[发明专利]一种基于图像的铁路雪深测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于图像的铁路雪深测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步，建立坐标系：网络摄像机(9)自带坐标系记为XO₁Y，以网络摄像机(9)的镜头光轴为X轴，过摄像机中心且与X轴垂直的直线作为Y轴；过摄像机中心O₁建立坐标系IO₂J，以地面为I轴，过摄像机中心O₁且与I轴垂直的直线作为J轴，I轴与J轴交点记为O₂；

第2步，将地面参考板(8)先设置在地面上的P₂(x₂,y₂)处，网络摄像机(9)拍摄激光探头(1)在地面参考板(8)上的第一图像，再将地面参考板(8)设置到离地面垂直距离为hp1的P₁(x₁,y₁)处，网络摄像机(9)拍摄激光探头(1)在地面参考板(8)上的第二图像；

第3步，积雪后将地面参考板(8)设置到积雪上的P处，地面参考板(8)离地面垂直距离即积雪深度为D，网络摄像机(9)拍摄激光探头(1)在地面参考板(8)上的第三图像；

第4步，数据处理平台(6)的数据处理单元采集第一图像、第二图像、第三图像，并进行数字图像处理，获得三幅图像激光光斑在网络摄像机(9)自带坐标系XO₁Y中的亚像素坐标值，P₁、P₂及P处的激光光斑在网络摄像机(9)成像面的亚像素Y轴坐标值分别为u₁、u₂、u；

所述进行数字图像处理，获得三幅图像激光光斑在网络摄像机(9)自带坐标系XO₁Y中的亚像素坐标值，包括以下步骤：

(4.1)中值滤波，去除椒盐噪声，得到图像I(x,y)；

(4.2)二值化处理，把图像I(x,y)转化二值图像B(x,y)，突出激光光斑在图像中成像点，抑制不感兴趣的部分；

(4.3)基于Canny算子的激光光斑边缘检测，得到激光光斑边缘轮廓J(x,y)；

(4.4)采用最小二乘法圆拟合光斑边界，得到光斑中心点坐标(x₀',y₀')；

(4.5)通过亚像素曲面拟合法确定激光光斑亚像素坐标(x₀,y₀)，以(x₀',y₀')为中心，相邻像素组成3×3模板实现曲面拟合；

第5步，根据网络摄像机(9)成像面与坐标系XO₁Y之间的几何关系，确定P在坐标系XO₁Y中的坐标值P(x,y)，具体如下：

(5.1)当激光探头投射到P₂点，光线经过P₁(x₁,y₁)、P₂(x₂,y₂)和P(x,y)，其中点P在积雪所在平面，根据几何关系有：

x₁＝cosα(h-h_p1)+sinα·L_p1(1)

x₂＝cosα·h+sinα·L_p2(2)

式中，h为摄像机中心O₁距地面高度，L_p2为过摄像机中心O₁的J轴到P₂之间的垂直距离，L_p1为过摄像机中心O₁的J轴到P₁之间的垂直距离，α为X轴与直线JO₂的夹角；

同样地，有：

y1x1=u1fy2x2=u2f---(3)]]>

式中，f为摄像机焦距；

(5.2)直线P₁P₂斜率m为：

m=y2-y1x2-x1---(4)]]>

则直线P₁P₂方程为y＝mx+n，将(x₂,y₂)代入方程求得：

n＝y₂-mx₂(5)

将式(3)代入式(4)、式(5)，得

m=u2x2-u1x1f(x2-x1)---(6)]]>

n=u2x2f-mx2---(7)]]>

(5.3)根据三角形相似，可得直线O₁P方程为

y=ufx---(8)]]>

联立直线P₁P₂与直线O₁P方程得P点坐标为

x=(u1-u2)x1x2u(x2-x1)-u2x2+u1x1]]>

y=uf·(u1-u2)x1x2u(x2-x1)-u2x2+u1x1---(9)]]>

第6步，积雪深度的求取，将坐标系XO₁Y中的点P(x,y)换算到坐标系IO₂J中的坐标P(x′,y′)，y′即为积雪深度D，满足下式

x′y′=0h+sinα-cosαcosαsinαxy---(10)]]>

y′即为积雪深度，故有积雪深度D＝h+xcosα+ysinα，即

D=h+(u1-u2)x1x2u(x2-x1)-u2x2+u1x1cosα+uf·(u1-u2)x1x2u(x2-x1)-u2x2+u1x1sinα---(11).]]> 2