[发明专利]一种河工模型试验三维地形的量测方法

说明书

技术领域

本发明属于水利量测技术领域，特别是河工模型试验的复杂三维地形的动态量测。

背景技术

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270×360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。

发明内容

本发明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。

本发明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O；

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(ΔX)(y1-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ΔX后所拍摄的垂向最大高度(y₁＞y₂)；