论文总字数：23033字

摘 要

在生物多样性调查、文化遗产记录等应用场景中，地理坐标信息和图像信息常常需要同时准确记录。目前的解决方案大多是数码相机和GPS结合，在拍摄数码照片时标记GPS坐标，以此来进行高效率、高精度的记录，这中间需要专业的可外接GPS模块的数码相机，其成本较高，性价比较低；同时，科技发展带来更高的需求，室外场景3D重建成为研究领域的热点，以上系统无法实现这一需求，实用性较低。3D重建的技术核心是高精度三维坐标的采集，目前的立体视觉系统精度不够，激光雷达系统又成本较高。故为了实现以上两种目标，本论文开发出了一套成本低廉且可以直接使用的信息采集系统，其中包括摄像机模块、GPS模块及相应的电源系统和存储方案，其中摄像机模块为深度双目相机，GPS模块包括一块司南导航板卡和GNSS天线。后面的试验数据用来调查校准精度和稳定性以及可实现的绝对和相对精度，数据分析的结果表明系统可以满足大多数应用长的中等精度要求。

关键词：近距离摄影测量，GPS模块，低成本，信息采集系统

Abstract

In the application scenarios of biodiversity survey and cultural heritage Records, geo-coordinate information and image information often need to be accurately recorded at the same time. The current solution is mostly digital cameras and GPS combination, in the shooting of digital photos to mark the GPS coordinates, in order to carry out high efficiency, high-precision record, this middle need professional can external GPS module digital camera, its cost is higher, the price is low; at the same time, the development of science and technology brings higher demand, outdoor scene 3D reconstruction becomes the hot spot in the research field, the above system cannot realize this demand, the practicability is low. 3D reconstruction technology is the core of high-precision three-dimensional coordinate acquisition, the current stereo vision system is not enough precision, laser radar system and high cost. Therefore, in order to achieve the above two objectives, this paper develops a low-cost and direct-use information collection system, including camera module, GPS module and corresponding power system and storage scheme, in which the camera module is a deep binocular camera, and the GPS module includes a Sinan navigation board and a GNSS antenna. The subsequent test data are used to investigate calibration accuracy and stability and to achieve absolute and relative accuracy, and data analysis results indicate that the system can meet the medium-precision requirements for most applications.

KEY WORDS: Close-Range Photogrammetry, GPS Module, Low cost, Information collection System

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 谷歌街景车 1

1.2.2 无人机 2

1.2.3 Microsoft Kinect 3

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 5

第二章 GPS和Camera的技术原理 6

2.1 GPS技术原理 6

2.1.1 GPS的组成 6

2.1.2 GPS系统特点 6

2.1.3 GPS定位基本原理 6

2.1.4 GPS测量的数据处理 8

2.2 Camera数据采集原理 10

2.2.1 基于单目视觉的数据采集 10

2.2.2 基于双目视觉的数据采集 11

2.2.3 基于深度视觉的数据采集 11

第三章 信息采集系统硬件集成 15

3.1 硬件整体框架 15

3.2 系统集成方案 16

3.2.1 GPS模块选型 16

3.2.2 Camera模块选型 16

3.2.3系统设计与处理 17

3.2.4钻孔与固定操作 18

3.2.5系统展示 18

3.3 电源板与数据传输模块的设计 20

第四章 系统测试与验证 21

4.1 GPS测试 21

4.2 Camera测试 22

总 结 24

5.1 工作内容 24

5.2 不足与展望 24

参考文献 25

鸣谢 26

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

随着科技的发展，计算机技术、嵌入式系统等知识逐渐开始应用于地质勘测、生物多样性调查中，其主要原因是借助物联网技术，可以将测试设备无缝连接起来，简化用户的测试流程，测试数据自动采集、传输、处理，并由 ＧＩＳ软件自动生成各种专题地质图。其中，测试设备主要采集的数据包括地理坐标信息、图像信息和地质土壤信息等，随着数字技术的不断发展，大多数应用场景需求更便宜的设备和更方便的数据处理手段来实现这些功能。目前有一些方案可以实现相应的要求，但无法保证较低的成本，性价比较低。

在另一个应用场景中，文化遗产具有被腐蚀、蓄意破坏和由于社会和经济进步，灾害和武装冲突造成损害的风险，由于这种风险，亟需进行相关的文化遗产记录工作；全面和准确的文件可以减少遗产损失的风险，在最坏的情况下，可以作为重建的基础。近距离摄影测量在过去已被证明是非常适合遗产记录的（Clowes，2002; Arias等人，2005; Yilmaz等人，2007）实际上，文化遗产记录国际协会（CIPA）就是被建立用来探讨这种可能性的（CIPA，2010）。数字技术的最新进展，更便宜的设备和更快数据处理手段加速了这一趋势。通过适当的校准，消费者等级数码相机可以达到足以满足许多遗产的精度水平记录任务（Bosch等人，2005; Wackrow等人，2007）。虽然目前有类似的工具在3D国家参考系统内记录数据，然而建立已知的协调的目标点用于外部方向估计仍然是耗时和昂贵的，需要专业的测量知识。特别是在成本削减的时候，高成本会阻碍文化遗产得到充分记录。直接外部方向测量（即通过信息采集系统直接进行近距离测量）可以通过避免昂贵的目标点来克服这个问题，可以帮助非测量专家来实现在适当的地方记录文化遗产参考系统。

因此，本文希望开发出的基于GPS和摄像机模块的信息采集系统拥有很高的实用性，可用于野外生物调查、室外场景3D重建和3D文化遗产记录等近距离摄影测量中；加上本次开发使用的元件均为低成本产品，本系统同时有很高的性价比。

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