[发明专利]一种基于变高单应的河流水面摄影测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种摄影测量方法，尤其涉及一种基于变高单应的河流水面摄影测量方法，属于数字摄影测量技术领域。

背景技术

摄影测量是通过对成像系统拍摄的图像进行分析计算，测量出被测物体在三维空间中几何参数和运动参数的一种测量手段。摄影成像过程是从三维空间向二维图像的映射，这种从高维空间向较低维空间的映射关系就是投影。图像中像素的灰度值反映了空间点的光强，而该像素的图像位置对应于空间点的几何位置，二者位置间的相互对应关系由成像系统的成像模型决定。

河流水面摄影测量是河流水面成像测速方法的重要组成部分，是一种非接触式的明渠水流监测技术。相比工业检测中的机器视觉以及测绘工程中的近景摄影测量，它存在以下难点：（1）图像透视畸变严重。机器视觉通常以中小型工件为检测对象，视场面积一般在数平方米以内；而河流水面成像测速需要覆盖几十至数千平方米的水域，在无法将相机架高的情况下，通常只能以一个较小的倾斜视角拍摄水面图像，导致严重的图像透视畸变，进而引起图像远场空间分辨率的损失。（2）控制点布设困难。近景摄影测量通常以建筑物等可达的目标为对象，易于在其表面设置合作标志；而在流动的水面布设控制点几乎不可行，特别是在高洪期涉水工作存在极大风险。（3）水面高程动态变化。高洪期山溪性河流的水位暴涨暴落，短时内变幅可达数米，如果在流场定标时不对水位参数进行修正将产生较大的误差，这种影响在小角度下尤为严重。（4）光学系统存在像差。非量测相机的光学畸变不可忽略，尤其在使用广角镜头时，远离图像中心像素的畸变更为明显。现有基于直接线性变换（DLT）的方法未考虑像差的影响，难以满足大尺度河流水面的高精度摄影测量需求。上述问题制约了河流水面成像测速方法的应用推广。

发明内容

本发明针对现有方法存在的不足，提供了一种基于变高单应的河流水面摄影测量方法。

该方法通过以下技术手段实现：

基于变高单应的河流水面摄影测量方法，分为以下六个步骤：

（1）布设测量系统。将用于河流水面摄影测量的数字相机1架设于测验河段水尺2断面附近的河岸上，以倾斜视角拍摄河流水面，成像分辨率应保证水尺的刻度清晰可辨；在河流两岸相机视场内的岸坡上均匀对称地布设8个非共面的地面控制点GCP3；在对岸上、下游的岸坡上布设两根垂直于水面的标志杆4，将标志杆4及水尺2和水面的交点作为水面控制点WCP；将一台免棱镜全站仪5架设于相机附近，测量所有GCP和WCP的世界坐标；

（2）提取GCP图像坐标。采用人机交互的方式从图像中提取GCP的亚像素图像坐标；

（3）求解DLT系数。采用直接线性变换法求解DLT系数；

（4）优化像差系数。采用非线性迭代法优化像差系数。

（5）求解水面高程系数。提取实时水位值并利用3个WCP的世界坐标计算比降系数和水位系数，建立水面高程模型；

（6）计算像点物方坐标。通过变高单应关系将水面像点坐标转换为物方坐标，完成河流水面摄影测量。

所述的GCP采用20×20cm的方形对角标志，由4个黑白相间的角形区域组成；

所述的两根标志杆的间距不大于相机视场中近岸水面边界的宽度，标志杆的长度大于河段水位的最大变幅；

所述的人机交互的方式是指：首先通过点击鼠标在图像中选取人工对角标志中心附近的任意像素，然后以该像素为中心建立一个矩形搜索区域，最后采用Forstner算子检测搜索区域内的角点，极值兴趣值对应的角点坐标即为GCP的亚像素图像坐标；

所述的河流水面高程模型可表示为：

Z＝D₁X+D₂Y+D₃

其中，(X,Y,Z)表示物点的世界坐标，D₁、D₂分别为河段在X和Y方向的比降系数，D₃为断面的水位系数，可以表示为实时水位测量值l(t)与水位基准点在当前世界坐标系中的高程Z₀之差，即：

D₃＝l(t)-Z₀

其中，l(t)采用图像识别的方法从水尺图像中自动判读并提取；

所述的变高单应可表示为：