基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標方法
【專利摘要】本發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方法。首先在河流測量斷面上設置兩個標志桿用于定向；然后將一臺激光測距儀和工業相機進行固連作為成像測量裝置，并架設在河岸一側的測量斷面上；接下來用激光測距儀測量裝置到標志桿和水面間交點的距離，并通過內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，進而標定對應的起點距和流速值，完成流場定標。相比現有方法，無需在河流兩岸布設控制點并用全站儀等復雜設備勘測其坐標，大大降低了工作量和對設備的需求，特別適合河流流速、流量的定期巡測和極端條件下的應急監測。
【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方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種河流水面流場定標方法，尤其涉及一種用于河流水面成像測速的 水面流場定標方法，屬于視覺測量領域。
【背景技術】
[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中，流場定標是將 圖像光流場中的運動矢量從圖像坐標系轉換為世界坐標系，并除以幀間隔得到流速矢量場 的過程。相比工業檢測中的機器視覺，河流水面的視覺測量存在以下難點:①被測對象為高 程動態變化的水面，高洪期山溪性河流的水位暴漲暴落，短時內變幅可達數米;②被測水面 上難以同場布設控制點，只能分散布設在兩岸，并需要采用全站儀或DGPS等專業設備勘測 其世界坐標;③為覆蓋完整測量斷面，相機通常架設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場空間分辨率的降低，而且導致其在待測區域內分布不均;④ 非量測相機的光學系統存在非線性畸變，尤其是使用廣角鏡頭時遠離圖像中心的畸變像差 往往不可忽略。
[0003] 目前在應用的河流水面成像測速系統中，主要采用以下兩種方式進行水面流場定 標：
[0004] (1)量測化方式，特點是在精確標定相機內、外參數的基礎上將其當作量測相機使 用。例如，Bechle等人將單應矩陣分解為內、外參數矩陣，首先利用室內標定板標定內參數， 然后利用現場控制點和云臺上的刻度盤標定外參數。然而，在現場應用中往往需要根據水 位高程和光照條件的變化調節鏡頭的焦距、光圈以及相機的拍攝角度，從而引起成像光路 和內、外參數的改變，因此量測化方式在應急監測中通常難以適用。
[0005] (2)非量測方式，特點是直接將普通數碼相機當作非量測相機使用，一般采用基于 直接線性變換(Direct Linear Transformat ion, DLT)的整體標定方法求解一組沒有明確 物理意義的中間參數，建立像方坐標和物方坐標間的映射關系。例如，Fuj 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 面間的單應模型。該方法僅需在河流兩岸布設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，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、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， 特別適合野外應急測量。對控制點的布設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方 法，對于野外河流的定期巡測和極端條件下洪澇災害的應急監測具有重要意義。

【發明內容】

[0007] 發明目的：本發明針對河流水面視覺測量的難點及現有方法存在的不足，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方法。
[0008] 技術方案:一種基于傾斜視角下透鏡成像模型的河流水面流場定標方法，包括以 下五個主要步驟：
[0009] (1)設置斷面標志桿，在測量斷面上設置兩根和水面相交的標志桿，用于指示斷面 方向，并將其中一個標志桿和水面的交點作為水位參考點；
[0010] (2)架設成像測量裝置，首先將一臺工業相機和一臺激光測距儀固連構成成像測 量裝置，并架設在河岸一側;其次調節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兩根標志桿，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合適的光學鏡頭并調節拍攝俯仰角，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，進而根據激光測距儀當前的俯仰角V求出工業相 機光軸的俯仰角：
[0013] α = α7 + Δ α
[0014] 其中，Δα表示預先標定的二者間的角度差值;最后計算工業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相機成像中心的距離；
[0017] (3)采集圖像序列，成像測量裝置穩定后，以At為時間間隔連續拍攝總時長為T的 N幅圖像用于流速測量；
[0018] (4)標定測速線起點距，首先讀取圖像序列中的第一幅圖像，并根據測速需求在圖 像中沿斷面方向設置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;然后在圖像中提取水位參考點的圖像坐標(XQ，yQ)作為計算測速 線起點距的參考零點；最后根據傾斜視角下的透鏡成像模型，利用圖像中縱坐標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、每幀圖像的時間為縱坐標，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：
[0023]其中，81表示時間T內目標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)標定測速線上物理流速的大小：
[0025]其中，Vi的正負反映了測速線上流速的方向。
[0026] 所述的成像測量裝置，工業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，經過 調校使得相機光軸和激光測距儀的光軸平行;工業相機采用具有全局快門的CMOS圖像傳感 器，以消除運動目標的成像畸變;相機的光學鏡頭采用8mm~16mm的工業定焦鏡頭，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場數據采集終端相連;激光測距 儀采用室外測量型激光測距儀，測量距離大于200m，測距精度優于3mm;內置傾角測量模塊， 可測量俯仰角的范圍為-45°~+45°，測角精度優于0.1°。
[0027] 本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果：
[0028] 1、快速部署:相比現有方法，無需在河流兩岸布設控制點并采用全站儀等設備勘 測控制點坐標，大大降低了工作量，可在數分鐘內完成測點布設，適合河流流速、流量的定 期巡測和極端條件下的應急監測。
[0029] 2、設備簡單: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。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發明的河流水面流場定標方法示意圖，圖中標號名稱：1為測量斷面;2、3 為斷面標志桿;4為水位參考點;5為成像測量裝置;6為相機光軸。
[0031] 圖2是本發明的成像測量裝置硬件結構示意圖，圖中標號名稱:51為工業相機;52 為激光測距儀;53為雙頭連接件。
[0032] 圖3是本發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位于圖像左側的立體視圖， (d)為像素位于圖像右側的立體視圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0034] 本發明的河流水面流場定標方法示意圖如圖1所示。方法包括以下五個主要步驟：
[0035] (1)設置斷面標志桿，在測量斷面1上設置兩根和水面相交的標志桿2、3,用于指示 斷面方向，并將標志桿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 標志線用來取代上述標志桿；
[0036] (2)架設成像測量裝置，首先將一臺工業相機和一臺激光測距儀固連構成成像測 量裝置5，并架設在河岸一側;其次調節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標志桿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合適的光學鏡頭并調節拍攝俯仰角，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，進而根據激光測距儀當前的俯仰角V求出工業相 機光軸的俯仰角：
[0039] α = α7 + Δ α
[0040] 其中，Δα表示預先標定的二者間的角度差值;最后計算工業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相機成像中心的距離；
[0043] (3)采集圖像序列，成像測量裝置穩定后，以At為時間間隔連續拍攝總時長為T的 N幅圖像用于流速測量；
[0044] (4)標定測速線起點距，首先讀取圖像序列中的第一幅圖像，并根據測速需求在圖 像中沿斷面方向設置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;然后在圖像中提取水位參考點4的圖像坐標(XQ，yo)作為計算測 速線起點距的參考零點；最后根據傾斜視角下的透鏡成像模型，利用圖像中縱坐標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、每幀圖像的時間為縱坐標，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小：
[0049]其中，81表示時間Τ內目標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)標定測速線上物理流速的大小：
[0051 ]其中，Vi的正負反映了測速線上流速的方向。
[0052]本發明的成像測量裝置硬件結構示意圖如圖2所示。工業相機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，經過調校使得相機光軸和激光測距儀52的光軸平行。工業 相機1采用具有全局快門的CMOS圖像傳感器，以消除運動目標的成像畸變;具體實施時可采 用海康威視的黑白工業相機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;相機的光學鏡頭采用8mm~16mm的工業定 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場數據采集終端 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，測距精度優于3mm;內 置傾角測量模塊，可測量俯仰角的范圍為-45°~+45°，測角精度優于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，像平面坐標系用(x，y)表示，物平面坐標 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。當物距遠大于像距時，焦距f與像距 近似相等，圖像中坐標為（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 鄰像素對應物點的距離來表示，即：
[0055] 假設像素位于圖像的遠場（圖3a)，其在y方向相鄰像素Pl.j+1對應的物點用 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，當像素pu位于圖像近場（圖3b)時同樣滿足上式。
[0066]假設像素Plu位于圖像的左側（圖3c)，其在X方向相鄰像素p1+1.j對應的物點用 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，滿足以下三角關系：：
[0080]可見，AX(i，j)和圖像坐標i無關。當像素PU位于圖像右側（圖3d)時同樣滿足上 式。
【主權項】
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方法，其特征在于，包括W 下五個主要步驟： (1) 設置斷面標志桿，在測量斷面1上設置兩根和水面相交的標志桿2、3,用于指示斷面 方向，并將標志桿2和水面的交點作為水位參考點4; (2) 架設成像測量裝置，首先將一臺工業相機和一臺激光測距儀固連構成成像測量裝 置5,并架設在河岸一側;其次調節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標志桿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合適的光學鏡頭并調節拍攝俯仰角，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，進而根據激光測距儀當前的俯仰角〇/求出工業相機光 軸的俯仰角： 口 = 口/ + Δ 口 其中，Δα表示預先標定的二者間的角度差值;最后計算工業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、到工業相機成像中屯、的距離； (3) 采集圖像序列，成像測量裝置穩定后，W At為時間間隔連續拍攝總時長為T的N幅 圖像用于流速測量； (4) 標定測速線起點距，首先讀取圖像序列中的第一幅圖像，并根據測速需求在圖像中 沿斷面方向設置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;然后在圖像中提取水位參考點4的圖像坐標(xo，yo)作為計算測速線 起點距的參考零點；最后根據傾斜視角下的透鏡成像模型，利用圖像中縱坐標j從y日到yi的 各像素點在斷面Y方向的物像尺度因子A Y(j)標定測速線的起點距：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、每帖 圖像的時間為縱坐標，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內目標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)標定測速線上物理流速的大小：其中，Vi的正負反映了測速線上流速的方向。2. 根據權利要求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方法，其 特征在于，對于經過邊坡改造的混凝±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志線用來取代上述標志桿。3. 根據權利要求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方法，其 特征在于，工業相機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，經過調校使得相機光 軸和激光測距儀的光軸平行；工業相機51采用具有全局快口的CMOS圖像傳感器，W消除運 動目標的成像崎變;相機的光學鏡頭采用8mm~16mm的工業定焦鏡頭，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場數據采集終端相連;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，測距精度優于3mm;內置傾角測量模塊，可測量俯仰 角的范圍為-45°~+45°，測角精度優于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
【發明人】張振, 譚松林, 李斌, 高紅民
【申請人】河海大學