專利名稱：一種沖刷地形的三維觀測方法
一種沖刷地形的三維觀測方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于地形測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及到河工模型沖刷地形觀測的方法。
技術(shù)背景
在地形測量領(lǐng)域研究中，傳統(tǒng)的測量方法是水準(zhǔn)儀加經(jīng)緯儀單點的接觸式測量， 隨著計算機(jī)視覺理論技術(shù)的長足發(fā)展，激光測距、超聲波測距、近景攝影測量、結(jié)構(gòu)光測量 等高效的非接觸式測量方法在實踐中體現(xiàn)出其巨大的應(yīng)用潛力。目前，國內(nèi)外河工模型研 究中，除傳統(tǒng)的觀測技術(shù)外，常用的地形觀測技術(shù)主要有以下三類
第一類，激光測距技術(shù)，通過向目標(biāo)表面發(fā)射脈沖激光束和接受經(jīng)目標(biāo)表面返回 的激光束，以光速在空氣中傳播速度為定值這一原理精確測量物體表面點到測距儀的距 離，以三角定位原理計算被測物體表面點的三維坐標(biāo)。激光測距儀、三維激光掃描儀是這一 類的技術(shù)產(chǎn)品。其中三維激光掃描儀由于其具有測量精度和效率高等優(yōu)點被廣泛使用，同 時，三維激光掃描儀是個黑箱系統(tǒng)，難以檢校，維護(hù)困難，設(shè)備成本昂貴，一定程度上限制了 其使用范圍。
第二類，超聲波技術(shù)，是一種基于回聲定位原理，利用超聲波的發(fā)射、傳播、穿透和 反射等性能探測地形地貌的技術(shù)。超聲地形儀具有無接觸、無擾動的測量特點，對測量模型 不產(chǎn)生干擾并能有效消除渾水中懸沙的干擾，實時校正水溫水質(zhì)對傳播速度的影響，能夠 在實驗室內(nèi)外復(fù)雜地形及渾濁水體快速實現(xiàn)水下地形的測量。但是超聲地形儀的測量精度 受鹽度水深等引起的聲速變化和池底聲波反射率的影響，有待于進(jìn)一步提高其抗干擾和抗 水聲混響的能力，同時，超聲地形儀測量仍屬于單點、多點式的測量方式，效率有待提高。
第三類，近景攝影測量技術(shù)，是基于雙目視差原理，通過已知兩個或多個攝像機(jī)近 距離(距離小于100m)來獲取公共視場內(nèi)物體上特征點的三維坐標(biāo)。張祖勛等研制的多基 線數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)(張祖勛，楊生春，張劍清等.多基線-數(shù)字近景攝影測量[J]. 地理空間信息，2007，5(1) :1-4)，在較高精度的三維測量和變形觀測已有成功應(yīng)用實例。在 自然景物中，由于物體表面的特征點并不明顯，產(chǎn)生了兩幅圖像中的特征點匹配的模糊性 和不唯一性，這樣在施測前一般需要在被測目標(biāo)表面上設(shè)置人工標(biāo)志點和一定數(shù)量的控制 點，測量時間較長，同時像點的匹配過程和算法比較復(fù)雜。
結(jié)構(gòu)光法是基于近景攝影測量的一種新的技術(shù)形式，它利用光源向被測物體投射 光圖案(光點、光線條、光柵條、光網(wǎng)格等)，通過光視覺傳感器采集物體表面被測區(qū)域圖 像信息，依據(jù)幾何定位原理、物與像之間的透視成像關(guān)系來提取圖像中光圖案系列點的空 間坐標(biāo)信息，實現(xiàn)獲取物體表面深度信息的一種測量方法，屬于主動視覺測量方法(王宗 義.線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器與水下三維探測[D].哈爾濱工程大學(xué)，2005 :4-12.)。結(jié)構(gòu)光視覺 傳感器不僅具有快速、精確、高分辨力、抗干擾性好等優(yōu)點，且該類傳感器結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、 易于實現(xiàn)。目前，線結(jié)構(gòu)光法及多線結(jié)構(gòu)光法已廣泛應(yīng)用于大型工件檢測安裝、反向工程等 技術(shù)領(lǐng)域。
在河工模型研究中，模型三維信息數(shù)據(jù)采集是模型演變過程研究的一項重要工作，而采集設(shè)備不僅要求具有良好精度和可操作性，同時需具備較高的工作效率。徐向舟 等三維地貌觀測方法、裝置首次將結(jié)構(gòu)光測量法應(yīng)用于邊坡重力侵蝕三維地貌的實時觀 測(徐向舟，徐飛龍，趙超，王書芳，張紅武，三維地貌觀測裝置，中國發(fā)明專利，申請?zhí)?201010144655.8,2010-4-12.徐向舟，徐飛龍，趙超，許翼，郭向陽，三維地貌觀測方法，中國 發(fā)明專利，申請?zhí)?01010144689. 7，2010-4-12.)，該觀測裝置具有一定的觀測精度和較高 觀測效率，但難應(yīng)用于河工模型沖刷地形，特別是沖刷凹坑類的地形觀測。本發(fā)明旨在基于 線結(jié)構(gòu)光法基礎(chǔ)上，研究一種能夠適應(yīng)河工模型中各種地形的、快速精確的、簡單經(jīng)濟(jì)的三 維測量系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用全平面激光投射機(jī)向其周圍空間發(fā)射一組與水平面平行的全平面激 光，全平面激光與被測地形表面相交形成一組反映地形輪廓的激光線條，通過圖像采集裝 置采集被測區(qū)域的地形圖像信息，依據(jù)圖像中激光線條的幾何信息獲取地形表面點的三維 坐標(biāo)，實現(xiàn)對沖刷地形的非接觸式三維測量；按一定步距平移或升降全平面激光投射機(jī)，得 到不同起始高程的地形圖像并進(jìn)行疊加處理，密集采集地形表面點，得到微間距數(shù)字地形 等高線圖。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種沖刷地形的三維觀測裝置，包括全平面激光投射機(jī)、圖像采集裝置、地形圖像 標(biāo)定裝置、主機(jī)升降裝置、固定支架結(jié)構(gòu)和供電系統(tǒng)；
全平面激光投射機(jī)包括多組一字線型激光模組、激光測距儀、激光模組微調(diào)支架、 投射機(jī)主梁、固定隔板、蓋板和萬向節(jié)，全平面激光投射機(jī)的長度由被測地形最大高差確 定。一字線型激光模組可采用紅、綠光兩種光色型號，功率可采用50 IOOmW,數(shù)量由投射 機(jī)的長度和觀測精度要求確定；每組一字線型激光模組通過激光模組微調(diào)支架布設(shè)在一個 圓環(huán)型的水平固定隔板上，激光模組之間采用并聯(lián)電路連接，由穩(wěn)壓直流電源提供額定電 壓；通過激光模組微調(diào)支架微調(diào)并接通電源后，同一層水平固定隔板上的一組一字線型激 光模組發(fā)射出一個全平面的激光面；多層相互平行水平固定隔板上的多組一字線型激光模 組發(fā)射出一組間距已知、相互平行的全平面激光，該組全平面激光與地形表面相交所形成 一組清晰可見的激光線條，該組激光線條反映地形表面的幾何特征信息。同一層的多個一 字線型激光模組沿圓環(huán)形的水平固定隔板切向互成一夾角并排均勻布設(shè)；為方便裝置安裝 于維護(hù)，每一層圓環(huán)形的水平固定隔板分為三個單元。在全平面激光投射機(jī)自重的作用下， 通過激光投射機(jī)頂部的萬向節(jié)自動調(diào)節(jié)全平面激光的水平角度，使全平面激光與水平面平 行。
在與全平面激光垂直的鉛垂平面上，每根激光線條在該平面投影線之間的距離為 設(shè)計間距，則實現(xiàn)對地形在該方向上的一維定位，即地形高程定位；在與全平面激光平行的 水平平面上，激光線條在該平面上的投影線能夠直接反映地形水平面方向的幾何特征，則 實現(xiàn)對溝坡面在水平面上的二維定位。因此，每根激光線即為地形等高線。
地形圖像標(biāo)定裝置由點斑式激模組和固定支板組成。點斑式激光模組可采用紅、 綠兩種光色型號，功率可選用5 50mW，數(shù)量由被測溝坡面范圍確定，均勻布設(shè)在固定支 板上，通電后向被測地形表面發(fā)射一組相互平行且與水平面垂直的激光線。該組激光線與地形表面相交形成明亮的激光定位點斑，激光定位點斑在水平面上的投影點的相對位置不 變，是一組已知的水平面點坐標(biāo)。根據(jù)這組點坐標(biāo)實現(xiàn)地形圖像的尺寸率定和變形校正，為 地形觀測提供真實準(zhǔn)確的地形底圖。
圖像采集裝置由數(shù)碼相機(jī)、計算機(jī)、相機(jī)重心定位盒和萬向節(jié)組成。數(shù)碼相機(jī)選 用單反相機(jī)并匹配標(biāo)準(zhǔn)定焦鏡頭，能夠清晰分辨出地形表面的激光線條和激光定位點斑， 并能配合計算機(jī)程序遙控拍攝；相機(jī)重心定位盒能夠準(zhǔn)確地確定相機(jī)的重心位置，再配合 萬向節(jié)，利用數(shù)碼相機(jī)自重作用，自動調(diào)整數(shù)碼相機(jī)的拍攝角度，使相機(jī)主光軸垂直于水平
主機(jī)升降裝置由主機(jī)升降機(jī)和鋼絲繩組成，主機(jī)升降機(jī)采用一步進(jìn)電機(jī)作為動力 源，控制全平面激光投射機(jī)底部高程。通過移動支架滑動底座使全平面激光投射機(jī)水平移 動至被測沖刷地形的最低高程點的正上方；通過主機(jī)升降機(jī)按一定步距逐次升高或降低全 平面激光投射機(jī)，改變激光投射機(jī)的的底部高程，分別采集不同起始高程的地形圖像。每次 升降全平面激光投射機(jī)時，利用激光測距儀精確測量其頂部到底部被測地形最底高程點的 距離，由已知固定參考點的高程值和各面激光的已知間距即可換算得到地形圖像中各激光 線條的高程值。
把不同起始高程的地形圖像導(dǎo)入到計算機(jī)軟件，首先根據(jù)激光定位點斑的坐標(biāo)值 對地貌圖像進(jìn)行尺寸率定和變形校正，其次根據(jù)各面激光之間的已知間距依次對圖像中的 激光線條進(jìn)行賦值，形成不同起始高程下的地形等值線圖，按起始高程大小順序逐次疊加 融合不同起始高程的地形等值線圖，便形成微間距的數(shù)字地形等高線圖，實現(xiàn)對沖刷地形 的非接觸式三維測量。
本發(fā)明的有益效果是能夠快速準(zhǔn)確地采集沖刷地形表面點群的空間坐標(biāo)信息；輸 出微間距的數(shù)字地形等高線圖及相應(yīng)的地形高程圖；結(jié)合計算軟件形成地形的三維模型， 進(jìn)行地形表面的點空間坐標(biāo)、面積、體積、斷面等分析計算；整套系統(tǒng)具有較高的觀測效率 和觀測精度，適用于河工模型試驗中地形觀測、沖刷量定量觀測等方面研究。


附圖1是本發(fā)明的工作原理圖。
附圖2是本發(fā)明的全平面激光投射機(jī)構(gòu)造圖。
附圖3是本發(fā)明的激光模組微調(diào)支架構(gòu)造圖。
圖中1 一字線型激光模組；2固定套環(huán)；3固定螺絲；4微調(diào)螺絲；5彈簧；
6微調(diào)支板；7水平固定隔板；8豎向固定隔板；9投射機(jī)主梁；10頂蓋板；
11側(cè)蓋板；12激光出射孔；13模組供電線路；14激光測距儀；
15測距儀固定架；16點斑式激光模組；17數(shù)碼相機(jī)；18相機(jī)主光軸；
19穩(wěn)壓直流電源；20計算機(jī)；21固定支板；22沖刷地形；23全平面激光；
24激光定位點斑；25支架J6連接桿；27萬向節(jié)；觀相機(jī)重心定位盒；
29支架滑動底座；30可制動腳輪；31主機(jī)升降機(jī)；32鋼絲繩。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。6
實施例1
沖刷地形觀測方法具體步驟如下
步驟1
安裝全平面激光投射機(jī)，把它調(diào)整到合適的觀測高度，接通電源使全平面激光投 射機(jī)向其周圍空間地形發(fā)射一組水平的全平面激光23。全平面激光投射機(jī)通過連接桿沈 與支架25連接固定，在其自重的作用下通過萬向節(jié)27自動調(diào)平全平面激光23的水平角 度，使全平面激光與水平面平行。全平面激光投射機(jī)中的多組一字線型激光模組1通電后 通過側(cè)蓋板11上的激光出射孔12向沖刷地形22發(fā)射一組已知間距的、相互平行的全平面 激光23，與沖刷地形22表面相交形成一組清晰可見的激光線條，該組激光線反映沖刷地形 22的表面幾何特征。見圖1和圖2。
其中，全平面激光投射機(jī)由多組一字線型激光模組1、固定套環(huán)2、固定螺絲3、微 調(diào)螺絲4、彈簧5、微調(diào)支板6、水平固定隔板7、豎向固定隔板8、投射機(jī)主梁9、頂蓋板10、側(cè) 蓋板11、模組供電線路13、激光測距儀14、測距儀固定架15和萬向節(jié)27組成；一字線型激 光模組1通過固定套環(huán)2和固定螺絲3與微調(diào)支板6固定連接，通過微調(diào)螺絲4與水平固 定隔板7連接；水平固定隔板7與豎向固定隔板8、側(cè)蓋板11與頂蓋板10都通過螺栓連接。 通過調(diào)節(jié)微調(diào)螺絲4改變彈簧5的長度微調(diào)一字線型激光模組1發(fā)射出的面激光角度；全 平面激光投射機(jī)長度由被觀測沖刷地形22最大高差確定。
一字線型激光模組1的數(shù)量由全平面激光投射機(jī)長度和觀測精度要求確定，之間 采用并聯(lián)電路連接，由穩(wěn)壓直流電源19和供電線路13提供3 5V電壓，通過微調(diào)螺絲4 和彈簧5微調(diào)一字線型激光模組1發(fā)射出的面激光。見圖2和圖3。
步驟2
在被測沖刷地形22上方的固定支板21上，均勻布設(shè)至少4個點斑式激光模組16， 通電后向沖刷地形22發(fā)出一組相互平行且與水平面垂直的激光線，與沖刷地形22相交形 成明亮的激光定位點斑M(jìn) ；激光定位點斑M(jìn)水平面投影點之間的相對位置應(yīng)根據(jù)沖刷地 形22大小設(shè)定，作為地形圖像尺寸率定和變形校正的控制點。點斑式激光模組16之間采 用并聯(lián)電路連接，功率可為5 50mW，由額定穩(wěn)壓直流電源19提供電力。
步驟3
調(diào)節(jié)數(shù)碼相機(jī)17拍攝角度，使相機(jī)的主光軸與水平面垂直，由計算機(jī)20程序控制 數(shù)碼相機(jī)17采集被測地形22上激光線條和激光定位點斑M(jìn)圖像信息。相機(jī)重心定位盒 28確定相機(jī)的重心，數(shù)碼相機(jī)17在自重的作用下，通過相機(jī)重心定位盒28上端的萬向節(jié) 27自動調(diào)節(jié)數(shù)碼相機(jī)17拍攝角度，使相機(jī)主光軸18垂直于水平面。
步驟4
控制主機(jī)升降機(jī)31按一定步距升高或降低全平面激光投射機(jī)，改變?nèi)矫婕す?投射機(jī)底部高程，每升高或降低一次全平面激光投射機(jī)，計算機(jī)20遙控數(shù)碼相機(jī)17拍攝一 次地形圖像，得到一組不同起始高程的地形圖像，同時激光測距儀14測量一次投射機(jī)頂部 到底部地形的距離。
步驟5
把地形圖像導(dǎo)入到計算機(jī)軟件，依據(jù)激光定位點斑M(jìn)已知設(shè)定的坐標(biāo)值對地形 圖像進(jìn)行尺寸率定和變形校正，對圖像中的激光線條進(jìn)行賦值并轉(zhuǎn)化為等值線，疊加不同起始高程圖像中的等值線圖形成微間距數(shù)字地形等高線圖；同時建立被測沖刷地形22的 三維模型，進(jìn)行相關(guān)計算分析。
權(quán)利要求
1. 一種沖刷地形的三維觀測方法，利用沖刷地形的三維觀測裝置，獲取被測沖刷地形(22)表面點群的空間坐標(biāo)信息，經(jīng)計算機(jī)軟件率定、校正、疊加融合不同起始高程的地形圖 像，形成被測地形微間距的數(shù)字地形等高線圖，實現(xiàn)對沖刷地形0 的非接觸式三維測量 及其三維模型的計算分析；其特征包括如下步驟1)把不同起始高程的地形圖像導(dǎo)入到計算機(jī)軟件，根據(jù)激光定位點斑04)的坐標(biāo)值 對地形圖像進(jìn)行尺寸率定和變形校正，并根據(jù)各面激光之間的已知間距依次對圖像中的激 光線條進(jìn)行賦值，形成不同起始高程的地形等值線圖，按起始高程大小順序逐次疊加融合 不同起始高程的地形等值線圖，便形成微間距的數(shù)字地形等高線圖，實現(xiàn)對沖刷地形02) 的非接觸式三維測量；2)全平面激光投射機(jī)向其周圍沖刷地形0 發(fā)射一組已知間距、水平的全平面激光(23)，并與地形表面相交所形成一組清晰可見的激光線條，作為地形的等高線；在全平面激 光投射機(jī)自重的作用下，通過激光投射機(jī)頂部的萬向節(jié)(XT)自動調(diào)節(jié)全平面激光03)的 水平角度，使全平面激光與水平面平行；利用點斑式激光模組(16)向被測沖刷地形 (22)發(fā)射出一組相互平行且與水平面垂直的激光線，激光線與地形表面相交形成一組激光 定位點斑(M)，激光定位點斑04)在水平面投影點的相對位置已知，作為地形圖像尺寸率 定和變形校正的控制點；3)通過移動支架滑動底座09)使全平面激光投射機(jī)水平移動至被測沖刷地形02)的 最低高程點的正上方；通過主機(jī)升降機(jī)(31)按設(shè)定步距逐次升高或降低全平面激光投射 機(jī)，改變激光投射機(jī)的底部高程，分別采集不同起始高程的地形圖像；每次升降全平面激光 投射機(jī)時，利用激光測距儀(14)精確測量其頂部到底部被測地形最底高程點的距離；由已 知固定參考點的高程值和各面激光的已知間距即換算得到地形圖像中各激光線條的高程 值；4)控制數(shù)碼相機(jī)(17)拍攝地形表面的激光線條和激光定位點斑(M)，獲取地形表面 點群的空間坐標(biāo)信息；利用相機(jī)重心定位盒08)準(zhǔn)確地確定數(shù)碼相機(jī)(17)的重心位置，再 配合萬向節(jié)(27)，在數(shù)碼相機(jī)(17)自重作用下，自動調(diào)整數(shù)碼相機(jī)(17)的拍攝角度，使相 機(jī)主光軸(18)垂直于水平面；所述的一種沖刷地形的三維觀測裝置，由全平面激光投射機(jī)、圖像采集裝置、地形圖像 標(biāo)定裝置、主機(jī)升降裝置、固定支架結(jié)構(gòu)和供電系統(tǒng)組成；全平面激光投射機(jī)包括多組一字 線型激光模組(1)、固定套環(huán)0)、固定螺絲(3)、微調(diào)螺絲、彈簧(5)、微調(diào)支板(6)、水 平固定隔板(7)、豎向固定隔板(8)、投射機(jī)主梁(9)、頂蓋板(10)、側(cè)蓋板(11)、激光測距 儀(14)、測距儀固定架(1 和萬向節(jié)(XT)組；全平面激光投射機(jī)通過萬向節(jié)(27)、連接桿 (26)與支架0 連接固定；一字線型激光模組(1)通過固定套環(huán)( 和固定螺絲C3)與微 調(diào)支板(6)固定連接，通過微調(diào)螺絲(4)與水平固定隔板(7)連接，各個一字線型激光模組 (1)之間采用并聯(lián)電路連接，由穩(wěn)壓直流電源(19)提供電壓；同一層的多個一字線型激光 模組(1)沿圓環(huán)形的水平固定隔板(7)切向互成一夾角并排均勻布設(shè)，每層水平固定隔板 (7)分為三個單元；通過調(diào)節(jié)微調(diào)螺絲(4)改變彈簧( 的長度微調(diào)一字線型激光模組(1) 發(fā)射出的面激光角度；水平固定隔板(7)與豎向固定隔板(8)、頂蓋板(10)與側(cè)蓋板(11) 都通過螺栓連接；圖像采集裝置由數(shù)碼相機(jī)(17)、計算機(jī)(20)、相機(jī)重心定位盒08)和萬向節(jié)07)組成；數(shù)碼相機(jī)(17)固定在相機(jī)重心定位盒08)中，通過萬向節(jié)07)與支架0 連接，相 機(jī)主光軸(18)垂直于全平面激光；相機(jī)重心定位盒08)準(zhǔn)確定位相機(jī)的重心；計算 機(jī)OO)控制數(shù)碼相機(jī)(17)采集地形圖像數(shù)據(jù)；全平面激光投射機(jī)向被測沖刷地形0 發(fā)射一組水平的全平面激光(23)，與地形表 面相交形成一組地形高程標(biāo)示激光線條，同時地形圖像標(biāo)定裝置向被測沖刷地形02)發(fā) 射一組激光定位點斑(M)，圖像采集裝置實時采集沖刷地形0 表面的空間坐標(biāo)信息；地形圖像標(biāo)定裝置由點斑式激光模組(16)和固定支板組成；點斑式激光模組 (16)均勻布設(shè)在固定支板上，接通電源后向被測地形發(fā)射一組相互平行且與水平面 垂直的激光線；主機(jī)升降裝置由主機(jī)升降機(jī)(31)和鋼絲繩(3 組成；主機(jī)升降機(jī)(31)以 設(shè)定步距逐次升高或降低全平面激光投射機(jī)，改變其底部高程；固定支架結(jié)構(gòu)由支架05) 和支架滑動底座09)組成。
全文摘要
一種沖刷地形的三維觀測方法，屬于地形測量領(lǐng)域。其特征是通過全平面激光投射機(jī)和地形圖像標(biāo)定裝置向被測沖刷地形發(fā)射全平面激光和激光定位點斑全平面激光在地形表面形成等高線，激光定位點斑則作為地形圖像尺寸率定和變形校正的控制點；按一定步距平移或升降全平面激光投射機(jī)，利用圖像采集裝置采集不同起始高程的地形圖像并經(jīng)計算機(jī)軟件進(jìn)行疊加融合，實現(xiàn)地形表面點的密集采集；依據(jù)圖像中激光線條的幾何信息獲取地形表面點的三維坐標(biāo)，得到微間距數(shù)字地形等高線圖，實現(xiàn)對沖刷地形的非接觸式三維測量及其三維模型的計算分析。整套系統(tǒng)具有較高的觀測效率和精度，適用于河工模型試驗中地形三維觀測方面研究。
文檔編號G01C11/00GK102032902SQ20101050205
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者劉亞坤, 徐向舟, 徐飛龍, 王書芳 申請人:大連理工大學(xué)