[發明專利]一種河工模型試驗三維地形的量測方法

有效

• 申請號: 201210033188.0
• 申請日: 2012-02-14
• 公開（公告）號: CN102538763A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 王興奎;孟震;任海濤;陳啟剛;李丹勛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01C11/04
• 分類號: G01C11/04
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于水利量測技術領域，特別是河工模型試驗的復雜三維地形的動態量測。

背景技術

在水利工程的河工模型試驗中，河床地形將隨著河道的沖淤過程而變化，如河岸坍塌、邊灘消長等。實時監測河道的變形是河工模型試驗的關鍵技術。

現有的河工模型地形測量技術多為單點測量，常用的方法一般有①鋼尺測量法、②測針測量法、③光電式地形儀、④電阻式地形儀、⑤超聲波地形儀等，并且前4個測量方法為接觸式，操作過程中會對床面造成破壞。另外，這些傳統的測量方法費工費時，以常用的④或⑤為例，首先要在模型河道上布置測量橫斷面，在兩岸安裝軌道并在軌道上架設測橋、安裝測車，采用安裝在測車上的超聲地形儀、電阻測淤儀等在測橋上自動行走，測量斷面上各點的河床高度，繼而通過相關軟件重構河道的三維地形。北京尚水信息技術股份有限公司的產品“超聲地形自動測量分析系統”具有代表性。但是此類單點測量方法工作量過大、數據量過少、測量效率過低，三維重構的精度不高。

近年來，作為非接觸式量測技術的激光掃描儀在河工模型地形量測領域內得到了一定的發展，如瑞士的徠卡HDS3000三維激光掃描儀和奧地利的Riegl?LPM-2K三維激光掃描儀，可自動進行三維地形的單點連續掃描，并將掃描的散點數據重構生成三維地形。其性能指標：掃描距離2-150米；掃描精度2-6毫米；掃描角度270×360度；掃描速度1000點/秒。該儀器測量精度高，掃描的速度快，不需要軌道、測橋、測車等輔助設施，很適合于固定構造物的一次性精確掃描，如城市勘察、文物建筑測繪等。但在用于河工模型試驗中的動態河床測量時，每次移動都需要重新標定儀器的三維坐標和水平方向角；由于一次地形的測量工作量很大，難以實現實時測量；當儀器視線與被測地形的夾角較小時，測量精度較差，甚至會因為地形起伏的遮擋而產生錯誤；且該儀器的價格昂貴。

近幾十年來，雙目立體視覺技術在工業、農業、軍事、考古、交通等相關領域得到了極大的應用與發展，如機器人快速移動避障礙、植物葉片三維立體重建、月球、火星表面地形探測等。雙目立體視覺是通過對同一目標的兩幅圖像提取、識別、匹配，重建三維環境信息的過程。主要包括：圖像捕獲、攝像機標定、圖像預處理和特征提取、立體匹配以及所測物體表面形狀三維重建。該技術在河工模型地形量測方面也得到了初步的嘗試，如河海大學毛野等人運用該技術研究河道采砂對長江鎮江段河床演變的影響等，但是類似的嘗試在河工模型床面上特征點的示蹤、匹配、提取及三維空間坐標計算等問題上并沒有得到很好的解決。

發明內容

本發明提出了一種河工模型試驗的三維地形動態測量方法，用以實時量測河工模型試驗中床面的三維形態。本方法基于雙目立體視覺原理，利用圖像攝取技術、激光矩陣光源示蹤技術和三維地形重構技術來實時量測河工模型試驗中床面的三維形態。具有經濟實用、安全可靠、質量高的優點。

本發明提出的一種河工模型試驗三維地形的測量方法，其特征在于，采用兩臺參數相同的數碼相機，一臺連續激光矩形點陣示蹤光斑發射裝置，以及分別與兩臺數碼相機相連的一臺計算機；所述連續激光矩形點陣示蹤光斑發射裝置由連續激光器和微調光柵所組成；該微調光柵在河工模型床面上投射出不同間距及大小的矩形點陣示蹤光斑，其中矩形點陣示蹤光斑中心點為定位點O；

該方法，包括以下步驟：

1)首先進行相機焦距f、兩相機兩焦點距離L以及相機偏角φ標定：

1-1)相機焦距f標定計算公式為：

f=a(ΔX)(y1-y2)]]>

式中，a為CCD較短一邊的邊長，y₂指相機初始拍攝垂向最大高度，y₁為相機沿其光軸軸向向后移動ΔX后所拍攝的垂向最大高度(y₁＞y₂)；