[發明專利]一種基于變高單應的河流水面攝影測量方法

有效

• 申請號: 201310432166.6
• 申請日: 2013-09-22
• 公開（公告）號: CN103487033A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 張振;徐立中;陳哲
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 虞希光

技術領域

本發明涉及一種攝影測量方法，尤其涉及一種基于變高單應的河流水面攝影測量方法，屬于數字攝影測量技術領域。

背景技術

攝影測量是通過對成像系統拍攝的圖像進行分析計算，測量出被測物體在三維空間中幾何參數和運動參數的一種測量手段。攝影成像過程是從三維空間向二維圖像的映射，這種從高維空間向較低維空間的映射關系就是投影。圖像中像素的灰度值反映了空間點的光強，而該像素的圖像位置對應于空間點的幾何位置，二者位置間的相互對應關系由成像系統的成像模型決定。

河流水面攝影測量是河流水面成像測速方法的重要組成部分，是一種非接觸式的明渠水流監測技術。相比工業檢測中的機器視覺以及測繪工程中的近景攝影測量，它存在以下難點：（1）圖像透視畸變嚴重。機器視覺通常以中小型工件為檢測對象，視場面積一般在數平方米以內；而河流水面成像測速需要覆蓋幾十至數千平方米的水域，在無法將相機架高的情況下，通常只能以一個較小的傾斜視角拍攝水面圖像，導致嚴重的圖像透視畸變，進而引起圖像遠場空間分辨率的損失。（2）控制點布設困難。近景攝影測量通常以建筑物等可達的目標為對象，易于在其表面設置合作標志；而在流動的水面布設控制點幾乎不可行，特別是在高洪期涉水工作存在極大風險。（3）水面高程動態變化。高洪期山溪性河流的水位暴漲暴落，短時內變幅可達數米，如果在流場定標時不對水位參數進行修正將產生較大的誤差，這種影響在小角度下尤為嚴重。（4）光學系統存在像差。非量測相機的光學畸變不可忽略，尤其在使用廣角鏡頭時，遠離圖像中心像素的畸變更為明顯?，F有基于直接線性變換（DLT）的方法未考慮像差的影響，難以滿足大尺度河流水面的高精度攝影測量需求。上述問題制約了河流水面成像測速方法的應用推廣。

發明內容

本發明針對現有方法存在的不足，提供了一種基于變高單應的河流水面攝影測量方法。

該方法通過以下技術手段實現：

基于變高單應的河流水面攝影測量方法，分為以下六個步驟：

（1）布設測量系統。將用于河流水面攝影測量的數字相機1架設于測驗河段水尺2斷面附近的河岸上，以傾斜視角拍攝河流水面，成像分辨率應保證水尺的刻度清晰可辨；在河流兩岸相機視場內的岸坡上均勻對稱地布設8個非共面的地面控制點GCP3；在對岸上、下游的岸坡上布設兩根垂直于水面的標志桿4，將標志桿4及水尺2和水面的交點作為水面控制點WCP；將一臺免棱鏡全站儀5架設于相機附近，測量所有GCP和WCP的世界坐標；

（2）提取GCP圖像坐標。采用人機交互的方式從圖像中提取GCP的亞像素圖像坐標；

（3）求解DLT系數。采用直接線性變換法求解DLT系數；

（4）優化像差系數。采用非線性迭代法優化像差系數。

（5）求解水面高程系數。提取實時水位值并利用3個WCP的世界坐標計算比降系數和水位系數，建立水面高程模型；

（6）計算像點物方坐標。通過變高單應關系將水面像點坐標轉換為物方坐標，完成河流水面攝影測量。

所述的GCP采用20×20cm的方形對角標志，由4個黑白相間的角形區域組成；

所述的兩根標志桿的間距不大于相機視場中近岸水面邊界的寬度，標志桿的長度大于河段水位的最大變幅；

所述的人機交互的方式是指：首先通過點擊鼠標在圖像中選取人工對角標志中心附近的任意像素，然后以該像素為中心建立一個矩形搜索區域，最后采用Forstner算子檢測搜索區域內的角點，極值興趣值對應的角點坐標即為GCP的亞像素圖像坐標；

所述的河流水面高程模型可表示為：

Z＝D₁X+D₂Y+D₃

其中，(X,Y,Z)表示物點的世界坐標，D₁、D₂分別為河段在X和Y方向的比降系數，D₃為斷面的水位系數，可以表示為實時水位測量值l(t)與水位基準點在當前世界坐標系中的高程Z₀之差，即：

D₃＝l(t)-Z₀

其中，l(t)采用圖像識別的方法從水尺圖像中自動判讀并提?。?/p>

所述的變高單應可表示為：