基于倾斜视角下透镜成像模型的河流水面流场定标方法

摘要

本发明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。

主权项

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：H_L＝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＝H_L‑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L_i(1≤i≤I)，用(x_i,y_i)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y_i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：${\mathrm{Dist}}_i=\underset{j=y_0}{\overset{y_i}{\Sigma }}\Delta Y\left(j\right)=\underset{j=y_0}{\overset{y_i}{\Sigma }}H·\left\{1/\tan [\alpha +\arctan \frac{(n/2-j-1)s}{f}]-1/\tan [\alpha +\arctan \frac{(n/2-j)s}{f}]\right\}$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L_i，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：$v_i=\frac{s_i}{T}=\frac{s_i}{N·\Delta t}=\frac{tan\theta }{\Delta t}$其中，s_i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(y_i)标定测速线上物理流速的大小：$V_i=v_i·\Delta X\left(y_i\right)=v_i·\frac{Hs}{\sqrt{{\left[(n/2-y_i)s\right]}^2+f^2}}/tan[\alpha +\arctan \frac{(n/2-y_i)s}{f}]$其中，V_i的正负反映了测速线上流速的方向。