接近或非常危险(例如，道路或工地)时特别有利。

下面的表1提供了如何使用成像装置在基本平坦的表面上方的高度和成像装置的校准来确定图像内的点的定位的实例。可使用以传感器元件或像素表示的图像传感器阵列的尺寸、成像装置的FOV以及成像装置在被成像的表面上方的高度来确定映射。可根据通过将测量设备与局部重力矢量对准或通过使用倾斜传感器确定倾斜的幅值和方向的公知技术，确定成像装置在该表面上方的高度。在该实例中，成像装置具有位于被成像的表面上方两米处的传感器元件的两兆像素阵列(1600x 1200)。该两维阵列任意地与x和y坐标相关联，其中x-方向与阵列的长度(1600个传感器元件长)相关联，以及y-方向与阵列的宽度(1200个传感器元件宽)相关联。成像装置的沿x-方向的FOV为145°，并且沿y方向的FOV为135°。

表1

FOV距离(x-方向)

12.7米

FOV距离(y-方向)	9.7米
		映射(x-方向)	0.008米/图像像素
映射(y-方向)	0.008米/图像像素

如表1所示，每个图像像素对应于近似0.008米长乘0.008米宽的表面区域。如上所述，使用这些值确定在表面上的点的位置和坐标。例如，在图3C中，可使用在上述表1中示例并预先解释的映射，来确定第二目标点360的坐标。在其他实施例中，在图3A示例的多个重叠图像例如第一、第二以及第三图像可通过使用公知的计算机视觉技术镶嵌或拼合到一起以允许确定在任意图像内的表面上的点的位置。

图4为示例了当确定图像内的点的位置时由不平坦表面引入的测量误差的简化图。如上面所解释的，图3C中示例的实例假设表面352基本平坦。如图4所示，在确定在图像内的点的位置时，不平坦表面会引入测量误差。图4示出了位于表面408上的测量设备400。测量设备400包括具有FOV 404的成像装置。该成像装置的光学中心位于在表面408上面的高度402处，以及目标点414与测量设备400相距距离410。由于不平坦的表面408，目标点414比投影图像的理想或平坦表面406低了量416。从成像装置的角度，目标点414似乎位于在理想或平坦表面406上的点412处。如图4所示，不平坦表面408引入了测量误差418。可以根据公知技术来确定测量误差418的大小。

在一个实施例中，通过将该表面分割或数字化为多个部分来减少测量误差。例如，用三角形平坦表面来近似(数字化)弯曲表面。在每个拐角处，存储定位测量装置的位置和图像。图像被作为皮肤投影到三角形上。如上所述，可以确定每个三角形内的定位。

图5A-5C为示例了根据本发明的另一实施例的测量方法的简化图。图5A为示出了使用上述测量设备获得的三个图像或三个图像的FOV的简化平面视图。在图5A示例的实施例中，将测量设备设置在第一位置530，并获得具有FOV 534的第一图像。确定第一位置530在局部坐标系统中的定位。例如，使用上述GNSS或全站仪确定第一位置530在局部坐标系统中的定位。局部坐标系统可以表示真实坐标框架或者可以参照特定的已知定位或物体。可以根据公知技术使用倾斜传感器确定在局部坐标框架中成像装置的定位或成像装置的光学中心的定位。第一位置530为在测量设备与表面之间的接触点，或第一位置530为该表面上的与成像装置对准或位于成像装置之下的点。在图5A中，图像的FOV通常向前并向下且不包括第一位置530。

将测量设备设置在第二位置532并获得具有FOV 536的第二图像。如上面解释的那样确定第二位置532在局部坐标系统中的定位。确定从第一位置530到第二位置532的基线546。如上所述，将图像相对于基线546定向。从第二位置532，测量设备被旋转并对准或定向到目标点542，并获得具有FOV 538的第三图像。如之前所解释的，使用距离测量装置确定从第二位置532到目标点542的距离544。可以使用倾斜传感器和竖直角度传感器来确定距离测量装置相对于局部重力矢量的角度。如之前所解释的来确定目标点542的角度或方位角以及目标点542在局部坐标框架中的位置或坐标。如上面所解释的，同样可以确定第二目标点560的位置或坐标。

图5B为示出了在图5A示例的第二位置532处的测量设备的简化透视图。图5A和5B包括几个共同特征，例如，第二位置532、FOV 538、距离544以及目标点542。如图5B所示，测量设备与目标点542对准，FOV538对应于上述关于图5A描述的第三图像中的区域。在图5B中还示出了具有成像装置554、定位测量装置558、倾斜传感器556以及距离测量装置550的支撑结构548。如图5B所示，在该实施例中，第二位置532与支撑结构548对准。图5B还示例了距离测量装置550的竖直角度562。如之前所解释的，确定目标点542在局部坐标框架中的位置或坐标。使用这些方法，便可以使用EDM确定位于任意位置(在图像内或远离图像)的点的位置。

在FOV投影到基本平坦的表面552上的情况下，如上所述，可以确定第二目标点560的位置。图5C为简化视图，其示例了使用与图5A-5B中示例的FOV 538相似的FOV获得的图像像素的映射。可使用以传感器元件或像素表示的图像传感器阵列的尺寸、成像装置的FOV以及成像装置在被成像的表面上方的高度来确定映射。可根据通过将测量设备与局部重力矢量对准或通过使用倾斜传感器确定倾斜的幅值和方向的公知技术，确定成像装置在该表面上方的高度。在该实例中，具有传感器元件的两兆像素阵列(1600x 1200)的照相机位于被成像的表面上方两米处。对于该实例，该两维阵列任意地与x和y坐标相关联，x-方向与阵列的长度(1600个传感器元件长)相关联，以及y-方向与阵列的宽度(1200个传感器元件宽)相关联。在该实例中，照相机从水平向下30°定向。使用上述值，宽度560被确定为九米，长度572被确定为8米，宽度566被确定为2.8米。沿宽度560的映射被确定为近似0.0076米/图像像素，沿宽度566的映射被确定为近似0.002米/图像像素。本领域的技术人员将意识到上述实例的多种变化、修改以及备选。

图6为示例了根据本发明的实施例的确定目标点的方位角的方法的简化路程图。该方法包括将成像装置设置在第一位置处(602)。利用参考定位来定向成像装置(604)。参考定位包括从第一位置延伸到第二点位的基线。使用从第一位置获得的第一图像与从第二位置获得的图像的重叠部分，利用所述参考定位定向第一图像。备选地，在捕获第一图像时通过用已知点定向测量设备，由此利用参考定位定向第一图像。该已知点具有已知或可以确定的在局部坐标框架中的坐标。作为实例，该已知点为第二位置。

在第一位置处获得表面的第一图像(606)。第一图像包括在第一位置周围的表面的区域，或包括在第一位置外或远离第一位置的表面的区域。为了确定方位角，可以利用任何表面的图像，只要可以使用图像的重叠部分确定图像之间的旋转。相似地，为了使用测量装置的距离和竖直取向来确定点的位置，可以利用任意表面的图像，只要可以使用图像的重叠部分确定图像之间的旋转。如果要确定在表面上的点的坐标，表面为基本平坦表面，或该表面被如上所述地数字化以减少测量误差。确定第一位置的定位(608)。在一些实施例中，例如，如上所述使用GNSS或全站仪确定定位。可在局部坐标框架中或在相对于特定定位或物体限定的另一坐标系统中确定上述定位。

通过目标点定向成像装置或将成像装置与目标点对准(610)。使用激光指示器、光学/机械瞄准装置、使用十字准线的图形显示或其他适宜方式，来通过目标点定向成像装置或将成像装置与目标点对准。在第一位置处获得第二图像(612)。第二图像的一部分与第一图像的一部分重叠。确定第一图像相对于第二图像的取向(614)。该取向为在第一和第二图像之间成像装置围绕竖直轴的旋转。在一个实施例中，使用图像的重叠部分和公知计算机视觉技术来确定该取向。确定目标点相对于参考定位的方位角(616)。使用第一和第二图像之间的取向和第一图像对于参考定位的取向来确定方位角。

图7为示例了根据本发明的另一实施例的确定目标点的位置的方法的简化流程图。该方法包括计算基线(702)。基线被计算为第一位置和第二位置的函数。在一些实施例中，如上所述，使用GNSS或全站仪确定第一和第二位置的定位。在其他实施例中，使用罗盘或其他适宜装置在局部坐标框架中相对于真北确定基线。从第二位置获得表面的第一图像(704)。利用基线定向第一图像。将成像装置与目标点对准(706)。通过与目标点对准的成像装置获得该表面的第二图像(708)。确定第一图像相对于第二图像的取向(710)。使用图像的重叠部分确定该取向。计算目标点的方位角(712)。方位角基于第一图像相对于第二图像的取向和第一图像相对于基线的取向。确定从第二位置到目标点的距离(714)。如之前所解释的，使用EDM确定距离。计算目标点在局部坐标框架中的坐标(716)。使用上述方法计算坐标。

应该理解，图6-7中提供的特定步骤提供了根据本发明的实施例的确定目标点的方位角的特定方法。根据备选的实施例，还实施步骤的其他顺序。例如，本发明的备选实施例以不同的顺序实施上述步骤。此外，图6-7实例的各步骤可以包括以适于该单独步骤的各种顺序实施的多个子步骤。此外，依赖于特定应用，可以增加或取出附加的步骤。本领域的技术人员件将认识到多种变化、修改和备选。

图8为示例了根据本发明的实施例的测量方法的简化图。图8示出了在第一位置822处的包括成像装置802和支撑结构804的第一测量设备和在第二位置820处的包括成像装置812和支撑结构810的第二测量设备。可使用单一测量设备获得来自第一位置822和第二位置820二者的图像。图像的部分808重叠。将FOV 806整个投影到第一表面814上，以及将FOV 824投影到第一表面814和第二表面816二者上。第一表面814和第二表面816的海拔相差高度818。

根据本发明的实施例，确定在第一表面814和第二表面816二者上的目标点的定位。为了确定在图像内的目标点的定位，使用包括第一表面814的图像像素确定第一映射。与关于上述图3A、3C和5A-5C所描述的相似的方式确定映射。使用包括第二表面816的图像像素，考虑第二表面816与第一表面814之间的高度和平行性差异，确定第二映射。使用这些映射，可以确定图像内的目标点在第一表面814和第二表面816二者上的定位。

图9为示例了根据本发明的另一实施例的测量方法的简化图。图9示出了在第一位置922处的包括成像装置902和支撑结构904的第一测量设备和在第二位置920处的包括成像装置912和支撑结构910的第二测量设备。可使用单一测量设备获得来自第一位置922和第二位置920二者的图像。图像的部分908重叠。在这两个位置处的FOV被投影到倾斜表面926。

根据本发明的实施例，确定目标点在表面926上的定位。为了确定在图像内的目标点的定位，使用第一位置922和第二位置920的定位确定表面920的斜度。如果表面926上的斜度不是恒定的，则分割或数字化表面926的基本平坦的部分，并对于每个部分确定三个位置的定位。依赖于成像装置在表面926的每个特定的部分上方的高度，可以确定多个映射。为了确定表面926的三维斜度，可以确定第三位置的定位。使用表面926的斜度，通过公知技术确定映射。如之前描述的，使用映射来确定图像内的目标点的定位。

图10为示例了根据本发明的实施例的测量方法的简化平面视图。图10示出了使用上述测量设备获得的五个图像或五个图像的FOV。在图10示例的实施例中，将测量设备设置在第一位置1002，并获得具有FOV 1008的第一图像。使用上述方法确定该第一位置1002的定位。将测量设备设置在第二位置1004，并获得具有FOV 1010的第二图像。在示例的实例中，第二位置1004的定位没有被确定。例如，由于上方物体或第二位置1004在全站仪的视野之外，第二位置1004不能接收GPS信号。

将测量设备设置在第三位置1012，并获得具有FOV 1014的第三图像。与第二位置1004相似，第三位置1012的定位没有被确定。将测量设备设置在第四位置1016，并获得具有FOV 1014的第四图像。可以确定第四位置1016的定位，并使用第二位置1002和第四位置1016的定位来确定基线1006。

在图10示例的实施例中，确定目标点1028和1024在局部坐标框架中的定位。目标点1028的定位在第二图像内并位于被成像的基本平坦表面上。如之前所描述的，使用图像像素的映射确定目标点1028的定位。使用图像的重叠部分来拼合或镶嵌图像，以便可以使用第一位置1002和/或第四位置1016的已知定位和每个图像的映射来确定在局部坐标系统中的定位。在另一实施例中，使用从第四位置1016的距离测量和第四图像相对于基线1006的取向来确定目标点1028的定位。如果使用EDM，就不需要对表面的假设。

通过将测量装置与目标点1024对准并获得第五图像(在图10中被示例为FOV 1020)来确定远方目标点1024的定位。例如，可以使用距离测量装置来确定第四位置1016与远方目标点1024之间的距离。使用第四和第五图像的相对取向、第四位置1016与目标点1024之间的距离以及第四图像相对于基线1006的取向来确定远方目标点1024在局部坐标框架中的坐标。本领域的技术人员将认识到对图10示例的测量方法的多种变化、修改以及备选。例如，可以确定任意两个图像之间的基线，因而基线并不局限于在该实例中示例的第一和最后的图像。此外，可以减小图像之间的距离以限制邻近图像之间的视角差异(perspective difference)。

图11为根据本发明的另一实施例的用于测量目标点的角度和/或位置的设备的简化平面视图。图11示出了具有多个成像装置的测量设备1102以便获得多个重叠图像。在该实例中，重叠图像形成360°水平全景图像。测量设备1102具有六个成像装置。根据本发明的实施例可以使用更多或更少的成像装置。第一成像装置具有FOV 1104，第二成像装置具有FOV1106，第三成像装置具有FOV 1108，第四成像装置具有FOV 1110，第五成像装置具有FOV 1112以及第六成像装置具有FOV 1114。备选地，使用具有单一成像装置的测量设备获得多个重叠图像以形成360°水平全景图像。可以使用公知计算机视觉技术将重叠的图像拼合或镶嵌到一起，以能够确定360°水平全景图像的映射。通过上述的方法，使用该映射来确定表面上的目标点的坐标。如上面所解释的，还使用测量设备1102确定在图像内部或外部的目标点的方位角。

图12为示例了根据本发明的另一实施例的测量方法的简化图。图12包括具有成像装置的测量设备1202，该成像装置具有FOV 1204。在该实例中，在成像装置的FOV 1204内的两个表面为水平表面1206和竖直表面1208。例如，水平表面1206为地面，而竖直表面为建筑或结构的侧面。确定每个表面的映射。水平表面1206的映射基于成像装置在该表面上方的高度。竖直表面1208的映射基于成像装置与该表面的距离。例如，使用EDM获得该距离。本领域的技术人员将认识到多种变化、修改以及备选。

应该理解，本发明的一个或多个实施例的特征可以与本发明的其他实施例的一个或多个特性组合，而不背离本发明的范围。同样，本文描述的实例和实施例仅仅用于示例的目的，并且本领域的技术人员将认识到对其的各种修改和改变，因而这些修改和改变在本申请的精神和范围内以及所附权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种用于确定目标点的方位角的设备，包括：

支撑结构；

成像装置，耦合到所述支撑结构并被配置为提供多个图像的数据；

定位测量装置，耦合到所述支撑结构并被配置为确定定位信息；以及

处理器，与所述成像装置和所述定位测量装置电通信，其中所述处理器被配置为：

从所述成像装置接收所述多个图像的数据；

从所述定位测量装置接收所述定位信息；

确定第一定位与第二定位之间的基线；

使用所述多个图像的重叠部分确定该多个图像之间的相对取向；以及

使用所述相对取向计算所述目标点相对于所述基线的方位角。

2.根据权利要求1的设备，还包括：

倾斜传感器，被配置为确定所述支撑结构相对于局部重力矢量的竖直对准。

3.根据权利要求2的设备，还包括：

距离测量装置，耦合到所述支撑结构；以及

竖直角度传感器，耦合到所述支撑结构并被配置为确定所述距离测量装置相对于所述支撑结构的竖直角度，其中所述距离测量装置和所述竖直角度传感器与所述处理器电通信，并且其中所述处理器被进一步配置为：

从所述距离测量装置接收距离信息；

从所述竖直角度传感器接收角度信息；以及

计算所述目标点在局部坐标框架中的坐标。

4.根据权利要求1的设备，其中所述定位测量装置包括反射性目标。

5.根据权利要求1的设备，其中所述成像装置被校准以提供所述多个图像的数据的元素之间的角关系。

6.根据权利要求1的设备，其中所述定位测量装置包括全球导航卫星系统。

7.根据权利要求1的设备，其中所述成像装置包括数字照相机。

8.根据权利要求1的设备，其中所述支撑结构包括具有沿其长度延伸的竖直轴的杆，并且其中所述成像装置的光学中心与所述杆的所述竖直轴对准。

9.一种确定目标点的方位角的方法，所述方法包括：

将成像装置设置在第一位置处；

关于参考定位定向所述成像装置；

从所述第一位置获得表面的第一图像；

确定所述第一位置的定位；

关于所述目标点定向所述成像装置；

从所述第一位置获得所述表面的第二图像；其中所述第一图像的一部分重叠所述第二图像的一部分；

确定所述第一图像相对于所述第二图像的取向；以及

确定所述目标点相对于所述参考定位的方位角。

10.根据权利要求9的方法，还包括：

确定从所述第一位置到所述目标点的距离；以及

计算所述目标点在局部坐标框架中的坐标。

11.根据权利要求9的方法，还包括：

从第二位置获得第三图像，其中所述参考定位包括从所述第一位置延伸到所述第二位置的基线，并且其中使用从所述第一位置获得的所述第一图像与从所述第二位置获得的所述第三图像的重叠部分关于所述参考定位定向所述第一图像。

12.根据权利要求9的方法，其中第二目标点位于所述第二图像内，所述表面是基本平坦的，所述方法还包括：

使用所述成像装置的校准来计算所述第二目标点在局部坐标框架中的坐标。

13.一种确定目标点在局部坐标框架中的坐标的方法，所述方法包括：

计算作为第一位置和第二位置的函数的基线；

使用成像装置从所述第二位置获得表面的第一图像；

相对于所述基线定向所述第一图像；

将所述成像装置与所述目标点对准；

在所述成像装置与所述目标点对准的情况下，从所述第二位置获得所述表面的第二图像；

确定所述第二图像相对于所述第一图像的取向；

计算所述目标点的方位角；

确定从所述第二位置到所述目标点的距离；以及

计算所述目标点在所述局部坐标框架中的坐标。

14.根据权利要求13的方法，还包括从所述第一位置获得第三图像，其中使用所述第一图像和所述第三图像的重叠部分相对于所述基线定向所述第一图像。

15.根据权利要求13的方法，还包括：

确定所述第一位置在所述局部坐标框架中的第一定位；以及

确定所述第二位置在所述局部坐标框架中的第二定位。

16.一种确定在基本平坦表面上的目标点在局部坐标框架中的坐标的方法，所述方法包括：

使用校准的成像装置从第一位置获得表面的第一图像；

确定所述第一位置在所述局部坐标框架中的定位；

使用所述校准的成像装置从第二位置获得所述基本平坦表面的第二图像，所述第二图像包括所述目标点，其中所述第一位置不同于所述第二位置，并且所述第一图像的一部分重叠所述第二图像的一部分；

确定所述第二位置在所述局部坐标框架中的定位；

使用所述第一位置在所述局部坐标框架中的定位、所述第二位置在所述局部坐标框架中的定位以及所述第一图像中与所述第二图像的部分重叠的那部分中的特征，计算所述第二图像的方位角；以及

计算所述目标点在所述局部坐标框架中的坐标。

17.根据权利要求16的方法，其中使用所述成像装置的校准和所述第二图像的方位角计算所述目标点在所述局部坐标框架中的位置。

18.根据权利要求16的方法，其中所述成像装置的校准包括图像数据的元素之间的角关系。

19.根据权利要求16的方法，其中所述基本平坦表面的特征在于具有斜度，所述方法还包括：

确定第三位置在所述局部坐标系统中的定位；

计算所述表面的所述斜度；以及

基于所述斜度确定在所述基本平坦表面上的所述目标点的坐标。