基于倾斜视角下透镜成像模型的河流水面流场定标方法技术

本发明专利技术公开了一种基于倾斜视角下透镜成像模型的河流水面流场定标方法。首先在河流测量断面上设置两个标志杆用于定向；然后将一台激光测距仪和工业相机进行固连作为成像测量装置，并架设在河岸一侧的测量断面上；接下来用激光测距仪测量装置到标志杆和水面间交点的距离，并通过内置传感器测得的俯仰角计算出装置到水面的高程；最后根据倾斜视角下的透镜成像模型分别求解图像中每条测速线在断面和顺流方向的物像尺度因子，进而标定对应的起点距和流速值，完成流场定标。相比现有方法，无需在河流两岸布设控制点并用全站仪等复杂设备勘测其坐标，大大降低了工作量和对设备的需求，特别适合河流流速、流量的定期巡测和极端条件下的应急监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种河流水面流场定标方法，尤其涉及一种用于河流水面成像测速的水面流场定标方法，属于视觉测量领域。
技术介绍
在利用视频图像测量河流水面流速场的河流水面成像测速技术中，流场定标是将图像光流场中的运动矢量从图像坐标系转换为世界坐标系，并除以帧间隔得到流速矢量场的过程。相比工业检测中的机器视觉，河流水面的视觉测量存在以下难点：①被测对象为高程动态变化的水面，高洪期山溪性河流的水位暴涨暴落，短时内变幅可达数米；②被测水面上难以同场布设控制点，只能分散布设在两岸，并需要采用全站仪或DGPS等专业设备勘测其世界坐标；③为覆盖完整测量断面，相机通常架设于岸边以一个较小的倾斜视角拍摄待测水面，透视畸变不仅引起远场空间分辨率的降低，而且导致其在待测区域内分布不均；④非量测相机的光学系统存在非线性畸变，尤其是使用广角镜头时远离图像中心的畸变像差往往不可忽略。目前在应用的河流水面成像测速系统中，主要采用以下两种方式进行水面流场定标：(1)量测化方式，特点是在精确标定相机内、外参数的基础上将其当作量测相机使用。例如，Bechle等人将单应矩阵分解为内、外参数矩阵，首先利用室内标定板标定内参数，然后利用现场控制点和云台上的刻度盘标定外参数。然而，在现场应用中往往需要根据水位高程和光照条件的变化调节镜头的焦距、光圈以及相机的拍摄角度，从而引起成像光路和内、外参数的改变，因此量测化方式在应急监测中通常难以适用。(2)非量测方式，特点是直接将普通数码相机当作非量测相机使用，一般采用基于直接线性变换(Direct Linear Transformation,DLT)的整体标定方法求解一组没有明确物理意义的中间参数，建立像方坐标和物方坐标间的映射关系。例如，Fujita等将水面近似看作一个恒定高程的平面，并采用二维直接线性变换(DLT)的方法求解图像平面和物理平面间的单应模型。该方法仅需在河流两岸布设4个地面控制点，但需要保证控制点与水面共面，否则它们在图像上的投影并不能反映真实的水面高程。作为改进，又提出了一种三维的DLT方法，考虑了控制点到水面的距离并采用水位和比降参数修正透视变换模型中的水面高程，能够显著提高较小拍摄倾角下(<10°)的摄影测量精度。非量测方式具有计算简单快速，无需内、外方位元素初始值的特点，因此相机可以放置于任意位置而无需测定其坐标，特别适合野外应急测量。对控制点的布设方式和勘测精度也较为敏感，使得大视场的测量精度受限。综上所述，鉴于河流水面视觉测量存在的难点，现有方法要么精度不高、难以实用，要么费时费力、难以快速部署。因此，研究并提出一种免控制点的快速水面流场定标方法，对于野外河流的定期巡测和极端条件下洪涝灾害的应急监测具有重要意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对河流水面视觉测量的难点及现有方法存在的不足，提供了一种基于倾斜视角下透镜成像模型的河流水面流场定标方法。技术方案：一种基于倾斜视角下透镜成像模型的河流水面流场定标方法，包括以下五个主要步骤：(1)设置断面标志杆，在测量断面上设置两根和水面相交的标志杆，用于指示断面方向，并将其中一个标志杆和水面的交点作为水位参考点；(2)架设成像测量装置，首先将一台工业相机和一台激光测距仪固连构成成像测量装置，并架设在河岸一侧；其次调节三脚架的位置及云台的水平，使得单独改变俯仰角后激光测距仪的靶点能够依次照准两根标志杆，以确保相机光轴位于测量断面上；然后用激光测距仪测量其到水位参考点的斜距D和俯仰角δ，并由内置的三角测量程序计算测距仪到水面的垂直距离：HL＝D·sinδ接下来选择焦距f合适的光学镜头并调节拍摄俯仰角，使得相机视场覆盖完整的测量断面并具有尽可能高的空间分辨率，进而根据激光测距仪当前的俯仰角α′求出工业相机光轴的俯仰角：α＝α′+Δα其中，Δα表示预先标定的二者间的角度差值；最后计算工业相机到水面的垂直距离：H＝HL-d·cosα其中，d表示激光测距仪测量中心到工业相机成像中心的距离；(3)采集图像序列，成像测量装置稳定后，以Δt为时间间隔连续拍摄总时长为T的N幅图像用于流速测量；(4)标定测速线起点距，首先读取图像序列中的第一幅图像，并根据测速需求在图像中沿断面方向设置I条与顺流方向平行且大小为M×1的测速线Li(1≤i≤I)，用(xi,yi)表示测速线中点的图像坐标；然后在图像中提取水位参考点的图像坐标(x0,y0)作为计算测速线起点距的参考零点；最后根据倾斜视角下的透镜成像模型，利用图像中纵坐标j从y0到yi的各像素点在断面Y方向的物像尺度因子ΔY(j)标定测速线的起点距： Dist i = Σ j = y 0 y i Δ Y ( j ) = Σ j = y 0 y i H · { 1 / t a n [ α + arctan ( n / 2 - j - 1 ) s f ] - 1 / t a n [ α + arctan ( n / 2 - j ) s f ]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于倾斜视角下透镜成像模型的河流水面流场定标方法，其特征在于，包括以下五个主要步骤：(1)设置断面标志杆，在测量断面1上设置两根和水面相交的标志杆2、3，用于指示断面方向，并将标志杆2和水面的交点作为水位参考点4；(2)架设成像测量装置，首先将一台工业相机和一台激光测距仪固连构成成像测量装置5，并架设在河岸一侧；其次调节三脚架的位置及云台的水平，使得单独改变俯仰角后激光测距仪的靶点能够依次照准标志杆2、3，以确保相机光轴6位于测量断面1上；然后用激光测距仪测量其到水位参考点4的斜距D和俯仰角δ，并由内置的三角测量程序计算测距仪到水面的垂直距离：HL＝D·sinδ接下来选择焦距f合适的光学镜头并调节拍摄俯仰角，使得相机视场覆盖完整的测量断面并具有尽可能高的空间分辨率，进而根据激光测距仪当前的俯仰角α′求出工业相机光轴的俯仰角：α＝α′+Δα其中，Δα表示预先标定的二者间的角度差值；最后计算工业相机到水面的垂直距离：H＝HL‑d·cosα其中，d表示激光测距仪测量中心到工业相机成像中心的距离；(3)采集图像序列，成像测量装置稳定后，以Δt为时间间隔连续拍摄总时长为T的N幅图像用于流速测量；(4)标定测速线起点距，首先读取图像序列中的第一幅图像，并根据测速需求在图像中沿断面方向设置I条与顺流方向平行且大小为M×1的测速线Li(1≤i≤I)，用(xi,yi)表示测速线中点的图像坐标；然后在图像中提取水位参考点4的图像坐标(x0,y0)作为计算测速线起点距的参考零点；最后根据倾斜视角下的透镜成像模型，利用图像中纵坐标j从y0到yi的各像素点在断面Y方向的物像尺度因子ΔY(j)标定测速线的起点距：Disti=Σj=y0yiΔY(j)=Σj=y0yiH·{1/tan[α+arctan(n/2-j-1)sf]-1/tan[α+arctan(n/2-j)sf]}]]>其中，m×n表示相机的图像分辨率，s表示图像传感器的像元尺寸；(5)标定测速线流速值，对于每条测速线Li，首先以测速线上像素的空间为横坐标、每帧图像的时间为纵坐标，建立大小为M×N的时空图像；然后采用时空图像测速法估计测速线上运动矢量的大小：vi=siT=siN·Δt=tanθΔt]]>其中，si表示时间T内目标沿顺流方向运动的像素距离，θ表示时空图像的纹理主方向；最后根据倾斜视角下的透镜成像模型，利用测速线上像素点在顺流X方向的物像尺度因子ΔX(yi)标定测速线上物理流速的大小：Vi=vi·ΔX(yi)=vi·Hs[(n/2-yi)s]2+f2/tan[α+arctan(n/2-yi)sf]]]>其中，Vi的正负反映了测速线上流速的方向。...

【技术特征摘要】
1.一种基于倾斜视角下透镜成像模型的河流水面流场定标方法，其特征在于，包括以下五个主要步骤：(1)设置断面标志杆，在测量断面1上设置两根和水面相交的标志杆2、3，用于指示断面方向，并将标志杆2和水面的交点作为水位参考点4；(2)架设成像测量装置，首先将一台工业相机和一台激光测距仪固连构成成像测量装置5，并架设在河岸一侧；其次调节三脚架的位置及云台的水平，使得单独改变俯仰角后激光测距仪的靶点能够依次照准标志杆2、3，以确保相机光轴6位于测量断面1上；然后用激光测距仪测量其到水位参考点4的斜距D和俯仰角δ，并由内置的三角测量程序计算测距仪到水面的垂直距离：HL＝D·sinδ接下来选择焦距f合适的光学镜头并调节拍摄俯仰角，使得相机视场覆盖完整的测量断面并具有尽可能高的空间分辨率，进而根据激光测距仪当前的俯仰角α′求出工业相机光轴的俯仰角：α＝α′+Δα其中，Δα表示预先标定的二者间的角度差值；最后计算工业相机到水面的垂直距离：H＝HL-d·cosα其中，d表示激光测距仪测量中心到工业相机成像中心的距离；(3)采集图像序列，成像测量装置稳定后，以Δt为时间间隔连续拍摄总时长为T的N幅图像用于流速测量；(4)标定测速线起点距，首先读取图像序列中的第一幅图像，并根据测速需求在图像中沿断面方向设置I条与顺流方向平行且大小为M×1的测速线Li(1≤i≤I)，用(xi,yi)表示测速线中点的图像坐标；然后在图像中提取水位参考点4的图像坐标(x0,y0)作为计算测速线起点距的参考零点；最后根据倾斜视角下的透镜成像模型，利用图像中纵坐标j从y0到yi的各像素点在断面Y方向的物像尺度因子ΔY(j)标定测速线的起点距： Dist i = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振，谭松林，李斌，高红民，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32