CN108871204B - 摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法，包括步骤：a)建立测量场，所述测量场包括反光点和背景；b)标定基准尺；c)将所述基准尺设置在所述测量场内，并以同一姿态保持稳定；d)在测量场内,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片；e)获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片；f)通过所述全局平差测量网络图片获取空间点的三维坐标；g)识别不同位置的基准尺，并计算各位置基准尺长度；h)求解所述基准尺的平均长度

和不确定度u(S_i)；i)通过所述基准尺的平均长度

和不确定度u(S_i)计算长度测量相对误差的品质参数B；j)获得检验测量仪器是否合格结果。

Description

摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法

本申请是申请日为2016年05月06日，申请号为201610297146.6，发明名称为摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种测量相对误差的绝对评价方法，尤其涉及对近景摄影测量系统进行测量精度的实验室评价。

背景技术

摄影测量技术一直被认为具有高精度、非接触、低成本和高效率的测量技术和手段。任何测量仪器都需要明确其测量不确定度，具有可靠、客观的精度评价数据，使用单位根据自己的测量精度需求选择合适的测量手段和测量仪器。

摄影测量技术出现之后很长的一段时间并未出现这样的评价标准和手段，生产商和研究者都在尝试通过各种方式对摄影测量的精度进行评估和描述，主要使用以下几种：

1.像面精度。这种方式通过光束平差结论中的像点坐标残余误差统计来描述平差质量，并定量描述测量精度；

2.空间坐标误差估计。这项指标是平差理论和技术的副产品，在平差过程结束后，通过随机误差传递模型，估计待求参数的误差。

这两种精度评价方法在本质上是一样的，只是第二种方式将像面精度的统计结果进行了误差传播分析。他们都是机械的、由像面到空间的误差传递模型，是依赖相机模型的相对精度指标，并不代表空间绝对测量精度。不同的成像模型往往会带来相同的精度指标，因此，指出自标定光束平差的内部精密度不能反映物空间的测量精度，数值上较小的物空间坐标均方根误差估计往往低估了空间长度测量的误差水平，有时候相差一个数量级。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法，包括步骤：

a)建立测量场，所述测量场包括反光点和背景；

b)标定基准尺；

c)将所述基准尺设置在所述测量场内，并以同一姿态保持稳定；

d)在测量场内,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片；

e)获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片；

f)通过所述全局平差测量网络图片获取空间点的三维坐标；

g)识别不同位置的基准尺，并计算各位置基准尺长度；

h)求解所述基准尺的平均长度S和不确定度u(S_i)；

i)通过所述基准尺的平均长度S和不确定度u(S_i)计算长度测量相对误差的品质参数B；

j)获得检验测量仪器是否合格结果。

优选地，所述步骤a中所述反光点设置为至少包括编码反光点，还包括普通反光点，其中所述反光点数量为至少40个。

优选地，所述步骤b中标定基准尺的方法为将所述普通返光点固定于所述基准尺的两端，标定基准尺长度。

优选地，所述步骤d的第一方式为：所述编码点法向方向与相机光轴交会角平分线平行，并且所述基准尺位置覆盖被测物体积空间且有深度方向的变化。

优选地，所述步骤d的第二方式为：

d1)均匀划分测量场，至少具有15个用于划分空间的节点；

d2)移动基准尺至某个节点位置；

d3)在每个节点位置，旋转基准尺，当基准尺与水平方向具有0°， 45°，90°和135°时，短暂保持当前姿态；

d4)控制相机拍摄基准尺图像；

d5)重复步骤d3和步骤d4，遍历所有节点，获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片。

优选地，所述步骤d5)中重复步骤d3和步骤d4至少60次，以遍历所有空间节点位置。

优选地，所述至少15个不同位置点的排布方式为所述工业相机所处的最边缘两个位置相对于所述测量场的中心角度为至少90°。

优选地，所述步骤h)中计算所述不确定度u(S_i)方法为：

h1：以校准长度与平均长度的比值作为比例因子，对所有重建的基准长度进行缩放，经缩放后，各测量长度分别为：

k_sS₁ k_sS₂ … k_sS_n

通过所述不同位置基准尺的长度求解相应的长度测量相对误差Δr_i

其中，ΔS_i为所述重建出的n个位置基准尺长度的误差，

h2：获取所述相对误差均值

h3:获取相对误差的不确定度u(S_i)

优选地，所述步骤i)中计算所述品质参数B的方法为：

B＝k·u(Δr_i)

其中，所述品质参数B定义为长度测量相对误差的扩展不确定度；k 为比例因子。

优选地，所述步骤j)中检验测量仪器是否合格的衡量标准为所述品质参数B小于测量极值，所述测量极值的计算方法为

E＝A+K·L

其中，A和K是常数，L是待测长度。

优选地，所述步骤b后还包括步骤b1：设计拍摄的站位及网络规划，使得所述基准尺的不同位置的拍摄图片具有良好的网络分布，并且所述基准尺的所有位置的测量图片整体站位不重复。

优选地，所述基准尺的材料选自碳纤维或低膨胀合金。

优选地，所述基准尺设置为固定在可活动机构上，所述可活动机构选自支架或机械臂。

总结上述描述，本发明针对国内在摄影测量专用基准长度计量领域技术落后的背景条件下，本研究提供一种长度测量相对误差的评价方法，此项技术不依赖于基准长度的计量精度，可以认为长度样本不存在计量误差。在此评价体系下得到的长度测量相对误差及其不确定度具有绝对意义。

本发明主要实现了以下技术效果：

1、建立静态摄影测量仪器评价体系；

2、在此评价体系下的仪器品质参数的确定；

3、此评价体系或方法的实施流程。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为根据本发明的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法的步骤流程图；

图2a为验证本发明的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法的实验测量场；

图2b为根据本发明的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法的实验测量场中的基准尺；

图3a为相机拍摄的方法示意图；

图3b为工业相机在测量场中所处极限位置的示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

摄影测量技术一直被认为具有高精度、非接触、低成本和高效率的测量技术和手段。任何测量仪器都需要明确其测量不确定度，具有可靠、客观的精度评价数据，使用单位根据自己的测量精度需求选择合适的测量手段和测量仪器。摄影测量技术出现之后很长的一段时间并未出现这样的评价标准和手段。

针对国内在摄影测量专用基准长度计量领域技术落后的背景条件，本发明提供一种长度测量相对误差的评价方法，此项技术不依赖于基准长度的计量精度，可以认为长度样本不存在计量误差。在此评价体系下得到的长度测量相对误差及其不确定度具有绝对意义。本发明的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法主要包括以下部分：建立静态摄影测量仪器评价体系；对在此评价体系下的仪器品质参数进行确定；制定了此评价体系的方法实施流程。

如图1所示，提供了根据本发明提供一种摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法，包括步骤：

步骤101：建立测量场；

如图2a所示为步骤101中的测量场，包括反光点201和背景202；

根据本发明的一个实施例，所述步骤101中反光点201设置为至少包括编码反光点201a，还包括普通反光点201b，其中所述反光点201数量为至少40个。

步骤102：标定基准尺，如图2b所示；

根据本发明的一个实施例，所述步骤102中标定基准尺的方法为将所述普通返光点201b固定于所述基准尺203的两端，标定基准尺长度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤102后还包括步骤b1：设计拍摄的站位及网络规划，使得所述基准尺的不同位置的拍摄图片具有良好的网络分布，并且所述基准尺的所有位置的测量图片整体站位不重复。

步骤103：将所述基准尺设置在所述测量场内，并以同一姿态保持稳定；

步骤104：在测量场内,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片；

根据本发明的一个实施例，所述步骤104的第一方式为：所述编码点法向方向与相机光轴交会角平分线平行，并且所述基准尺位置覆盖被测物体积空间且有深度方向的变化。

例如在至少15个不同位置点用工业相机分别以水平方向和垂直方向对所述测量场拍摄图片，如图3a所示，同一位置的相机分别位于水平方向302b和竖直方向302a对测量场301进行拍摄。

根据本发明的一个实施例，所述至少15个不同位置点的排布方式为所述工业相机所处的最边缘两个位置相对于所述测量场的中心角度为至少90°，如图3b所示，为工业相机在测量场中所处极限位置的示意图，工业相机所处的最边缘两个位置的相机302和相机303相对于测量场301 的中心位置的夹角304至少为90°。

根据本发明的一个实施例，所述步骤104的第二方式为：d1)均匀划分测量场，至少具有15个用于划分空间的节点；d2)移动基准尺至某个节点位置；d3)在每个节点位置，旋转基准尺，当基准尺与水平方向具有0°， 45°，90°和135°时，保持当前姿态；d4)控制相机拍摄基准尺图像；d5) 重复步骤d3)和步骤d4)，遍历所有节点，获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片。其中，所述步骤d5)中重复步骤d3)和步骤d4)至少60次，以遍历所有空间节点位置。步骤105：获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片；

步骤106：通过所述全局平差测量网络图片获取空间点的三维坐标；

步骤107：识别不同位置的基准尺，并计算各位置基准尺长度；

步骤108：求解所述基准尺的平均长度S和不确定度u(S_i)；

根据本发明的一个实施例，所述步骤h)中计算所述不确定度u(S_i)方法为：

h1：以校准长度与平均长度的比值作为比例因子，对所有重建的基准长度进行缩放，经缩放后，各测量长度分别为：

k_sS₁ k_sS₂ … k_sS_n

通过所述不同位置基准尺的长度求解相应的长度测量相对误差Δr_i

其中，ΔS_i为所述基准尺在n个位置的校准误差，

其中，假设基准尺的长度真值为S₀，基准尺的校准误差为ΔS，于是经过检校后的基准长度为：

S＝S₀+ΔS

在同一精度评估实验中，此基准尺在n个位置的长度测量结果分别为：S₁ S₂ … S_n

长度测量的平均值为：

以校准长度与平均长度的比值作为比例因子：

经缩放后，各测量长度分别为：

k_sS₁ k_sS₂ … k_sS_n

可见，对长度测量直接进行评价，得到的结果均同校准误差ΔS有关，测量结果的不确定度将受校准不确定度影响。

通过下面公式求解长度测量的相对误差：

可见，长度测量相对误差同校准误差ΔS无关，而且回归到对直接测量结果(未缩放)的相对误差分析。

h2：获取所述相对误差均值

h3:获取相对误差的不确定度u(S_i)

可见，本发明中介绍的评价方法中，相对误差不确定度同校准误差ΔS 无关，对它的分析回归到对直接测量结果(未缩放)的不确定度分析，其值等于长度测量结果不确定度与平均长度的比值。

步骤109：通过所述基准尺的平均长度S和不确定度u(S_i)计算长度测量相对误差的品质参数B；

根据本发明的一个实施例，所述步骤109中计算所述品质参数B的方法为：

其中，所述品质参数B定义为长度测量相对误差的扩展不确定度；k 为比例因子。

步骤110：获得待检验的测量仪器是否合格的结果。

根据本发明的一个实施例，所述步骤l)中检验测量仪器是否合格的衡量标准为所述品质参数B与L的乘积是否小于测量极值，所述测量极值的计算方法为：

E＝A+K·L

其中，A和K是常数，L是待测长度。

如果对于一台仪器的评价实验指出扩展不确定度小于测量极值，那么仪器是合格的；反之，如果扩展不确定度大于测量极值，那么仪器是不合格的。

根据本发明的一个实施例，所述基准尺的材料选自碳纤维或低膨胀合金。

根据本发明的一个实施例，所述基准尺设置为固定在可活动机构上，所述可活动机构选自支架或机械臂。

下面通过具体实验来说明根据本发明的方法的技术效果。

应用上述根据本发明的方法，通过具体实验来验证本发明的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法的有效性。实验条件如下，本实验在建立的3.2米*2.4米的测量场内进行，如图2所示，为本实验的摄影测量场实验图。在使用本发明的评价方法前，分别通过场无关的畸变参数模型和场相关的畸变参数模型测量实验场，进一步分析光束平差给出的坐标精度估计RMSE是不可靠的。最后，作为对比，应用本发明的方法对测量场进行实验，给出同理论一致的、两种方法的优劣评价。

本实验采用AVT GE4900工业相机，搭配35mm尼康定焦镜头及商用闪光灯，对测量场拍摄174幅图片。利用相同的图像处理软件获得完全相同的像面观测坐标。利用两种不同模型的平差软件对数据进行处理，得到的像面误差及空间坐标估计如表1和2所示。

表1场相关模型光束平差统计结果(单位：mm)

表2场无关畸变模型光束平差统计结果(单位：mm)

可以看到，两种模型在像面误差及空间坐标平均不确定度两项指标上非常相似，但是最大及标准不确定度具有明显变化，这样的评价给出的结论是，相比物距无关的模型，物距相关的畸变模型精度低，这是有悖理论分析的结果。

所以，作为对比，按照本发明的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法对测量场进行实验，步骤为：

a)建立测量场，所述测量场包括反光点和背景；

b)标定基准尺长度；

c)将所述基准尺设置在所述测量场内，并以同一姿态保持稳定；

d)在测量场内,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片；

e)获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片；

f)通过所述全局平差测量网络图片获取空间点的三维坐标；

g)识别不同位置的基准尺，并计算各位置基准尺长度；

h)求解所述基准尺的平均长度S和不确定度u(S_i)；

i)通过所述基准尺的平均长度S和不确定度u(S_i)计算长度测量相对误差的品质参数B；

j)获得检验测量仪器是否合格结果。

表3像面粗大误差判断标准为1um时的长度测量结果(单位：mm)

表4像面粗大误差判断标准为0.6um时的长度测量结果(单位：mm)

可见，在多站位静态摄影测量中，不论在何种粗大误差判断标准下，场相关的非对焦畸变模型对于长度相对测量的品质参数都要明显优于传统的物距无关的畸变模型。从实验数据上验证了成像模型理论分析的结论，也说明了本研究中的评价体系和流程是有效和准确的。

以上只是本发明较佳的实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (5)

1.一种摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法,包括步骤：

a)建立测量场，所述测量场包括反光点和背景，所述反光点设置为至少包括编码反光点，还包括普通反光点，其中所述反光点数量为至少40个；

b)标定基准尺，标定基准尺的方法为将所述普通反光点固定于所述基准尺的两端，标定基准尺长度；

c)将所述基准尺设置在所述测量场内，并以同一姿态保持稳定；

d)在测量场内,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片，其中，第一方式为：所述编码反光点法向方向与相机光轴交会角平分线平行，并且所述基准尺位置覆盖被测物体积空间且有深度方向的变化；

e)获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片；

f)通过所述全局平差测量网络图片获取空间点的三维坐标；

g)识别不同位置的基准尺，并计算各位置基准尺长度；

h)求解所述基准尺的平均长度

和不确定度u(S_i)；

i)通过所述基准尺的平均长度

和不确定度u(S_i)计算长度测量相对误差的品质参数B：

其中，所述品质参数B定义为长度测量相对误差的扩展不确定度；k为比例因子，Δr_i为长度测量相对误差；

j)获得检验测量仪器是否合格结果。

2.根据权利要求1所述的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法，其特征在于：所述步骤d的第二方式为：

d1)均匀划分测量场，至少具有15个用于划分空间的节点；

d2)移动基准尺至某个节点位置；

d3)在每个节点位置，旋转基准尺，当基准尺与水平方向具有0°，45°，90°和135°时，保持当前姿态；

d4)控制相机拍摄基准尺图像；

d5)重复步骤d3和步骤d4，遍历所有节点，获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片。

3.根据权利要求2所述的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法，其特征在于：所述步骤d5)中重复步骤d3和步骤d4至少60次，以遍历所有空间节点位置。

4.根据权利要求2所述的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法，其特征在于：所述至少15个用于划分空间的节点的排布方式为所述相机所处的最边缘两个位置相对于所述测量场的中心角度为至少90°。

5.根据权利要求1所述的摄影测量中长度测量相对误差的绝对评价方法，其特征在于：所述步骤j)中检验测量仪器是否合格的衡量标准为所述品质参数B与L的乘积是否小于仪器标称的测量极值，所述的仪器测量极值的表示方法为

E＝A+K·L

其中，A和K是常数，L是待测长度。

Images