摄影全站仪基础研究

黄志辉 梁求清
（广西地矿局272地质队 广西南宁 530031）

【摘　要】　电子全站仪大量应用于测量工作中，目前的电子全站仪基本上都是基于红外测距方式进行一个点一个点地进行测量，基于CCD摄影方式的电子全站仪可以采用快照方式实现快速数据的采集。本文对摄影测量电子全站仪硬件、软件进行分析，并给出一个数据处理的流程，为国内的摄影电子全站仪研究与开发提供一种思路。
【关键字】　摄影测量 电子全站仪 DSP

　　随着电子技术的飞速发展，大规模集成电路制造成本越来越低，目前市场上的普通单反数码相机CCD空间分辨率均超过1000万像素，低廉的COMS、CCD分辨率基本可以满足摄影测量电子全站仪的要求。本文根据电子全站仪的特点，将CCD嵌入到仪器光学系统中，并采用DSP实现影像数据的采集，并根据摄影测量原理和全站仪数据特点，实现数据的高效处理方法。
　　1 影像数据采集硬件实现原理
　　影像处理硬件部分包括两部分，一部分是光学系统的改造，一部分是DSP数据采集模块的设计[1]。
　　目前的全站仪望远镜主要是用于光学瞄准，要实现CCD采集数据与照准系统一致，必须针对现有的光学系统进行改造，使CCD采集的数据与光学照准采集的数据基本维持一致。有两种方法，第一种是取消原来的光学照准，用CCD直接替换原来的光学照准部分，这种方法改造速度快，将原来的十字丝板部分取下，用CCD取代就可以了，有些进口电子全站仪就是采用这种方法进行实现的；第二种方法是在原来的光学系统的基础上增加CCD采集光路，并确保与照准光路的一致性。第一种方法比较简单，但失去了光学照准的传统功能；第二种方法难度稍大，但可以更加灵活。

　　DSP数据采集模块如上图所示，硬件主要由CCD、ADC、DSP、可编程逻辑器件CPLD等几部分组成。
　　外业测量场景光线经电子全站仪的光学系统照射在CCD光敏元器件上，CCD通过驱动电路完成二次XY方向的自扫描。在控制电路的作用下，CCD输出信号进行滤波放大处理，并经A/D转换电路进行数字化处理。图像数据通过数据通道进入帧存储器。以上操作与CCD自扫描同步进行，不受CPU的控制。
　　DSP读取帧存储器存储的处理数据，在嵌入式操作系统（Linux、UCOS、WindowsCE）和应用软件的管理下对采集到的图像数据进行预处理，保存到系统的FLASH存储器中，并显示到仪器的LCD显示单元上，完成了系统的野外数据采集。
　　目前的电子全站仪基本上都是采用嵌入式系统进行内部的控制与内部数据处理，由于电子影像数据采集要求数据处理实时性较高，需要采用独立的DSP模块作为数据采集控制，因此在系统设计时要考虑到DSP影像采集模块与电子全站仪的主控模块之间的接口与数据交换方式，以模块化的设计方式解决系统集成问题。
　　上面是一种内嵌式电子全站仪解决方案，如果是电子全站仪设计、生产厂家，这是一种比较好的解决方案。如果是一般的电子全站仪使用单位，可以采用比较简单的方法实现简易型的摄影全站仪。
　　简易型摄影全站仪就是在电子全站仪的照准部上安装普通照相机，这种方式有点类似早期的红外测距仪使用（也叫半站仪）。操作上只是有点不太方便，但同样可以实现与全站仪的同步数据采集。
　　2 数据处理关键技术
　　影像数据采集的实现仅是摄影全站仪的基础，但不能达到最终用户的要求。一般测量用户对电子全站仪的要求是能实现坐标、高程的测量，因此数据处理是摄影全站仪完整解决方案的核心。
　　摄影全站仪的影像数据处理与传统近景摄影测量比较类似，从原理上看也是基于立体像对的交会计算。由于电子全站仪本身就是一个高精度的测量设备，因此在野外数据采集时具有传统近景摄影测量无法具有的一些优点，使得在数据上也有较大的不同。相对与传统近景摄影测量，摄影全站仪的影像数据的特点有：
　　（1）内嵌式的电子全站仪在摄影时除了记录影象数据外，还可以记录摄影瞬间高精度的相片的外方位元素，因此在内业处理时可以不再进行解算外方位元素。
　　（2）由于电子全站仪是一种长距离的测量设备，其光学部分的焦距的不固定的，因此不能按照传统的量测型的固定焦距摄影测量方法来处理。
　　（3）摄影全站仪可以同步采集大量的外业控制点，为高精度的摄影测量解算提供可能。
　　（4）摄影全站外业工作完成是仅完成数据快速采集，减少外业工作时间，并没有对数据进行处理，因此只有通过内业数据处理才能完成全站仪的全部工作流程。
　　由于这些特点，摄影全站仪的内业数据一般采用直接线性变换法（DLT）进行处理。
　　直接线性变换公式是从共线条件方程式推导的，其基本关系式为[2]：

　　式中，x、y是像点的坐标仪坐标，X、Y、Z为物方空间坐标系坐标。
　　通过野外6个以上的特征点，联立方程，采用最小二乘法解算L系数。
　　在解算L系数后，就可以列出物方空间坐标关系式：
　　（l1+xl9）X+（l2+xl10）Y+（l3+xl11）Z+（l4+x）=0（l5+yl9）X+（l6+yl10）Y+（l7+yl11）Z+（l8+y）=0
　　根据一个像对的两个同名点，即可解算出对应点的大地坐标。一个点存在超过两张以上照片时，采用最小二乘法进行解算。
　　3 数据处理流程
　　作为完整的数据流程，由数据预处理、影像匹配、数据应用三大部分组成。

　　数据预处理包括影像数据下载、颜色亮度调整、照片定向组成，主要是为下一步准备好正确的数据、消除影响数据质量的因素、照片定位定向计算。由于不同时间、不同地点、不同仪器可能都有大量的照片，因此最后还要将数据入库进行统一管理。
　　影像匹配平台实现摄影测量的自动匹配功能。在利用DLT完成定向计算的基础上，根据照片的内方位元素和外方位元素，采用基于物方的影像匹配（VLL）技术，建立相关系数的拟合抛物线，找出不同照片的同名点坐标，然后（1）式物方空间坐标关系式，采用最小二乘法计算出待定点的坐标高程，实现基于摄影全站仪影像的定位基础，为下一步的数据应用做好准备。
　　数据应用是在影像匹配得到的点的坐标基础上，实现最终用户所要求的功能。这部分随着用户的使用目的不同而提供不同的功能，不过应该包含有坐标定位、距离测量、地形成图和三维建模。坐标定位就是可以任意计算出像对场景中任意点的坐标高程，这个实现需要在前面影像自动匹配的基础上，是摄影电子全站仪内业数据处理最基本的功能。距离测量是可以计算场景中任意两个点的距离、高度、方位。地形成图是可以对场景矢量绘图，形成满足DLG图形。三维建模是对场景建立三维模型，并将自动纹理贴图，这是摄影全站仪特有的一项功能。
　　4 结束语
　　随着DC技术的发展，基于个人的摄影设备将会越来越普及，在高分辨率CCD的支持下，如何利用这些廉价的数码设备参与专业测绘是一个值得进行研究的问题。摄影全站仪的核心是数据处理软件，因此研究与开发基于摄影全站仪特点的数据处理平台是摄影全站仪研究与开发的关键，本文仅是对摄影全站仪数据处理的一些关键问题进行说明，其中的一些技术细节还有待进行深入的研究。
　　以摄影测量理论为基础的内嵌式CCD摄影全站仪是电子全站仪研究与发展的一个重要方向。

【参考文献】
[1] 叶晓明.全站仪原理误差[M]. 武汉大学出版社，2004
[2] 王之卓. 摄影测量原理[M]. 北京:测绘出版社，1979