一种水土流失情况测定的方法技术

技术编号:12624552 阅读:101 留言:0更新日期:2015-12-31 17:54
本发明专利技术涉及一种水土流失情况测定的方法。方法包括:图像采集、对采集的图像进行分块处理、对各区块分别进行三维重建、拼接三维重建后的各区块得到该时刻和根据不同时刻的三维点云计算水土流失量。本发明专利技术的方法能够在降雨过程中观测。通过拍摄、解算降雨过程中下垫面的数字影像,提取土壤侵蚀过程中下垫面变化的时空信息,更加准确地描述土壤侵蚀过程。同时本发明专利技术也能够应用于类似的体积变化的量测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像三维重建技术和水土流失情况测定方法。
技术介绍
土壤侵蚀过程是侵蚀力与下垫面相互作用的过程,下垫面既是土壤侵蚀作用的对 象,也是土壤侵蚀作用的结果,在土壤侵蚀过程中的每一时刻,都使得下垫面的土体发生 位移,下垫面的形态发生变化。围绕观测下垫面土体的位移量和下垫面形态的变化,发展 了多种多样的观测技术和方法: ⑴接触式观测法 通过皮尺、卷尺、游标卡尺等常规的测量工具,对下垫面的形态变化进行简单测 量。优点:简单易行;缺点:精度偏低,且只能观测次降雨条件下土壤侵蚀的总量,而不能观 测土壤侵蚀过程中在不同时段或不同空间的变化量; ⑵示踪观测法 利用mCs、7Be等天然放射性核素、稳定性稀土元素等按照指定要求添加到土壤里 面,对下垫面的形态进行监测。优点:可观测土壤侵蚀速率、空间分布特征;缺点:观测的时 间间隔太长、空间定位精度一般在米级以上; ⑵维激光扫描观测法 通过三维激光扫描仪对下垫面形态进行测量;原理:利用激光测距技术,通过记 录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息,可快速测量被测物表 面的三维点数据。优点:空间定位精度高;缺点:仪器不防水,不能在降雨过程中观测,且在 沟蚀阶段会在沟道出现漏测,最大缺陷是测量效率太慢,不能监测下垫面形态动态演变过 程; ⑷传统摄影测量观测法 用于监测河道侵蚀和重力侵蚀,其观测时间间隔分别为次降雨、天、年甚或更长, 适合长时段侵蚀总量的观测,而不能观测短时段内相应分量的变化; ⑶径流泥沙采样法 在降雨过程当中,利用容器对下垫面侵蚀产生的泥沙按照不同时间段分别采样, 对下垫面的土壤侵蚀量监测。优点:简单易行;缺点:泥沙的空间来源无法区分; 那么,如何在降雨条件下,从时空两个维度上观测下垫面形态演化以及表征土壤 侵蚀各物理量。亦即,如何随着土壤侵蚀的发生发展,能够在设定的时间结点上,观测并量 化表达下垫面的空间形态,进而根据下垫面空间形态计算土壤侵蚀量、输沙率、侵蚀速率 等,以上的观测技术和方法都未能很好地解决这个问题。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷或不足,本专利技术提供了一种基于立体视觉的图像三维重建方 法。 本专利技术提供的基于立体视觉的图像三维重建方法包括: 步骤一,采集图像 采集目标区域某一时间窗口的图像; 步骤二,区域分块 按采集时间先后对所有图像进行序列标号;每连续多帧图像为一任务区块;相邻 区块与区块之间有重叠图像,重叠部分的图像有相同序列标号; 步骤三,三维重建 对步骤二得到的各区块分别采用立体视觉技术进行三维重建,得到各区块的三维 点云; 对各区块三维点云的各三维点进行编号,得到各三维点的编号特征;任意三维 点A的编号特征为,其中:n= 1,2, 3,…,N;,N为三维点A对应的原始图像的张数,N取正整数;AnS三维点A对应的所 有原始图像中某一图像n的ID号;^为三维点A在ID号为A"的原始图像上的SIFT特征 点的ID号,(An,an)为编号特征的编号元组; 步骤四,拼接 (1)确定邻接区块 ①寻找有重叠图像的相邻块与块之间的同名点,相邻块与块之间的两个三维点的 编号特征交集包括至少一个编号元组时,两个三维点为同名点; ②两个块的同名点的个数占其中一个块中总三维点数的10%以上时,这两个区块 为邻接区块; ③同名点个数占区块中三维点个数比例最高的区块为母站;(2)邻接区块拼接 以母站为基准对其他区块进行拼接: (2. 1)确定稳定的同名点 ①构建同名边 对于两个邻接区块,分别在各区块中利用该区块中的同名点组合构建边网,并计 算每条边的长度;其中一个区块中有n个同名点,则该区块中组合构建的边网有C:B2条边; ②确定稳定的同名点 邻接区块之间的各组同名边中两条边长度的比值构成比例数组,比例数组包括 Ci个数值;采用基于拉依达准则(3 〇准则)的奇异数据滤波法对C,)个数值进行检验,得 到可靠数值点,,可靠数值点对应的同名点作为稳定的同名点; ③基于稳定的同名点做两个三维区块之间的旋转、平移、缩放参数的计算,从而完 成两个区块之间的拼接; 完成所有邻接区块之间的拼接后得到该时刻下测量区域的点云集合,去除点云集 合中观测区域之外的点云,得到该时刻下测量区域的三维点云。 本专利技术还提供了一种水土流失情况测定方法,方法包括:步骤A,构建参考面:采集目标区域下雨前的图像,执行权利要求步骤二至步骤 四,利用所得三维点云中的多个三维点拟合得到的平面为参考面; 步骤B,获取不同时刻目标区域下雨时的三维点云:每一时刻的图像采集和处理 执行权利要求1所述步骤一至步骤四; 步骤C,统一坐标系:将下雨时各时刻三维点云的坐标统一到同一坐标系下; 步骤D,计算参考面各时刻参考面以下的DEM体积量:将某时刻的三维点云内插得 到对应的DEM数据,计算该时刻参考面以下的DEM体积量; 步骤E,相邻时刻参考面以下的DEM体积量差值为相邻时刻时间段内的土壤侵蚀 量。 步骤A和步骤B的图像采集包括:采集目标区域某一时间窗口的土壤图像,所采集 图像的重叠度至少为5度;单位平方米内,在10-12秒内采集图像的数量为120-240帧,且 单位平方米至少采集120帧。 所述目标区域设有多个标靶。 所述时间窗口时长:15-180s。 步骤二按米集时间先后对所有图像进行序列标号,每连续50-230帧图像为一任 务区块;相邻区块与区块之间有图像重叠,重叠图像的帧数占两个相邻区块中每个区块内 图像帧数的10% -20%。 本专利技术的技术效果为: 1、本专利技术的方法能够在降雨过程中观测。通过拍摄、解算降雨过程中下垫面的数 字影像,提取土壤侵蚀过程中下垫面变化的时空信息,更加准确地描述土壤侵蚀过程。同时 本专利技术也能够应用于类似的体积变化的量测。 2、本专利技术的方法观测精度高,方法可观测一定时间段内自然界土壤侵蚀过程,对 土壤侵蚀观测的空间和时间分布率更高。 3、本专利技术的方法对计算机硬件单元适用范围宽,可以根据实际的硬件环境,计算 过程中的多个区块可通过联网进行并行计算或通过单机分批次计算。 4、本专利技术在确定邻接区块时采用SIFT特征算子的ID号构造编号组集合,通过区 块之间的集合交集计算同名点,较之传统特征匹配算法计算速度至少提高了 4倍。【附图说明】 图1A为实施例中降雨前下垫面的示意图;图1B为实施例中降雨后下垫面的示意 图;图2为实施例中步骤一所采集图像的示意图; 图3为实施例中步骤三各区块的点云示意图; 图4为步骤四中三维重建后的示意图; 图5为步骤五中的参考面及计算示意图;图6A为激光扫描仪观测得到的数字点云图;图6B为本专利技术的方法得到的数字点 云图。【具体实施方式】 以下是专利技术人提供的具体实施例,以对本专利技术的技术效果作进一步解释说明。实施例: 该实施例于2014年7月9日在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人 工模拟降雨厅进行。 实验中人工模拟降雨的强度为90毫米每小时,所构造的下垫面如图1A、图1B所 示,其中图1A为未发生侵蚀的(降雨前拍摄)下垫面图片,图1B为发生侵蚀的(降雨后拍 摄)下垫面图片,钢槽底部为斜面,钢槽内部放置有待测定土壤,土壤类型为黄绵土,土壤 装填容重为1. 3g/cm3,下垫面装置的土槽尺寸为1米宽,5米长的立方体容器本文档来自技高网
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一种<a href="http://www.xjishu.com/zhuanli/55/CN105205855.html" title="一种水土流失情况测定的方法原文来自X技术">水土流失情况测定的方法</a>

【技术保护点】
一种基于立体视觉的图像三维重建方法,其特征在于,方法包括:步骤一,采集图像采集目标区域某一时间窗口的图像;步骤二,区域分块按采集时间先后对所有图像进行序列标号;每连续多帧图像为一任务区块;相邻区块与区块之间有重叠图像,重叠部分的图像有相同序列标号;步骤三,三维重建对步骤二得到的各区块分别采用立体视觉技术进行三维重建,得到各区块的三维点云;对各区块三维点云的各三维点进行编号,得到各三维点的编号特征;任意三维点A的编号特征为[(A1,a1),(A2,a2),…,(An,an),…,(AN‑1,aN‑1),(AN,aN)],其中:n=1,2,3,…,N;,N为三维点A对应的原始图像的张数,N取正整数;An为三维点A对应的所有原始图像中某一图像n的ID号;an为三维点A在ID号为An的原始图像上的SIFT特征点的ID号,(An,an)为编号特征的编号元组;步骤四,拼接(1)确定邻接区块①寻找有重叠图像的相邻区块与区块之间的同名点:相邻区块与区块之间的某两个三维点的编号特征交集包括至少一个编号元组时,两个三维点为同名点;②两个区块的同名点的个数占其中一个区块中总三维点数的10%以上时,这两个区块为邻接区块;③同名点个数占区块中三维点个数比例最高的区块为母站;(2)邻接区块拼接以母站为基准对其他区块进行拼接:(2.1)确定稳定的同名点①构建同名边对于两个邻接区块,分别在各区块中利用该区块中的同名点组合构建边网,并计算每条边的长度;其中一个区块中有n个同名点,则该区块中组合构建的边网有条边,两个邻接区块之间具有组同名边,同名边对应同名点;②确定稳定的同名点邻接区块之间的各组同名边中两条边长度的比值构成比例数组,比例数组包括个数值;采用基于拉依达准则(3σ准则)的奇异数据滤波法对个数值进行检验,得到可靠数值点,可靠数值点对应的同名点作为稳定的同名点;③基于稳定的同名点做两个邻接区块之间的旋转、平移、缩放参数的计算,从而完成两个区块之间的拼接;完成所有邻接区块之间的拼接后得到该时刻下测量区域的点云集合,去除点云集合中观测区域之外的点云,得到该时刻下测量区域的三维点云。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:郭明航赵军林奇史海静展小云税军峰
申请(专利权)人:西北农林科技大学
类型:发明
国别省市:陕西;61

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