JP4217083B2

JP4217083B2 - Surveying system

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Publication number: JP4217083B2
Application number: JP2003044044A
Authority: JP
Inventors: 雅実白井; 浩二津田; 敦美金子; 忍上園; 良太小川
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP2004085539A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測点の角度が測量できる装置、例えばセオドライト、又はト−タルステ−ション等の測量機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来測量においては、測量しようとする点（測点）を含む周囲の風景を撮影し、撮影された画像を測定データと共に保存することがある。このような場合、例えば通常のカメラを用いて測量目標物周囲の概略的な風景を記録する方法や、測量機内に内蔵された撮像装置を用いて測点毎に周囲の風景を撮影する方法などが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３３７３３６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常のカメラを用いて撮影を行なう場合には、撮影された画像上に測点の位置が表示されないことから測点が画像上のどの位置に対応するのか知ることができない。一方、特開平１１−３３７３３６号公報に記載された方法では、測点毎に１枚以上の画像が記録されるため大容量の記録装置を必要とし、その取り扱いも煩雑となる。
【０００５】
本発明は、測量機で得られる測量情報とカメラで得られる測量現場の画像情報とを簡便かつ効率的に関連付け可能とすることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の測量システムは、測量を行なうための測量機と、測量機に対し相対的に所定の位置に配置され、測点を含む測量現場の概観画像を撮影するための撮像装置と、測量機により測量される測点の測量情報と測点に対応する概観画像上の位置に関する位置情報とを対応付ける対応付け手段とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
測量システムにおいて、測量機に対し所定の位置に配置された撮像装置の位置のみが既知でその傾きが未知の場合には、撮像装置の傾きに関する情報を求める傾斜情報算出手段を備える。このとき、傾斜情報算出手段において、撮像装置の傾きに関する情報が、２以上の任意に設定された基準点を測量機により測量したときの測量情報と、基準点の概観画像上の位置（画素位置）との関係から算出される。
【０００８】
測量機と概観画像との位置関係は、例えば測量機に対する概観画像が撮影されたときの撮像装置の位置及び傾きを表す外部標定要素により表され、傾きを表す外部標定要素が傾斜情報算出手段により求められる。これにより、カメラの位置を特定するために別途センサ等を設ける必要がなく、例えば従来の単写真標定の手法を用いて簡略、低コストで測量手段と概観画像との対応を知ることができる。
【０００９】
また測量システムにおいて傾斜情報を算出する場合には、測量システムは概観画像を表示する画像表示手段と、画像表示手段における画像上の位置を指定するための入力手段とを備えることが好ましく、基準点の位置は入力手段により概観画像上の任意の位置を指定することにより決定される。これにより、概観画像と測量手段との間の位置関係を簡便・迅速に算出することができる。
【００１０】
また測量システムは、概観画像を表示する画像表示手段と、測量情報と概観画像の位置情報との対応付けに基づいて測量機により測量される概観画像内の測点の位置を画像表示手段により表示された概観画像上に示す測点表示手段とを備えることが好ましい。これにより、測点の概観画像上の位置を視覚的に確認することが可能となり、測量残しなどを防止することができるとともに、測点の配置を容易に認識することができる。
【００１１】
測量システムは、好ましくは対応付け手段による測量情報と概観画像上の位置情報との対応を記録可能な記録手段を備える。これにより、測量作業終了後にも上記対応付けにより概観画像上に測点を表示することが可能となる。また、測量手段は例えば測角手段を備え、測量データは測点までの例えば高度角・水平角である。また、ト−タルステ−ションのように測距手段も備え、測定デ−タとして斜距離、高度・水平角、又は座標値を使用してもよい。
【００１２】
撮像装置における撮像光学系の投影中心は視準原点と光学的に等価な位置に配置されることが好ましい。このとき視準望遠鏡は、例えば視準望遠鏡を水平面内で回動するための鉛直軸と、鉛直軸と直交し視準望遠鏡を俯仰させるための水平軸とを中心に回動可能であり、視準望遠鏡の光軸は鉛直軸および水平軸との交点を通り、この交点が視準原点となる。これにより、測点とその像点の概観画像上の位置との対応がより簡略なものとなる。
【００１３】
このとき測量システムは、光軸を分岐するビームスプリッタを備え、ビームスプリッタにより分岐された光軸の一方は視準原点を通り、その他方は投影中心を通り、視準原点および投影中心とはビームスプリッタによる光軸の分岐点から等距離に配置されることが好ましい。また、ビームスプリッタは例えばハーフミラーであり、例えばビームスプリッタにより分岐され投影中心を通る分岐光学系と撮像装置とは測量機に内蔵される。これらにより、より簡略な構成で撮像装置を視準望遠鏡と光学的に等価な位置に配置することができる。またこのとき更に対応関係を簡略にするには、他方に分岐された視準望遠鏡の光軸が撮像装置の光軸に一致することが好ましい。
【００１４】
また測量機は、視準望遠鏡と、視準望遠鏡を水平面内で回動するための鉛直軸と、鉛直軸と直交し視準望遠鏡を俯仰させるための水平軸とを備え、視準望遠鏡の光軸は鉛直軸および水平軸との交わる視準原点を通り、撮像装置の光軸は視準望遠鏡の光軸と例えば平行である。
【００１５】
本発明のデジタルカメラは、測量機に対し所定の位置に配置されるデジタルカメラであって、被写体の画像を撮影する撮像手段と、測量機との位置関係から、測量機により測量された測点の測量情報と測点に対応する概観画像上の位置に関する位置情報とを対応付ける対応付け手段とを備えたことを特徴としている。
【００１６】
デジタルカメラは、概観画像を表示する画像表示手段と、測点の測量情報と概観画像上の位置情報との対応付けに基づいて測量機により測量される概観画像内の測点の位置を画像表示手段により表示された概観画像上に示す測点表示手段とを備えることが好ましい。
【００１７】
デジタルカメラは、例えば撮像手段により撮影された２以上の基準点を含む測量現場の概観画像における基準点の２次元的な位置情報と測量機による基準点の３次元的な測量情報に基づいて、概観画像と測量機との間の位置関係を算出する位置関係算出手段を備える。
【００１８】
デジタルカメラは概観画像を表示する画像表示手段と、画像表示手段における画像上の位置を指定するための入力手段とを備え、基準点の位置は入力手段により概観画像上の任意の位置を指定することにより決定される。
【００１９】
また、デジタルカメラは測量機との間において測量情報に関わるデータの伝送を行なうためのデータ伝送手段を備えることが好ましい。これにより、効率的に測量情報をデジタルカメラに伝送することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態である測量機とカメラを用いた測量システムの回路構成を示すブロック図である。
【００２１】
測量機１０は例えばトータルステーション、セオドライト等の角度が測れる装置であればよい。以下説明の便宜上、測量機１０がトータルステーションの場合について説明を行なうが他の方式の測量機を用いた場合も略同様である。
【００２２】
測量機１０は、測点に視準するための視準望遠鏡１７を備える。視準望遠鏡１７は、高度角θaを測定するために視準望遠鏡を俯仰させる水平軸Ｌhと、水平角θhを測定するために視準望遠鏡を水平方向に回転させる鉛直軸Ｌpとを有し、これらの軸の周りに回動可能である。水平軸Ｌhと鉛直軸Ｌpとは点Ｏ_S（以下視準原点Ｏ_Sと呼ぶ）において直交し、視準望遠鏡１７の光軸（視準線）は視準原点Ｏ_Sを通る。光軸Ｌは、ハーフミラー１８において２分され、一方は接眼レンズに導かれ他方は測距部１１に導かれる。
【００２３】
測距部１１では視準された測点までの斜距離等を例えば光波測距等により検出し、測角部１２はこのときの水平角θh、高度角θa等を検出する。測距部１１及び測角部１２はそれぞれシステムコンロール回路１３に接続されており、システムコントロール回路１３からの指令に基づき制御される。例えば測距部１１はシステムコントロール回路１３の指令に基づいて測距を行い、測定値をシステムコントロール回路１３に送出する。一方、測角部１２は常時角度を測定しておりシステムコントロール回路１３からの要求に応じて測定値をシステムコントロール回路１３へ送出する。検出された斜距離、水平角、高度角等の測定値はシステムコントロール回路１３において処理される。システムコントロール回路１３には、この他にも、スイッチ群１４、表示器１５（例えばＬＣＤ）、インターフェース回路１６等が接続されている。インターフェース回路１６には、インターフェースケーブルを介して例えばデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）２０が接続される。なお、インターフェース回路１６は、データコレクタ（図示せず）やコンピュータ等の周辺機器にも接続可能である。
【００２４】
デジタルスチルカメラ２０には、ＣＣＤ等の撮像素子２１が設けられており、撮像レンズ２２を介して被写体の映像を撮像可能である。すなわち、撮像素子２１では被写体の映像が画像信号として検出され、画像信号処理回路２３へ出力される。画像信号処理回路２３では、入力された画像信号に対してＲＧＢゲイン補正、ホワイトバランス補正、ガンマ補正やスーパインポーズ等の所定の画像処理が施される。画像処理が施された画像信号は例えば表示部（例えばＬＣＤ）２４に送出されシースルー画像として表示される。また、システムコントロール回路２６に接続されたスイッチ群２９に設けられたシャッターボタン（図示せず）が押下されると、被写体の映像がデジタル画像としてメモリ２５に一時的に記憶される。
【００２５】
メモリ２５に記憶されたデジタル画像は、画像信号処理回路２３を介して表示部２４に表示可能であるとともに、システムコントロール回路２６を介して記録媒体（ＩＣカードや光学的あるいは磁気的な記録媒体等）２７に記録可能である。また、記録媒体２７に記録された画像はシステムコントロール回路２６により表示部２４に表示することが可能である。なお、デジタルスチルカメラ２０をコンピュータ等の周辺機器にインターフェース回路２８を介して接続し、撮像された画像を画像データとして伝送し表示することも可能である。
【００２６】
システムコントロール回路２６には、ポインティングデバイス３０が接続されており、これにより表示部２４の画面上の任意の位置を指定することが可能である。ポインティングデバイス３０としては、例えば十字キー、トラックボール、ジョイスティック、タッチスクリーン等が用いられる。また、システムコントロール回路２６にはＲＯＭ３１が接続され、例えば、焦点距離（又は画面距離）や光軸と画像中心とのズレ、ディストーション補正のためのパラメータなどの内部定位要素、画素ピッチなどが記録されている。
【００２７】
次に図１、図２、図３を参照して第１の実施形態の測量システムにおける測点表示処理について説明する。図２は、第１の実施形態の測量システムにおける測量機およびカメラの配置を概念的に示す図であり、図３は第１の実施形態の測量システムにおける測量手順を示すフローチャートである。
【００２８】
図２に示すように、デジタルスチルカメラ２０は、測量機１０に対して光学的に等価な位置に配置される。すなわち、視準望遠鏡１７の視準原点Ｏ_Sから距離Ｄの光軸Ｌ上の位置には、例えばハーフミラーＭ等のビームスプリッタが、光軸Ｌに対して所定の角度（例えば４５°）をもって配置され、光軸ＬはハーフミラーＭにより光軸Ｌcに分岐される。デジタルスチルカメラ２０のレンズ中心（投影中心）Ｏ_LはハーフミラーＭから（光軸Ｌcが光軸Ｌから分岐した点から）距離Ｄの位置となるように配置され、光軸Ｌｃは撮像素子２１の座標原点を通る。このとき被写体からの光はその略半分がハーフミラーＭを透過し、光軸Ｌに沿って視準望遠鏡１７に入射し、残りの略半分はハーフミラーＭにより反射され光軸Ｌcに沿って、デジタルスチルカメラ２０の撮像レンズ２２に入射し撮像素子２１の撮像面に被写体像として結像される。なお、図２において、領域Ｓaは、デジタルスチルカメラ２０により撮影される領域を示している。
【００２９】
ステップＳ１０１において、オペレータはデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）２０により測量現場の概観を撮影する。撮影された１枚のデジタル画像（概観画像）には、測量されるべき測点が複数含まれる。ステップＳ１０２では、撮影された概観画像が例えばデジタルスチルカメラ２０の表示部２４に表示される。表示された概観画像において２つの異なる点（画素）がオペレータによりポインティングデバイス３０を用いて選択され、選択された画素に対応する実空間内の任意物点が基準点Ｐ_i（ｉ＝１，２）として指定される。このとき指定された各基準点Ｐ_iに対応する撮像面上の像点Ｐ_i’の位置が、ＲＯＭ３１に格納されている内部定位要素を用いてそれぞれ２次元の画像座標（ｘｐ_i’，ｙｐ_i’）として求められる。なお画像座標系は画像左上を原点としたy’軸下向きが正の２次元座標系である。
【００３０】
ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２において指定された各基準点Ｐ_iの（高度、水平）角度が測量機１０を用いてオペレータにより測定され、測定値はインターフェースを介してデジタルスチルカメラ２０のシステムコントロール回路２６へ伝送される。システムコントロール回路２６では、各基準点Ｐ_iの単位距離３次元座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）が所定の測量座標系（例えば視準原点Ｏ_Sを原点とする座標系）において算出される。ここで単位距離３次元座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）は、測量座標系の原点Ｏ_Sを中心とした半径１の球面と測角方向の直線との交点の座標である。本実施形態において１つの視準線上の任意の点は撮像面Ｓ上の同一の点に投影されるので、この交点の座標を視準点の仮の３次元座標として以後の計算を行なう。なお、測量機の基準となる方向からの水平回転角をθh、垂直回転角をθaとするとき、Ｘｐ_i＝ｓｉｎθh・ｃｏｓθa、Ｙｐ_i＝ｓｉｎθa、Ｚｐ_i＝−ｃｏｓθh・ｃｏｓθaで表される。またこのとき各基準点Ｐ_iの測量座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）は、それぞれ像点Ｐ_i’の画像座標（ｘｐ_i’，ｙｐ_i’）に対応付けられる。
【００３１】
ステップＳ１０４では後述するように、各基準点Ｐ_iに対する測量座標と画像座標との対応から概観画像を撮影したときのデジタルスチルカメラ２０の傾きが、例えば空間後方交会法により算出される。すなわち、視準原点Ｏ_Sを原点とする測量座標系に対するデジタルスチルカメラ２０に固定された３次元カメラ座標系の撮影時におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転角（ω，φ，κ）が外部標定要素として求められる。なお、第１の実施形態においてデジタルスチルカメラ２０は測量機１０に対して光学的に等価な位置に配置され、レンズ中心（投影中心）Ｏ_Lは視準原点Ｏ_Sと光学的に等価な位置にあるため、カメラ座標系の原点Ｏ_Lは測量座標系の原点（視準原点）Ｏ_Sと見なすことができる。したがって外部標定要素（Ｘ_O，Ｙ_O，Ｚ_O，ω，φ，κ）のうちカメラ座標系の原点Ｏ_Lの測量座標系における座標（Ｘ_O，Ｙ_O，Ｚ_O）は（０,０,０）なので、カメラの傾きを表す外部標定要素（ω，φ，κ）が求められることにより、画像座標と測量座標との射影関係が確立される。なおカメラ座標系は、レンズ中心（投影中心）Ｏ_Lを原点とした左手座標系であり、そのｙ軸、ｚ軸はスクリーン座標系のｓ’軸、ｔ’軸と平行であり、ｘ軸は撮像面に垂直で、投影中心から像面とは反対の方向に向けて定義される。ここでスクリーン座標系は、主点を原点とした撮像面上の２次元座標系であり、ｓ’軸は撮像素子２１の水平ライン方向に、ｔ’軸は垂直ライン方向に対応する。
【００３２】
ステップＳ１０５では、オペレータが測量機１０を測点Ｑ₁に向けて視準し、測点Ｑ₁の測量を行なう。測定値はインターフェースを介してデジタルスチルカメラ２０に伝送される。このときデジタルスチルカメラ２０のシステムコントロール回路２６では測点Ｑ₁の測量座標が算出される。ステップＳ１０６では、算出された測点Ｑ₁の測量座標およびステップＳ１０４において求められた外部標定要素（ω，φ，κ）に基づいて測点Ｑ₁に対応する像点Ｑ₁’の概観画像上の画像座標（ｘｑ₁’，ｙｑ₁’）が求められ、画像座標（ｘｑ₁’，ｙｑ₁’）に対応する位置に測点Ｑ₁を示すマークまたは測定値がスーパインポーズされデジタルスチルカメラ２０の表示部２４に表示される。なお像点Ｑ₁’に対応する画素の位置は、像点Ｑ₁’のスクリーン座標（ｓｑ₁’，ｔｑ₁’）と画素ピッチとから算出される。
【００３３】
ステップＳ１０７において測量を継続する場合にはステップＳ１０５以下の処理が繰り返し実行される。例えば測量機１０を用いて測点Ｑ₂、Ｑ₃を測量すると、デジタルスチルカメラ２０の表示部２４に表示された概観画像には、測点Ｑ₂、Ｑ₃の像点Ｑ₂’、Ｑ₃’に対応する位置にそれぞれ測点Ｑ₂、Ｑ₃を示すマークまたは測定値が表示される。一方測量を終了する場合にはステップＳ１０８において、概観画像の画像データ、カメラの内部定位要素、像点Ｑ₁’、Ｑ₂’、Ｑ₃’の画像座標（概観画像上の位置を示す位置情報、例えば画素の位置を示すデータであってもよい）、測点Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃の（高度、水平）角度の測量データ（測量情報）がそれぞれ関連付けて記録媒体２７に記録され、本実施形態の測量システムを用いた測点表示処理は終了する。なお、概観画像の画像データ、測点に対応する画像座標データ（または画素位置を示すデータ）や測量データ等は、それぞれ別のファイルに記録されてもよいし、同一のファイルに記録されてもよい。
【００３４】
また、図４を参照して第１の実施形態の測量システムにおける測点表示処理の変形例について説明する。図４は、この変形例における測量手順のフローチャートである。
【００３５】
図２の測量手順では、測量座標系に対するデジタルスチルカメラ２０の位置及び傾きを空間後方交会法で算出（Ｓ１０４）した後に、各各測点の測量を行いその都度、測点を概観画像上に表示した。一方、図４のフローチャートに示された変形例では、測量機１０による測点の測量が行なわれた後に測量座標系に対するデジタルスチルカメラ２０の位置及び傾きが算出され、その後全測点の位置が概観画像上に一斉に表示される。
【００３６】
すなわち、ステップＳ１１０、Ｓ１１１では、測量機１０を用いて、複数の測点に対する測定が連続して行なわれる。測点の測量が終了した場合には、ステップＳ１１２において、ステップＳ１１０で測定された測点を含む測量現場の概観画像がデジタルスチルカメラ２０を用いて撮影される。ステップＳ１１３では、概観画像上に表示された測点の中から同一直線上にない３つの測点（画素）が基準点Ｐ_iとしてオペレータによってポインティングデバイス３０を用いて指定される。ステップＳ１１４では、ステップＳ１１３において指定された基準点Ｐ_iに対応する測点の３次元座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）が、例えばオペレータによって対応付けられる。
【００３７】
ステップＳ１１５では、基準点Ｐ_iに対するステップＳ１１４の対応付けに基づいて、デジタルスチルカメラ２０の位置及び傾きが、空間後方交会法により、図２のステップＳ１０４と同様に算出される。ステップＳ１１６では、ステップＳ１１５において算出された外部標定要素を用いて、ステップＳ１１０において測定された全ての測点に対する概観画像上の画像座標が求められ、概観画像上にその位置を示すマークまたは測定値がスーパインポーズされて表示部２４に表示される。ステップＳ１１７では、ステップＳ１０８と同様に各データが記録媒体に記録される。以上により、変形例における測量は終了する。
【００３８】
なお、図２、４ではステップＳ１０１、Ｓ１１２で測量現場の撮影を行ったが、過去に撮影した概観画像を使用してもよい。さらには、撮影と測量が同時に行われるシステムとしてもよい。これは例えばスイッチ群１４内の測量開始スイッチとスイッチ群２９内のＤＳＣ撮影スイッチを連動させる方式を採用して行なうことができる。また、予めステップＳ１０１〜Ｓ１０４を行い、後日ステップＳ１０５〜Ｓ１０８を行ってもよい。この場合、測量機の設置場所は同位置とする。また、図４に示すフロ−チャートのようにステップＳ１１０の測量を先に行い、後で画像との融合を行ってもよい。またステップＳ１１０の測量を行わず、以前測量されたデ−タ（国土地理院の三角点、市販の地図や地理デ−タ含む）を使用してもよい。但し、座標系の違う測量情報を使用する場合には測量情報を座標変換により1つの座標系に統一して行なうことがよい。これは、測点を概観画像上に表示する場合や基準点の測量情報により対応づけを行なう場合共である。（例えば、座標系の違う測点を表示させる場合。例えば基準点として、一部以前測量された測量デ−タを使用する場合などは測量現場での測量座標と違う場合があり、その場合には座標変換により測量現場の座標値に変換して使用する。又逆を行ってもよい）
【００３９】
次に図５、図６を参照して本実施形態における空間後方交会法によるデジタルスチルカメラ２０の傾きの算出方法（ステップＳ１０３）の原理と、測点を概観画像へ表示する方法（ステップＳ１０６）について説明する。
【００４０】
図５は、２つの基準点Ｐ₁、Ｐ₂とこれらの撮像面Ｓにおける像点Ｐ₁’、Ｐ₂’との関係を模式的に示している。図６は図２のステップＳ１０３におけるデジタルスチルカメラ２０の傾きを表す外部標定要素（ω，φ，κ）を算出する空間後方交会法のプログラムのフローチャートであり、その算出には最小二乗法を用いた逐次近似法が用いられる。なお基準点の数は２つ以上であればいくつあってもよいが、ここでは基準点が２点指定された場合を例に説明を行なう。
【００４１】
まず、ステップＳ２０１においてカメラの傾きを表す外部標定要素（ω，φ，κ）に近似値として適当な初期値（ω_G，φ_G，κ_G）を与える。次にステップＳ２０２では、与えられた外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）を用いて２つの基準点Ｐ_i（ｉ＝１，２）の測量座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）から各基準点Ｐ_iに対応する像点Ｐ_i’の近似的な画像座標（ｘｐ_Gi’，ｙｐ_Gi’）を算出する。
【００４２】
すなわち、基準点Ｐ_i（ｉ＝１，２）のカメラ座標系における座標（ｘｐ_i，ｙｐ_i，ｚｐ_i）は、測量座標系における座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）から次の（１）式により求まるので、近似的な外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）および基準点Ｐ_iの測量座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）を（１）式に代入すると、基準点Ｐ_iの近似的なカメラ座標系座標（ｘｐ_Gi，ｙｐ_Gi，ｚｐ_Gi）を求めることができる。なお、第１の実施形態においてカメラ座標系の原点（Ｘ_O，Ｙ_O，Ｚ_O）の値は、（０,０,０）である。
【数１】

ここで、行列｛Ｔ_jk｝は回転行列であり、各成分Ｔ_jkは例えば次式で表される。
Ｔ₁₁＝ｃｏｓφ・ｃｏｓκ
Ｔ₁₂＝ｃｏｓω・ｓｉｎκ＋ｓｉｎω・ｓｉｎφ・ｃｏｓκ
Ｔ₁₃＝ｓｉｎω・ｓｉｎκ−ｃｏｓω・ｓｉｎφ・ｃｏｓκ
Ｔ₂₁＝−ｃｏｓφ・ｓｉｎκ
Ｔ₂₂＝ｃｏｓω・ｃｏｓκ−ｓｉｎω・ｓｉｎφ・ｓｉｎκ
Ｔ₂₃＝ｓｉｎω・ｃｏｓκ＋ｃｏｓω・ｓｉｎφ・ｓｉｎκ
Ｔ₃₁＝ｓｉｎφ
Ｔ₃₂＝−ｓｉｎω・ｃｏｓφ
Ｔ₃₃＝ｃｏｓω・ｃｏｓφ
【００４３】
基準点Ｐ_iに対応する像点Ｐ_i’のスクリーン座標（ｓｐ_i’，ｔｐ_i’）は、撮影された基準点、投影中心、およびその像点が同一直線上にあるという共線条件から外部標定要素（Ｘ_O，Ｙ_O，Ｚ_O，ω，φ，κ）および基準点Ｐ_iのカメラ座標系座標（ｘｐ_i，ｙｐ_i，ｚｐ_i）を用いて次の（２）式により求められる。
【数２】

したがって、（２）式にカメラ座標系の原点座標（０,０,０）と近似的な外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）および（１）式で求められた基準点Ｐ_iの近似的なカメラ座標系座標（ｘｐ_Gi，ｙｐ_Gi，ｚｐ_Gi）を代入することにより基準点Ｐ_iに対応する像点Ｐ_i’の近似的なスクリーン座標（ｓｐ_Gi’，ｔｐ_Gi’）を算出することができる。
【００４４】
また、像点Ｐ_i’の近似的な画像座標（ｘｐ_Gi’，ｙｐ_Gi’）は近似的なスクリーン座標（ｓｐ_Gi’，ｔｐ_Gi’）を次の（３）式に代入することにより求められる。
【数３】

ここで、Ｐｘ、ＰｙはそれぞれＣＣＤの水平、垂直方向の画素ピッチであり、Ｗ、Ｈはそれぞれ画像の水平、垂直方向のピクセル数である。
【００４５】
ステップＳ２０３では、近似的に与えられた外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）の値が適切か否かを判定するためのメリット関数Φが計算される。メリット関数Φは例えば（４）式で定義される。
【数４】

すなわち、本実施形態においてメリット関数Φは概観画像上で指定された基準点Ｐ_iの像点Ｐ_i’の画像座標（ｘｐ_i’，ｙｐ_i’）と、測量により求められた基準点Ｐ_iの測量座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）とカメラ座標系の原点座標（０,０,０）および近似的に与えられた外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）から求められた像点Ｐ_i’の近似的な画像座標（ｘｐ_Gi’，ｙｐ_Gi’）との間の距離の２乗和に対応している。
【００４６】
次にステップＳ２０４において、メリット関数Φが所定値よりも小さいか否かが判定される。すなわち、近似的に与えられた外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）による像点Ｐ_i’の近似的な画像座標（ｘｐ_Gi’，ｙｐ_Gi’）が、概観画像上で指定された基準点Ｐ_iの像点Ｐ_i’の画像座標（ｘｐ_i’，ｙｐ_i’）に十分近いか否かが判定される。Φ＜所定値の場合にはこの処理は終了し、カメラ座標系の原点座標（０,０,０）と、現在与えられている外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）の値を、概観画像撮影時のカメラの位置および傾きを表す外部標定要素であるとする。
【００４７】
一方、ステップＳ２０４においてΦ≧所定値であると判定された場合には、ステップＳ２０５において近似的に与えられた外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）に対する補正量（δω，δφ，δκ）が例えば最小二乗法により求められる。すなわち、供線条件である（２）式を近似値である外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）の周りにテイラー展開し高次の項を省いて線形化し、補正量（δω，δφ，δκ）を未知量とする正規方程式を作成することにより適正な補正量（δω，δφ，δκ）が求められる。
【００４８】
ステップＳ２０６では、ステップＳ２０５において算出された補正量（δω，δφ，δκ）に基づいて近似値である外部標定要素（ω_G，φ_G，κ_G）の値が更新される。すなわち、（ω_G，φ_G，κ_G）の各値は、それぞれ（ω_G＋δω，φ_G＋δφ，κ_G＋δκ）に置き換えられカメラの傾きが更新される。その後処理はステップＳ２０２へ戻り、ステップＳ２０４においてΦ＜所定値と判定されるまでステップＳ２０２〜ステップＳ２０６が繰り返し実行される。
【００４９】
なお以上の説明は、ディストーション等の内部定位が無い（無視できる量）場合、または概観画像が補正されたものの場合であり、補正していない概観画像を既知の内部定位量にて補正する場合は（２）式で求められたスクリーン座標（ｓｐ_Gi’，ｔｐ_Gi’）を次の（５）式によりディストーション補正したスクリーン座標（ｓｃｐ_Gi’，ｔｃｐ_Gi’）に変換される。
【数５】

ここで、Ｄ₂、Ｄ₄、Ｄ₆はそれぞれディストーション２次成分、４次成分、６次成分であり、Ｐ₁、Ｐ₂はディストーション非対称成分、Ｘ_c、Ｙ_cは主点の画像中心からのｓ’軸方向、ｔ’軸方向への偏心量である。また、画像座標（ｘｐ_Gi’，ｙｐ_Gi’）は、次の（６）式から求められる。
【数６】

【００５０】
空間後方交会法により撮影時のデジタルスチルカメラ２０の傾きを示す外部標定要素（ω，φ，κ）が算出されると、図３のステップＳ１０５で測量される測点に対応する像点の画像座標は、測量された水平角および高度角から算出された測点の測量座標と、空間後方交会法により算出された外部標定要素の値とから（１）式および（２）式を用いて求められる。ステップＳ１０６では、この画像座標に基づいて概観画像上の測点に対応する位置（画素）に測点を示すマークまたは測定値を表示する。
【００５１】
以上のように、第１の実施形態によれば、測点の測量データから測点の位置を測量現場で撮影された概観画像上の位置（画素）に簡便に対応付けることができる。これにより、概観画像内の任意の測点を画像上に表示することができるため測点の配置を概観画像上において簡単に確認することができ、測量作業、および後の測量データの整理を効率的に行なうことができる。また、１枚の概観画像に複数の測点を対応付けられるので、画像を記録するための記録容量を節約することができ、効率的に測量データを測量現場の画像情報に関連付けることができる。又、第一の実施形態では、視準望遠鏡の高度・水平回転中心を原点とした測量座標で説明したが、高度・水平回転中心を、国土地理院等で規定している基準点を使用した絶対座標に変換して行っても良い。また、ト−タルステ−ション等を使用して、各測定点の測定デ−タ（斜距離・高度・水平角度、測量座標）を使用、記録してもよい。
【００５２】
なお、第１の実施形態において、デジタルスチルカメラ２０の撮像レンズ２２の光軸が光軸Ｌcに一致され、光軸Ｌc（x軸）周りの回転角ωの値のみが未知数である場合（φ＝０、κ＝０の場合）には基準点Ｐ_iの数は１つでよいことはいうまでもない。更に、デジタルスチルカメラ２０の外部標定要素全てが既知の場合には、基準点の決定・測量および空間後方交会法に関わる処理は行なう必要がなく、例えば式（１）、（２）から測点に対応する外観画像上の位置を直接求めることができる。また撮像レンズ２２の光軸が光軸Ｌcに一致され、カメラ座標系の軸yが、測量機１０の水平軸Ｌhに対応するように配置されている場合には、測量座標系とカメラ座標系とは同一座標系と見なせるので、概観画像内にある任意の測点Ｑ_iに測量機１０が視準されるとき、この測点Ｑ_iに対応する像点Ｑ_i’の位置（ｘｐ_i’，ｙｐ_i’）は、概観画像撮影時の初期視準方向である水平角θh₀と高度角θa₀と、測量機１０において測定される測点Ｑ_iの水平角θh_i、高度角θa_iと、撮像レンズ２２の画面距離ｆとから（ディスト−ション補正が必要な場合は内部定位要素も用いる）、ｘｐ_i’＝ｆ・ｔａｎ（θh_i−θh₀）、ｙｐ_i’＝ｆ・ｔａｎ（θa_i−θa₀）として直接求めることができる。したがって、このような場合には、概観画像撮影時に測量機１０が向けられていた方向を初期視準方向（水平角θh₀および高度角θa₀）としてデジタルスチルカメラ２０に伝送し、その後直ちに測点を概観画像上に表示した測量を行なうことができ、より簡便かつ効率的に測量機で得られる測量情報とカメラで得られる測量現場の画像情報とを関連付けることができる。
【００５３】
次に図７を参照して本発明の第２の実施形態の測量システムについて説明する。図７は第２の実施形態における測量機とカメラの配置を模式的に表した図である。第２の実施形態の測量システムでは、測量機とカメラの配置が第１の実施形態と異なるのみでその他の構成は第１の実施形態の測量システムと略同様である。したがって以下の説明においては、第１の実施形態とその構成が異なる部分についてのみ説明し、第１の実施形態と共通の構成に関してはその説明を省略する。また、第１の実施形態と同様の構成に関しては同一参照符号を用いる。
【００５４】
第１の実施形態では、デジタルスチルカメラ２０が測量機１０に対して光学的に等価な位置に配置されることから、レンズ中心（投影中心）Ｏ_Lは視準原点Ｏ_Sと同位置あると見なすことができた。一方、第２の実施形態では、デジタルスチルカメラ２０のレンズ中心（投影中心）Ｏ_L’は、物理的にも光学的に視準原点Ｏ_Sと等価な位置に配置されておらず、カメラ座標系の原点であるレンズ中心（投影中心）Ｏ_L’は、測量座標系の原点である視準原点Ｏ_Sとは異なる所定の位置にある。すなわちカメラ座標系の原点Ｏ_L’の測量座標系における座標（Ｘ_O，Ｙ_O，Ｚ_O）のうちの少なくとも１つの成分は０でない。また、第２の実施形態では、デジタルスチルカメラ２０の撮像レンズ２２の光軸Ｌｃ’は、測量機１０の視準望遠鏡１７の光軸Ｌに平行に配置される。
【００５５】
デジタルスチルカメラ２０の光軸Ｌc’（ｘ軸）周りの回転角ωが未知の場合には、φ＝０、κ＝０としたときの行列成分Ｔ_jkと、カメラ座標系における原点Ｏ_L’の測量座標（Ｘ_O，Ｙ_O，Ｚ_O）と、１つの基準点の測量座標および画像座標を式（１）、（２）に代入することにより、この回転角ωが求められる。これに基づいて測点Ｑ_iの測量座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）から像点Ｑ_i’の画像座標（ｘｐ_i’，ｙｐ_i’）が求められる。また更に、回転角ωが既知であれば、全ての外部標定要素（Ｘ_O，Ｙ_O，Ｚ_O，ω，φ，κ）が既知であるため、直接（２）式に測点Ｑ_iの測量座標（Ｘｐ_i，Ｙｐ_i，Ｚｐ_i）を代入し、像点Ｑ_i’の画像座標（ｘｐ_i’，ｙｐ_i’）を求めることができる。
【００５６】
第１の実施形態と同様に、測点Ｑ_iに測量機１０が視準されると、求められた像点Ｑ_i’の画像座標（ｘｐ_i’，ｙｐ_i’）に基づいて概観画像上の測点Ｑ_iに対応する位置に測点Ｑ_iを示すマークまたは測定値が表示され、測量が終了するまで繰り返される。
【００５７】
以上のように、第２の実施形態においても第１の実施形態と略同様の効果を得ることができる。
【００５８】
なお第２の実施形態では、光軸Ｌc’は光軸Ｌに平行であったが、図８のように光軸Ｌc’が光軸Ｌと交わる場合においても同様に（２）式を用いて測点の測量座標から対応する像点の概観画像上の位置を求めることができる。
【００５９】
次に、図９を参照して本発明における第３の実施形態の測量システムについて説明する。第３の実施形態は第１の実施形態と略同様であるので、第１の実施形態とは異なる構成についてのみ説明する。なお第１の実施形態と共通の構成には同一参照符号を用いる。
【００６０】
図９は、第３の実施形態における測量システムの概略的な構成を示すブロック図である。第３の実施形態では、測量現場の概観画像の撮影に例えば通常市販されているデジタルスチルカメラ２０’が用いられる。まず、デジタルスチルカメラ２０’は、第１の実施形態と同様に測量機１０に対して光学的に等価な位置に配置される。また、デジタルスチルカメラ２０’は、インターフェースケーブルを介して例えばノート型パソコン（ＰＣ）等のコンピュータ４０に接続され、撮影された測量現場の概観画像は、コンピュータ４０に伝送される。その後コンピュータ４０はインターフェースケーブルを介して測量機１０に接続される。コンピュータにはマウス、トラックボール、ジョイスティック、キーボード等の入力装置４１や、ハードディスク、ＤＶＤ、ＭＯ、ＩＣカード等の記録媒体４２、ＬＣＤ、ＣＲＴ等の画像表示装置４３が接続されている。
【００６１】
コンピュータ４０に伝送された概観画像の画像データは、例えば記録媒体４２に記録される。概観画像はコンピュータ４０にインストールされている測量支援プログラムにより画像表示装置４３に表示される。以下第１の実施形態と同様の処理がコンピュータ４０の測量支援プログラムにより測量機１０とコンピュータ４０との間において行なわれる。すなわち、オペレータは画像表示装置４３に表示された概観画像において、２以上の点（画素）を基準点Ｐ_iとして入力装置４１のポインティングデバイスを用いて指定し、指定された基準点Ｐ_iの位置を測量機１０により測定する。測量支援プログラムは基準点Ｐ_iに対応する像点Ｐ_i’の画像座標と測定値から算出された基準点Ｐ_iの測量座標とから概観画像撮影時のデジタルスチルカメラ２０’の外部標定要素（ω，φ，κ）を算出し、画像座標と測量座標との射影関係を確立する。測量支援プログラムは測量機１０から測点の測定データを取得して、確立された射影関係に基づいて画像表示装置４３に表示された概観画像上に測点の位置を示すマークや測定値を表示する。また、測量データ、画像データ、内部定位要素、外部標定要素等は関連付けられて記録媒体４２に記録される。
【００６２】
なお、第３の実施形態で用いられるカメラは測量機１０に外付け、または内蔵されるが、測量専用のカメラとは限らないので内部定位要素が知られていない場合がある。このような場合には、測量に先立ち予めデジタルスチルカメラ２０’の内部定位を行い、これにより求められた内部定位要素を用いて画像座標を算出すればよい。
【００６３】
以上のように、第３の実施形態においても第１の実施形態と略同様の効果を得ることができる。また、第３の実施形態では、市販のデジタルカメラを用いることができる。更に第３の実施形態は測量を支援するための専用の装置として構成してもよいが、本実施形態の測量支援プログラムを汎用のノート型パソコンにインストールして用いることができるので、より簡略にかつ低コストで上記測量システムを提供することができる。
【００６４】
本実施形態では、デジタルスチルカメラで説明したが、デジタル画像が取れるものならばデジタルビデオ等でもかまわない。又、本実施形態では、測点の表示と記したが、測量値（角度等）や測点番号を測点マークの近くに表示してもよい。又反射部材を持つ作業者を測点と仮定し、特別な記号等（色、形状等で通常の測点マークと区別）で概観画像上に表示してもよい。また自動視準機能内蔵の測量機では、ターゲット位置の測定を任意時間間隔毎に行い、常時フィードバックをかけて表示する事もできる。また、ＴＳを使用して測量した場合には、入力手段により指定した測点間の距離等の測量解析情報を概観画像上に表示してもよい。
【００６５】
また、測量機の測角値（高度、水平角等）はインクリメンタル式では常時計測されている値であり、アブソリュート式では回転停止時には必ず計測されている値である。よって任意時間間隔毎（連続）、または回転停止時の角度位置に記号＋等で概観画像上に表示を行い、視準望遠鏡の視準位置ガイドとしてもよい。そして測定点として確定した位置で任意操作（キーボード入力等）により測点表示してもよい。
【００６６】
なお、本実施形態では、概観画像上においてポインティングデバイスを用いて任意に基準点を指定したが、撮影範囲内に例えば寸法が既知の基準尺や、任意に配置できる基準マーク等を配置し、これらを基準点として外部標定要素を求めてもよい。この場合、概観画像上において基準尺や基準マークの位置がポインティングデバイス等を用いて選択される。また基準尺や基準マークが用いられる場合には、例えば画像処理を用いて基準点の概観画像上の位置を自動的に検出してもよい。
【００６７】
各実施形態のデジタルスチルカメラは測量機に一体的に備え付けられたもの（例えば内蔵型）であってもよいし、従来の測量機に外付けされるものであってもよい。また、本実施形態において概観画像は、デジタルスチルカメラの表示装置に表示され、測点との画像上の位置との対応もデジタルスチルカメラにおいて計算されたが、カメラでは概観画像のみを撮影し、その画像データをコンピュータに転送し、コンピュータのディスプレイ上で概観画像を表示してもよく、この場合には基準点の決定や、測点と画像上の位置との対応の計算、測点の概観画像への表示はコンピュータにおいて行なわれる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、測量機で得られる測量情報とカメラで得られる測量現場の画像情報とを簡便かつ効率的に関連付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施形態である測量システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態の測量システムにおける測量機およびカメラの配置を概念的に示す図である。
【図３】第１の実施形態の測量システムにおける測量手順を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態の測量システムにおける測量手順の変形例を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態において、２つの基準点Ｐ₁、Ｐ₂と撮像面Ｓにおける像点Ｐ₁’、Ｐ₂’との関係を模式的に示す図である。
【図６】デジタルスチルカメラの位置および傾きを表す外部標定要素（ω，φ，κ）を算出する空間後方交会法のプログラムのフローチャートである。
【図７】第２の実施形態の測量システムにおいてカメラの光軸と測量機の視準望遠鏡の光軸とが平行の場合における測量機およびカメラの配置を概念的に示す図である。
【図８】第２の実施形態の測量システムにおいてカメラの光軸と測量機の視準望遠鏡の光軸とが交差する場合における測量機およびカメラの配置を概念的に示す図である。
【図９】本発明における第３の実施形態である測量システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
１０測量機
１６、２８インターフェース回路
２０デジタルスチルカメラ
２４表示部
２６システムコントロール回路
２７、４２記録媒体
３０ポインティングデバイス
４０コンピュータ
４１入力装置
４３画像表示装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus capable of surveying the angle of a survey point, for example, a survey instrument such as a theodolite or a total station.
[0002]
[Prior art]
In conventional surveying, a surrounding landscape including a point to be surveyed (measuring point) is photographed, and the photographed image is stored together with measurement data. In such a case, for example, a method of recording a rough landscape around the survey target using a normal camera, a method of photographing the surrounding landscape for each survey point using an imaging device built in the surveying instrument, etc. Is known (see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP 11-337336 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when shooting using a normal camera, the position of the station is not displayed on the captured image, so it is impossible to know which position on the image the station corresponds to. On the other hand, in the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-337336, one or more images are recorded at each measurement point, so that a large-capacity recording device is required and handling thereof is complicated.
[0005]
An object of the present invention is to make it possible to easily and efficiently associate survey information obtained by a surveying instrument with image information on a surveying site obtained by a camera.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A surveying system of the present invention includes a surveying instrument for surveying, an imaging device arranged at a predetermined position relative to the surveying instrument for capturing an overview image of a surveying site including a surveying point, and a surveying instrument It is characterized by comprising an associating means for associating surveying information of the surveyed point measured by the position information related to the position on the overview image corresponding to the surveyed point.
[0007]
In the surveying system, when only the position of the imaging device arranged at a predetermined position with respect to the surveying instrument is known and the tilt is unknown, the surveying system includes tilt information calculation means for obtaining information related to the tilt of the imaging device. At this time, in the tilt information calculation means, the information regarding the tilt of the imaging device is the survey information when the surveying instrument measures two or more arbitrarily set reference points, and the position of the reference point on the overview image (pixel position). ).
[0008]
The positional relationship between the surveying instrument and the overview image is represented by, for example, an external orientation element that represents the position and inclination of the imaging device when the overview image for the surveying instrument is photographed. Desired. Accordingly, it is not necessary to provide a separate sensor or the like for specifying the position of the camera, and the correspondence between the surveying means and the overview image can be known simply and at low cost by using, for example, a conventional single photograph orientation method.
[0009]
Further, in the case of calculating inclination information in the surveying system, the surveying system preferably includes an image display means for displaying an overview image and an input means for designating a position on the image in the image display means. The position is determined by designating an arbitrary position on the overview image by the input means. Thereby, the positional relationship between the overview image and the surveying means can be calculated simply and quickly.
[0010]
In addition, the surveying system displays an image display means for displaying an overview image, and an image display means displays the position of a survey point in the overview image measured by the surveying instrument based on the association between the survey information and the position information of the overview image. It is preferable to include a station display means shown on the overview image. As a result, it is possible to visually confirm the position of the survey point on the overview image, to prevent the surveying from being left behind, and to easily recognize the layout of the survey point.
[0011]
The surveying system preferably includes a recording unit capable of recording the correspondence between the surveying information obtained by the associating unit and the position information on the overview image. As a result, even after the surveying work is completed, it is possible to display the survey points on the overview image by the above association. Further, the surveying means includes angle measuring means, for example, and the survey data is, for example, altitude angle / horizontal angle up to the measuring point. Further, a distance measuring means such as a total station may be provided, and an oblique distance, an altitude / horizontal angle, or a coordinate value may be used as measurement data.
[0012]
It is preferable that the projection center of the imaging optical system in the imaging apparatus is disposed at a position optically equivalent to the collimation origin. At this time, for example, the collimating telescope can rotate around a vertical axis for rotating the collimating telescope in a horizontal plane and a horizontal axis orthogonal to the vertical axis for raising the collimating telescope. The optical axis of the quasi-telescope passes through the intersection of the vertical axis and the horizontal axis, and this intersection becomes the collimation origin. Thereby, the correspondence between the measurement point and the position of the image point on the overview image becomes simpler.
[0013]
At this time, the surveying system includes a beam splitter that branches the optical axis, one of the optical axes branched by the beam splitter passes through the collimation origin, the other passes through the projection center, and the collimation origin and the projection center are the beam. It is preferable that they are arranged at an equal distance from the branch point of the optical axis by the splitter. The beam splitter is, for example, a half mirror. For example, the branching optical system branched by the beam splitter and passing through the projection center and the imaging device are built in the surveying instrument. As a result, the imaging apparatus can be arranged at a position optically equivalent to the collimating telescope with a simpler configuration. In order to further simplify the correspondence at this time, it is preferable that the optical axis of the collimating telescope branched to the other coincides with the optical axis of the imaging device.
[0014]
The surveying instrument also includes a collimating telescope, a vertical axis for rotating the collimating telescope in a horizontal plane, and a horizontal axis perpendicular to the vertical axis for raising the collimating telescope. The axis passes through the collimation origin where the vertical axis and the horizontal axis intersect, and the optical axis of the imaging device is, for example, parallel to the optical axis of the collimation telescope.
[0015]
The digital camera of the present invention is a digital camera arranged at a predetermined position with respect to the surveying instrument, and is a survey point measured by the surveying instrument based on the positional relationship between the imaging unit that captures an image of the subject and the surveying instrument. And an associating means for associating the survey information with the position information regarding the position on the overview image corresponding to the survey point.
[0016]
The digital camera is an image display means for displaying an overview image, and an image display of the position of the survey point in the overview image measured by the surveying instrument based on the correspondence between the survey information of the survey point and the position information on the overview image It is preferable to include a station display means shown on the overview image displayed by the means.
[0017]
The digital camera, for example, based on the two-dimensional position information of the reference point in the overview image of the surveying site including two or more reference points taken by the imaging means and the three-dimensional survey information of the reference point by the surveying instrument, A positional relationship calculating means for calculating a positional relationship between the overview image and the surveying instrument is provided.
[0018]
The digital camera includes image display means for displaying an overview image and input means for designating a position on the image in the image display means, and the position of the reference point designates an arbitrary position on the overview image by the input means. Is determined by
[0019]
The digital camera preferably includes data transmission means for transmitting data related to survey information with the surveying instrument. This makes it possible to efficiently transmit survey information to the digital camera.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a circuit configuration of a survey system using a surveying instrument and a camera according to the first embodiment of the present invention.
[0021]
The surveying instrument 10 may be any device capable of measuring the angle, such as a total station or theodolite. Hereinafter, for convenience of explanation, the case where the surveying instrument 10 is a total station will be described, but the case where a surveying instrument of another type is used is substantially the same.
[0022]
The surveying instrument 10 includes a collimating telescope 17 for collimating the measurement point. The collimating telescope 17 has a horizontal axis Lh that raises and lowers the collimating telescope to measure the altitude angle θa, and a vertical axis Lp that rotates the collimating telescope in the horizontal direction to measure the horizontal angle θh. It can be rotated around these axes. The horizontal axis Lh and the vertical axis Lp are points O _S (Hereafter collimation origin O _S And the optical axis (collimation line) of the collimating telescope 17 is collimating origin O _S Pass through. The optical axis L is divided into two at the half mirror 18, one being led to the eyepiece and the other being led to the distance measuring unit 11.
[0023]
The distance measuring unit 11 detects an oblique distance to the collimated measuring point by, for example, light wave ranging, and the angle measuring unit 12 detects the horizontal angle θh, altitude angle θa, and the like at this time. The distance measuring unit 11 and the angle measuring unit 12 are each connected to a system control circuit 13 and controlled based on a command from the system control circuit 13. For example, the distance measuring unit 11 performs distance measurement based on a command from the system control circuit 13 and sends the measured value to the system control circuit 13. On the other hand, the angle measuring unit 12 always measures the angle and sends a measured value to the system control circuit 13 in response to a request from the system control circuit 13. Measurement values such as the detected oblique distance, horizontal angle, and altitude angle are processed by the system control circuit 13. In addition to this, the system control circuit 13 is connected to a switch group 14, a display 15 (for example, an LCD), an interface circuit 16, and the like. For example, a digital still camera (DSC) 20 is connected to the interface circuit 16 via an interface cable. The interface circuit 16 can also be connected to a peripheral device such as a data collector (not shown) or a computer.
[0024]
The digital still camera 20 is provided with an imaging element 21 such as a CCD, and can capture an image of a subject via an imaging lens 22. That is, the image of the subject is detected as an image signal by the image sensor 21 and output to the image signal processing circuit 23. The image signal processing circuit 23 performs predetermined image processing such as RGB gain correction, white balance correction, gamma correction and superimpose on the input image signal. The image signal subjected to the image processing is sent to, for example, a display unit (for example, LCD) 24 and displayed as a see-through image. When a shutter button (not shown) provided in the switch group 29 connected to the system control circuit 26 is pressed, the subject image is temporarily stored in the memory 25 as a digital image.
[0025]
The digital image stored in the memory 25 can be displayed on the display unit 24 via the image signal processing circuit 23, and a recording medium (IC card, optical or magnetic recording medium, etc.) via the system control circuit 26. ) 27 can be recorded. The image recorded on the recording medium 27 can be displayed on the display unit 24 by the system control circuit 26. It is also possible to connect the digital still camera 20 to a peripheral device such as a computer via the interface circuit 28 and transmit and display the captured image as image data.
[0026]
A pointing device 30 is connected to the system control circuit 26 so that an arbitrary position on the screen of the display unit 24 can be designated. As the pointing device 30, for example, a cross key, a trackball, a joystick, a touch screen, or the like is used. Further, the ROM 31 is connected to the system control circuit 26, and for example, a focal length (or screen distance), a deviation between the optical axis and the center of the image, an internal localization element such as a parameter for distortion correction, a pixel pitch, and the like are recorded. ing.
[0027]
Next, the point display processing in the surveying system of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram conceptually showing the arrangement of surveying instruments and cameras in the surveying system of the first embodiment, and FIG. 3 is a flowchart showing a surveying procedure in the surveying system of the first embodiment.
[0028]
As shown in FIG. 2, the digital still camera 20 is disposed at an optically equivalent position with respect to the surveying instrument 10. That is, the collimation origin O of the collimation telescope 17 _S A beam splitter such as a half mirror M is disposed at a position on the optical axis L at a distance D from the optical axis L at a predetermined angle (for example, 45 °) with respect to the optical axis L. Branches to the axis Lc. Lens center (projection center) O of the digital still camera 20 _L Is disposed at a distance D from the half mirror M (from the point where the optical axis Lc branches from the optical axis L), and the optical axis Lc passes through the coordinate origin of the image sensor 21. At this time, approximately half of the light from the subject passes through the half mirror M, enters the collimating telescope 17 along the optical axis L, and the remaining approximately half is reflected by the half mirror M along the optical axis Lc. The light enters the imaging lens 22 of the digital still camera 20 and is formed on the imaging surface of the imaging device 21 as a subject image. In FIG. 2, an area Sa indicates an area photographed by the digital still camera 20.
[0029]
In step S <b> 101, the operator takes an overview of the surveying site using the digital still camera (DSC) 20. One photographed digital image (overview image) includes a plurality of measurement points to be surveyed. In step S102, the captured overview image is displayed on the display unit 24 of the digital still camera 20, for example. In the displayed overview image, two different points (pixels) are selected by the operator using the pointing device 30, and an arbitrary object point in the real space corresponding to the selected pixel is the reference point P. _i (I = 1, 2). Each reference point P specified at this time _i Image point P on the imaging surface corresponding to _i The position of 'is determined using two-dimensional image coordinates (xp) using internal localization elements stored in the ROM 31. _i ', Yp _i ') As required. The image coordinate system is a two-dimensional coordinate system in which the y′-axis downward is positive with the upper left corner of the image as the origin.
[0030]
In step S103, each reference point P specified in step S102. _i Are measured by the operator using the surveying instrument 10, and the measured values are transmitted to the system control circuit 26 of the digital still camera 20 via the interface. In the system control circuit 26, each reference point P _i Unit distance 3D coordinates (Xp _i , Yp _i , Zp _i ) Is a predetermined survey coordinate system (eg collimation origin O _S In a coordinate system with the origin as the origin). Here, unit distance three-dimensional coordinates (Xp _i , Yp _i , Zp _i ) Is the origin O of the survey coordinate system _S Is the coordinate of the intersection of a spherical surface with a radius of 1 and a straight line in the angular direction. In this embodiment, an arbitrary point on one collimation line is projected onto the same point on the imaging surface S, and the subsequent calculation is performed with the coordinates of this intersection as the provisional three-dimensional coordinates of the collimation point. When the horizontal rotation angle from the reference direction of the surveying instrument is θh and the vertical rotation angle is θa, Xp _i = Sinθh · cosθa, Yp _i = Sin θa, Zp _i = −cos θh · cos θa At this time, each reference point P _i Survey coordinates (Xp _i , Yp _i , Zp _i ) Are image points P respectively. _i 'Image coordinates (xp _i ', Yp _i ').
[0031]
In step S104, as will be described later, each reference point P _i The inclination of the digital still camera 20 when the overview image is taken from the correspondence between the survey coordinates and the image coordinates is calculated by, for example, the spatial rear intersection method. That is, the collimation origin O _S Rotation angles (ω, φ, κ) around the x, y, and z axes at the time of shooting with the three-dimensional camera coordinate system fixed to the digital still camera 20 with respect to the survey coordinate system with the origin as the origin are obtained as external orientation elements. It is done. In the first embodiment, the digital still camera 20 is disposed at an optically equivalent position with respect to the surveying instrument 10, and has a lens center (projection center) O. _L Is the collimation origin O _S The origin of the camera coordinate system O _L Is the origin of the survey coordinate system (collimation origin) O _S Can be considered. Therefore, the external orientation element (X _O , Y _O , Z _O , Ω, φ, κ) origin O of the camera coordinate system _L Coordinates in the survey coordinate system (X _O , Y _O , Z _O ) Is (0, 0, 0), and the external orientation elements (ω, φ, κ) representing the tilt of the camera are obtained, so that the projection relationship between the image coordinates and the survey coordinates is established. The camera coordinate system is the lens center (projection center) O. _L Is the left-handed coordinate system with the y-axis and z-axis being parallel to the s'-axis and t'-axis of the screen coordinate system, the x-axis being perpendicular to the imaging plane and opposite to the image plane from the projection center Defined in the direction of. Here, the screen coordinate system is a two-dimensional coordinate system on the imaging surface with the principal point as the origin, and the s ′ axis corresponds to the horizontal line direction of the image sensor 21 and the t ′ axis corresponds to the vertical line direction.
[0032]
In step S105, the operator moves the surveying instrument 10 to the measuring point Q. ₁ Sighting towards the station Q ₁ Survey. The measured value is transmitted to the digital still camera 20 via the interface. At this time, the system control circuit 26 of the digital still camera 20 has a measuring point Q. ₁ The survey coordinates are calculated. In step S106, the calculated station Q ₁ The survey point Q based on the survey coordinates and the external orientation elements (ω, φ, κ) obtained in step S104 ₁ Image point Q corresponding to ₁ Image coordinates (xq on the overview image of ' ₁ ', Yq ₁ ') And the image coordinates (xq ₁ ', Yq ₁ Station Q at the position corresponding to ') ₁ A mark or a measured value indicating “” is superimposed and displayed on the display unit 24 of the digital still camera 20. Image point Q ₁ The position of the pixel corresponding to 'is the image point Q ₁ 'Screen coordinates (sq ₁ ', Tq ₁ ') And the pixel pitch.
[0033]
When surveying is continued in step S107, the processing from step S105 onward is repeatedly executed. For example, using the surveying instrument 10, the measuring point Q ₂ , Q _Three Is surveyed, the overview image displayed on the display unit 24 of the digital still camera 20 includes a measurement point Q. ₂ , Q _Three Image point Q ₂ ', Q _Three Station Q at each position corresponding to ' ₂ , Q _Three A mark or a measured value is displayed. On the other hand, when the surveying is finished, in step S108, the image data of the overview image, the internal localization element of the camera, the image point Q ₁ ', Q ₂ ', Q _Three 'Image coordinates (position information indicating the position on the overview image, for example, data indicating the pixel position), measurement point Q ₁ , Q ₂ , Q _Three The survey data (survey information) of the (altitude, horizontal) angles are respectively recorded in the recording medium 27 in association with each other, and the survey point display process using the survey system of this embodiment is completed. Note that the image data of the overview image, the image coordinate data (or data indicating the pixel position) corresponding to the survey point, the survey data, etc. may be recorded in separate files, or may be recorded in the same file. Good.
[0034]
Moreover, with reference to FIG. 4, the modification of the survey point display process in the surveying system of 1st Embodiment is demonstrated. FIG. 4 is a flowchart of the surveying procedure in this modification.
[0035]
In the surveying procedure of FIG. 2, the position and inclination of the digital still camera 20 with respect to the surveying coordinate system are calculated by the spatial backward intersection method (S104), and then each surveying point is surveyed. displayed. On the other hand, in the modification shown in the flowchart of FIG. 4, the position and inclination of the digital still camera 20 with respect to the survey coordinate system are calculated after the survey of the survey points by the surveying instrument 10, and then the positions of all the survey points are determined. Displayed on the overview image all at once.
[0036]
That is, in steps S110 and S111, the surveying instrument 10 is used to continuously measure a plurality of measurement points. When the surveying of the survey point is completed, an overview image of the survey site including the survey point measured in step S110 is taken using the digital still camera 20 in step S112. In step S113, three measurement points (pixels) not on the same straight line among the measurement points displayed on the overview image are set as the reference point P. _i Is designated by the operator using the pointing device 30. In step S114, the reference point P specified in step S113. _i 3D coordinates (Xp) of the station corresponding to _i , Yp _i , Zp _i For example, by an operator.
[0037]
In step S115, the reference point P _i Based on the association in step S114, the position and tilt of the digital still camera 20 are calculated in the same manner as in step S104 of FIG. In step S116, image coordinates on the overview image for all the measurement points measured in step S110 are obtained using the external orientation element calculated in step S115, and a mark or measurement value indicating the position on the overview image is obtained. Is superimposed and displayed on the display unit 24. In step S117, each data is recorded on a recording medium similarly to step S108. Thus, surveying in the modification is completed.
[0038]
In FIGS. 2 and 4, the surveying site is photographed in steps S101 and S112. However, an overview image photographed in the past may be used. Furthermore, it may be a system in which photographing and surveying are performed simultaneously. This can be performed, for example, by adopting a method in which the surveying start switch in the switch group 14 and the DSC photographing switch in the switch group 29 are linked. Alternatively, steps S101 to S104 may be performed in advance, and steps S105 to S108 may be performed at a later date. In this case, the surveying instrument is installed at the same position. Further, as in the flowchart shown in FIG. 4, the surveying in step S110 may be performed first, and the fusion with the image may be performed later. The surveyed data (including the Geospatial Information Authority's Triangular Point, commercially available maps and geographic data) may be used without performing the survey in step S110. However, when using survey information with different coordinate systems, the survey information is preferably unified into one coordinate system by coordinate transformation. This is the case where the measurement points are displayed on the overview image or when the association is performed by the survey information of the reference points. (For example, when displaying a survey point with a different coordinate system. For example, when using survey data that was previously surveyed as a reference point, the survey coordinate at the survey site may be different. Is used by converting to the coordinate value of the survey site by coordinate conversion, or vice versa)
[0039]
Next, referring to FIG. 5 and FIG. 6, the principle of the method of calculating the tilt of the digital still camera 20 by the spatial backward intersection method in this embodiment (step S103) and the method of displaying the measurement points on the overview image (step S106). Will be described.
[0040]
FIG. 5 shows two reference points P ₁ , P ₂ And the image point P on these imaging surfaces S ₁ ', P ₂ The relationship with 'is shown schematically. FIG. 6 is a flowchart of a program of the spatial rear intersection method for calculating the external orientation elements (ω, φ, κ) representing the tilt of the digital still camera 20 in step S103 of FIG. 2, and the least square method is used for the calculation. The successive approximation method used is used. The number of reference points may be any number as long as it is two or more, but here, a case where two reference points are designated will be described as an example.
[0041]
First, in step S201, an appropriate initial value (ω) is approximated to an external orientation element (ω, φ, κ) representing the camera tilt. _G , Φ _G , Κ _G )give. Next, in step S202, the given external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G ) To use the two reference points P _i Survey coordinates (Xp) of (i = 1, 2) _i , Yp _i , Zp _i ) To each reference point P _i Image point P corresponding to _i 'Approximate image coordinates (xp _Gi ', Yp _Gi ') Is calculated.
[0042]
That is, the reference point P _i The coordinates (xp) in the camera coordinate system (i = 1, 2) _i , Yp _i , Zp _i ) Is the coordinate in the survey coordinate system (Xp _i , Yp _i , Zp _i ) From the following equation (1), so that the approximate external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G ) And reference point P _i Survey coordinates (Xp _i , Yp _i , Zp _i ) Into equation (1), the reference point P _i Approximate camera coordinate system coordinates (xp _Gi , Yp _Gi , Zp _Gi ). In the first embodiment, the origin of the camera coordinate system (X _O , Y _O , Z _O ) Is (0,0,0).
[Expression 1]

Where the matrix {T _jk } Is a rotation matrix and each component T _jk Is represented by the following equation, for example.
T ₁₁ = Cosφ ・ cosκ
T ₁₂ = Cosω ・ sinκ + sinω ・ sinφ ・ cosκ
T ₁₃ = Sinω · sinκ-cosω · sinφ · cosκ
T _{twenty one} = -Cosφ · sinκ
T _{twenty two} = Cosω ・ cosκ−sinω ・ sinφ ・ sinκ
T _{twenty three} = Sinω ・ cosκ + cosω ・ sinφ ・ sinκ
T ₃₁ = Sinφ
T ₃₂ = -Sinω ・ cosφ
T ₃₃ = Cosω ・ cosφ
[0043]
Reference point P _i Image point P corresponding to _i 'Screen coordinates (sp _i ', Tp _i ') Indicates the external orientation element (X _O , Y _O , Z _O , Ω, φ, κ) and reference point P _i Camera coordinate system coordinates (xp _i , Yp _i , Zp _i ) Using the following equation (2).
[Expression 2]

Therefore, the origin coordinate (0, 0, 0) of the camera coordinate system and the approximate external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G ) And the reference point P obtained by the equation (1) _i Approximate camera coordinate system coordinates (xp _Gi , Yp _Gi , Zp _Gi ) Is substituted for the reference point P _i Image point P corresponding to _i 'Approximate screen coordinates (sp _Gi ', Tp _Gi ') Can be calculated.
[0044]
In addition, the image point P _i 'Approximate image coordinates (xp _Gi ', Yp _Gi ') Is the approximate screen coordinates (sp _Gi ', Tp _Gi It is obtained by substituting ') into the following equation (3).
[Equation 3]

Here, Px and Py are the pixel pitches in the horizontal and vertical directions of the CCD, respectively, and W and H are the numbers of pixels in the horizontal and vertical directions of the image, respectively.
[0045]
In step S203, the external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G The merit function Φ for determining whether or not the value of) is appropriate is calculated. The merit function Φ is defined by, for example, equation (4).
[Expression 4]

That is, in this embodiment, the merit function Φ is the reference point P specified on the overview image. _i Image point P _i 'Image coordinates (xp _i ', Yp _i ') And the reference point P obtained by surveying _i Survey coordinates (Xp _i , Yp _i , Zp _i ) And the origin coordinate (0,0,0) of the camera coordinate system and the external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G ) Image point P obtained from _i 'Approximate image coordinates (xp _Gi ', Yp _Gi It corresponds to the sum of squares of the distance between ').
[0046]
Next, in step S204, it is determined whether or not the merit function Φ is smaller than a predetermined value. That is, the external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G ) Image point P _i 'Approximate image coordinates (xp _Gi ', Yp _Gi ') Is the reference point P specified on the overview image. _i Image point P _i 'Image coordinates (xp _i ', Yp _i It is determined whether it is close enough to '). If Φ <predetermined value, this process is terminated, and the origin coordinate (0,0,0) of the camera coordinate system and the currently assigned external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G ) Is an external orientation element that represents the position and tilt of the camera at the time of taking an overview image.
[0047]
On the other hand, if it is determined in step S204 that Φ ≧ predetermined value, the external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G ) For the correction amount (δω, δφ, δκ). That is, the external orientation element (ω _G , Φ _G , Κ _G ) Around Taylor, linearizing by omitting high-order terms, and creating a normal equation with the correction amount (δω, δφ, δκ) as an unknown amount, the appropriate correction amount (δω, δφ, δκ) can be obtained. Desired.
[0048]
In step S206, an external orientation element (ω) that is an approximate value based on the correction amounts (δω, δφ, δκ) calculated in step S205. _G , Φ _G , Κ _G ) Value is updated. That is, (ω _G , Φ _G , Κ _G ) For each value (ω _G + Δω, φ _G + Δφ, κ _G + Δκ) and the camera tilt is updated. Thereafter, the process returns to step S202, and steps S202 to S206 are repeatedly executed until it is determined in step S204 that Φ <predetermined value.
[0049]
The above explanation is for the case where there is no internal localization such as distortion (a negligible amount), or the case where the overview image is corrected, and when the uncorrected overview image is corrected with a known internal localization amount Screen coordinates (sp) determined by equation (2) _Gi ', Tp _Gi Screen coordinates (scp) obtained by correcting distortion by the following equation (5) _Gi ', Tcp _Gi Converted to ').
[Equation 5]

Where D ₂ , D _Four , D ₆ Are the distortion secondary component, the fourth component, and the sixth component, respectively, and P ₁ , P ₂ Is distortion asymmetric component, X _c , Y _c Is the amount of eccentricity of the principal point in the s′-axis direction and t′-axis direction from the image center. Also, the image coordinates (xp _Gi ', Yp _Gi ') Is obtained from the following equation (6).
[Formula 6]

[0050]
When the external orientation elements (ω, φ, κ) indicating the inclination of the digital still camera 20 at the time of photographing are calculated by the spatial backward intersection method, the image of the image point corresponding to the measurement point measured in step S105 in FIG. The coordinates are obtained using the formulas (1) and (2) from the survey coordinates of the survey points calculated from the measured horizontal angle and altitude angle and the value of the external orientation element calculated by the spatial backward intersection method. It is done. In step S106, a mark or a measured value indicating a station is displayed at a position (pixel) corresponding to the station on the overview image based on the image coordinates.
[0051]
As described above, according to the first embodiment, the position of a survey point can be easily associated with the position (pixel) on the overview image taken at the survey site from the survey data of the survey point. As a result, any station in the overview image can be displayed on the image, so the location of the station can be easily confirmed on the overview image, and the surveying work and subsequent survey data can be organized efficiently. Can be done automatically. In addition, since a plurality of measurement points can be associated with one overview image, the recording capacity for recording the image can be saved, and the survey data can be efficiently associated with the image information on the survey site. In the first embodiment, the survey coordinates are described with the origin of the collimating telescope's altitude / horizontal rotation center as the origin, but the altitude / horizontal rotation center is used as a reference point defined by the Geospatial Information Authority of Japan. You may carry out by converting into absolute coordinates. Further, the measurement data (slope distance, altitude, horizontal angle, survey coordinates) of each measurement point may be used and recorded using a total station or the like.
[0052]
In the first embodiment, the optical axis of the imaging lens 22 of the digital still camera 20 coincides with the optical axis Lc, and only the value of the rotation angle ω around the optical axis Lc (x axis) is an unknown number (φ = 0 and κ = 0), the reference point P _i It goes without saying that the number of can be one. Further, when all the external orientation elements of the digital still camera 20 are known, it is not necessary to perform processing related to the determination / surveying of the reference point and the spatial backward intersection method. The position on the appearance image corresponding to can be directly obtained. When the optical axis of the imaging lens 22 is aligned with the optical axis Lc and the axis y of the camera coordinate system is arranged so as to correspond to the horizontal axis Lh of the surveying instrument 10, the survey coordinate system and the camera coordinate system are arranged. Can be regarded as the same coordinate system, so any station Q in the overview image _i When the surveying instrument 10 is collimated, _i Image point Q corresponding to _i 'Position (xp _i ', Yp _i ') Is the horizontal angle θh, which is the initial collimation direction when taking the overview image. ₀ And altitude angle θa ₀ And the measuring point Q measured by the surveying instrument 10 _i Horizontal angle θh _i , Altitude angle θa _i And the screen distance f of the imaging lens 22 (if the distortion correction is required, an internal localization element is also used), xp _i '= F · tan (θh _i −θh ₀ ), Yp _i '= F · tan (θa _i −θa ₀ ) Directly. Therefore, in such a case, the direction in which the surveying instrument 10 was directed at the time of the overview image shooting is the initial collimation direction (horizontal angle θh ₀ And altitude angle θa ₀ ) To the digital still camera 20, and immediately after that, the survey point can be measured on the overview image, and the survey information obtained by the survey instrument and the survey site image obtained by the camera can be performed more easily and efficiently. Can be associated with information.
[0053]
Next, a surveying system according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram schematically showing the arrangement of the surveying instrument and the camera in the second embodiment. In the surveying system of the second embodiment, only the arrangement of the surveying instrument and the camera is different from that of the first embodiment, and other configurations are substantially the same as those of the surveying system of the first embodiment. Therefore, in the following description, only the parts different from the configuration of the first embodiment will be described, and the description of the configuration common to the first embodiment will be omitted. The same reference numerals are used for the same configurations as those in the first embodiment.
[0054]
In the first embodiment, since the digital still camera 20 is disposed at an optically equivalent position with respect to the surveying instrument 10, the lens center (projection center) O _L Is the collimation origin O _S Can be considered to be in the same position. On the other hand, in the second embodiment, the lens center (projection center) O of the digital still camera 20. _L 'Is the collimation origin O both physically and optically. _S Lens center (projection center) O that is the origin of the camera coordinate system _L 'Is the collimation origin O, which is the origin of the survey coordinate system _S Is in a different predetermined position. That is, the origin O of the camera coordinate system _L Coordinates in the survey coordinate system (X _O , Y _O , Z _O ) Is not zero. In the second embodiment, the optical axis Lc ′ of the imaging lens 22 of the digital still camera 20 is arranged in parallel to the optical axis L of the collimating telescope 17 of the surveying instrument 10.
[0055]
When the rotation angle ω around the optical axis Lc ′ (x axis) of the digital still camera 20 is unknown, the matrix component T when φ = 0 and κ = 0 is set. _jk And the origin O in the camera coordinate system _L 'Survey coordinates (X _O , Y _O , Z _O ) And the survey coordinates and image coordinates of one reference point are substituted into equations (1) and (2) to obtain the rotation angle ω. Station Q based on this _i Survey coordinates (Xp _i , Yp _i , Zp _i ) Image point Q _i 'Image coordinates (xp _i ', Yp _i ') Is required. Furthermore, if the rotation angle ω is known, all external orientation elements (X _O , Y _O , Z _O , Ω, φ, κ) are known, so the measurement point Q directly in equation (2) _i Survey coordinates (Xp _i , Yp _i , Zp _i ) And image point Q _i 'Image coordinates (xp _i ', Yp _i ') Can be asked.
[0056]
As with the first embodiment, the station Q _i When the surveying instrument 10 is collimated, the calculated image point Q _i 'Image coordinates (xp _i ', Yp _i ') Station Q on the overview image based on _i Station Q at the position corresponding to _i A mark or measurement value indicating is displayed, and the measurement is repeated until the surveying is completed.
[0057]
As described above, also in the second embodiment, substantially the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0058]
In the second embodiment, the optical axis Lc ′ is parallel to the optical axis L. However, when the optical axis Lc ′ intersects the optical axis L as shown in FIG. The position of the corresponding image point on the overview image can be obtained from the survey coordinates of the survey point.
[0059]
Next, a surveying system according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Since the third embodiment is substantially the same as the first embodiment, only the configuration different from the first embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for configurations common to the first embodiment.
[0060]
FIG. 9 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a surveying system according to the third embodiment. In the third embodiment, for example, a commercially available digital still camera 20 ′ is used for taking an overview image of a surveying site. First, the digital still camera 20 ′ is disposed at an optically equivalent position with respect to the surveying instrument 10 as in the first embodiment. Further, the digital still camera 20 ′ is connected to a computer 40 such as a notebook personal computer (PC) via an interface cable, and a photographed overview image of the surveying site is transmitted to the computer 40. Thereafter, the computer 40 is connected to the surveying instrument 10 via an interface cable. An input device 41 such as a mouse, trackball, joystick, and keyboard, a recording medium 42 such as a hard disk, DVD, MO, and IC card, and an image display device 43 such as an LCD and CRT are connected to the computer.
[0061]
The image data of the overview image transmitted to the computer 40 is recorded on the recording medium 42, for example. The overview image is displayed on the image display device 43 by the survey support program installed in the computer 40. Thereafter, the same processing as in the first embodiment is performed between the surveying instrument 10 and the computer 40 by the survey support program of the computer 40. That is, the operator selects two or more points (pixels) in the overview image displayed on the image display device 43 as the reference point P. _i Is designated using the pointing device of the input device 41, and the designated reference point P is designated. _i Is measured by the surveying instrument 10. The survey support program uses the reference point P _i Image point P corresponding to _i Reference point P calculated from 'image coordinates and measured values _i The external orientation elements (ω, φ, κ) of the digital still camera 20 ′ at the time of photographing the overview image are calculated from the survey coordinates, and the projective relationship between the image coordinates and the survey coordinates is established. The survey support program acquires the measurement data of the survey points from the survey instrument 10, and displays marks and measurement values indicating the position of the survey points on the overview image displayed on the image display device 43 based on the established projection relationship. To do. Surveying data, image data, internal localization elements, external orientation elements, and the like are associated and recorded in the recording medium 42.
[0062]
Although the camera used in the third embodiment is externally attached to or built in the surveying instrument 10, the internal localization element may not be known because it is not necessarily a camera dedicated to surveying. In such a case, internal localization of the digital still camera 20 ′ may be performed in advance prior to surveying, and image coordinates may be calculated using the internal localization elements obtained thereby.
[0063]
As described above, also in the third embodiment, substantially the same effect as in the first embodiment can be obtained. In the third embodiment, a commercially available digital camera can be used. Furthermore, although the third embodiment may be configured as a dedicated device for supporting surveying, the surveying support program of the present embodiment can be installed and used on a general-purpose notebook computer, so that it is more simplified. And the said surveying system can be provided at low cost.
[0064]
In the present embodiment, the digital still camera has been described, but a digital video or the like may be used as long as a digital image can be taken. In the present embodiment, the display of the station is described, but the survey value (angle etc.) and the station number may be displayed near the station mark. Further, an operator having a reflecting member may be assumed to be a measuring point, and may be displayed on the overview image with a special symbol or the like (different from a normal measuring mark by color, shape, etc.). A surveying instrument with a built-in automatic collimation function can measure the target position at arbitrary time intervals and display it with constant feedback. When surveying using a TS, surveying analysis information such as the distance between survey points designated by the input means may be displayed on the overview image.
[0065]
Further, the angle measurement values (altitude, horizontal angle, etc.) of the surveying instrument are values that are always measured in the incremental method, and values that are always measured when the rotation is stopped in the absolute method. Therefore, it is possible to display on the overview image with a symbol + or the like at an arbitrary time interval (continuous) or at an angular position at the time of rotation stop, and serve as a collimating position guide for the collimating telescope. Then, a measurement point may be displayed by an arbitrary operation (keyboard input or the like) at a position determined as a measurement point.
[0066]
In this embodiment, a reference point is arbitrarily designated on the overview image using a pointing device. However, for example, a reference scale having a known dimension, a reference mark that can be arbitrarily arranged, and the like are arranged in the imaging range. The external orientation element may be obtained using as a reference point. In this case, the position of the reference scale or reference mark on the overview image is selected using a pointing device or the like. When a reference scale or a reference mark is used, the position of the reference point on the overview image may be automatically detected using image processing, for example.
[0067]
The digital still camera of each embodiment may be one that is provided integrally with a surveying instrument (for example, a built-in type) or may be one that is externally attached to a conventional surveying instrument. In this embodiment, the overview image is displayed on the display device of the digital still camera, and the correspondence with the position on the image with the measurement point is also calculated in the digital still camera, but the camera captures only the overview image, The image data may be transferred to a computer and an overview image may be displayed on the computer display. In this case, determination of the reference point, calculation of the correspondence between the station and the position on the image, and the station overview The image is displayed on the computer.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to easily and efficiently associate survey information obtained by a surveying instrument with image information on a surveying site obtained by a camera.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a surveying system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram conceptually showing an arrangement of surveying instruments and cameras in the surveying system of the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing a survey procedure in the survey system of the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart showing a modification of the surveying procedure in the surveying system according to the first embodiment.
FIG. 5 shows two reference points P in the first embodiment. ₁ , P ₂ And image point P on the imaging surface S ₁ ', P ₂ It is a figure which shows the relationship with 'typically.
FIG. 6 is a flowchart of a program of a spatial backward intersection method for calculating external orientation elements (ω, φ, κ) representing the position and tilt of a digital still camera.
FIG. 7 is a diagram conceptually showing the arrangement of the surveying instrument and the camera when the optical axis of the camera and the optical axis of the collimating telescope of the surveying instrument are parallel in the surveying system of the second embodiment.
FIG. 8 is a diagram conceptually showing the arrangement of a surveying instrument and a camera when the optical axis of the camera and the optical axis of the collimating telescope of the surveying instrument intersect in the surveying system of the second embodiment.
FIG. 9 is a block diagram schematically showing a configuration of a surveying system according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Surveying machine
16, 28 Interface circuit
20 Digital still camera
24 display
26 System control circuit
27, 42 Recording medium
30 pointing device
40 computers
41 Input device
43 Image display device

Claims

A surveying instrument for surveying,
An imaging device that is arranged at a predetermined position relative to the surveying instrument and captures an overview image of a surveying site including a survey point;
Corresponding means for associating surveying information of a survey point by the surveying instrument with position information on a position on the overview image corresponding to the survey point ;
Inclination information calculation means for obtaining information about the inclination of the imaging device,
Only the position of the imaging device arranged at a predetermined position with respect to the surveying instrument is known .

In the tilt information calculation means, the information regarding the tilt of the imaging device is survey information when the surveying instrument measures two or more arbitrarily set reference points, and the position of the reference point on the overview image 2. The surveying system according to claim 1 , wherein the surveying system is calculated from the relationship.

The positional relationship between the surveying instrument and the overview image is represented by an external orientation element that represents the position and tilt of the imaging device when the overview image with respect to the surveying instrument is captured, and the external orientation element that represents the tilt is The surveying system according to claim 2 , wherein the surveying system is obtained by the inclination information calculating means.

An image display means for displaying the overview image; and an input means for designating a position on the image in the image display means, and the position of the reference point is set to an arbitrary position on the overview image by the input means. The surveying system according to claim 2 , wherein the surveying system is determined by designating.

A surveying instrument for surveying,
An imaging device that is arranged at a predetermined position relative to the surveying instrument and captures an overview image of a surveying site including a survey point;
Corresponding means for associating surveying information of a survey point by the surveying instrument and position information regarding a position on the overview image corresponding to the survey point,
The surveying instrument comprises a can collimating telescope, surveying system that is characterized in that the projection center of an imaging optical system are arranged in a quasi origin a position optically equivalent to viewing of the collimating telescope in the imaging apparatus .

The collimating telescope is rotatable about a vertical axis for rotating in a horizontal plane and a horizontal axis perpendicular to the vertical axis for raising and lowering the collimating telescope. The surveying system according to claim 5 , wherein an axis passes through an intersection of the vertical axis and the horizontal axis, and the intersection is the collimation origin.

A beam splitter that branches the optical axis, wherein one of the optical axes branched by the beam splitter passes through the collimation origin, the other passes through the projection center, and the collimation origin and the projection center are The surveying system according to claim 6 , wherein the surveying system is arranged equidistant from a branch point of the optical axis by a beam splitter.

The survey system according to claim 7 , wherein the beam splitter is a half mirror.

The surveying system according to claim 7 , wherein a branching optical system branched by the beam splitter and passing through the projection center and the imaging device are built in the surveying instrument.

The surveying system according to claim 7 , wherein an optical axis of the collimating telescope branched to the other coincides with an optical axis of the imaging device.

Image display means for displaying the overview image, and the position of the survey point in the overview image measured by the surveying instrument based on the correspondence between the survey information and the position information of the overview image The surveying system according to claim 1, further comprising: a station display unit that is displayed on the overview image displayed by the image display unit.

The survey information by the association means and the position information on the overview image The surveying system according to claim 1, further comprising: a recording unit capable of recording the correspondence with the information.

The surveying system according to any one of claims 1 and 5, wherein the surveying instrument includes angle measuring means, and the surveying information is an angle measurement value of a measurement point.

The surveying system according to claim 13, wherein the angle measurement values are an altitude angle and a horizontal angle.

6. The surveying instrument according to claim 1, wherein the surveying instrument includes a distance measuring unit and an angle measuring unit, and the surveying information includes an oblique distance to the measuring point, an altitude, and a horizontal angle. The surveying system described.

The surveying system according to claim 1, wherein the surveying instrument includes a distance measuring unit and an angle measuring unit, and the surveying information is a coordinate value of a survey point.

The surveying instrument comprises a collimating telescope, a vertical axis for rotating the collimating telescope in a horizontal plane, and a horizontal axis perpendicular to the vertical axis and for raising the collimating telescope. 2. The optical axis of the quasi-telescope passes through a collimation origin where the vertical axis and the horizontal axis intersect, and the optical axis of the imaging device is parallel to the optical axis of the collimating telescope. Surveying system.

A digital camera arranged at a predetermined position with respect to the surveying instrument,
Imaging means for taking an overview image of the surveying site including the survey point ;
Corresponding means for associating surveying information of the surveyed points measured by the surveying instrument with positional information regarding the position on the overview image corresponding to the surveying points from the positional relationship with the surveying instrument ,
Inclination information calculation means for obtaining information about the inclination of the imaging device,
Only the position of the digital camera with respect to the surveying instrument is known .

A digital camera arranged at a predetermined position with respect to a surveying instrument equipped with a collimating telescope,
Imaging means for taking an overview image of the surveying site including the survey point;
Corresponding means for associating surveying information of a surveyed point measured by the surveying instrument with positional information related to a position on the overview image corresponding to the surveying point from a positional relationship with the surveying instrument,
The projection center of the imaging optical system in the digital camera is disposed at a position optically equivalent to the collimation origin of the collimation telescope
A digital camera characterized by that.

An image display means for displaying the overview image, and a position of the survey point in the overview image measured by the surveying instrument based on the correspondence between the survey information of the survey point and the position information on the overview image. The digital camera according to claim 18 , further comprising: a station display unit that is displayed on the overview image displayed by the image display unit.

Based on the two-dimensional position information of the reference point and the three-dimensional survey information of the reference point by the surveying instrument in the survey site overview image including two or more reference points photographed by the imaging means. The digital camera according to claim 18 , further comprising a positional relationship calculating unit that calculates a positional relationship between an image and the surveying instrument.

An image display means for displaying the overview image; and an input means for designating a position on the image in the image display means, and the position of the reference point is set to an arbitrary position on the overview image by the input means. The digital camera according to claim 21, wherein the digital camera is determined by designating.

20. The digital camera according to claim 18 , further comprising data transmission means for transmitting data related to the survey information to and from the surveying instrument.