[发明专利]一种冲刷地形的三维观测装置

说明书

技术领域

本发明属于地形测量技术领域，涉及到河工模型冲刷地形观测的装置。

背景技术

在地形测量领域研究中，传统的测量方法是水准仪加经纬仪单点的接触式测量，随着计算机视觉理论技术的长足发展，激光测距、超声波测距、近景摄影测量、结构光测量等高效的非接触式测量方法在实践中体现出其巨大的应用潜力。目前，国内外河工模型研究中，除传统的观测技术外，常用的地形观测技术主要有以下三类：

第一类，激光测距技术，通过向目标表面发射脉冲激光束和接受经目标表面返回的激光束，以光速在空气中传播速度为定值这一原理精确测量物体表面点到测距仪的距离，以三角定位原理计算被测物体表面点的三维坐标。激光测距仪、三维激光扫描仪是这一类的技术产品。其中三维激光扫描仪由于其具有测量精度和效率高等优点被广泛使用，同时，三维激光扫描仪是个黑箱系统，难以检校，维护困难，设备成本昂贵，一定程度上限制了其使用范围。

第二类，超声波技术，是一种基于回声定位原理，利用超声波的发射、传播、穿透和反射等性能探测地形地貌的技术。超声地形仪具有无接触、无扰动的测量特点，对测量模型不产生干扰并能有效消除浑水中悬沙的干扰，实时校正水温水质对传播速度的影响，能够在实验室内外复杂地形及浑浊水体快速实现水下地形的测量。但是超声地形仪的测量精度受盐度水深等引起的声速变化和池底声波反射率的影响，有待于进一步提高其抗干扰和抗水声混响的能力，同时，超声地形仪测量仍属于单点、多点式的测量方式，效率有待提高。

第三类，近景摄影测量技术，是基于双目视差原理，通过已知两个或多个摄像机近距离(距离小于100m)来获取公共视场内物体上特征点的三维坐标。张祖勋等研制的多基线数字近景摄影测量系统(张祖勋，杨生春，张剑清等.多基线-数字近景摄影测量[J]地理空间信息，2007，5(1)：1-4)，在较高精度的三维测量和变形观测已有成功应用实例。在自然景物中，由于物体表面的特征点并不明显，产生了两幅图像中的特征点匹配的模糊性和不唯一性，这样在施测前一般需要在被测目标表面上设置人工标志点和一定数量的控制点，测量时间较长，同时像点的匹配过程和算法比较复杂。

结构光法是基于近景摄影测量的一种新的技术形式，它利用光源向被测物体投射光图案(光点、光线条、光栅条、光网格等)，通过光视觉传感器采集物体表面被测区域图像信息，依据几何定位原理、物与像之间的透视成像关系来提取图像中光图案系列点的空间坐标信息，实现获取物体表面深度信息的一种测量方法，属于主动视觉测量方法(王宗义.线结构光视觉传感器与水下三维探测[D].哈尔滨工程大学，2005：4-12.)。结构光视觉传感器不仅具有快速、精确、高分辨力、抗干扰性好等优点，且该类传感器结构简单、经济、易于实现。目前，线结构光法及多线结构光法已广泛应用于大型工件检测安装、反向工程等技术领域。

在河工模型研究中，模型三维信息数据采集是模型演变过程研究的一项重要工作，而采集设备不仅要求具有良好精度和可操作性，同时需具备较高的工作效率。徐向舟等三维地貌观测方法、装置首次将结构光测量法应用于边坡重力侵蚀三维地貌的实时观测(徐向舟，徐飞龙，赵超，王书芳，张红武，三维地貌观测装置，中国发明专利，申请号：201010144655.8，2010-4-12.徐向舟，徐飞龙，赵超，许翼，郭向阳，三维地貌观测方法，中国发明专利，申请号：201010144689.7，2010-4-12.)，该观测装置具有一定的观测精度和较高观测效率，但难应用于河工模型冲刷地形，特别是冲刷凹坑类的地形观测。本发明旨在基于线结构光法基础上，研究一种能够适应河工模型中各种地形的、快速精确的、简单经济的三维测量系统。

发明内容

本发明利用全平面激光投射机向其周围空间发射一组与水平面平行的全平面激光，全平面激光与被测地形表面相交形成一组反映地形轮廓的激光线条，通过图像采集装置采集被测区域的地形图像信息，依据图像中激光线条的几何信息获取地形表面点的三维坐标，实现对冲刷地形的非接触式三维测量；按一定步距升高或降低全平面激光投射机，得到不同起始高程的地形图像并进行叠加处理，密集采集地形表面点，得到微间距数字地形等高线图。

本发明的技术方案如下：

一种冲刷地形的三维观测装置，包括全平面激光投射机、图像采集装置、地形图像标定装置、主机升降装置、固定支架结构和供电系统。