[发明专利]一种双目立体视觉精细地形测量系统及方法

说明书

本发明提供了一种双目立体视觉精细地形测量系统及方法，系统包括硬件装置和通讯部分，软件数据处理模块，坐标系转换处理程序。双目视觉相机，用于通过GigE Vision数字接口与NI‑MAX配置管理软件建立连接，为LabVIEW开发凭条的NI‑IMAQ图像采集与处理系统提供软件与硬件设备之间的通信支持，完成High‑Speed高分辨的图像采集与处理。设置重力感应装置确定竖直方向，利用GPS定位器实现深度图像的获取及拍摄点经纬度的确定，然后建立坐标转换关系，实现坐标转换。本发明实现高精度地形图的动态过程测量、实时监测、远程传输和多用户数据共享。

技术领域

本发明涉及地形测量技术领域，具体而言，涉及一种双目立体视觉精细地形测量系统及方法。

背景技术

地形地貌的快速精细化动态监测是陆地表层各项科学研究的重要数据基础和难点所在，精确的获取地形地貌数据对于认识流域地貌变化过程及原因具有重要意义。在全球气候变化的背景条件下，以水力作用为驱动力的水土流失问题日益严重，引发土地退化、生态失调、旱涝灾害频发以及淤塞下游河道，具有严重的当地效应和异地效应，此外滑坡、泥石流等自然灾害频发也直接威胁着流域内的人民生命财产安全。精细地形获取不仅有助于快速获取坡面水土流失监测，还可应用于滑坡体地面缝隙监测、崩塌散落物分布特征以及河道形变和泥石流动态监测等，这些精细地形监测可为认识地貌演变过程，建设合理的自然灾害(滑坡、泥石流等)预警和防范体系提供技术支持和帮助，对社会可持续发展具有重要意义(Montanarella and Vargas,2012)。

地面大尺度地形测量常常依赖于遥感、无人机等技术，但不同于大尺度地形监测，厘米级的精细地形测量则需要更精密的仪器。在流域地形地貌监测中，地表沟壑形态变化监测是其中的主要内容，监测的主要目的是基于现场测量或遥感产品得到地形的数字高程模型(DEM)。传统的测尺法或者地形测针法能够粗略的获取所测区域的大致地形特征，但费时费力且无法获取高精度的地形数据，不能满足目前对流域地形地貌演变的研究需求，需要结合现代科技开展新方法和新技术。在进行现场测量时，通常需要精确测量设备，如全站仪、高精度卫星系统(GNSS)接收器、激光轮廓仪等(Castillo et al.,2012)，这些设备通常不易获得或价格昂贵，此外，地形变化和沉积过程的变化需要密集的XYZ坐标数据，一般通过地面激光扫描(TLS)(Perroy et al.,2012)或机载激光扫描(ALS)(Heritage andHetherington,2007)获取。TLS精度较高，但需要在地面小范围内使用，因而会受到一定限制，ALS通常无法精确捕捉小面积地形(Perroy et al.,2010)，但可以快速获取大范围的地形数据，其成本和可行性方面使其在大多数监测项目的使用受到限制(表1)。高精度GPS(RTK)技术是实时处理两个测站载波相位的差分信号，通过基站与流动站接收机的无线信号传输实现厘米级三维定位精度的现代测量方法。该技术精度高且不受恶劣天气影响因而受到野外地形测量工作者的重视和欢迎，但该方法在作业过程中需要测量者接触每一个测量位置，这在地形复杂地区是很难做到的，因此应用范围受到限制(表1)。对于遥感产品获取地形数据，如航空照片和卫星图像，需要有足够高的分辨率来获取高精度DEM(Giménezet al.,2009)，虽然高分辨率图像(分辨率为1m)的获取方式越来越多，但立体视图图像的获取需要大量的资金，而且基于此方法获取的地形数据精度不足以精细模拟地形变化，因此需要寻找更合适的方法快速精细获取地形变化数据。

表1 常见的地形测量仪器性能对比