[发明专利]三维地貌观测方法

说明书

技术领域

本发明属于地形测量技术领域，涉及到三维沟坡微地貌实时定量观测的方法。

背景技术

随着人们在地形测量领域研究不断深入以及激光技术、光学技术、超声波技术、计算机技术和图像处理技术等先进技术的发展，地形测量方法已由传统的水准仪加经纬仪单点的接触式测量方法发展到三维激光扫描、超声波测量、近景摄影测量等快速高效的非接触式测量方法。目前，国内外对小范围实验地貌的观测技术主要分为以下几类：

第一类，三维激光扫技术，通过向目标表面发射脉冲激光束和接受经目标表面返回的激光束，以激光定位原理精确测量物体表面点的三维坐标，以大量空间点或点云的方式真实再现被测物体彩色和三维立体景观。如莱卡公司推出的Cyra三维激光扫描系统已有很多工程应用实例(范海英，杨伦，邢志辉等.Cyra三维激光扫描系统的工程应用研究[J].矿山测量，2004(3)：16-18)。三维激光扫描仪一般是采用激光点阵扫描方式通过被测区域，要完成大量点群测量需要一定时间，目前大部分研究只是利用三维激光扫描仪对静态目标进行高精度测量。同时，三维激光扫描仪是个黑箱系统，难以检校，维护困难，设备成本高。

第二类，近景摄影测量方法，是基于双目视差原理，通过已知2个摄像机的相对位置，来获取公共视场内物体上特征点的三维坐标。张祖勋等研制的多基线数字近景摄影测量系统(张祖勋，杨生春，张剑清等.多基线-数字近景摄影测量[J].地理空间信息，2007，5(1)：1-4)，在较高精度的三维测量和变形观测已有成功应用实例。在近景摄影测量过程中，一般需对被测目标表面进行预处理，如在目标表面做相应数量的人工标志和布设相应数量的控制点等，属于接触式测量；测量过程中，要求拍摄的每一张图像中必须有相应数量的已知空间坐标的控制点，必须设有2个以上摄站，观测时间较长，只适用于静态目标的测量。同时像点的匹配算法和过程都很复杂，这也在一定程度上限制了测量的效率和推广使用范围。

第三类，超声波技术，是一种基于回声定位原理，利用超声波的发射、传播、穿透和反射等性能探测地形地貌的技术。超声地形仪实现了地形的无接触测量，对地形的干扰小，可在实验室内精确地测量地形，如林海立等研制的超声地形仪(林海立，曲兆松，王兴奎.河工模型超声地形仪的数字信号处理[J].水力发电，2004，30(11)：78-80)。在空气中，由于声的传播速度远不如光的传播速度快且声波的回声信号也容易受到干扰，所以超声地形仪很难实现在短时间内获得被测目标的大量空间点或点云的空间坐标，不适用于地面动态目标观测。

到目前为止，国内外大都是利用激光定位、声波定位、摄影测量等技术中的一种技术研制高精度、超高精度的地形测量装置，这些测量设备投入大，技术手段单一，不适合对动态目标进行定量观测。中国的水土流失、土壤侵蚀是已上升为最大的环境问题，带来的损失与日俱增，已成一个必须得到尽快解决的问题。长期以来，围绕侵蚀定量观测方面，特别针对沟坡重力侵蚀实时定量观测方面一直缺乏合适的观测手段。因此，发明一种可对三维动态沟坡地形进行精确高效、非接触式定量观测和简易经济的地形测量仪已成为沟坡重力侵蚀定量化研究的关键技术。

发明内容

本发明提供一种在沟坡微地貌发生连续变化的条件下，实时获取被测沟坡面点群的空间坐标信息，实现对任意观测时刻的三维沟坡微地貌体积、面积、坡度分布值进行非接触定量观测的技术方法。

本发明利用地形定位装置和图像数据采集装置实时获取沟坡面点群的空间坐标信息；通过在观测录像中截取地貌图像，导入计算机经处理后，形成被测沟坡的数字模型，实现对三维沟坡微地貌任意观测时刻的非接触式定量观测。

本发明的技术方案如下：

其中地形定位装置由测桥、激光定位点斑发射装置和稳压直流电源组成；图像数据采集装置由计算机和带激光瞄准仪的摄像机组成。

测桥由一组一字线型激光模组、激光模组微调支架、测桥主梁、测桥盖板和供电线路组成，测桥的长度由被观测沟坡范围确定；一字线型激光模组可采用红光、绿光两种光色型号，功率可采用50～100mW，数量由被测沟坡范围和观测精度要求确定，多个不同光色型号的一字线型激光模组通过激光模组微调支架平行相间地布设在测桥主梁上，之间采用并联电路连接，由稳压直流电源提供3～5V电压；通电后，一字线型激光模组向被测沟坡面发射一组已知间距的、相互平行且连续的扇形面激光。扇形面激光与沟坡面相交形成一组清晰可见的激光定位线，实时跟踪沟坡面地形变化和定位沟坡空间位置。