一种冲刷地形的三维观测方法

摘要

一种冲刷地形的三维观测方法，属于地形测量领域。其特征是通过全平面激光投射机和地形图像标定装置向被测冲刷地形发射全平面激光和激光定位点斑：全平面激光在地形表面形成等高线，激光定位点斑则作为地形图像尺寸率定和变形校正的控制点；按一定步距平移或升降全平面激光投射机，利用图像采集装置采集不同起始高程的地形图像并经计算机软件进行叠加融合，实现地形表面点的密集采集；依据图像中激光线条的几何信息获取地形表面点的三维坐标，得到微间距数字地形等高线图，实现对冲刷地形的非接触式三维测量及其三维模型的计算分析。整套系统具有较高的观测效率和精度，适用于河工模型试验中地形三维观测方面研究。

主权项

一种冲刷地形的三维观测方法，利用冲刷地形的三维观测装置，获取被测冲刷地形(22)表面点群的空间坐标信息，经计算机软件率定、校正、叠加融合不同起始高程的地形图像，形成被测地形微间距的数字地形等高线图，实现对冲刷地形(22)的非接触式三维测量及其三维模型的计算分析；其特征包括如下步骤：1)全平面激光投射机向其周围冲刷地形(22)发射一组已知间距、水平的全平面激光(23)，并与地形表面相交所形成一组清晰可见的激光线条，作为地形的等高线；在全平面激光投射机自重的作用下，通过激光投射机顶部的万向节(27)自动调节全平面激光(23)的水平角度，使全平面激光(23)与水平面平行；利用点斑式激光模组(16)向被测冲刷地形(22)发射出一组相互平行且与水平面垂直的激光线，激光线与地形表面相交形成一组激光定位点斑(24)，激光定位点斑(24)在水平面投影点的相对位置已知，作为地形图像尺寸率定和变形校正的控制点；2)控制数码相机(17)拍摄地形表面的激光线条和激光定位点斑(24)，获取地形表面点群的空间坐标信息；利用相机重心定位盒(28)准确地确定数码相机(17)的重心位置，再配合万向节(27)，在数码相机(17)自重作用下，自动调整数码相机(17)的拍摄角度，使相机主光轴(18)垂直于水平面；3)通过移动支架滑动底座(29)使全平面激光投射机水平移动至被测冲刷地形(22)的最低高程点的正上方；通过主机升降机(31)按设定步距逐次升高或降低全平面激光投射机，改变激光投射机的底部高程，分别采集不同起始高程的地形图像；每次升降全平面激光投射机时，利用激光测距仪(14)精确测量其顶部到底部被测地形最底高程点的距离；由已知固定参考点的高程值和 各面激光的已知间距即换算得到地形图像中各激光线条的高程值；4)把不同起始高程的地形图像导入到计算机软件，根据激光定位点斑(24)的坐标值对地形图像进行尺寸率定和变形校正，并根据各面激光之间的已知间距依次对图像中的激光线条进行赋值，形成不同起始高程的地形等值线图，按起始高程大小顺序逐次叠加融合不同起始高程的地形等值线图，便形成微间距的数字地形等高线图，实现对冲刷地形(22)的非接触式三维测量；所述的一种冲刷地形的三维观测装置，由全平面激光投射机、图像采集装置、地形图像标定装置、主机升降装置、固定支架结构和供电系统组成；全平面激光投射机包括多组一字线型激光模组(1)、固定套环(2)、固定螺丝(3)、微调螺丝(4)、弹簧(5)、微调支板(6)、水平固定隔板(7)、竖向固定隔板(8)、投射机主梁(9)、顶盖板(10)、侧盖板(11)、激光测距仪(14)、测距仪固定架(15)和万向节(27)；全平面激光投射机通过万向节(27)、连接杆(26)与支架(25)连接固定；一字线型激光模组(1)通过固定套环(2)和固定螺丝(3)与微调支板(6)固定连接，微调支板(6)通过微调螺丝(4)与水平固定隔板(7)连接，各个一字线型激光模组(1)之间采用并联电路连接，由稳压直流电源(19)提供电压；同一层的多个一字线型激光模组(1)沿圆环形的水平固定隔板(7)切向互成一夹角并排均匀布设，每层水平固定隔板(7)分为三个单元；通过调节微调螺丝(4)改变弹簧(5)的长度微调一字线型激光模组(1)发射出的面激光角度；水平固定隔板(7)与竖向固定隔板(8)、顶盖板(10)与侧盖板(11)都通过螺栓连接；图像采集装置由数码相机(17)、计算机(20)、相机重心定位盒(28)和万向节(27)组成；数码相机(17)固定在相机重心定位盒(28)中，通过万向节(27)与支架(25)连接，相机主光轴(18)垂直于全平面激光(23)；相 机重心定位盒(28)准确定位相机的重心；计算机(20)控制数码相机(17)采集地形图像数据；全平面激光投射机向被测冲刷地形(22)发射一组水平的全平面激光(23)，与地形表面相交形成一组地形高程标示激光线条，同时地形图像标定装置向被测冲刷地形(22)发射一组激光定位点斑(24)，图像采集装置实时采集冲刷地形(22)表面的空间坐标信息；地形图像标定装置由点斑式激光模组(16)和固定支板(21)组成；点斑式激光模组(16)均匀布设在固定支板(21)上，接通电源后向被测地形发射一组相互平行且与水平面垂直的激光线；主机升降装置由主机升降机(31)和钢丝绳(32)组成；主机升降机(31)以设定步距逐次升高或降低全平面激光投射机，改变其底部高程；固定支架结构由支架(25)和支架滑动底座(29)组成。