利用标志点定向求解相机外方位元素的系统和方法

摘要

本发明公开了利用标志点定向求解相机外方位元素的方法和系统，包括：相机在三维标定控制场中三个不同位置拍照，获得至少三张图像；测量得到相机位于三个不同位置时其上的辅助标志点的位置坐标；计算处理装置根据至少三张图像上的同名像点和对应的控制点的坐标对相机标定，得到相机在三个不同位置时的相机参数，利用相机在三个不同位置时标志点的位置坐标和相机在第一位置的相机参数，恢复相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会得到控制点的坐标，评定交会精度。本发明可在室内进行相机外方位元素求解和交会精度评估，可用来恢复室外相机的外方位元素并预估交会精度，指导工程实施。

权利要求

1.一种利用标志点定向求解相机外方位元素的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用同一相机在预定的室内三维标定控制场中的三个不同的位置分别对所述三维标定控制场进行拍照，获得至少三张图像；其中，所述至少三张图像包括与控制点对应的同名像点，所述控制点预先设定于所述三维标定控制场内；

步骤二、用全站仪分别测量得到所述相机位于所述三个不同的位置时所述相机外壳上的辅助标志点的位置坐标；

步骤三、获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，分别得到所述相机在所述三个不同的位置时的相机参数；其中所述相机参数包含外方位元素；

步骤四、将所述三个不同的位置中的第一位置作为所述三维标定控制场检校的相机位置，将所述三个不同的位置中的第二、第三位置看作非三维标定控制场内的相机位置，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的利用标志点定向求解相机外方位元素的方法，其特征在于，所述步骤一中，同一相机在所述三个不同的位置对三维标定控制场进行拍照时，每个位置处拍摄的照片均不少于1张。

3.根据权利要求1或2所述的利用标志点定向求解相机外方位元素的方法，其特征在于，所述步骤三中获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，具体为：根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的控制点的坐标,利用三维DLT-光束法平差进行所述相机的标定。

4.根据权利要求3所述的利用标志点定向求解相机外方位元素的方法，其特征在于，所述步骤四中，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，具体为:计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第二位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第一变换参数，利用所述第一变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第二位置的外方位元素；

计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第三位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第二变换参数，利用所述第二变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第三位置的外方位元素。

5.根据权利要求4所述的利用标志点定向求解相机外方位元素的方法，其特征在于，所述步骤四中，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标，具体包括：根据所述相机在第二位置的外方位元素、所述相机在第三位置的外方位元素和所述步骤三中得到的同名像点的坐标和第一位置处的相机参数，交会得到所述控制点的交会位置,将所述控制点的交会位置坐标与已知的所述控制点坐标比较，判断精度误差；其中所述第一位置处的相机参数为内方位元素和畸变系数。

6.一种利用标志点定向求解相机外方位元素的系统，其特征在于，包括：

相机，用于在预定的室内三维标定控制场中的三个不同的位置分别对所述三维标定控制场进行拍照，获得至少三张图像；其中，所述至少三张图像包括与控制点对应的同名像点，所述控制点预先设定于所述三维标定控制场内；

全站仪，用于分别测量得到所述相机位于所述三个不同的位置时所述相机外壳上的辅助标志点的位置坐标；以及计算处理装置，与所述相机、全站仪连接，用于获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，分别得到所述相机在所述三个不同的位置时的相机参数；其中所述相机参数包含外方位元素；

之后将所述三个不同的位置中的第一位置作为所述三维标定控制场检校的相机位置，将所述三个不同的位置中的第二、第三位置看作非三维标定控制场内的相机位置，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的交会位置坐标。

7.根据权利要求6所述的利用标志点定向求解相机外方位元素的系统，其特征在于，所述相机在所述三个不同的位置对三维标定控制场进行拍照时，每个位置处拍摄的照片均不少于1张。

8.根据权利要求6或7所述的利用标志点定向求解相机外方位元素的系统，其特征在于，所述计算处理装置具体用于根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的控制点的坐标,利用三维DLT-光束法平差进行所述相机的标定。

9.根据权利要求8所述的利用标志点定向求解相机外方位元素的系统，其特征在于，所述计算处理装置具体包括：第一计算处理子单元，用于计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第二位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第一变换参数，利用所述第一变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第二位置的外方位元素；

第二计算处理子单元，用于计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第三位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第二变换参数，利用所述第二变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第三位置的外方位元素。

10.根据权利要求8所述的利用标志点定向求解相机外方位元素的系统，其特征在于，所述计算处理装置还包括：第三计算处理子单元，用于根据所述相机在第二位置的外方位元素、所述相机在第三位置的外方位元素和所述计算处理装置得到的同名像点的坐标和第一位置处的相机参数，交会得到所述控制点的交会位置,将所述控制点的交会位置坐标与已知的所述控制点坐标比较，判断精度误差；其中所述第一位置处的相机参数为内方位元素和畸变系数。

说明书

利用标志点定向求解相机外方位元素的系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及摄影测量领域，具体涉及一种利用标志点定向求解相机外方位元素的系统和方法。

背景技术

[0002] 相机布设在室外用来进行无人机等飞行物的监视时，需要事先知道相机的位置和姿态等参数，一般可以采用建立室外标定场进行标定恢复相机的位姿的方法，野外布控制点进行标定恢复相机的位姿的方法等，这些方法都用相机拍照，利用摄影测量方法，恢复相机的位置和姿态。在室外小区域内，进行空中目标的定位时，室外的环境相对复杂，并且容易受到干扰和破坏，因此相机不能架设的太低。由于是监视空中飞行的无人机等空中目标，相机必须成仰角安装。在室外建立控制场进行标定恢复相机的位姿的方法，大体上，为了对相机进行精确的标定，控制场在相机中的成像，需要充满整个相机视野。在相机架设高，成仰角的条件下，为了充满整个相机视野，控制场的高度和宽度都会显得异常的大。并且为每一个相机建立一个控制场，并对每个控制场进行控制测量，测量误差增大。野外布控制点进行标定恢复相机的位姿的方法，在相机架设高，成仰角的条件下，同样会面临复杂的问题，且控制点必须布设在空中相机的视野能够看到的地方，布设需要尽可能保证照顾到相机视野的边缘，才可以保证相机标定的精度和质量。

[0003] 综上所述，在通过摄影测量方法进行室外监视飞行物时，如何简单易行的恢复室外在非标定场中的外方位元素，并通过相机摄影测量进行无人机等飞行物的监视时的精度和质量做出合理的预估成为一个亟待解决的问题。

发明内容

[0004] 本发明为了解决上述技术问题，提供一种利用标志点定向求解相机外方位元素的方法及系统，本发明方案可预先有效验证相机参数(如外方位元素)标定的精度，之后可应用于室外相机的标定测量，以预估室外安装相机进行交会定位的精度和质量，指导工程的实施。

[0005] 一方面，本发明实施例提供一种利用标志点定向求解相机外方位元素的方法，包括如下步骤：

[0006] 步骤一、采用同一相机在预定的室内三维标定控制场中的三个不同的位置分别对所述三维标定控制场进行拍照，获得至少三张图像；其中，所述至少三张图像包括与控制点对应的同名像点，所述控制点预先设定于所述三维标定控制场内；

[0007] 步骤二、用全站仪分别测量得到所述相机位于所述三个不同的位置时所述相机外壳上的辅助标志点的位置坐标；

[0008] 步骤三、获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，分别得到所述相机在所述三个不同的位置时的相机参数；其中所述相机参数包含外方位元素；

[0009] 步骤四、将所述三个不同的位置中的第一位置作为检校场检校的相机位置，将所述三个不同的位置中的第二、第三位置看作非三维标定控制场内的相机位置，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标。

[0010] 在一个实施例中，所述步骤一中，同一相机在所述三个不同的位置对三维标定控制场进行拍照时，每个位置处拍摄的照片均不少于1张。

[0011] 在一个实施例中，所述步骤三中获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，具体为：根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的控制点的坐标，利用三维DLT-光束法平差进行所述相机的标定。

[0012] 在一个实施例中，所述步骤四中，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，具体为：计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第二位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第一变换参数，利用所述第一变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第二位置的外方位元素；计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第三位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第二变换参数，利用所述第二变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第三位置的外方位元素。

[0013] 在一个实施例中，所述步骤四中，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标，具体包括：

[0014] 根据所述相机在第二位置的外方位元素、所述相机在第三位置的外方位元素和所述步骤三中得到的同名像点的坐标和第一位置处的相机参数，交会得到所述控制点的交会位置，将所述控制点的交会位置坐标与已知的所述控制点坐标比较，判断精度误差；其中所述第一位置处的相机参数为内方位元素和畸变系数。

[0015] 另一方面，本发明实施例提供一种利用标志点定向求解相机外方位元素的系统，包括：

[0016] 相机，用于在预定的室内三维标定控制场中的三个不同的位置分别对所述三维标定控制场进行拍照，获得至少三张图像；其中，所述至少三张图像包括与控制点对应的同名像点，所述控制点预先设定于所述三维标定控制场内；

[0017] 全站仪，用于分别测量得到所述相机位于所述三个不同的位置时所述相机外壳上的辅助标志点的位置坐标；以及

[0018] 计算处理装置，与所述相机、全站仪连接，用于获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，分别得到所述相机在所述三个不同的位置时的相机参数；其中所述相机参数包含外方位元素；之后将所述三个不同的位置中的第一位置作为检校场检校的相机位置，将所述三个不同的位置中的第二、第三位置看作非三维标定控制场内的相机位置，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标。

[0019] 在一个实施例中，所述相机在所述三个不同的位置对三维标定控制场进行拍照时，每个位置处拍摄的照片均不少于1张。

[0020] 在一个实施例中，所述计算处理装置具体用于根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的控制点的坐标，利用三维DLT-光束法平差进行所述相机的标定。

[0021] 在一个实施例中，所述计算处理装置具体包括：

[0022] 第一计算处理子单元，用于计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第二位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第一变换参数，利用所述第一变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第二位置的外方位元素；

[0023] 第二计算处理子单元，用于计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第三位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第二变换参数，利用所述第二变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第三位置的外方位元素。

[0024] 所述计算处理装置还包括：第三计算处理子单元，用于根据所述相机在第二位置的外方位元素、所述相机在第三位置的外方位元素和所述计算处理装置得到的同名像点的坐标和第一位置处的相机参数，交会得到所述控制点的交会位置，将所述控制点的交会位置坐标与已知的所述控制点坐标比较，判断精度误差；其中所述第一位置处的相机参数为内方位元素和畸变系数。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0026] 本发明通过在室内三维标定控制场进行标定得到相机的相机参数，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标。本发明方案可预先有效验证相机参数(如外方位元素)标定的精度，之后可应用于室外的标定测量，以预估室外安装相机进行交会定位的精度和质量，指导工程的实施，使得在通过摄影测量方法进行室外监视飞行物时，保证通过相机摄影测量进行无人机等飞行物的监视时的精度和质量。

附图说明

[0027] 图1为本发明实施例示出的利用标志点定向求解相机外方位元素的系统的示意图；

[0028] 图2为本发明一个具体实施例中相机以及6个标志点位置示意图；

[0029] 图3为本发明一个具体实施例中的室内三维标定控制场及相机位置示意图；

[0030] 图4为本发明一个具体实施例中的模拟室外空间及相机位置示意图；

[0031] 图5为由DLT-光束法平差所得外方位元素交会所得结果与控制点坐标之差示意图，其中a为XZ(平面)误差分布，b为Y(深度)方向误差分布，c为点位误差分布；

[0032] 图6为由标志点辅助定向计算所得外方位元素交会所得结果与控制点坐标之差示意图，其中d为XZ(平面)误差分布，e为Y(深度)方向误差分布，f为点位误差分布；

[0033] 图7为本发明一个具体实施例中相机标定流程图。

具体实施方式

[0034] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0035] 如图1所示，为本发明实施例示出的利用标志点定向求解相机外方位元素的系统，主要包括相机101、全站仪102和计算处理装置103。所述相机101用于在预定的室内三维标定控制场中的三个不同的位置分别对所述三维标定控制场(下称控制场)进行拍照，获得至少三张图像；其中，所述至少三张图像包括与控制点对应的同名像点，所述控制点预先设定于所述三维标定控制场内；所述全站仪102用于分别测量得到所述相机101位于所述三个不同的位置时所述相机外壳上的辅助标志点的位置坐标；所述计算处理装置103与所述相机101、全站仪102连接(可以是有线连接或是无线通信连接)，用于获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，分别得到所述相机
101在所述三个不同的位置时的相机参数；其中所述相机参数包含外方位元素；之后将所述三个不同的位置中的第一位置作为检校场检校的相机位置，将所述三个不同的位置中的第二、第三位置看作非三维标定控制场内的相机位置，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的交会位置坐标。

[0036] 本发明通过在室内三维标定控制场进行标定得到相机的相机参数，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标。本发明方案可预先有效验证相机参数(如外方位元素)标定的精度，之后可应用于室外的标定测量，并可以预估室外安装相机进行交会定位的精度和质量，指导工程的实施，使得在通过摄影测量方法进行室外监视飞行物时，保证通过相机摄影测量进行无人机等飞行物的监视时的精度和质量。

[0037] 在一个实施例中，所述相机101在所述三个不同的位置对三维标定控制场进行拍照时，每个位置处拍摄的照片均不少于1张，本实施例中每个位置处可仅拍摄一张照片，其他实施例中可拍摄2张或以上，使用时选用其中一张拍摄最清晰的照片，保证计算处理的准确性。

[0038] 在一个实施例中，所述计算处理装置103(如计算机或电脑等数据、图像计算处理设备)具体用于根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的控制点的坐标，利用三维DLT-光束法平差进行所述相机的标定。

[0039] 在一个实施例中，所述计算处理装置103具体包括第一计算处理子单元和第二计算处理子单元(图未示)；所述第一计算处理子单元，用于计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第二位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第一变换参数，利用所述第一变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第二位置的外方位元素；所述第二计算处理子单元，用于计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第三位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第二变换参数，利用所述第二变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第三位置的外方位元素。

[0040] 所述计算处理装置还包括第三计算处理子单元，用于根据所述相机在第二位置的外方位元素、所述相机在第三位置的外方位元素和所述计算处理装置得到的同名像点的坐标和第一位置处的相机参数，交会得到所述控制点的交会位置，将所述控制点的交会位置坐标与已知的所述控制点坐标比较，判断精度误差；其中所述第一位置处的相机参数为内方位元素和畸变系数。

[0041] 具体的，结合参看图2-4，对本实施例示出的系统具体介绍如下：

[0042] (1)给相机101设计一个外壳，如图2所示，在外壳上面贴上6个辅助标志点(下称标志点)，即点1、点2、点3、点4、点5和点6。参看图3，在室内三维控制场进行相机参数的三维DLT-光束法平差计算标定，获得在第一位置8处相机的相机参数(外方位元素 ω κ XS YS ZS和内方位元素x0 y0和畸变系数K1 K2 P1 P2)，并利用全站仪进行标志点的量测，得到第一位置8处标志点的坐标为(Xi Yi Zi)。

[0043] 相机在控制场内的安装高度和仰角一般依据现场进行设计，比如所要监视的场地距离相机水平距离有200m，监视的高度为30-50m这时候在选择相机时，应能够覆盖这个高度，(30+50)/2＝40，atan(40/200)即为弧度，换算成角度，就是所要采用的角度。高度的设置以方便架设和维护为宜，一般可以设置为1.4-1.5m，刚好人站立方便安装。角度设置不好，监测不到所要监测的地方，高度设置不好的影响是后续室外标定时的施工以及维护。二者的同时影响是，全站仪观测时，需要看到相机外壳的标志点。本实施例中的室内三维标定控制场及相机外壳上的辅助标志点的数量以及布置均为现有技术，具体可参考论文《计算机视觉摄影测量三维控制场设计》(《农业机械学报》，王丰元 孙壮志 周一鸣，1998年9月，第29卷第3期)，不再详述。

[0044] (2)改变相机在控制场中的位置，在第二位置9处，测量相机外壳上的标志点的坐标(Xi′Yi′Zi′)，求得第一位置8处测量的相机外壳上的标志点(Xi Yi Zi)到第二位置9处相机外壳上的标志点(Xi′Yi′Zi′)的坐标之间的变换参数(R12，T12)，利用变换参数(R12，T12)和相机在第一位置8处的外方位元素 ω κ XS YS ZS，求得相机在第二位置9处的外方位元素( ω2′κ2′XS2′YS2′ZS2′)。同理，求得相机在第三位置10处的外方位元素( ω3′κ3′XS3′YS3′ZS3′)。

[0045] (3)对相机在第二位置9和第三位置10处时获得的图像进行特征提取，提取三维控制场中控制点在图像上的像点位置，然后利用上一步(2)中恢复的第二位置9、第三位置10处的相机的外方位元素和所述计算处理装置得到的同名像点的坐标和第一位置处的相机参数(内方位元素和畸变系数)进行前方交会，得到控制点交会位置。利用交会所得的控制点位置和实际的控制点位置坐标进行比较，进行精度分析。

[0046] 在室内模拟时的情况下，可以交会出得到控制点的坐标，这样就可以和已知的控制点坐标作比较，进行精度分析。在室内精度分析，是为了预测在室外采用该方法进行标定测试时所能达到的精度.以便于验证方法的可行性，进一步使得在通过摄影测量方法进行室外监视飞行物时，保证通过相机摄影测量进行无人机等飞行物的监视时的精度和质量。

[0047] 下面再具体介绍：

[0048] 一、相机的标定和相机外壳标志点的量测：

[0049] 利用特征提取的方法提取同一控制点在多个图像上的像点坐标，由于采用的三维控制场进行标定，因此可以对提取的像点坐标进行编号，不同的相片(即包含控制点的图像)之间编号相同的点形成同名像点。

[0050] 由于相机的内参数都是未知的，并存在径向、切向以及仿射畸变，为了保证成像的效果以及成像的精度，必须对相机进行检校，求解相机的内外方位元素和相机的畸变参数。相机的检校是根据已知物方点和在图像上对应的像点之间的关系建立模型，计算相机的几何和光学参数，从而恢复摄影时正确的光束形状。在摄影测量中，基于共线方程的光束法平差模型是一种非线性的标定方法，需要进行线性化，因此需要提供参数的初始值，以保证迭代的收敛性。因此采用利用三维DLT方法获得外方位元素作为光束法平差的初值，然后带入到光束法平差中进行参数的解算。

[0051] 三维DLT的模型如下：

[0052]

[0053] 展开可得以Ii为未知数的方程：

[0054]

[0055] 构成方程AL＝W，利用最小二乘法，可以求得未知数的矩阵为L＝(ATA)-1(ATW)，然后计算外方位元素：

[0056]

[0057] tan(κ)＝l2/l10

[0058]

[0059]

[0060] 在公式(1)(2)(3)(4)中，XYZ为控制点坐标，xy是图像上的坐标，XYZ为图像上的点xy对应的实际三维坐标点.

[0061] XS YS ZS是外方位线元素，l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l10 l11为所要求解的系数，角元素φωκ为外方位角元素。

[0062] 可以求得外方位元素的初值。三维DLT模型由于不需要相机的内方位元素，因此在非量测相机的标定中具有重要的意义，解求11个参数，其至少需要6个平高点，而且应该避免所有平高点位于同一个平面上。

[0063] 把三维DLT方法获得的外方位元素作为光束法平差计算中外方位元素的初值，利用光束法平差进行平差计算后，能够更为准确的还原光束形状，获得相机的内外方位元素。通常相机镜头存在畸变，较大地畸变会影响相机的标定精度，因此在标定时需要在平差模型中纳入畸变改正参数。

[0064] 加入畸变改正参数的光束法模型：

[0065]

[0066] 其中fx fy分别是xy两个方向的焦距，x0 y0 fx fy是内方位元素。

[0067] XS YS ZS是外方位线元素，a1 b1 c1 a2 b2 c2 a3 b3 c3是由外方位角元素所构成的方向余弦.ΔxΔy为畸变改正。

[0068] 旋转矩阵采用Y-X-Z转角系统

[0069]

[0070] 其中：

[0071]

[0072]

[0073]

[0074] b1＝cosωsinκ

[0075] b2＝cosωcosκ

[0076] b3＝-sinω

[0077]

[0078]

[0079]

[0080] 畸变改正模型为：

[0081]

[0082] 其中K1 K2为径向畸变参数，P1 P2为切向畸变参数，(x，y)为像素坐标，(x0 y0)为像主点坐标，r2＝(x-x0)2+(y-y0)2对共线方程的进行线性展，得到误差方程为：

[0083]

[0084]

[0085] 其中：

[0086]

[0087]

[0088]

[0089] 公式(6)可以写为v＝BδX-l的形式，是一种间接平差模型，可以根据间接平差的方法进行求解。

[0090] 二、获得相机的外方位元素：

[0091] 相机在室外等非标定场进行安装后，考虑到相机的安装高度和安装角度等因素，在相机的可视范围内，安装进行相机标定的设备很困难，由此采用了利用辅助标志点进行定向的方法，定向的模型为：

[0092]

[0093] 其中，

[0094] (Xi Yi Zi)为在标定场利用全站仪测量相机外壳上的标志点的坐标，(Xi′Yi′Zi′)为在非标定场利用全站仪测量相机外壳上的标志点的坐标，模型为刚体变换模型，因此，变换矩阵的缩放参数λ为1。其中(ai bi ci)为外方位角元素 ωt κt所构成的方向余弦， ωt κt ΔX ΔY ΔZ为需要求解的定向元素。求解模型至少需要两个平高控制点和一个高程控制点，并且三个控制点不能在一条直线上。

[0095] 利用所得的旋转矩阵和平移矩阵对标定场内的相机的外方位元素进行变换，得到在非标定场相机的外方位元素。假设同一个相机在第一个位置的外方位元素为 ωκXS YS ZS，在第二个位置的外方位元素为 ω′κ′XS′YS′ZS′，则它们之间的变换关系表示为：

[0096]

[0097] 三、利用同名像点进行前方交会和精度分析：

[0098] 利用同名像点，相机的内参数和畸变参数。以及由公式(9)恢复的外方位元素进行前方交会，求解物方点坐标。模型参照公式(4)和公式(5)，展开后公式如下：

[0099] (x-x0-Δx)[a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]＝

[0100] -fx[a1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)]    (10)

[0101] (y-y0-Δy)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)＝

[0102] -fy[a2(X-XS)+b2(Y-YS)+c2(Z-ZS)]

[0103]

[0104] 其中：

[0105] l1＝fa1+(x-x0-Δx)a3，l2＝fb1+(x-x0-Δx)b3，l3＝fc1+(x-x0-Δx)c3[0106] lx＝fa1Xs+fb1Ys+fc1Zs+(x-x0-Δx)a3Xs+(x-x0-Δx)b3Ys+(x-x0-Δx)c3Zs，[0107] l4＝fa2+(y-y0-Δy)a3，l5＝fb2+(y-y0-Δy)b3，l5＝fc2+(y-y0-Δy)c3，[0108] ly＝fa2Xs+fb2Ys+fc2Zs+(y-y0-Δy)a3Xs+(y-y0-Δy)b3Ys+(y-y0-Δy)c3Zs，[0109] 其中fx fy分别是x，y两个方向的焦距，x0 y0 fx fy是内方位元素。XS YS ZS是外方位线元素，a1 b1 c1 a2 b2 c2 a3 b3 c3是由外方位角元素所构成的方向余弦.Δx Δy为畸变改正，xy是图像上的像点的坐标.XYZ为图像上的像点xy对应的实际三维坐标点。

[0110] 对同名像点来说，可以列出四个方程，求解XYZ三个未知数，由于该方程组是线性的，因此不需要为方程提供初值。利用交会得到的控制点和实际控制点坐标，求得模型的中的误差。

[0111] 四、试验与分析：

[0112] 在一个具体实施方式中现场采用德国basler相机，5mm的镜头，在相机的外围贴6个反光膜片作为辅助标志点，用来进行全站仪观测。试验采用在三维标定控制场进行模拟的方法，首先把相机分别放在控制场内3个位置(8、9、10)上，按照三维DLT-光束法平差进行标定，获得相机在3个位置上的相机参数。然后，让第二位置9和第三位置10模拟相机在非标定场的情况，利用辅助标志点定向恢复相机的参数。在实验中，在控制场中让同一个相机在3个不同的位置对控制场进行拍照，并用全站仪对每一个位置上的相机外壳上6个反光模片进行测量，在位置8、9、10处分别对标定场进行拍照，在位置9和位置10处相机获得的图像上提取控制点，得到同名点128个，利用三维DLT-光束法平差求解相机的内、外位元素和畸变系数，然后进行前方交会得到控制点坐标，其与已知的控制点坐标差值如图5所示，误差为
2.1038mm。对全站仪测量数据进行处理，获得相机外围的六个点的位置。求得位置8处6个点和位置9处的6个点的变换参数(R12，T12)，求得位置8处6个点和位置10处的6个点的变换参数(R13，T13)，利用公式(9)求得位置9和位置10处相机的外方位元素( ω2′κ2′XS2′YS2′ZS2′)和( ω3′κ3′XS3′YS3′ZS3′)，利用前方交会得到物方点坐标，与控制点已知值进行比对，差值分布如图6，采用这种方法中误差为20.5813mm。试验表明：在基高比为1∶3的情况下，采用辅助标志点定向得到的点精度在20mm左右，这种方法可以很好的模拟恢复相机在非标定场中的姿态，可预先有效验证相机参数标定的精度，之后应用于室外的标定测量时，使得在通过摄影测量方法进行室外监视飞行物时，保证通过相机摄影测量进行无人机等飞行物的监视时的精度和质量。本发明方案可预先有效验证相机参数(如外方位元素)标定的精度，之后可应用于室外的标定测量，以预估室外安装相机进行交会定位的精度和质量，指导工程的实施，使得在通过摄影测量方法进行室外监视飞行物时，保证通过相机摄影测量进行无人机等飞行物的监视时的精度和质量。

[0113] 基于同一构思，本发明实施例还提供一种利用标志点定向求解相机外方位元素的方法，该方法以上述实施例所示的利用标志点定向求解相机外方位元素的系统为载体执行，具体包括如下步骤：

[0114] S101、采用同一相机在预定的室内三维标定控制场中的三个不同的位置分别对所述三维标定控制场进行拍照，获得至少三张图像；其中，所述至少三张图像包括与控制点对应的同名像点，所述控制点预先设定于所述三维标定控制场内；

[0115] S102、用全站仪分别测量得到所述相机位于所述三个不同的位置时所述相机外壳上的辅助标志点的位置坐标；

[0116] S103、获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，分别得到所述相机在所述三个不同的位置时的相机参数；其中所述相机参数包含外方位元素；

[0117] S104、将所述三个不同的位置中的第一位置作为检校场检校的相机位置，将所述三个不同的位置中的第二、第三位置看作非三维标定控制场内的相机位置，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标。

[0118] 具体的，同一相机在所述三个不同的位置对三维标定控制场进行拍照时，每个位置处拍摄的照片均不少于1张。所述步骤三中获取并根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的所述控制点的坐标进行所述相机的标定，具体为：根据所述至少三张图像上的同名像点和对应的控制点的坐标，利用三维DLT-光束法平差进行所述相机的标定。所述利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，具体为：计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第二位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第一变换参数，利用所述第一变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第二位置的外方位元素；计算在所述第一位置时所述相机外壳上的辅助标志点与在所述第三位置时所述相机外壳上的辅助标志点的坐标之间的第二变换参数，利用所述第二变换参数和所述相机在所述第一位置的外方位元素，求得所述相机在第三位置的外方位元素。

[0119] 在一个实施例中，所述步骤四中，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标，具体包括：根据所述相机在第二位置的外方位元素、所述相机在第三位置的外方位元素和所述步骤三中得到的同名像点的坐标和第一位置处的相机参数，交会得到所述控制点的交会位置，将所述控制点的交会位置坐标与已知的所述控制点坐标比较，判断精度误差；其中所述第一位置处的相机参数为内方位元素和畸变系数。需要说明的是，该方法实施例与前述系统实施例互相对应，可参看图7所示流程，具体参考前述系统实施例中的对应描述，此处不再详述。

[0120] 本发明通过在室内三维标定控制场进行标定得到相机的相机参数，利用所述全站仪分别测量到的所述相机在所述三个不同的位置时所述辅助标志点的位置坐标和所述相机在第一位置的相机参数，恢复所述相机在第二位置和第三位置的相机参数，利用恢复后的所述相机在第二位置和第三位置的相机参数进行前方交会，得到所述控制点的位置坐标。本发明方案可预先有效验证相机参数(如外方位元素)标定的精度，之后可应用于室外的标定测量，以预估室外安装相机进行交会定位的精度和质量，指导工程的实施，使得在通过摄影测量方法进行室外监视飞行物时，保证通过相机摄影测量进行无人机等飞行物的监视时的精度和质量。

[0121] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。