一种河工模型试验三维地形的量测方法技术

本发明专利技术属于水利量测技术领域，特别涉及三维地形的测量方法。在水利工程的河工模型试验中实时监测河道的变形是河工模型试验的关键技术。基于双目立体视觉原理，利用图像摄取技术、激光矩阵光源示踪技术和三维地形重构技术实时量测河工模型试验中床面的三维形态。集成数码摄像机、激光矩形点阵示踪光斑发射装置和计算机为一体，通过设定的系统安装、相机参数校正、床面上激光点阵光斑投影，经济、安全、高质量地实现河工模型床面示踪、床面图像采集、河床激光示踪点提取及匹配，结合计算公式计算出床面上激光示踪光斑的三维空间坐标。基于计算机，以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标为媒介生成河工模型的地形图。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水利量测
，特别是河工模型试验的复杂三维地形的动态量测。
技术介绍
在水利工程的河工模型试验中，河床地形将随着河道的冲淤过程而变化，如河岸坍塌、边滩消长等。实时监测河道的变形是河工模型试验的关键技术。现有的河工模型地形测量技术多为单点测量，常用的方法一般有①钢尺测量法、 ②测针测量法、③光电式地形仪、④电阻式地形仪、⑤超声波地形仪等，并且前4个测量方法为接触式，操作过程中会对床面造成破坏。另外，这些传统的测量方法费工费时，以常用的④或⑤为例，首先要在模型河道上布置测量横断面，在两岸安装轨道并在轨道上架设测桥、安装测车，采用安装在测车上的超声地形仪、电阻测淤仪等在测桥上自动行走，测量断面上各点的河床高度，继而通过相关软件重构河道的三维地形。北京尚水信息技术股份有限公司的产品“超声地形自动测量分析系统”具有代表性。但是此类单点测量方法工作量过大、数据量过少、测量效率过低，三维重构的精度不高。近年来，作为非接触式量测技术的激光扫描仪在河工模型地形量测领域内得到了一定的发展，如瑞士的徕卡HDS3000三维激光扫描仪和奥地利的Riegl LPM-2K三维激光扫描仪，可自动进行三维地形的单点连续扫描，并将扫描的散点数据重构生成三维地形。其性能指标扫描距离2-150米；扫描精度2-6毫米；扫描角度270 X 360度；扫描速度1000点/ 秒。该仪器测量精度高，扫描的速度快，不需要轨道、测桥、测车等辅助设施，很适合于固定构造物的一次性精确扫描，如城市勘察、文物建筑测绘等。但在用于河工模型试验中的动态河床测量时，每次移动都需要重新标定仪器的三维坐标和水平方向角；由于一次地形的测量工作量很大，难以实现实时测量；当仪器视线与被测地形的夹角较小时，测量精度较差， 甚至会因为地形起伏的遮挡而产生错误；且该仪器的价格昂贵。近几十年来，双目立体视觉技术在工业、农业、军事、考古、交通等相关领域得到了极大的应用与发展，如机器人快速移动避障碍、植物叶片三维立体重建、月球、火星表面地形探测等。双目立体视觉是通过对同一目标的两幅图像提取、识别、匹配，重建三维环境信息的过程。主要包括图像捕获、摄像机标定、图像预处理和特征提取、立体匹配以及所测物体表面形状三维重建。该技术在河工模型地形量测方面也得到了初步的尝试，如河海大学毛野等人运用该技术研究河道采砂对长江镇江段河床演变的影响等，但是类似的尝试在河工模型床面上特征点的示踪、匹配、提取及三维空间坐标计算等问题上并没有得到很好的解决。
技术实现思路
本专利技术提出了一种河工模型试验的三维地形动态测量方法，用以实时量测河工模型试验中床面的三维形态。本方法基于双目立体视觉原理，利用图像摄取技术、激光矩阵光源示踪技术和三维地形重构技术来实时量测河工模型试验中床面的三维形态。具有经济实用、安全可靠、质量高的优点。本专利技术提出的一种河工模型试验三维地形的测量方法，其特征在于，采用两台参数相同的数码相机，一台连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，以及分别与两台数码相机相连的一台计算机；所述连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置由连续激光器和微调光栅所组成；该微调光栅在河工模型床面上投射出不同间距及大小的矩形点阵示踪光斑，其中矩形点阵示踪光斑中心点为定位点0 ；该方法，包括以下步骤1)首先进行相机焦距f、两相机两焦点距离L以及相机偏角Φ标定1-1)相机焦距f标定计算公式为权利要求1. 一种河工模型试验三维地形的测量方法，其特征在于，采用两台参数相同的数码相机，一台连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，以及分别与两台数码相机相连的一台计算机；所述连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置由连续激光器和微调光栅所组成；该微调光栅在河工模型床面上投射出不同间距及大小的矩形点阵示踪光斑，其中矩形点阵示踪光斑中心点为定位点0 ；该方法，包括以下步骤1)首先进行相机焦距f、两相机两焦点距离L以及相机偏角Φ标定1-1)相机焦距f标定计算公式为f _ a(AX)(yi~y2)式中，a为CCD较短一边的边长，y2指相机初始拍摄垂向最大高度，Y1为相机沿其光轴轴向向后移动Δ X后所拍摄的垂向最大高度(yi > y2)；1-2)两焦点距离 L 标定为:￡ = 2AsinAC0S(Qf+/ i)Sinor1式中，L1为OB1的长度，0为定位点，B1为与点B在左相机成像面上具有相同像素坐标的床面上的一点，点B为在点0垂直向上y高度处的一点；角度α工为点0与左相机焦点F1 的连线F1O与直线F1B1的夹角，角度β工为点0与点B1的连线B1O与直线B1F1的夹角，其中 α工和β工在标定时计算出α i = arctan (O1P1Zf) ,^1 = arctan (y/L,)，O1P1为床面上线段 OB1在左相机像平面上的图像长度；1-3)相机偏角Φ标定为φ = α j+β j式中，α &为直线F1O与直线F1B1之间的夹角为直线B1O与直线B1F1之间的夹角；2)照相机标定完成后，在两相机焦点中间位置垂直向下安装连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，激光示踪光斑中心点为定位点0，定位点0在左右两相机像平面的成像分别为两相机像平面的中心点O1和A ；左右两相机成像面以中心点O1和&为原点分别建立各自的直角坐标系X1O1Y1和&&y2，床面上也以点0为中心点建立坐标系Χ0Υ，将两相机像平面及床面均分成四个象限，且每个象限所包含或所成像的激光示踪斑点一一对应；3)对床面进行拍照，分别得到左右两相机所拍摄的系列照片；对所述系列照片进行噪声处理、畸变处理、像素二值化及对示踪光斑边缘检测的常规预处理，以及进行示踪光斑中心坐标的计算，再对示踪光斑进行匹配及特征提取，获得床面上同一个示踪光斑点P分别在左右两相机像平面上的像素坐标P1OiIlp, nlp) *P2(m2p，n2p)，再根据相机像素与CXD物理尺寸的转换关系，将示踪光斑点P在左右相机像平面上的像素坐标分别转化为像平面上的图像坐标 P1 (xlp, ylp)和 P2 (x2p, y2p)；4)以左相机焦点&(0，0，0)为原点建立三维空间坐标系O-XYZ=F1F2为X轴、从点F1向下引垂线为Z轴，过点F1沿河床纵向方向为Y轴，根据数码相机的标定参数f、L、Φ，将床面上每个示踪光斑点P在左右两相机像平面上的图像坐标P1Uwylp) *P2(x2p，y2p)按转换公式换算为空间坐标系O-XYZ中的三维空间坐标P 0(P，Yp, Zp)；激光示踪光斑图像坐标与三维空间坐标的转换公式为全文摘要本专利技术属于水利量测
，特别涉及三维地形的测量方法。在水利工程的河工模型试验中实时监测河道的变形是河工模型试验的关键技术。基于双目立体视觉原理，利用图像摄取技术、激光矩阵光源示踪技术和三维地形重构技术实时量测河工模型试验中床面的三维形态。集成数码摄像机、激光矩形点阵示踪光斑发射装置和计算机为一体，通过设定的系统安装、相机参数校正、床面上激光点阵光斑投影，经济、安全、高质量地实现河工模型床面示踪、床面图像采集、河床激光示踪点提取及匹配，结合计算公式计算出床面上激光示踪光斑的三维空间坐标。基于计算机，以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标为媒介生成河工模型的地形图。文档编号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴奎，孟震，任海涛，陈启刚，李丹勋，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：