基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標(biāo)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標(biāo)方法。首先在河流測量斷面上設(shè)置兩個標(biāo)志桿用于定向；然后將一臺激光測距儀和工業(yè)相機進(jìn)行固連作為成像測量裝置，并架設(shè)在河岸一側(cè)的測量斷面上；接下來用激光測距儀測量裝置到標(biāo)志桿和水面間交點的距離，并通過內(nèi)置傳感器測得的俯仰角計算出裝置到水面的高程；最后根據(jù)傾斜視角下的透鏡成像模型分別求解圖像中每條測速線在斷面和順流方向的物像尺度因子，進(jìn)而標(biāo)定對應(yīng)的起點距和流速值，完成流場定標(biāo)。相比現(xiàn)有方法，無需在河流兩岸布設(shè)控制點并用全站儀等復(fù)雜設(shè)備勘測其坐標(biāo)，大大降低了工作量和對設(shè)備的需求，特別適合河流流速、流量的定期巡測和極端條件下的應(yīng)急監(jiān)測。
【專利說明】
基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標(biāo)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種河流水面流場定標(biāo)方法，尤其涉及一種用于河流水面成像測速的 水面流場定標(biāo)方法，屬于視覺測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在利用視頻圖像測量河流水面流速場的河流水面成像測速技術(shù)中，流場定標(biāo)是將 圖像光流場中的運動矢量從圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系，并除以幀間隔得到流速矢量場 的過程。相比工業(yè)檢測中的機器視覺，河流水面的視覺測量存在以下難點:①被測對象為高 程動態(tài)變化的水面，高洪期山溪性河流的水位暴漲暴落，短時內(nèi)變幅可達(dá)數(shù)米;②被測水面 上難以同場布設(shè)控制點，只能分散布設(shè)在兩岸，并需要采用全站儀或DGPS等專業(yè)設(shè)備勘測 其世界坐標(biāo);③為覆蓋完整測量斷面，相機通常架設(shè)于岸邊以一個較小的傾斜視角拍攝待 測水面，透視畸變不僅引起遠(yuǎn)場空間分辨率的降低，而且導(dǎo)致其在待測區(qū)域內(nèi)分布不均;④ 非量測相機的光學(xué)系統(tǒng)存在非線性畸變，尤其是使用廣角鏡頭時遠(yuǎn)離圖像中心的畸變像差 往往不可忽略。
[0003] 目前在應(yīng)用的河流水面成像測速系統(tǒng)中，主要采用以下兩種方式進(jìn)行水面流場定 標(biāo)：
[0004] (1)量測化方式，特點是在精確標(biāo)定相機內(nèi)、外參數(shù)的基礎(chǔ)上將其當(dāng)作量測相機使 用。例如，Bechle等人將單應(yīng)矩陣分解為內(nèi)、外參數(shù)矩陣，首先利用室內(nèi)標(biāo)定板標(biāo)定內(nèi)參數(shù)， 然后利用現(xiàn)場控制點和云臺上的刻度盤標(biāo)定外參數(shù)。然而，在現(xiàn)場應(yīng)用中往往需要根據(jù)水 位高程和光照條件的變化調(diào)節(jié)鏡頭的焦距、光圈以及相機的拍攝角度，從而引起成像光路 和內(nèi)、外參數(shù)的改變，因此量測化方式在應(yīng)急監(jiān)測中通常難以適用。
[0005] (2)非量測方式，特點是直接將普通數(shù)碼相機當(dāng)作非量測相機使用，一般采用基于 直接線性變換(Direct Linear Transformat ion, DLT)的整體標(biāo)定方法求解一組沒有明確 物理意義的中間參數(shù)，建立像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)間的映射關(guān)系。例如，F(xiàn)uj i ta等將水面近似 看作一個恒定高程的平面，并采用二維直接線性變換(DLT)的方法求解圖像平面和物理平 面間的單應(yīng)模型。該方法僅需在河流兩岸布設(shè)4個地面控制點，但需要保證控制點與水面共 面，否則它們在圖像上的投影并不能反映真實的水面高程。作為改進(jìn)，又提出了一種三維的 DLT方法，考慮了控制點到水面的距離并采用水位和比降參數(shù)修正透視變換模型中的水面 高程，能夠顯著提高較小拍攝傾角下（〈10°)的攝影測量精度。非量測方式具有計算簡單快 速，無需內(nèi)、外方位元素初始值的特點，因此相機可以放置于任意位置而無需測定其坐標(biāo)， 特別適合野外應(yīng)急測量。對控制點的布設(shè)方式和勘測精度也較為敏感，使得大視場的測量 精度受限。
[0006] 綜上所述，鑒于河流水面視覺測量存在的難點，現(xiàn)有方法要么精度不高、難以實 用，要么費時費力、難以快速部署。因此，研究并提出一種免控制點的快速水面流場定標(biāo)方 法，對于野外河流的定期巡測和極端條件下洪澇災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對河流水面視覺測量的難點及現(xiàn)有方法存在的不足，提供了 一種基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標(biāo)方法。
[0008] 技術(shù)方案:一種基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標(biāo)方法，包括以 下五個主要步驟：
[0009] (1)設(shè)置斷面標(biāo)志桿，在測量斷面上設(shè)置兩根和水面相交的標(biāo)志桿，用于指示斷面 方向，并將其中一個標(biāo)志桿和水面的交點作為水位參考點；
[0010] (2)架設(shè)成像測量裝置，首先將一臺工業(yè)相機和一臺激光測距儀固連構(gòu)成成像測 量裝置，并架設(shè)在河岸一側(cè);其次調(diào)節(jié)三腳架的位置及云臺的水平，使得單獨改變俯仰角后 激光測距儀的靶點能夠依次照準(zhǔn)兩根標(biāo)志桿，以確保相機光軸位于測量斷面上;然后用激 光測距儀測量其到水位參考點的斜距D和俯仰角δ，并由內(nèi)置的三角測量程序計算測距儀到 水面的垂直距離：
[0011 ] Hl = D · sin5
[0012] 接下來選擇焦距f合適的光學(xué)鏡頭并調(diào)節(jié)拍攝俯仰角，使得相機視場覆蓋完整的 測量斷面并具有盡可能高的空間分辨率，進(jìn)而根據(jù)激光測距儀當(dāng)前的俯仰角V求出工業(yè)相 機光軸的俯仰角：
[0013] α = α7 + Δ α
[0014] 其中，Δα表示預(yù)先標(biāo)定的二者間的角度差值;最后計算工業(yè)相機到水面的垂直距 離：
[0015] H=Hl-cI · cosa
[0016] 其中，d表示激光測距儀測量中心到工業(yè)相機成像中心的距離；
[0017] (3)采集圖像序列，成像測量裝置穩(wěn)定后，以At為時間間隔連續(xù)拍攝總時長為T的 N幅圖像用于流速測量；
[0018] (4)標(biāo)定測速線起點距，首先讀取圖像序列中的第一幅圖像，并根據(jù)測速需求在圖 像中沿斷面方向設(shè)置I條與順流方向平行且大小為MX1的測速線ΜΚΚΙ)，用(&71)表 示測速線中點的圖像坐標(biāo);然后在圖像中提取水位參考點的圖像坐標(biāo)(XQ，yQ)作為計算測速 線起點距的參考零點；最后根據(jù)傾斜視角下的透鏡成像模型，利用圖像中縱坐標(biāo)j從ydijyi 的各像素點在斷面Y方向的物像尺度因子A Y(j)標(biāo)定測速線的起點距：
[0020] 其中，mXn表示相機的圖像分辨率，s表示圖像傳感器的像元尺寸；
[0021] (5)標(biāo)定測速線流速值，對于每條測速線Li，首先以測速線上像素的空間為橫坐 標(biāo)、每幀圖像的時間為縱坐標(biāo)，建立大小為MXN的時空圖像;然后采用時空圖像測速法估計 測速線上運動矢量的大?。?br>[0023]其中，81表示時間T內(nèi)目標(biāo)沿順流方向運動的像素距離，Θ表示時空圖像的紋理主 方向；最后根據(jù)傾斜視角下的透鏡成像模型，利用測速線上像素點在順流X方向的物像尺度 因子A X(yi)標(biāo)定測速線上物理流速的大?。?br>[0025]其中，Vi的正負(fù)反映了測速線上流速的方向。
[0026] 所述的成像測量裝置，工業(yè)相機的殼體頂部和底部均有一個1/4〃螺孔的安裝座， 底部的安裝座和三腳架相連，頂部的安裝座通過一個雙頭連接件和激光測距儀固連，經(jīng)過 調(diào)校使得相機光軸和激光測距儀的光軸平行;工業(yè)相機采用具有全局快門的CMOS圖像傳感 器，以消除運動目標(biāo)的成像畸變;相機的光學(xué)鏡頭采用8mm~16mm的工業(yè)定焦鏡頭，以減少 非線性像差的影響;相機用過USB 3.0接口和平板電腦等現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端相連;激光測距 儀采用室外測量型激光測距儀，測量距離大于200m，測距精度優(yōu)于3mm;內(nèi)置傾角測量模塊， 可測量俯仰角的范圍為-45°~+45°，測角精度優(yōu)于0.1°。
[0027] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：
[0028] 1、快速部署:相比現(xiàn)有方法，無需在河流兩岸布設(shè)控制點并采用全站儀等設(shè)備勘 測控制點坐標(biāo)，大大降低了工作量，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成測點布設(shè)，適合河流流速、流量的定 期巡測和極端條件下的應(yīng)急監(jiān)測。
[0029] 2、設(shè)備簡單:僅需一臺相機和一臺具有傾角測量功能的激光測距儀，而無需全站 儀或DGPS等復(fù)雜及貴重的測繪儀器，不僅降低了測量成本而且便于單人作業(yè)。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的河流水面流場定標(biāo)方法示意圖，圖中標(biāo)號名稱：1為測量斷面;2、3 為斷面標(biāo)志桿;4為水位參考點;5為成像測量裝置;6為相機光軸。
[0031] 圖2是本發(fā)明的成像測量裝置硬件結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)號名稱:51為工業(yè)相機;52 為激光測距儀;53為雙頭連接件。
[0032] 圖3是本發(fā)明的傾斜視角下透鏡成像模型示意圖，（a)為像素位于圖像遠(yuǎn)場的 剖面視圖，（b)為像素pu位于圖像近場剖面視圖，（c)為像素pu位于圖像左側(cè)的立體視圖， (d)為像素位于圖像右側(cè)的立體視圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0034] 本發(fā)明的河流水面流場定標(biāo)方法示意圖如圖1所示。方法包括以下五個主要步驟：
[0035] (1)設(shè)置斷面標(biāo)志桿，在測量斷面1上設(shè)置兩根和水面相交的標(biāo)志桿2、3,用于指示 斷面方向，并將標(biāo)志桿2和水面的交點作為水位參考點4;具體實施時，對于經(jīng)過邊坡改造的 混凝土人工斷面，可以直接在測量斷面的兩岸邊坡上繪制垂直于河道并和水面相交的顯著 標(biāo)志線用來取代上述標(biāo)志桿；
[0036] (2)架設(shè)成像測量裝置，首先將一臺工業(yè)相機和一臺激光測距儀固連構(gòu)成成像測 量裝置5，并架設(shè)在河岸一側(cè);其次調(diào)節(jié)三腳架的位置及云臺的水平，使得單獨改變俯仰角 后激光測距儀的靶點能夠依次照準(zhǔn)標(biāo)志桿2、3,以確保相機光軸6位于測量斷面1上;然后用 激光測距儀測量其到水位參考點4的斜距D和俯仰角δ，并由內(nèi)置的三角測量程序計算測距 儀到水面的垂直距離：
[0037] Hl = D · sin5
[0038] 接下來選擇焦距f合適的光學(xué)鏡頭并調(diào)節(jié)拍攝俯仰角，使得相機視場覆蓋完整的 測量斷面并具有盡可能高的空間分辨率，進(jìn)而根據(jù)激光測距儀當(dāng)前的俯仰角V求出工業(yè)相 機光軸的俯仰角：
[0039] α = α7 + Δ α
[0040] 其中，Δα表示預(yù)先標(biāo)定的二者間的角度差值;最后計算工業(yè)相機到水面的垂直距 離：
[0041] H=Hl-cI · cosa
[0042] 其中，d表示激光測距儀測量中心到工業(yè)相機成像中心的距離；
[0043] (3)采集圖像序列，成像測量裝置穩(wěn)定后，以At為時間間隔連續(xù)拍攝總時長為T的 N幅圖像用于流速測量；
[0044] (4)標(biāo)定測速線起點距，首先讀取圖像序列中的第一幅圖像，并根據(jù)測速需求在圖 像中沿斷面方向設(shè)置I條與順流方向平行且大小為MX1的測速線ΜΚΚΙ)，用(& 71)表 示測速線中點的圖像坐標(biāo);然后在圖像中提取水位參考點4的圖像坐標(biāo)(XQ，yo)作為計算測 速線起點距的參考零點；最后根據(jù)傾斜視角下的透鏡成像模型，利用圖像中縱坐標(biāo)j從yo到 yi的各像素點在Y方向的物像尺度因子Δ Y( j) (m/pixe 1)標(biāo)定測速線的起點距：
[0046] 其中，mXn表示相機的圖像分辨率，s表示圖像傳感器的像元尺寸；
[0047] (5)標(biāo)定測速線流速值，對于每條測速線Li，首先以測速線上像素的空間為橫坐 標(biāo)、每幀圖像的時間為縱坐標(biāo)，建立大小為Μ X N像素的時空圖像;然后采用時空圖像測速法 估計測速線上運動矢量的大?。?br>[0049]其中，81表示時間Τ內(nèi)目標(biāo)沿順流方向運動的像素距離，Θ表示時空圖像的紋理主 方向；最后根據(jù)傾斜視角下的透鏡成像模型，利用測速線上像素點在X方向的物像尺度因子 Δ X(yi)標(biāo)定測速線上物理流速的大?。?br>[0051 ]其中，Vi的正負(fù)反映了測速線上流速的方向。
[0052]本發(fā)明的成像測量裝置硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。工業(yè)相機51的殼體頂部和底 部均有一個1/4〃螺孔的安裝座，底部的安裝座和三腳架相連，頂部的安裝座通過一個雙頭 連接件53和激光測距儀52固連，經(jīng)過調(diào)校使得相機光軸和激光測距儀52的光軸平行。工業(yè) 相機1采用具有全局快門的CMOS圖像傳感器，以消除運動目標(biāo)的成像畸變;具體實施時可采 用?？低暤暮诎坠I(yè)相機MV-CA013-20UM，相機采用了 130萬像素的CMOS圖像傳感器，圖 像分辨率為1280X1024像素，像元尺寸為4.8μπι;相機的光學(xué)鏡頭采用8mm~16mm的工業(yè)定 焦鏡頭，以減少非線性像差的影響;相機用過USB 3.0接口和平板電腦等現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端 相連。激光測距儀52采用室外測量型激光測距儀，測量距離大于200m，測距精度優(yōu)于3mm;內(nèi) 置傾角測量模塊，可測量俯仰角的范圍為-45°~+45°，測角精度優(yōu)于0.1° ;具體實施時可采 用Leica公司的DISTO D5型激光測距儀。
[0053]本發(fā)明的傾斜視角下透鏡成像模型示意圖如圖3所示。模型描述了相機主光軸 〇0(/垂直于X方向并且僅存在俯仰角的情況。其中，像平面坐標(biāo)系用(x，y)表示，物平面坐標(biāo) 系用(X，Y)表示;0為透鏡平面的光心，〇、(/分別為其在像平面和物平面上的投影點；c為像 平面延長線和通過光心的水平線的交點;Η為光心到物平面的垂直距離，C為對應(yīng)的垂足點； 相機的俯仰角α定義為相機主光軸和物平面間的夾角。當(dāng)物距遠(yuǎn)大于像距時，焦距f與像距 近似相等，圖像中坐標(biāo)為（i，j)的像素PU的物像尺度因子可以用其物點Pu和X、Y方向上相 鄰像素對應(yīng)物點的距離來表示，即：
[0055] 假設(shè)像素位于圖像的遠(yuǎn)場（圖3a)，其在y方向相鄰像素Pl.j+1對應(yīng)的物點用 P1>J+1表示，兩點在物平面主縱線上的投影點分別為PjPPw，與物平面的夾角分別為β和γ， 在像平面主縱線上的投影點分別為W和Ρ川。根據(jù)式（1)，pw在y方向的物像尺度因子可表 示為：
[0056] Δ Y(i，j) =Pj+iC_PjC = H · (Ι/tan γ-l/tanP) (2)
[0057] 對于投影點W，滿足以下三角關(guān)系：
[0059] 其中，S表示圖像傳感器的像元尺寸。由于<1 = 2(3〇〇、0=2(3(^」，代入上式得：
[0065]由于arctanO是奇函數(shù)，當(dāng)像素pu位于圖像近場（圖3b)時同樣滿足上式。
[0066]假設(shè)像素Plu位于圖像的左側(cè)（圖3c)，其在X方向相鄰像素p1+1.j對應(yīng)的物點用 Pi+i, j表不，射線Pi, j〇和Pi+i, j〇與投影線Pj〇的夾角分別用辦和Φ表不。根據(jù)式（1)，Pi, j在X方 向的物像尺度因子可表示為：
[0068]對于像素pu，滿足以下三角關(guān)系：：
[0080]可見，AX(i，j)和圖像坐標(biāo)i無關(guān)。當(dāng)像素PU位于圖像右側(cè)（圖3d)時同樣滿足上 式。
【主權(quán)項】
1. 一種基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標(biāo)方法，其特征在于，包括W 下五個主要步驟： (1) 設(shè)置斷面標(biāo)志桿，在測量斷面1上設(shè)置兩根和水面相交的標(biāo)志桿2、3,用于指示斷面 方向，并將標(biāo)志桿2和水面的交點作為水位參考點4; (2) 架設(shè)成像測量裝置，首先將一臺工業(yè)相機和一臺激光測距儀固連構(gòu)成成像測量裝 置5,并架設(shè)在河岸一側(cè);其次調(diào)節(jié)Ξ腳架的位置及云臺的水平，使得單獨改變俯仰角后激 光測距儀的祀點能夠依次照準(zhǔn)標(biāo)志桿2、3，W確保相機光軸6位于測量斷面1上;然后用激光 測距儀測量其到水位參考點4的斜距D和俯仰角δ，并由內(nèi)置的Ξ角測量程序計算測距儀到 水面的垂直距離： Hl = D · 8?ηδ 接下來選擇焦距f合適的光學(xué)鏡頭并調(diào)節(jié)拍攝俯仰角，使得相機視場覆蓋完整的測量 斷面并具有盡可能高的空間分辨率，進(jìn)而根據(jù)激光測距儀當(dāng)前的俯仰角〇/求出工業(yè)相機光 軸的俯仰角： 口 = 口/ + Δ 口 其中，Δα表示預(yù)先標(biāo)定的二者間的角度差值;最后計算工業(yè)相機到水面的垂直距離： H=Hl-d · cos口 其中，d表示激光測距儀測量中屯、到工業(yè)相機成像中屯、的距離； (3) 采集圖像序列，成像測量裝置穩(wěn)定后，W At為時間間隔連續(xù)拍攝總時長為T的N幅 圖像用于流速測量； (4) 標(biāo)定測速線起點距，首先讀取圖像序列中的第一幅圖像，并根據(jù)測速需求在圖像中 沿斷面方向設(shè)置I條與順流方向平行且大小為MX1的測速線以（1《1《1)，用(xi，yi)表示測 速線中點的圖像坐標(biāo);然后在圖像中提取水位參考點4的圖像坐標(biāo)(xo，yo)作為計算測速線 起點距的參考零點；最后根據(jù)傾斜視角下的透鏡成像模型，利用圖像中縱坐標(biāo)j從y日到y(tǒng)i的 各像素點在斷面Y方向的物像尺度因子A Y(j)標(biāo)定測速線的起點距：其中，m X η表示相機的圖像分辨率，S表示圖像傳感器的像元尺寸； (5) 標(biāo)定測速線流速值，對于每條測速線k，首先W測速線上像素的空間為橫坐標(biāo)、每帖 圖像的時間為縱坐標(biāo)，建立大小為MXN的時空圖像;然后采用時空圖像測速法估計測速線 上運動矢量的大小：其中，Si表示時間T內(nèi)目標(biāo)沿順流方向運動的像素距離，Θ表示時空圖像的紋理主方向； 最后根據(jù)傾斜視角下的透鏡成像模型，利用測速線上像素點在順流X方向的物像尺度因子 A X(yi)標(biāo)定測速線上物理流速的大?。浩渲?，Vi的正負(fù)反映了測速線上流速的方向。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標(biāo)方法，其 特征在于，對于經(jīng)過邊坡改造的混凝±人工斷面，可W直接在測量斷面的兩岸邊坡上繪制 垂直于河道并和水面相交的顯著標(biāo)志線用來取代上述標(biāo)志桿。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標(biāo)方法，其 特征在于，工業(yè)相機5的殼體頂部和底部均有一個1/4"螺孔的安裝座，底部的安裝座和Ξ腳 架相連，頂部的安裝座通過一個雙頭連接件53和激光測距儀52固連，經(jīng)過調(diào)校使得相機光 軸和激光測距儀的光軸平行；工業(yè)相機51采用具有全局快口的CMOS圖像傳感器，W消除運 動目標(biāo)的成像崎變;相機的光學(xué)鏡頭采用8mm~16mm的工業(yè)定焦鏡頭，W減少非線性像差的 影響；相機用過USB 3.0接口和平板電腦等現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端相連;激光測距儀2采用室外 測量型激光測距儀，測量距離大于200m，測距精度優(yōu)于3mm;內(nèi)置傾角測量模塊，可測量俯仰 角的范圍為-45°~+45°，測角精度優(yōu)于0.1°。
【文檔編號】G01C13/00GK106092061SQ201610380625
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】張振, 譚松林, 李斌, 高紅民
【申請人】河海大學(xué)